Внедрение на судовых дизелях новых типов топливных систем и в первую очередь электронных систем управления подачей топлива позволили оптимизировать рабочие процессы применительно к заданным условиям эксплуатации. В этой связи представляется интересным выделить некоторые пути совершенствования рабочего процесса двигателей путем оптимального выбора закона подачи топлива в цилиндр.
Наметившаяся в последние годы тенденция повышения давлений впрыска направлена на сокращение периода подачи и повышение полноты сгорания топлива.
На рисунке 5.26а показан процесс впрыска с резким ростом давления в начальной стадии и последующим спадом, сопровождаемым уменьшением скорости поступления топлива в цилиндр. Такая реализация закона впрыска характерна для высокофорсированных топливных систем непосредственного действия и аккумуляторных систем с малыми объемами аккумулятора. Высокое давление в начальной стадии способствует большой скорости истечения первых порций топлива, поступающих в камеру сгорания. В результате этого первые порции хорошо распыляются, распределяясь по всему объему камеры сгорания, предпламенные процессы протекают быстрее, а время задержки самовоспламенения уменьшается.
Воспламенение и сгорание первых порций приводит к тому, что последующее топливо, несмотря на худшее качество распыливания, поступает в среду с повышенной температурой и давлением, в которой уже есть очаги открытого пламени. Это способствует быстрому испарению последующих порций топлива и интенсивному сгоранию. Такая организация рабочего процесса привела к росту эффективности двигателя. Однако концентрация всего процесса сгорания на узком участке цикла привела к повышению жесткости сгорания, повышению уровня шума, создаваемого двигателем, и повышению нагрузок на детали ЦПГ и КШМ.
Второй вариант закона подачи с постоянным давлением впрыска присущ аккумуляторным системам с большим объемом аккумулятора, когда потеря порции топлива, равной цикловой подаче, не приводит к существенному падению давления в системе (рис. 5.26б). Этот способ характеризуется тем, что в течение всего впрыска качество распыливания остается стабильно высоким, в результате чего предпламенные процессы и последующее сгорание протекает достаточно быстро. Как и в первом случае, при такой организации процесса впрыска достигается высокая экономичность двигателя, но возникают большие тепловые и механические нагрузки на ЦПГ и КШМ.
Чтобы избежать отмеченных явлений на ряде режимов, когда фактор времени, отводимого на сгорание топлива, не столь критичен (например, у МОД), используется пологий закон нарастания давления впрыска в начальной стадии (рис. 5.26в). Реализуется такой закон подачи путем перенесения активного хода плунжера на участок с меньшим ускорением, например, за счет изменения углов открытия клапанов у насосов клапанного типа или за счет изменения положения ролика толкателя относительно кулачка привода ТНВД. Наиболее просто такой закон реализуется в двигателях с гидравлическим приводом топливных насосов или в аккумуляторных системах впрыска с электронным управлением топливоподачей. Например, в двигателях серии UEC-Eco фирмы Mitsubishi использование такого закона рассматривается как компромиссное решение между эффективными и экологическими показателями двигателя при работе на пониженных оборотах, но с высокой нагрузкой. Влияние закона подачи с пологим нарастанием давления на рабочий процесс малооборотного двигателя серии ME фирмы MAN показано на рисунке 5.27а.
При пологом нарастании давления в начальной стадии снижается фактор динамичности процесса впрыска. К моменту самовоспламенения топлива в рабочем цилиндре находится незначительная часть топлива от полной цикловой подачи. Ее воспламенение и сгорание не в состоянии привести к резкому росту давления и температуры, зато последующие порции топлива впрыскиваются в среду с повышенной температурой и давлением, что способствует их быстрому испарению и сгоранию. Топливо сгорает по мере его поступления в цилиндр, т. е. фактически продолжительность процесса сгорания определяется продолжительностью процесса впрыска. Такое сгорание протекает плавно, без резких скачков давления и температуры. В результате растянутого тепловыделения экономичность двигателя несколько снижается, а экологические показатели улучшаются. Особенно важно, что при такой организации рабочего процесса снижаются локальные температуры в камере сгорания, так как именно в зонах с высокими локальными температурами происходит образование оксидов азота, наиболее токсичного компонента отработавших газов дизелей. В то же время улучшается распыливание топлива в конце подачи, а следовательно, достигается более полное догорание на линии расширения, что ведет к снижению содержания в отработавших газах частиц сажи. Для пологого закона впрыска характерно также снижение жесткости и шумности дизеля, а значит, и уменьшение нагру зок на его детали.
Меньшая скорость нарастания давления в начальной стадии и меньшие температуры рабочего цикла достигаются при двухфазном впрыске (рис. 5.26г, 5.27б). К этому варианту прибегают, когда стоит задача снижения шумности и уменьшения содержания в выхлопных газах NOx.
Реализуется такой закон подачи путем организации предвпрыска, когда небольшая порция топлива впрыскивается в цилиндр до начала основной подачи. Во избежание ухудшения экономичности запальная порция топлива в таком процессе должна быть как можно меньше. Поэтому важным требованием к топливной аппаратуре является ее способность обеспечить минимально устойчивую подачу запальной порции топлива и интервал времени между ней и основной подачей.
Наличие предвпрыска создает условия для более мягкого и полного сгорания, так как основная подача происходит в момент, когда в цилиндре появляется пламя от сгорающей предварительно поданной порции топлива. Поэтому воспламенение основной массы происходит практически мгновенно, и процесс сгорания идет со значительно меньшими скоростями, определяемыми скоростью поступления топлива в цилиндр.
Характер протекания рабочего процесса при двухфазном впрыске топлива в двигателе серии ME фирмы MAN представлен на рисунке 5.27б.
В системах с электронным управлением процессом топливоподачи отсутствие жесткого алгоритма управления законом впрыска позволяет изменять характер протекания рабочего цикла в процессе эксплуатации двигателя в зависимости от поставленной задачи. Если стоит задача добиться максимальной экономичности двигателя, может быть реализован закон подачи, приведенный на рисунке 5.27а. Если необходимо максимально снизить содержание вредных выбросов, реализуется закон подачи, приведенный на рисунке 5.27б. Переход с одного режима на другой осуществляется путем изменения алгоритма управления, на который необходимо время в пределах 0,25 с, т. е. соизмеримое с интервалом между отдельными циклами. На рисунке 5.28 показан характер изменения выбросов NOx при переходе двигателя серии ME с режима максимальной экономичности на режим максимальной экологичности.
При этом максимальное давление цикла снижается с 15,7 до 12,2 МПа. В то же время отмечается снижение выбросов NOx при переходе на режим с предварительным впрыском с 1200 до 480 ppm.
На рисунке 5.29 представлены зависимости удельного расхода топлива, давления сжатия и максимального давления в цилиндре, а также содержания окислов азота в отработавших газах как функция нагрузки двигателя.
В связи со значительным ухудшением качества топлива для судовых дизелей за последние два десятилетия фирма Sulzer внесла ряд конструктивных изменений в топливную систему своих двигателей серии RTA. Помимо системы VIT , двигатели оснащаются системой корректировки угла опережения впрыска топлива в зависимости от его цетанового числа. Данная система получила название Fuel Quality Setting (FQS). В первом поколении данных систем использовался принцип ручной регулировки топливоподачи в зависимости от качества топлива, принятого на борт. По результатам индицирования двигателей механик имел возможность установить необходимый начальный угол опережения, от которого система VIT регулировала изменение опережения в зависимости от нагрузки двигателя (рис. 5.30).
Из представленного графика видно, что система FQS позволяет изменять начальный угол опережения угла начала подачи на 0,0...1,02 градуса во всем диапазоне работы системы VIT.
В более поздних разработках ручное регулирование было заменено на автоматическое, которое осуществлялось от электронного блока управления, получающего информацию с датчиков контроля за рабочим процессом. Сохранив возможность ручного регулирования, фирма дооборудовала пост управления двигателем пневматическим сервоприводом, связанным с электронным блоком.
Совместное использование систем VIT и FQS позволяет значительно расширить возможности воздействия на рабочий процесс.
В эксплуатации совместное использование системы VIT и системы FQS позволяет решить две основные задачи — обеспечить режим максимальной экономичности дизеля или минимальной эмиссии вредных веществ (в первую очередь окислов азота) в отработавших газах (рис. 5.31).
Для снижения дымности выхлопа некоторые производители прибегают к подаче небольшой дополнительной порции топлива в конце сгорания, когда основная подача уже завершилась (рис. 5.26д). Сгорание свежей порции топлива интенсифицирует процессы дожигания оставшихся частиц свободного углерода и тем самым уменьшает их содержание в отработавших газах. Перспективным считается и трехфазный процесс топливоподачи с предвпрыском и послевпрыском (рис. 5.26е). В некоторых двигателях используется не один, а несколько предвпрысков, что позволяет найти разумный компромисс между эффективными и экологическими показателями дизеля (рис. 5.26ж).
Наиболее просто многофазный впрыск реализуется в аккумуляторных системах впрыска или в системах с гидравлическим приводом плунжеров. Чаще всего запальная порция формируется путем подачи короткого управляющего сигнала на электроуправляемую форсунку, однако известны случаи и золотникового регулирования двухфазной подачи. Так, в своих высокооборотных дизелях серии 3126 фирма Caterpillar применила конструкцию плунжера с золотниковой кромкой для прерывания подачи (рис. 5.32). При движении плунжера вниз под действием гидравлического поршня начинается нагнетание топлива через распылитель (рис. 5.32а). Так продолжается до тех пор, пока золотниковая проточка на плунжере, соединяющаяся с нагнетательной полостью тремя вертикальными каналами (рис. 5.32г), не совпадет с разгрузочным отверстием (рис. 5.32б). В результате впрыск топлива прекращается до тех пор, пока верхняя кромка золотниковой проточки не перекроет разгрузочное отверстие (рис. 5.32в), после чего впрыск возобновляется.
Таким образом, при движении плунжера вниз происходит два последовательных впрыска: первый — короткий, величина которого определяется положением золотниковой проточки на плунжере, и второй — основной, величина которого определяется величиной активного хода плунжера. Промежуток между впрысками зависит от ширины золотниковой проточки. Величина запальной порции в данной конструкции насос-форсунки на всех режимах остается постоянной, а регулирование двигателя осуществляется путем изменения величины основной подачи системой электронного управления двигателя.
Помимо разделения цикловой порции на несколько последовательных впрысков, в судовых дизелях находит применение параллельная подача запальной и основной порций топлива (рис. 5.26з). Такое разделение подачи используется в двигателях серии 46C фирмы Wärtsilä. Для реализации данного способа на каждом цилиндре двигателя устанавливаются две форсунки: периферийная — для впрыска запальной порции топлива и центральная—для впрыска основной порции (рис. 5.33).
Обе форсунки запитаны от одного топливного насоса, в крышке которого установлено два обратных клапана, отрегулированных на разное давление открытия (рис. 5.34).
С началом нагнетания топлива первым открывается обратный клапан запальной форсунки, игольчатый клапан которой отрегулирован на меньшее давление, чем у основной форсунки. Начинается впрыск запального топлива. Параметры запальной форсунки подобраны таким образом, что к моменту открытия основной форсунки в камере сгорания оказывается около 10% от общей цикловой порции топлива, которое к этому моменту прошло все стадии предпламенных процессов. Впрыск основной порции происходит в среду с уже сформировавшимися очагами открытого пламени, что способствует быстрому испарению и сгоранию вводимого топлива. После ввода и сгорания основной порции топлива запальная форсунка продолжает еще некоторое время подавать топливо в камеру сгорания, поддерживая в ней горение, в ходе которого догорают несгоревшие частицы сажи и непрореагировавшие углеводороды топлива. В результате улучшаются не только экономические, но и экологические показатели двигателя.
Более широкое применение метод параллельного и параллельно-последовательного впрыска находит в двухтактных дизелях фирмы Wärtsilä серии RT-flex с аккумуляторной системой впрыска. К расширению возможностей в организации рабочего процесса привела наметившаяся в последнее время тенденция к установке на одном цилиндре двигателя нескольких форсунок. Эта вынужденная мера для двигателей с прямоточными схемами продувки оказалась очень удобной для организации процессов с последовательным введением в цилиндр отдельных порций топлива. Среди известных способов подачи топлива, например, тремя форсунками, можно выделить такие:
- 1) подача запальной порции топлива одной из форсунок, а через промежуток времени, необходимый на воспламенение и сгорание первой порции топлива, остальные форсунки подают основную часть топлива в уже подготовленную среду камеры сгорания (рис. 5.35а);
- 2) первая форсунка подает запальную порцию топлива, а после ее выгорания в цилиндр подается вторая порция второй форсункой, к концу выгорания третья форсунка подает третью порцию (рис. 5.35б);
- 3) форсунки подают равные порции топлива с некоторой задержкой относительно друг друга (рис. 5.35в).
Во всех рассмотренных случаях реализации рабочего процесса удавалось добиться снижения расхода топлива и выбросов оксидов азота.
Следует отметить, что наметившееся в последние годы широкое внедрение на судовых дизелях систем топливоподачи с электронным управлением позволяет существенно улучшить их эффективные и экологические показатели. В настоящее время ведутся масштабные исследования, направленные на совершенствование процессов топливоподачи с целью повышения эффективных и экологических показателей судовых дизелей.
Требования к экологическим показателям непрерывно возрастают, и уже сегодня многие производители понимают, что в скором времени выполнить эти нормы только традиционными методами не удастся. Сегодня поиски путей повышения экологических показателей дизелей ведутся по трем основным направлениям:
- поиск новых видов топлива, при сжигании которых не образуются или образуются в гораздо меньших количествах вредные вещества. К таким топливам относятся водород, природные и нефтяные газы, топлива биологического происхождения;
- разработка методов очистки отработавших газов двигателей от вредных веществ. К таким методам относятся методы физической очистки от твердых частиц, химической очистки от вредных химических соединений;
- разработка новых подходов в организации рабочих процессов двигателей, направленных на снижение токсичности отработавших газов.
Следует отметить, что проблема повышения экологических показателей обычно рассматривается как комплексная, с использованием всех перечисленных подходов.
