Форкамера что это: Для чего нужна форкамера

Устройство préchambre находится в непосредственной близости от камеры сгорания.

, Ladite chambre de remplissage étant formée d’une première prechambre de stérilisation

() cette dernière est axialement réglable, de preférence vissable dans la préchambre

Ce dernier est un jet de flame chassée de la prechambre et, ensuite, tombée sur le dispositif à fendre.

du corps de préchambre separant la préchambre

Bougie d’allumage à laser et module de préchambre

l’invention porte sur un moteur à gaz Poppédant une prechambre

сгорание в соответствии с нормой , предварительная версия и процесс сгорания двигателя дизельного топлива

, ce qui augmente le volume de la préchambre

Продолжайте работу по обслуживанию и ремонту поверхности prechambre с разной температурой, которая завершает циклы сушки присадок.

Форкамера в вентиляции что это такое

Форкамера — специфика, особенности и востребованность

Создание комфортного микроклимата и очистка воздуха в помещении – далеко не всегда является настолько простой задачей, как может показаться на первый взгляд. Тип и размер помещения, окружающие его климатические условия, сложность используемой вентиляционной системы – соблюдаемых условий может оказаться много. Помещению в экологически чистой зоне достаточно установки современного кондиционера. А вот промышленным постройкам и супермаркетам для нормального кондиционирования требуется наличие специального помещения – воздушной камеры, форкамеры.

Специфика очистки больших объёмов воздуха

Можно легко оценить тот факт, насколько необходимой является форкамера в вентиляции, рассмотрев, что это такое детальнее. Приставка «фор» переводится «перед», что позволяет рассматривать форкамеру, как предварительное помещение, в котором производится вентиляционный газообмен. Для мест с сильно загрязнённой атмосферой она становится отличным «фильтром» разделяющим внутреннюю систему вентиляции помещения и внешнюю.

Благодаря этой системе разделения открывается возможность надежно отсечь большинство факторов, способных ухудшать состояние воздуха в проветриваемом помещении. Или наоборот – оперативно отводить образующиеся внутри него летучие соединения наружу.

Для этих целей создается отдельное помещение – предварительная область или предкамера, в которой создается рабочий вентиляционный узел. Его техническое оснащение меняется в зависимости от скорости и качества проходящих воздушных потоков.

В некоторых случаях достаточно специального направляющего вентилятора, который разделяет входящий и выходящий воздух в предназначенные для этого каналы. Может понадобиться монтаж воздушных фильтров для очистки, обустройство шумоизоляции.

Особенности «предварительных» воздушных камер

Современные бытовые климатические системы, предназначенные для типовых помещений, как правило, не требуют обустройства форкамеры. Система кондиционирования, состоящая из внутреннего и внешнего блока, представляет собой сложное устройство. В нем уже имеются различные очищающие воздух фильтры и другие блоки, задача которых – создание оптимальных климатических условий в помещении. Но их рабочие возможности весьма ограничены. Даже мощные бытовые кондиционеры могут не справляться с охлаждением больших помещений. Их использование может оказаться экономически неоправданным.

Идея установки обычных кондиционеров в огромных промышленных постройках, подземных парковках, помещениях, размеры которых превышают несколько сотен квадратных метров – будет нецелесообразной. Для них существуют отдельные мощные установки, способные обрабатывать огромную кубатуру воздушных масс за минимальное время. Но такая вентиляция требует соблюдения нескольких условий для нормальной работы:

• Хорошая звукоизоляция. Прохождение большого количества воздуха сопровождается заметным шумом.
• Сбалансированная подача на рабочие точки. Скорость забора и передачи воздуха мощными кондиционерами способна создавать сильный поток, который не подходит для супермаркетов.
• Контроль скорости воздуха в системе. Мощный воздушный поток, предназначенный для отведения примесей, образующихся в результате производства, способен вместе с ними «захватить» и мелкие детали, используемые в работе.
• Сохранение постоянного температурного режима. При высокой скорости движения больших объёмов воздуха их температура способна серьезно влиять на микроклимат помещения.

Итог: насколько востребованы форкамеры

Основное назначение форкамер – возможность управления поступающими внутрь помещения большими объёмами воздушных масс. В этом специальном помещении происходит разделение поступающих основных масс на рабочие каналы, предварительная очистка, нормализация скорости потоков и их температуры.

В зависимости от технического оснащения воздух может подвергаться дополнительной санитарной и другой необходимой обработке. Благодаря тому, что для этих целей выделено отдельное помещение, все вышеупомянутые процессы протекают незаметно и без неудобств.

Форкамера – обязательный элемент для обеспечения качественной вентиляции современных помещений закрытого и полузакрытого типа с большой квадратурой. Обычно ее создание планируется еще на этапе проектировки, поэтому любые связанные с ней строительные вопросы не возникают.

Желание создать предварительную воздушную камеру в частном порядке требует получения разрешения, но не всегда. Оно требуется, если речь идёт о многоквартирных домах и других постройках, в которых форкамера способна повлиять на нормальное движение воздушных масс.

Помните, что обустройство форкамеры – не такое простое занятие, как может показаться на первый взгляд. Без грамотного подхода к проекту можно получить лишь пристройку сомнительной пользы.

Полезные статьи и советы по системам вентиляции

Применение приточной вентиляции с подогревом, виды систем, принцип работы, детали, особенности и нюансы Схемы и чертежи, расчеты и монтаж системы.. Вентиляция в доме из сип панелей, ее значение и монтаж своими руками. Устройство естественной и принудительной вентиляции. Необходимость вентиляции в инкубаторе, ее виды, монтаж и значение. Самостоятельная установки вентиляционной системы и ее подключение. Где должны быть расположены розетки для подключения кондиционера, выбор места и расчет сетевой нагрузки, а также законы и тех.нормы. Установка… Понижение влажности воздуха в различных помещениях: на складе, в доме или квартире. Различные способы и советы специалистов, а также влияние…

Полезные статьи и советы по системам вентиляции

Принудительная вентиляция в доме, квартире, ванной и гараже, а также ее устройство, расчет по площади и выбор оборудования. Делаем вентиляцию… Проверка дымоходов и вентиляционных каналов, уполномоченные организации, лицензия, стоимость, периодичность и правила проверки. Составление и форма акта проверки. Конструктивные особенности регулируемых вентиляционных решеток, материалы изготовления и различия по месту установки. Правила выбора, стоимость и монтаж. Необходимость вентиляции в бассейне, ее виды,задачи, плюсы, особенности и требования. Установка системы в коттеджах и закрытых бассейнах. Шкаф управления вентиляцией, его назначение, а также стандартные и расширенные функции. Схема шкафов, а также правила их размещения и монтажа.

Полезные статьи и советы по системам вентиляции

Вытяжка для мангала, как и любая другая вентиляционная система, предназначена для очищения воздуха, выведения продуктов горения, запахов и пр. Как подобрать осушитель воздуха для бассейна на основе рассчетов и класификации устройства. Канальные, настенные осушители, расчет установки оборудования для осушения… Использование шибера для вентиляции крайне оправдано. Главное разобраться в том, что это такое и, чем выделяются шиберы, оснащенные электроприводом и… Используя щит управления вентиляцией, появляется возможность контролировать всю вентиляционную систему. Сборка осуществляется просто, а для управления можно использовать пульт. Начиная с проектирования промышленной вентиляции и заканчивая монтажом различных ее видов – все этапы стоить доверить профессионалам. Они предоставят правила…

Форкамера двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Форкамера содержит полость, сообщенную с основной камерой сгорания перепускным каналом, смонтирован на наружной части головки блока цилиндров, имеет полость со встроенной распиливающей форсункой, а перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, причем входной участок перепускного канала имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой определяется по соотношению Витошинского, а сопряжение входного и выходного участков выполнено по дуге эллипса. Изобретение обеспечивает работу ДВС на бедных жидкотопливно-воздушных и газовоздушных смесях, экономию дизельного топлива, малую токсичность отработавших газов, простоту технического обслуживания и низкую себестоимость. 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, и предназначено для улучшения их технико-экономических и экологических показателей.

Известны форкамеры двигателей внутреннего сгорания, выполненные в головке блока цилиндров, сообщенные с основной камерой сгорания соединительными каналами (см., например, патент США №4442807 кл. F 02 В 19/18, 1984 г., патент РФ №2099550 F 02 В 19/18, 1995 г.)

Недостатками таких форкамер являются высокая трудоемкость производства и технического обслуживания, а также невозможность использования на действующем и производимом парке автотехники, так как неизбежные изменения в конструкции двигателя потребуют вложения капитальных затрат на разработку конструкций его новых деталей и узлов, изменение технологии производства и дополнительное оборудование и техоснастку. Размещение известных форкамер в нижней части головки блока цилиндров существенно затрудняет их технологическое обслуживание и, при необходимости, демонтаж, так как потребует разборку двигателя автомобиля. Указанные недостатки затрудняют внедрение известных форкамер на действующем автопарке и выпускающихся автомобилях и решение в реальном времени задач повышения топливной экономичности автомобилей и экологических проблем в крупных городах и на автотрассах.

Эти недостатки устранены в форкамерах по патентам Великобритании №1261176, Кл. F 02 В 19/12, 1972 г. и РФ №2210677, F 02 В 19/18, 2001 г., смонтированными на внешней (наружной) части головки блока цилиндров и содержащими полость, сообщенную с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного криволинейного канала. Известные форкамеры просты по конструкции, легко и быстро монтируемы и чрезвычайно дешевы в производстве и эксплуатации, а форкамера по патенту РФ №2210677 на испытаниях показала высокие результаты топливной экономичности и экологичности автомобильных двигателей.

Однако эти форкамеры применимы на двигателях с принудительным (искровым) зажиганием и не могут быть использованы на двигателях с воспламенением от сжатия горючей смеси (дизельных ДВС).

Известны топливные насосы дизельных двигателей с повышенным давлением впрыска топлива 70-100 МПа (70-100 атм), например ЯМЗ ТА 423, ТА 444, ТА 861. Такое увеличение давления впрыска топлива необходимо для лучшего его распыления в камерах сгорания новых двигателей, чтобы сжигать дизтопливо по критериям, удовлетворяющим требованиям экологических стандартов EURO-1, EURO-2 и EURO-3.

Однако такое повышение давления впрыска вызывает повышение мощности топливного насоса и его привода, что составляет 10-15% мощности ДВС, развиваемой автомобилем на крейсерской скорости движения (˜80 км/час). Такая высокая мощность привода топливного насоса обуславливает значительный дополнительный расход топлива, что ухудшает топливную экономичность ДВС, а экологические характеристики автомобиля остаются в существенной степени зависимы от надежности и эффективности работы форсунок и качества смесеобразования в цилиндре ДВС, которые в настоящее время еще очень низкие.

Целью настоящего изобретения является существенное улучшение топливной экономичности и экологичности ДВС с воспламенением от сжатия горючей смеси на основе простого и надежного технического решения.

Для этого известный двигатель с воспламенением от сжатия горючей смеси (например, ЯМЗ-238, КамАЗ-740 дизельные) согласно изобретению оснащается форкамерой, смонтированной на внешней (наружной) части головки блока цилиндров и содержащей полость, сообщенную с основной камерой сгорания при помощи перепускного криволинейного канала, выполненного в виде профилированного сопла Лаваля, выходной участок которого выходит в основную камеру сгорания, а полость форкамеры содержит распыливающую форсунку для впрыска топлива.

Установка форкамеры дизельного ДВС на внешней (наружной) части головки блока цилиндров обуславливает простоту ее конструкции и технического обслуживания, а также высокую доступность и оперативность реализации предложенного технического решения в реальном времени на действующих и новых автодвигателях. Установка в полости форкамеры распыливающей форсунки устраняет необходимость увеличения давления впрыска топливного насоса высокого давления (ТНВД) и оставить его на уровне 300-350 атм, т.к. после впрыска давление в полости форкамеры, после предварительного сгорания топливной смеси, может достигать более 1000 атм, что обусловлено геометрическими и конструктивно-прочностными характеристиками головки блока цилиндров и форкамеры. Выполнение перепускного канала в виде профилированного сопла Лаваля обеспечит наивысшую (сверхзвуковую) скорость истечения топливно-воздушной смеси в цилиндр двигателя и ее наилучшие дисперсность и распыление, что приведет к оптимальным параметрам смесеобразования и сгорания топлива и, как следствие, к снижению расхода топлива, токсичности выхлопных газов и высокому КПД двигателя автомобиля.

Компактная, легко и быстро монтируемая и демонтируемая конструкция форкамеры обеспечит простоту ее производства, эксплуатации и технического обслуживания, низкую себестоимость и доступность широкому потребителю, решение актуальных экологических проблем автотранспорта.

Предложенное техническое решение не известно из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста-двигателестроителя и промышленно легко осуществимо для производства форкамерно-факельных систем ДВС, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), который имеет чисто иллюстративное значение и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения, где изображены: форкамера 1, смонтированная на наружной части головки 2 блока цилиндров 3, содержащая полость 4 с установленной распыливающей форсункой 5, перепускной канал 6, выполненный в виде профилированного сопла Лаваля с контуром, образованным плавной кривой и состоящим из входного 7 и выходного 8 участков.

По совокупности конструктивных признаков форкамера представляет собой импульсный реактивый двигатель, работающий в заторможенном (обращенном) режиме, в котором окислитель (воздух) подается через реактивное сопло.

Входной участок 7 перепускного канала 6 имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой может быть определена, например, по известному соотношению Витошинского, а контур выходного участка 8 может быть построен известным методом характеристик. Сопряжение образующих этих участков можно выполнить по дуге эллипса.

Устройство функционирует следующим образом. На такте сжатия ДВС сжатый воздух при Т˜700-900°С из основной камеры сгорания через перепускной канал 6 поступает в полость 4 форкамеры и заполняет ее. В момент впрыска из распылителя форсунки 5 в полость 4 впрыскивается распыленное топливо, где воспламеняется и частично сгорает, температура в полости форкамеры повышается до 1500-2000°С, а давление поднимается до величины более 1000 атм. Раскаленные продукты предварительного сгорания за счет сильного перепада давлений на входе и выходе перепускного канала 6 истекают со сверхзвуковой скоростью в основную камеру сгорания, где интенсивно перемешиваются со сжатым воздушным зарядом и эффективно догорают при наивысшей скорости сгорания топлива и максимальной полноте окисления топлива, обеспечивая повышенное давление на поршень и минимальную токсичность продуктов сгорания в цилиндре ДВС.

Ограниченное сообщение полости форкамеры 4 с объемом цилиндра ДВС за счет малого сечения перепускного канала 6 существенно снижает возможность коррозийного запирания отверстий распылителя форсунки 5 вследствие образования пускового конденсата или их закоксовывания от пригарания масляных брызг, что повышает надежность работы топливной аппаратуры ДВС.

Использование настоящего изобретения обеспечивает надежный пуск дизельного ДВС, устойчивость и мощность его работы на бедных топливно-воздушных смесях при снижении выхлопных газов в десятки раз и снижение скорости разрушения озонового слоя Земли, так как дизельные ДВС составляют более 50% единиц автотранспортной техники всех стран мира.

Форкамера двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, содержащая полость, сообщенную с основной камерой сгорания перепускным каналом, отличающаяся тем, что она смонтирована на наружней части головки блока цилиндров, содержит установленную в полости распыливающую форсунку и сообщена с основной камерой сгорания двигателя при помощи перепускного канала, выполненного в виде профилированного сопла Лаваля, причем входной участок перепускного канала имеет образующую в виде гладкой кривой, форма которой определяется по соотношению Витошинского, а сопряжение входного и выходного участков выполнено по дуге эллипса.

Форкамера не прижилась — Автоцентр.ua

На рынке предложили «Волгу» с форкамерно-факельным зажиганием. Что это за система?

На рынке предложили «Волгу» с форкамерно-факельным зажиганием. Что это за система?

Владислав О., г. Одесса

Конструктивная особенность форкамерно-факельной системы зажигания заключается в том, что камеру сгорания разделили на две части – основную и так называемую форкамеру. Богатая смесь по отдельному каналу во впускном коллекторе и головке блока от своей секции карбюратора через свой же впускной клапан поступает в форкамеру, где с помощью свечи поджигается. Одновременно в основную камеру через впускной клапан, приводимый от общего коромысла, подается обедненная топливо-воздушная смесь. Так как форкамера соединена с основной камерой сгорания сопловыми каналами, то через них с большой скоростью выбрасывается пламя, которое поджигает обедненную смесь основной части камеры. Данная конструкция – попытка «газовцев» снизить расход топлива и токсичность отработавших газов. Чего же добились конструкторы? По заверениям «ГАЗа», расход топлива был снижен на 10–15%, а выброс вредных веществ – на 20–75%. В то «довпрысковое» время для прожорливой и архаичной по конструкции «Волги» это действительно было неплохо.

Форкамерно-факельную (или предкамерно-факельную) систему зажигания пытались внедрить на советские машины достаточно давно. Вспомним хотя бы не ставший серийным полноприводный грузовик ГАЗ-62 или мотор ГАЗ-51Ф, который так и не появился под капотом ГАЗ-52. Единственной удачной попыткой стал двигатель ЗМЗ-4022-10 автомобиля «Волга» ГАЗ-3102, выпуск которого начался в 1982 году. Он, по сути, был модификацией агрегата ЗМЗ-402 машины ГАЗ-2410. Разница лишь в узлах и деталях, непосредственно связанных с форкамерно-факельной системой зажигания. В частности, это другая головка блока цилиндров с дополнительными форкамерами, направляющими впускных клапанов форкамер и каналами подачи горючей смеси к форкамерам. Изменилась система газораспределения: внедрены клапаны форкамер и другие коромысла привода впускных клапанов с бобышкой и винтом привода клапана форкамеры. Установлены конструктивно новый карбюратор К-156 с дополнительной форкамерной секцией и впускной коллектор с допканалами форкамерной части.

Подготовили Юрий Дацык, Руслан Храпак, Олег Полажинец

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Форкамера — Справочник химика 21

    При обработке опытных данных испарительного охлаждения рабочего тела в ГТД принимается независимость теплоты сгорания топлива Т-1 или Б-70 от температуры реакции окисления углеводородов. Поправка АСр в ккал/кг-°С равна величине отношения теплоемкости 1 кг топлива Т-1 или Б-70 (Срв) к теоретически необходимому количеству воздуха о в зоне горения форкамеры [c.247]

    Для режима работы ГТД с подачей в форкамеру этилового спирта Lo=8,9 кг/кг [c.248]

    Пробные опыты были проведены при подаче воды. Двигатель работал устойчиво. Через несколько часов работы двигатель был разобран, тщательно осмотрены рабочее колесо компрессора, форкамеры и газовая турбина. Осмотром установлено, что никаких изменений в поверхности лопаток компрессора и газовой турбины не [c.262]

    Частота вращения ротора уменьшается менее значительно при подаче водного аммиака, чем при подаче воды, а смесь этилового спирта с водой при впр >0,015 кг/кг сухого воздуха приводит к увеличению частоты вращения. Заметно отличается влияние впрыска этилового спирта на массовый расход воздуха. При работе ГТД с подачей этилового спирта и неизменном количестве основного топлива, подаваемого в форкамеры, частота вращения ротора увеличивалась до 41 ООО об/мин, что и привело к более заметному повышению массового расхода воздуха. [c.265]

    Так как теплопроводность нагара в десятки раз меньше теплопроводности конструкционных сплавов, из которых изготовлены форкамеры, поэтому по мере увеличения толщины слоя нагара количество передаваемого тепла с огневой стороны стенки к поверхности, обдуваемой вторичным воздухом, уменьшается, вследствие чего температура стенки под слоем нагара понижается. Чем больше толщина нагара, тем выше температура стенки под слоем нагара. В камере сгорания имеются участки, на которых не наблюдается образование нагара или он откладывается в незначительных количествах, поэтому [c.272]

    При проведении испытаний в три форкамеры ГТД подавали бензин Б-70, съемная форкамера работала на топливе Т-1пп (повышенной плотности). Топливо Т-1пп применяли на всех режимах при работе ГТД с впрыскиванием ОЖ. [c.273]

    После остывания двигателя начинается второй этап. При этом ГТД снова запускается и одновременно включается впрыскивание во входное устройство компрессора соответствующей ОЖ. Продолжительность работы ГТД с подачей ОЖ т=5-4-Ю мин. После повторного остывания экспериментальную форкамеру демонтировали и подвергали повторному взвешиванию форкамеру и участок. [c.273]

    Температура стенки контрольного участка форкамеры при впр=0,0287 кг/кг воздуха (кривая 7 на рис. 116) не превышает температуры воздуха в начале входного устройства двигателя. При работе ГТД дважды производилось контрольное выключение подачи воды. Прп первом выключении (точка а на кривой 7 рис. 116) температура стенки за 12 с повысилась с 88 до 185°С и оказалась выше на 17,5°С температуры стенки под слоем нагара при работе ГТД без испарительного охлаждения (кривая 2). При включении впрыска воды температура стенки снизилась до 25°С. [c.277]

    При осмотре форкамеры, снятой с двигателя после работы с испарительным охлаждением, установлена чешуйчатая структура нагара на отдельных поверхностях форкамеры и контрольном участие съемной вставки нагара вообще не было, а имевшиеся слои нагара легко удалялись. [c.277]

    Слой нагара, накопившегося в форкамере за время работы без испарительного охлаждения, имел наибольшую плотность и прочность. Нагар, образовавшийся при работе с впрыском воды, имел меньшую плотность и был рыхлым. [c.277]

    Процесс удаления нагара при подаче смеси спирта с водой происходит более стабильно. При больших относительных расходах смеси (кривая 7 на рис. 117 снята при впр=0,0276 кг/кг сухого воздуха) наблюдается пульсирующий характер изменения температуры в сторону ее повышения. Такой характер изменения температуры стенки под слоем нагара объясняется тем, что часть спирта, входящего в состав первичного воздуха поступающего в зону горения, способствует выгоранию ранее отложившегося нагара. Это предположение было подтверждено специальными экспериментами. В экспериментальную форкамеру вместо топлива Т-1пп вспрыскивали такое же количество этилового спирта (кривая 8 на рис. 117). При впрыскивании этилового спирта в форкамеру А ст=107°С, а при работе на топливе Т-1пп А/ст=142°С. [c.280]

    На рис. 118 кривые 1, 3, 5, 7 характеризуют изменение температуры стенки форкамеры под слоем нагара при работе ГТД без испарительного охлаждения. [c.280]

    Кривая характеризует изменение температуры стенки форкамеры при впрыскивании в камеру вместо топлива Т-1пп этилового спирта. [c.282]

    Повторным взвешиванием форкамеры п ее вставки с контрольным участком установлено уменьшение массы этих деталей на 51 мг по сравнению с массой, полученной перед проведением эксперимента. Масса деталей уменьшилась за счет выгорания нагара при впрыскивании этилового спирта. Кривые 6, 4, 2 характеризуют изменение температуры стенки форкамеры при относительном расходе этилового спирта на испарительное охлаждение соответственно при впр=0,0027 0,0054 и 0,0075 кг/кг сухого воздуха. [c.282]

    На рис. 119 показана зависимость изменения температуры стенки форкамеры под слоем нагара при подаче во входное устройство ГТД водного аммиака. Кривые /, 3, 5, 7 характеризуют изменение температуры стенки при работе ГТД без подачи охлаждающей жидкости кривые 2, 4, 6, 8 — изменение температуры стенки при относительном расходе водного аммиака соответственно при вщ)=0,005, 0,015, 0,0175 и 0,0077 кг/кг сухого воздуха. [c.282]

    В первых трех вариантах устанавливались полные решетки (на все сечения) частично в диффузоре (с небольшим зазором у нижней стенки) и в форкамере электрофильтра (рис. 9.3, а, б). В четвертом варианте (рис. 9.3, в) одна решетка (перфорированный экран), расположенная в диффузоре, была неполной и помещалась в центральной части [c.225]

    Тоже, в форкамере перфорированная решетка (/ = 0,45), продленная в бункер [c.229]

    В этом случае свечу устанавливают в небольшой форкамере, снабженной дополнительным клапаном, через который камеру продувают сильно обогащенной смесью состава Ог- В основную камеру подается обедненная смесь состава аь которая воспламеняется факелами пламенных газов, обогащенных активными продуктами неполного сгорания, выбрасываемыми из сопловых отверстий форкамеры. Это позволяет эффективно использовать на 1 астичных нагрузках рабочие смеси, обедненные до а>1,5, что приводит к резкому снижению содержания СО и углеводородов в отработавших газах. [c.155]

    В вихревые форкамеры установлены центробежные форсунки д для впрыска топлива. Процесс смесеобразования и сгорания рабочей смеси происходит в форка-мере. В зоне горения коэффициент избытка воздуха на расчетном режиме а 1,8. Часть вторичного воздуха подводится через перфорированные стенки форкамер. В зоне смешения общий коэффициент избытка воздуха за счет вторичного воздуха увеличивается до а=3- -4, [c.240]

    Для получения сравнительных данных интенсивности нагарообразования и тепловой напряженности деталей камеры сгорания ГТД при внешнеадиабатических режимах эксплуатации ГТД и режимах с испарительным охлаждением подачей различных охлаждающих жидкостей во входное устройство компрессора использовали установку УНТ-1. Достоинство этой малоразмерной установки ГТД по сравнению с полноразмерными двигателями состоит в том, что можно получить массу отложений нагара после проводки опыта путем взвешивания съемной форкамеры 3 (см. рис. 108) и ее контрольного участка, на котором происходит наиболее интенсивное нагаро-отложение. Кроме того, наличие двух термопар, припаян- [c.271]

    Испытания проводили в два этапа. Первый этап состоял в работе двигателя в течение 5 мин без иодачи ОЖ во входное устройство компрессора. При этом происходило накопление нагара в предварительно взвешенной съемной форкамере и на контрольном участке, который также взвешивался. Если бы в форкамере не накапливался нагар, то температура контрольного участка и всей поверхности камеры оставалась бы постоянной, отмеченной линиями 1 (рис. 116) с помощью электронного потенцкометра ПСР-1, при этом температура стенки форкамеры составляла 290—328°С. Но так как при сгорании топлива Т-1пп на огневой стенке форкамеры формируется слой нагара, то температура противоположной стороны стенки начинает падать до 183°С через 5 мин работы ГДТ . Затем двигатель выключается. [c.273]

    При рассмотрении характера кривых изменения температуры стенки контрольного участка форкамеры при работе двигателя с испарительным охлаждением впрыскиванием во входное устройство компрессора ОЖ нетрудно заметить изменение динамики отложения нагара. Так, при впрыске воды (кривые 3, 4, 5 на рис. 116) наблюдается заметное снижение температуры стенки форкамеры, обдуваемой вторичным воздухом, содержащим водяные пары. При впр= 0,088 кг/кг воздуха (кривая 3, рис. 116) происходит накопление нагара на огневой стороне контрольного участка до 8-й мин. После 8-й мин до остановки двигателя температура стенки повышается от 133 до 158°С, т. е. температурный перепад приобретает отрицательное значение (А в11р=133—158=—25°С), что свидетельствует об удалении части ранее накопившегося нагара. Результаты взвешивания форкамеры подтвердили эти выводы. [c.276]

    Ма рис. 117 представлены совмещенные тепловые дй-аграммы, снятые с ГТД при его работе без испарительного и с испарительным охлаждением рабочего тела. Кривые 1, 3 характеризуют температуру стенки форкамеры под слоем нагара при работе ГТД без испарительного охлаждения кривые 2, 4, 5, 6 я 7—-температуру стенки форкамеры под слоем нагара при относительном расходе смеси, состоящей из 40% этилового спирта и 60% воды, на испарительное охлаждение соответственно при впр=0,0113, 0,0123, 0,0140, 0,0198 и 0,0276 кг/кг сухого воздуха кривая 8 — температуру стенки форкамеры при подаче в экспериментальную камеру этилового спирта вместо топлива Т-1 (за 5 мин было подано 150 г этилового спирта). [c.280]

    Кривая а (см. рис. 120) характеризует температуру стенки контрольного участка под слоем нагара при работе ГТД без испарительного охлаждения. За период с 5-й по 10-ю мин At=22° . Перевод двигателя для работы на том же топливе Т-1пп, но с подачей СО2 в поток воздуха не отразился на тепловой напряженности двигателя, но масса нагара в форкамере несколько уменьшилась и нагарное число находилось в пределах 98,0— 90,6. Углекислый газ как инертная среда незначительно влияет на режим горения, поэтому с увеличением массового расхода СО2 перепад температур на стенке снижается с At=22° до At(y 0°С при максимальном расходе СО2 (в этом случае СО2 подавали не через форсунки, а через трубопровод диаметром 3 мм при р= =35 кгс/см ). Теплоизоляционное число нагара находилось в пределах 86,5—45,4, а удельная теплоизоляционность изменялась от 0,880 до 0,503. [c.283]

    Принцип форкамерно-факельного зажигания заключается в том, что воспламенение рабочей смеси в цилиндре осуществляется не искрой свечи, а факелом пламени, образующимся при сгорании небольшого количестаа обогащенной смеси в особой форкамере, соединенной с основной камерой сгорания несколькими каналами. Объем форкамеры составляет всего лишь 2 —3% от объема основной камеры сгорания. В форкамере расположены свеча зажигания и небольшой дополнительный впускной клапан, открывающийся одновременно с основным впускным клапаном общим приводом (рис. 15). Через дополнительную впускную систему в форкамеру подается обогащенная смесь, обеспечивающая наиболее благоприятные условия воспламенения и развития начального очага горения. После воспламенения смеси в форкамере быстро возрастает давление, и продолжающие догорать газы выбрасываются через отверстия в основную камеру, где после очень небольшого периода задержки юбедненная смесь воспламеняется практически одновременно в целом ряде точек на периферии факела. Такое энергичное воспламенение смеси, дополнительно турбулизированной факелом, приводит к тому, что в цилиндре оказываются способными гореть с достаточно высокими скоростями сильно обедненные смеси с коэффициентом избытка воздуха а = 1,7—1,8 [181.  [c.59]

    Нагреватель (рис. 8.1) имеет форкамеру 12, топку 9, две газораспределительные решетки 3, 7, раоположемные по высоте одна ад другой. В топочной камере имеется радиантно-конвекционная зона И для нагрева теплоносителя. [c.165]

    Во всех вариантах к первой решетке в форкамере подвешивали газоотражатель I, погруженный глубоко в бункер (см. рис, 9.3, г). [c.226]

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА • Большая российская энциклопедия

АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКАЯ ТРУБА́, экс­пе­рим. ус­та­нов­ка для ис­сле­до­ва­ния яв­ле­ний и про­цес­сов, со­про­во­ж­даю­щих об­те­ка­ние тел по­то­ком га­за (обыч­но воз­ду­ха). Ис­сле­до­ва­ния в А. т. ос­но­ва­ны на прин­ци­пе об­ра­ти­мо­сти дви­же­ния, со­глас­но ко­то­ро­му пе­ре­ме­ще­ние те­ла в не­под­виж­ном воз­ду­хе мо­жет быть за­ме­не­но дви­же­ни­ем воз­ду­ха от­но­си­тель­но не­под­виж­но­го те­ла. Экс­пе­ри­мен­ты в А. т. про­во­дят, как пра­ви­ло, на гео­мет­ри­че­ски по­доб­ных мо­де­лях, ре­же на са­мих ори­ги­на­лах. В А. т. экс­пе­ри­мен­таль­но оп­ре­де­ля­ют дей­ст­вую­щие на те­ло аэ­ро­ди­на­мич. си­лы и мо­мен­ты, ис­сле­ду­ют рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ний и темп-ры по его по­верх­но­сти, ви­зуа­ли­зи­ру­ют про­цесс об­те­ка­ния те­ла по­то­ком, изу­ча­ют аэ­ро­уп­ру­гость и др.

А. т. со­дер­жит ра­бо­чую часть – пря­мо­уголь­ную или ци­лин­д­рич. ка­ме­ру, где раз­ме­ща­ет­ся мо­дель ис­сле­дуе­мо­го объ­ек­та, и ком­плекс уст­ройств, по­сред­ст­вом ко­то­рых в ра­бо­чей час­ти соз­да­ёт­ся рав­но­мер­ный, од­но­род­ный по­ток с за­дан­ны­ми ско­ро­стью, плот­но­стью и темп-рой га­за. По спо­со­бу об­ра­зо­ва­ния по­то­ка А. т. под­раз­де­ля­ют на ком­прес­сор­ные не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия и бал­лон­ные; по ком­по­нов­ке кон­ту­ра (пу­ти дви­же­ния по­то­ка) – на замк­ну­тые и ра­зомк­ну­тые. В ком­прес­сор­ных А. т. по­ток га­за соз­даёт­ся ком­прес­со­ром; они име­ют вы­со­кий кпд и удоб­ны в экс­плуа­та­ции, но для них тре­бу­ют­ся мощ­ные ком­прес­со­ры с боль­шим рас­хо­дом га­за. В бал­лонных А. т. газ под дав­ле­ни­ем ис­те­ка­ет из бал­ло­нов; та­кие А. т. про­ще ком­прес­сор­ных по кон­ст­рук­ции, но ме­нее эко­но­мич­ны из-за по­те­ри час­ти энер­гии по­то­ка при его ре­гу­ли­ро­ва­нии, кро­ме то­го, про­дол­жи­тель­ность их ра­бо­ты (от де­сят­ков се­кунд до неск. ми­нут) ог­ра­ни­че­на за­па­сом газa в бал­ло­нах. Замк­ну­тые А. т. по срав­не­нию с ра­зомк­ну­ты­ми име­ют бо­лее вы­со­кий кпд (за счёт ис­поль­зо­ва­ния зна­чит. час­ти ки­не­тич. энер­гии, ос­тав­шей­ся в га­зо­вом по­то­ке по­сле его про­хо­ж­де­ния че­рез ра­бо­чую часть тру­бы), но и боль­шие раз­ме­ры.

В за­ви­си­мо­сти от реа­ли­зуе­мо­го диа­па­зо­на Ма­ха чи­сел ($M$) раз­ли­ча­ют А. т. доз­ву­ко­вые ($M=$ 0,15–0,7), транс­зву­ко­вые ($M=$ 0,7–1,3), сверх­зву­ко­вые ($M=$ 1,3–5) и ги­пер­зву­ко­вые ($M=$ 5–25).

Рис. 1. Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы: 1 – хонейкомб; 2 – сетки; 3 – форкамера; 4 – конфузор; 5 – направление потока; 6 – рабочая часть с мо…

В доз­ву­ко­вых А. т. (рис. 1) ис­сле­ду­ют аэ­ро­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки доз­ву­ко­вых са­мо­лё­тов, вер­то­лё­тов, а так­же ха­рак­те­ри­сти­ки сверх­зву­ко­вых са­мо­лё­тов на взлёт­но-по­са­доч­ных ре­жи­мах; с их по­мо­щью изу­ча­ют ха­рак­тер об­те­ка­ния воз­душ­ным по­то­ком ав­то­мо­би­лей и др. на­зем­ных транс­порт­ных средств, зда­ний, мос­тов, ба­шен и др. объ­ек­тов. Ра­бо­чая часть та­ких А. т. обыч­но име­ет вид ци­лин­д­ра с по­пе­реч­ным се­че­ни­ем в фор­ме кру­га, пря­мо­уголь­ни­ка или эл­лип­са. Пе­ред ра­бо­чей ча­стью на­хо­дят­ся фор­ка­ме­ра и со­пло – кон­фу­зор, обес­пе­чива­ю­щие вы­со­кую рав­но­мер­ность воз­душ­но­го по­то­ка. В на­ча­ле фор­ка­ме­ры сто­ит ре­шёт­ка из ка­либ­ро­ван­ных тру­бок для уст­ра­не­ния ско­сов по­то­ка и раз­мель­че­ния круп­ных вих­рей – хо­ней­комб. За ре­шёт­кой рас­по­ла­га­ют­ся сет­ки, вы­рав­ни­ваю­щие ско­ро­сти в по­пе­реч­ном се­че­нии по­то­ка и умень­шаю­щие тур­бу­лент­ные пуль­са­ции. Из ра­бо­чей час­ти че­рез диф­фу­зор и ко­ле­на с по­во­рот­ны­ми ло­пат­ка­ми, умень­шаю­щи­ми по­те­ри энер­гии, по­ток по­сту­па­ет в ком­прес­сор. Да­лее рас­по­ла­га­ют­ся об­рат­ный ка­нал с диф­фу­зо­ром, ко­ле­на по­во­рот­ных ло­па­ток и воз­ду­хо­ох­ла­ди­тель, под­дер­жи­ваю­щий по­сто­ян­ную темп-ру га­за в ра­бо­чей час­ти. Эл­лип­тич. се­че­ние ра­бо­чей час­ти круп­ней­шей в Рос­сии до­зву­ко­вой А. т. име­ет раз­ме­ры 12×24 м². Мощ­ность ком­прес­со­ров доз­ву­ко­вых А. т. – от со­тен кВт до неск. де­сят­ков МВт.

Рис. 2. Схема баллонной трансзвуковой эжекторной аэродинамической трубы: 1 – хонейкомб; 2 – сетки; 3 – форкамера; 4 – конфузор; 5 – перфорированная рабочая часть с модель…

Транс­зву­ко­вая ком­прес­сор­ная А. т. по схе­ме ана­ло­гич­на доз­ву­ко­вой. Для реа­ли­за­ции не­пре­рыв­но­го пе­ре­хо­да че­рез ско­рость зву­ка в ней ис­поль­зу­ет­ся до­зву­ко­вое со­пло и ра­бо­чая часть с ще­ле­вы­ми или пер­фо­ри­ро­ван­ны­ми стен­ка­ми; под­би­рая фор­му и раз­мер пер­фо­ра­ции, мож­но пре­дот­вра­тить от­ра­же­ние от сте­нок волн сжа­тия и раз­ре­же­ния, воз­ни­каю­щих при об­те­ка­нии мо­дели. Пром. транс­зву­ко­вые А. т. име­ют по­пе­реч­ные раз­ме­ры ра­бо­чей час­ти до 3 м, мощ­ность ком­прес­со­ров дос­ти­га­ет 100 МВт и бо­лее. В бал­лон­ных транс­зву­ко­вых А. т. для соз­да­ния тре­буе­мо­го га­зо­во­го по­то­ка при­ме­ня­ют эжек­то­ры (рис. 2).

Рис. 3. Схема сверхзвуковой баллонной аэродинамической трубы: 1 – баллонсо сжатым воздухом; 2 – трубопровод; 3 – регулирующий дроссель; 4 – выравнивающие сетки; 5 – хоней…

В сверх­зву­ко­вых А. т. для по­лу­че­ния тре­буе­мых ско­ро­стей га­за ис­поль­зу­ют сверх­зву­ко­вое со­пло (т. н. со­пло Ла­ва­ля), со­стоя­щее из су­жаю­щей­ся (доз­ву­ко­вой) и рас­ши­ряю­щей­ся (сверх­зву­ко­вой) час­тей; в ми­ни­маль­ном (кри­ти­че­ском) се­че­нии со­пла ско­рость га­за рав­на ско­рости зву­ка. Чис­ло $M$, по­лу­чае­мое в ра­бо­чей час­ти, оп­ре­де­ля­ет­ся от­но­ше­ни­ем пло­ща­дей се­че­ния ра­бо­чей час­ти и кри­тич. се­че­ния со­пла. Тор­мо­же­ние сверх­зву­ко­во­го по­то­ка по­сле ра­бо­чей час­ти со­про­во­ж­да­ет­ся вол­но­вы­ми по­те­ря­ми пол­но­го дав­ле­ния, свя­зан­ны­ми с об­ра­зо­вани­ем скач­ков уп­лот­не­ния. Мощ­но­сти ком­прес­со­ров круп­ных сверх­зву­ко­вых А. т. с ха­рак­тер­ны­ми раз­ме­ра­ми по­пе­реч­но­го се­че­ния ра­бо­чей час­ти 1,5 × 2,5 м² со­став­ля­ют 50–100 МВт. В не­замк­ну­той пря­мо­точ­ной бал­лон­ной сверх­зву­ко­вой А. т. (рис. 3) нет об­рат­но­го ка­на­ла, за­дан­ное дав­ле­ние в фор­ка­ме­ре (по ме­ре ис­те­че­ния га­за из бал­ло­нов) под­дер­жи­ва­ет­ся с по­мо­щью ре­гу­ли­рую­ще­го дрос­се­ля.

Мо­де­ли­ро­ва­ние ги­пер­зву­ко­во­го по­лё­та тре­бу­ет вос­про­из­ве­де­ния в А. т. дав­ле­ния тор­мо­же­ния до со­тен МПа и темп-ры тор­мо­же­ния до 10⁴ К. При чис­ле МO 4,5 воз­дух в А. т. не­об­хо­ди­мо на­гре­вать для пре­дот­вра­ще­ния его кон­ден­са­ции, от­че­го су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ют­ся свой­ст­ва по­то­ка, вы­те­каю­ще­го из со­пла, и он ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски не­при­год­ным для про­ве­де­ния аэ­ро­ди­на­мич. экс­пе­ри­мен­та. Обыч­но ис­сле­до­ва­ния ги­пер­зву­ко­вых ЛА про­во­дят на ком­плек­се экс­пе­рим. ус­та­но­вок, по­сколь­ку не су­ще­ст­ву­ет А. т., ко­то­рая од­на обес­пе­чи­ла бы все не­об­ходи­мые для мо­де­ли­ро­ва­ния та­ко­го по­лё­та ус­ло­вия.

Рис. 4. Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы: 1 – баллонс высоким давлением; 2 – трубопровод; 3 – регулирующий дроссель; 4 – подогреватель; 5 – форкамерас…

Ги­пер­зву­ко­вые бал­лон­ные А. т. «клас­сич. ти­па» по­доб­ны сверх­зву­ко­вым бал­лон­ным А. т. со вре­ме­нем дей­ст­вия по­ряд­ка де­сят­ков се­кунд. В та­ких тру­бах по­дог­рев воз­ду­ха осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в оми­че­ских, элек­тро­ду­го­вых или кау­пер­ных по­дог­ре­ва­те­лях. Мощ­ность по­дог­ре­ва­те­лей для труб с се­че­ни­ем ра­бо­чей час­ти 1 м² cоставляет бо­лее 10 MBт. Макс. давлениe в А. т. с ду­го­вым по­до­гре­ва­телем по­ряд­ка 20 МПа, что по­зво­ля­ет мо­де­ли­ро­вать по­лёт ги­пер­зву­ко­вых ЛА толь­ко на боль­ших вы­со­тах. Боль­шой пе­ре­пад дав­ле­ний, не­об­хо­ди­мый для ги­пер­зву­ко­вых А. т., обес­пе­чи­ва­ет­ся сис­те­мой эжек­то­ров или ва­ку­ум­ной ём­ко­стью (рис. 4).

Ряд важ­ней­ших осо­бен­но­стей ги­пер­зву­ко­во­го по­лё­та мо­де­ли­ру­ет­ся в раз­лич­ных спец. га­зо­ди­на­мич. ус­та­нов­ках. Для ис­сле­до­ва­ний при боль­ших дав­ле­ни­ях тор­мо­же­ния и на­тур­ных Рей­нольд­са чис­лах ши­ро­ко при­ме­ня­ют удар­ные и им­пульс­ные А. т. со вре­ме­нем дей­ст­вия 0,005–0,1 с. Те­п­ло­за­щит­ные по­кры­тия ис­сле­ду­ют в те­п­ло­вых А. т. с элек­тро­ду­го­вы­ми по­дог­ре­ва­те­ля­ми. По­лё­ты на очень боль­ших вы­со­тах мо­де­ли­ру­ют в ва­ку­умных А. т., обес­пе­чи­ваю­щих дав­ле­ние по­ряд­ка 10^–3 Па и дли­тель­ность экс­пе­ри­мен­та до 1 ча­са. Аэ­ро­аку­стич. А. т. пред­на­зна­че­ны для ис­сле­до­ва­ния влия­ния аку­стич. по­лей на проч­ность кон­ст­рук­ции изу­чае­мо­го объ­ек­та, ра­бо­ту при­бор­ных от­се­ков и др. От обыч­ных А. т. они от­ли­ча­ют­ся тем, что их ра­бо­чая часть за­щи­ще­на от внеш­них шу­мов (ра­бо­таю­щих си­ло­вых ус­та­но­вок и вен­ти­ля­то­ров А. т.), а её стен­ки по­кры­ты ма­те­риа­лом, по­гло­щаю­щим зву­ко­вые вол­ны, воз­ни­каю­щие при об­те­ка­нии мо­де­ли и ра­бо­те ус­та­нов­лен­ных на ней дви­га­те­лей.

Управ­ле­ние А. т. и об­ра­бот­ка дан­ных, по­лу­чае­мых в хо­де экс­пе­ри­мен­тов с на­тур­ны­ми объ­ек­та­ми или их мо­де­ля­ми, осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью ЭВМ.

По­яв­ле­ние и раз­ви­тие А. т. тес­но свя­за­но с раз­ви­ти­ем авиа­ции. Пер­вые А. т. по­строе­ны в 1871 В. А. Паш­ке­ви­чем в Рос­сии и Ф. Уэн­хе­мом в Ве­ли­ко­бри­та­нии, не­сколь­ко позд­нее К. Э. Ци­ол­ков­ским (1897), брать­я­ми У. и О. Райт (1901), Н. Е. Жу­ков­ским (1902) и др. В 1920–30-х гг. раз­ви­тие А. т. шло в осн. по пу­ти уве­ли­че­ния их мощ­но­сти и раз­ме­ров ра­бо­чей час­ти. В 1925 в ЦАГИ вве­де­на в дей­ст­вие круп­ней­шая для то­го вре­ме­ни А. т. С сер. 1940-х гг. на­ча­ла бы­ст­ры­ми тем­па­ми раз­ви­вать­ся ре­ак­тив­ная авиа­ция, что об­ус­ло­ви­ло соз­да­ние круп­ных транс­зву­ко­вых и сверх­зву­ко­вых А. т. В 1946 в ЦАГИ соз­да­на пер­вая в ми­ре транс­зву­ко­вая А. т. с пер­фо­ри­ро­ван­ной ра­бо­чей ча­стью, обес­пе­чив­шая прин­ци­пи­аль­но но­вые воз­мож­но­сти для про­ве­де­ния ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти пе­ре­хо­да че­рез ско­рость зву­ка. Раз­ви­тие ги­пер­зву­ко­вых А. т. и соз­да­ние спец. ги­пер­зву­ко­вых га­зо­ди­на­мич. ус­та­но­вок свя­за­но с по­яв­ле­ни­ем в 1960-х гг. бал­ли­стич. ра­кет и спус­кае­мых кос­мич. ап­па­ра­тов. С це­лью уве­ли­че­ния чи­сел Рей­нольд­са в А. т. для при­бли­же­ния к на­тур­ным зна­че­ни­ям в 1980-е гг. бы­ла реа­ли­зо­ва­на кон­цеп­ция крио­ген­ной аэ­ро­ди­на­мич. тру­бы.

Ford изучает форкамерное зажигание по образцу Формулы-1, как и Maserati использует

дизельных двигателей, используемых для инициирования сгорания в форкамере, в которой размещалась свеча накаливания для холодного пуска, но причудливый непосредственный впрыск под высоким давлением в значительной степени удалил форкамеру. Недавно мы узнали, что двигатель Maserati MC20 Nettuno V-6 2022 года возрождает его — в бензиновых двигателях — как способ ускорить скорость сжигания топлива и извлечь больше работы и производительности из топливовоздушной смеси. Теперь мы слышим, что Ford работает с FEV, инженерной консалтинговой компанией, и Окриджской национальной лабораторией над форкамерным двигателем, направленным на повышение эффективности.

Трехлетний проект стоимостью 10 миллионов долларов, частично финансируемый Министерством энергетики, направлен на разработку «высокоэффективного форсированного двигателя нового поколения». В частности, усилия направлены на повышение эффективности на 23 процента и снижение массы двигателя на 15 процентов по сравнению с 3,5-литровым двигателем EcoBoost V-6 в пикапе Ford F-150 2016 года. Таким образом, в то время как Формула 1 и двигатель Nettuno Maserati MC20 (на фото ниже) используют концепцию для обеспечения максимальной производительности, Ford, FEV, ORNL и Федеральные органы больше заинтересованы в эффективности.К счастью, часто это две стороны одной медали.

Как выглядит форкамерное зажигание?

В центре верхней части цилиндра находится камера гораздо меньшего размера, в которой находится собственный топливный инжектор и свеча зажигания. Команда Ford рассматривает возможность втиснуть туда инжектор сжатого воздуха. Он соединен с основной камерой отверстиями, достаточно большими, чтобы обеспечить ту же степень сжатия, что и главный цилиндр, но достаточно малыми, чтобы при сгорании в форкамере он выходил из этих отверстий в виде струй огня, которые помогают воспламенить смесь в главном цилиндре. камера.

Подход Ford может гарантировать наличие богатой легко воспламеняющейся смеси рядом со свечой зажигания перед камерой. Насколько мы понимаем, отверстия предкамеры Maserati MC20 достаточно велики, чтобы топливо, впрыскиваемое в основную камеру или всасываемое через форсунку, могло попасть внутрь. В концепции Ford и Maserati используется впрыск через порт в дополнение к непосредственному инжектору в основной камере, что означает, что в форкамерной системе Ford есть три инжектора (вероятно, работающих при двух разных давлениях).

Как повысить эффективность форкамерного зажигания?

Пять отдельных областей внимания в проекте, финансируемом Министерством энергетики, включают: снижение детонации двигателя, разреженное (обедненное) сгорание, управление температурой, снижение трения и снижение веса. Концепция предкамеры помогает с первыми двумя, способствуя гораздо более быстрому сгоранию. Чем быстрее горит смесь, тем меньше нужно зажигать свечу зажигания раньше (пока поршень все еще поднимается), чтобы вся смесь сгорела.Позже зажигание искры при сжигании всего топлива снижает температуру. Это снижает вероятность образования горячих точек, вызывающих детонацию (более холодный ожог также снижает загрязнение NOx). Наконец, позднее более быстрое сгорание означает, что на коленчатый вал, когда он опускается, прикладывается больше полезной силы от сгорания. Бедные смеси по своей природе экономят топливо, но, как правило, их труднее воспламенить. Форсунки форкамеры помогают зажечь обедненную смесь в основной камере.

Это работает и сколько топлива можно сэкономить?

Исследования, опубликованные на сегодняшний день, показывают, что скорость горения выше, чем у параллельной концепции, которая включает ускорение горения за счет инициирования его с помощью трех свечей зажигания в обычной камере сгорания.Это же исследование показывает, что все усилия команды по снижению детонации окупаются за счет увеличения степени сжатия с базового уровня 10: 1 до 13: 1 и 15: 1, что повышает топливную эффективность на 6-8 процентов. Сумма усилий при разреженном сгорании позволяет двигателю работать с системой рециркуляции отработавших газов с охлаждением на 30-50 процентов, что добавляет еще 2-5 процентов топливной эффективности.

Что составляет остальную часть 23-процентного повышения топливной эффективности?

К другим технологиям, снижающим детонацию, относятся: Улучшенное охлаждение камеры сгорания с помощью раздельной системы охлаждения, в которой приоритет отдается охлаждению головки цилиндров, большему охлаждению поршней и седлам и направляющим клапана с высокой теплопроводностью.Улучшению разреженного сгорания также способствует усовершенствованная, вероятно, электрифицированная система турбонаддува. Еще один важный фактор — бесступенчатая регулировка фаз газораспределения, которая позволяет использовать цикл Миллера, который включает в себя очень позднее закрытие впускных клапанов для снижения компрессионной нагрузки на коленчатый вал, опираясь на наддув, чтобы обеспечить достаточное количество наддувочного воздуха / EGR (Миллер — это, по сути, наддув Аткинсона плюс) . Этому приписывают 2,5–3,5 процента.

Конструкция с длинным ходом и узким проходом (отношение диаметра к ходу 3: 4) обеспечивает благоприятное соотношение поверхности к объему, сокращает расстояние распространения пламени и обеспечивает высокие скорости поршня, которые улучшают движение заряда, что улучшает смешивание топливовоздушной смеси и скорость горения.Остальное утилизируется небольшими обновлениями, некоторые из которых уже установлены (например, 2-4 процента от повышения с шести до десяти скоростей в трансмиссии и 3-4 процента для автоматической остановки / запуска). Львиная доля снижения веса (13,6 процента) достигается за счет упрощенных клапанного механизма и выпуска, а также за счет встроенного коллектора головки и выпуска, что стало возможным благодаря переходу на рядный шестицилиндровый двигатель. Кованый масляный поддон из углеродного волокна сокращает еще 2,7 процента, а на 3D-печать оптимизированной головки блока цилиндров приходится еще 1.2 процента.

Нас соблазняет идея Ford F-150, оснащенного системой сгорания в стиле Формулы-1 и рядным шестицилиндровым двигателем с двойным турбонаддувом, подобным BMW.

— Maserati MC20 Engine Tech

После нескольких месяцев тизеров Maserati, наконец, представила свой суперкар MC20 в начале этого месяца. В его основе лежит новый двигатель V-6 с двойным турбонаддувом, получивший название Nettuno, который, как отметила итальянская компания, использует технологию, полученную из Формулы 1, внутри головки блока цилиндров, называемую «форкамерой», предназначенной для повышения эффективности и производительность.Вот как это работает.

Road & Track Участник проекта Джейсон Фенске недавно опубликовал на своем канале YouTube Engineering Explained видео, в котором анализируется процесс горения Nettuno. Предварительные камеры — это именно то, на что они похожи: отдельные камеры внутри головки блока цилиндров, соединенные с областью главного цилиндра. Есть два типа: активный и пассивный. Активные форкамеры содержат свечу зажигания и топливную форсунку и воспламеняются после подачи обедненной топливовоздушной смеси в цилиндр.Обычно в этой смеси не хватает топлива, чтобы воспламениться самостоятельно, но топлива из форкамеры достаточно для создания оптимального соотношения воздух-топливо и ускорения процесса сгорания, повышения эффективности.

Пассивные форкамеры, с другой стороны, имеют только свечу зажигания в форкамеру, без добавления топлива или воздуха внутри. Когда свеча зажигания загорается, камера распространяет пламя по всей площади цилиндра, обеспечивая сверхбыстрый цикл сгорания. Это тип предкамеры, которую использует Maserati, и производитель утверждает, что она позволяет на 15 процентов увеличить степень сжатия, при этом не нарушая законов о выбросах.

Система форкамеры Maserati использует как порт, так и прямой впрыск, что является обычным усовершенствованием для повышения эффективности энергопотребления. Впрыск через порт создает лучшую топливно-воздушную смесь, а прямой впрыск охлаждает смесь в цилиндре, обеспечивая большую мощность. Система также имеет вторую свечу зажигания непосредственно внутри основной камеры для стабилизации горения при низких нагрузках.

Как отмечает Фенске, это довольно сложная установка, поэтому надежность может стать проблемой в долгосрочной перспективе.Также стоит отметить, что топливо или воздух не проходят через предкамеру Nettuno во время цикла сгорания, поэтому накопление углерода с течением времени также может быть проблемой. Нам просто нужно подождать несколько лет и посмотреть, как все обернется.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Камеры предварительного сгорания

Наше качество, точность и цена определяют разницу

50 лет эволюции и технологического развития позволили нам специализироваться на производстве продукции, связанной с автомобильной промышленностью.Одним из таких продуктов является камера предварительного сгорания (Hot Plug) для дизельных двигателей. Мы продаем это с высочайшим стандартом качества и конкурентоспособными ценами.

Нажмите на одно из изображений, чтобы загрузить наш каталог на 2012 год в формате PDF.

Что такое предварительное сжигание?

Система предварительного сгорания используется в основном в дизельных двигателях. Он использует классический топливный насос, который содержит поршни, основная функция которых заключается в подаче топлива в трубки, отдельные для каждого цилиндра двигателя, где топливо поступает в форсунку (по одной для каждого цилиндра) и они распыляли топливо в камеры предварительного сгорания, установленные на головке двигателя.Это в камере, где начинается горение. Возгорание наступает как огонь из PreChamber в цилиндр. Есть свечи накаливания или нагреватели, установленные на камерах предварительного сгорания, которые нагревают воздух для лучшего зажигания двигателя.

Повреждения, вызванные износом камеры предварительного сгорания.

Камеры предварительного сгорания в дизельных двигателях претерпевают значительные изменения в своей конструкции, и со временем они имеют тенденцию к растрескиванию, они опускаются ниже поверхности головки двигателя, и они также расшатываются.Благодаря постоянному воздушному топливу они изнашиваются, а иногда и трескаются, и если их не изменить, они могут повредить поверхность блока двигателя. Это происходит потому, что, если они ослабнут при взрыве, PreChamber ударился о поверхность блока, нанеся урон.

Ненормальное горение из-за трещины в камерах предварительного сгорания.

Когда происходит возгорание внутри камеры предварительного сгорания с трещиной, иногда происходит утечка части огня из трещины в цилиндр, вызывая ненормальное сгорание из-за неоднородного пламени.

Установка камеры предварительного сгорания.

При установке камер предварительного сгорания они должны быть выше поверхность головы, примерно от 0,001 дюйма до 0,003 дюйма, это необходимо для компенсировать толщину прокладки головки, чтобы избежать повреждения Это.

Форкамера впрыска — zxc.wiki

Форкамерный впрыск был принципом впрыска для дизельных двигателей (камерный дизельный двигатель), который был широко распространен до 1990-х годов.Он отличается тем, что камера сгорания разделена на основную камеру сгорания и предкамеру, а топливо впрыскивается в предкамеру. Сегодня он в значительной степени вытеснен прямым впрыском и используется только в нишевых приложениях, таких как дизельные генераторы меньшего размера.

история

Первые дизельные двигатели имели впрыск воздуха и работали только с опорой на компрессор, так как топливо подавалось в камеру сгорания сжатым воздухом.В результате двигатели были большими, тяжелыми и вряд ли можно было использовать в мобильных приложениях. Prosper L’Orange, в то время партнер по развитию Рудольфа Дизеля, изобрел в 1909 году принцип форкамеры, который позволил отказаться от компрессоров. Он заложил основу для небольших, быстроходных и, следовательно, подходящих для наземных транспортных средств дизельных двигателей.

В форкамерном дизельном двигателе от Prosper L’Orange топливо подается в промежуточный канал между камерой сгорания и форкамерой с помощью механического насоса без форсунки и при умеренном давлении в начале такта сжатия.Сжатый поршнем воздух, который закручивается из камеры сгорания в предкамеру, обеспечивает распыление. Часть распыленного топлива воспламеняется в форкамере, расширение толкает и распыляет оставшееся топливо, содержащееся в промежуточном канале, в камеру сгорания, где затем происходит основное сгорание.

Впрыскивающий насос изначально был механическим, нерегулируемым насосом, что затрудняло влияние на процесс распыления и сгорания. Важным дальнейшим развитием было введение форсунки, с помощью которой распыление топлива может выполняться более точно и более контролируемым образом.

описание

В форкамеру, размер которой соответствует примерно 35% основной камеры сгорания, топливо впрыскивается через сопло с одним отверстием как можно дальше в направлении отверстия в основную камеру сгорания. Давление впрыска сравнительно умеренное и составляет максимум 400 бар, что благоприятно сказывается на долговечности впрыскивающего насоса и впрыскивающего клапана, а также на использовании различных видов топлива. Форма форкамеры должна обеспечивать хорошую топливовоздушную смесь.Это часто также достигается с помощью ударного штифта (иногда также ударного шара), расположенного в передней камере, на который попадает струя впрыска. Ударный штифт во время работы сильно нагревается, а это означает, что распыленное топливо испаряется очень быстро. Задержка зажигания дополнительно уменьшена, что делает возможной частоту вращения двигателя 5500 об / мин и выше.

Топливо предварительно смешано с частью воздуха для горения и частично сгорает в вестибюле. Возникающее в результате расширение выталкивает смесь через открывающийся канал, так называемый канал зажигания, в основную камеру сгорания.Таким образом, при предварительном сгорании форкамера действует как вторая форсунка. Большая часть сгорания, воздействующего на поршень, происходит в основном помещении. Благодаря низкому давлению впрыска и контролируемому сгоранию нагрузка на компоненты мала, что в сочетании с низкой скоростью поршня позволяет дизельным двигателям (например, Mercedes-Benz OM 615) увеличить ресурс.

Преимущества и недостатки

Преимущества перед дизельными двигателями с непосредственным впрыском:

• Низкое давление впрыска от 118 до 132 бар
• Низкое давление зажигания, что снижает механическую нагрузку на двигатель
• Меньшая задержка воспламенения разделенной камеры сгорания, поэтому подходит для низкокипящего топлива с низкой воспламеняемостью (многотопливные свойства)
• Более низкий уровень шума по сравнению с прямым впрыском с механическим управлением (= без многократного впрыска)
• Снижение выбросов оксидов азота

Недостатки по сравнению с дизельными двигателями с непосредственным впрыском:

• Двигатели Common Rail с многократным впрыском демонстрируют лучшее шумовое поведение.
• Как следствие, большие потери тепла и потока в разделенной камере сгорания с относительно большими поверхностями.
  • Низкий КПД с повышенным расходом топлива примерно на 15-20%
  • Для запуска холодного двигателя требуются свечи накаливания для нагрева форкамеры и достижения температуры самовоспламенения
• Склонность к образованию сажи (помутнение выхлопных газов), особенно если форкамера охлаждается на холостом ходу, а затем запускается.

варианты

Изначально дизельные двигатели могли быть сконструированы компактно с использованием форкамерного метода, но они все еще не подходили для управления транспортными средствами.Только с изобретением игольчатого впрыскивающего сопла и воронки-предкамеры в 1919 г. и управляемого нагнетательного насоса в 1921 г. можно было построить предкамерные машины, способные работать на высоких скоростях, чтобы их можно было использовать в качестве приводов транспортных средств. В последующие годы, в первую очередь, форма вестибюля была доработана, чтобы еще больше уменьшить задержку зажигания.

Некоторые авторы также называют M-процесс особым вариантом предкамерного процесса.

литература

• Ричард ван Басхуизен, Фред Шефер: Справочник по двигателю внутреннего сгорания.Уве Тодсен: Двигатели внутреннего сгорания , 2-е издание, Карл Хансер, Мюнхен, 2017. ISBN 978-3-446-45227-5. С. 96.
• ↑ Хайнц Гроэ: Отто и дизельные двигатели. Функции, устройство и расчет двухтактных и четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. 11-е издание. Vogel-Verlag, Würzburg 1995, ISBN 3-8023-1559-6.
• ↑ F. Sass, Ch. Буше, А. Лейтнер (ред.): Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau , 12-е издание, Springer, Berlin / Heidelberg, 1963.ISBN 978-3-662-41645-7. С. 177.
• ↑ ^{a b c d e f} Рюдигер Тайхманн, Гюнтер П. Меркер (ред.): Основы двигателей внутреннего сгорания: Функциональность, моделирование, измерительная техника , 7-е издание, Springer, Висбаден, 2014. ISBN 978-3-658-03195-4. С. 381 сл.
• ↑ ^{а б в} Ханс-Герман Браесс, Ульрих Зайфферт (ред.): Vieweg Handbook Motor Vehicle Technology , 7-е издание, Springer, Wiesbaden, 2013.ISBN 978-3-658-01691-3. С. 310 и сл.
• ↑ Конрад Рейф: Основы технологии автомобилей и двигателей , Springer, Wiesbaden, 2017. ISBN 978-3-658-12636-0. С. 13


Дизели с косвенным впрыском и дизельные двигатели с прямым впрыском

Дизельные двигатели с косвенным впрыском и дизельные двигатели с прямым впрыском

IDI и DI

IDI — Дизель с косвенным впрыском

В дизельных двигателях

IDI используется камера предварительного сгорания, обычно называемая вихревой камерой или форкамерой.Топливо впрыскивается в форкамеру, где оно быстро смешивается с воздухом и происходит самовоспламенение. По мере того, как фронт пламени расширяется в форкамеру, он заставляет топливо быстро поступать в камеру сгорания, эффективно смешивая топливо с воздухом в цилиндре, и достигается распыление. Свеча накаливания также расположена в форкамере, а форма поршней в IDI имеет тенденцию напоминать форму поршней бензинового двигателя.

DI — Дизель с прямым впрыском

Дизельные двигатели

DI впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания, прямо в верхнюю часть поршня.В поршнях двигателя прямого ввода-вывода обычно врезана чаша или стакан, в который направляется топливо. Двигатели с прямым впрыском работают при более высоких давлениях впрыска, и поэтому происходит более полное распыление, а это означает, что этим двигателям не требуется форкамера для обеспечения надлежащей диффузии топлива в воздух.

Двигатели

IDI теперь ушли в прошлое, поскольку дизельный двигатель с непосредственным впрыском работает с гораздо более высокой эффективностью, значительно меньшими выбросами и большей производительностью. Однако это не означает, что бывшие в употреблении модели потеряли свой блеск.Двигателям IDI 80-х и 90-х годов не хватает современной сложности, поэтому их относительно легко и недорого обслуживать. Отсутствие электроники и средств контроля выбросов, как правило, способствует большей надежности двигателей IDI, поскольку система намного менее сложна. Кроме того, пикапы, оснащенные IDI, обычно можно купить по дешевке на рынке подержанных автомобилей. Несмотря на привлекательность старых дизелей IDI, дизельные двигатели с прямым впрыском имеют следующие преимущества перед сопоставимым аналогом IDI:

• Повышенная тепловая эффективность

• Снижение выбросов NOx и твердых частиц (сажи)

• Пониженный уровень шума, вибрации и резкости (NVH)

• Большой потенциал производительности

• Более высокие характеристики на большой высоте (по сравнению с безнаддувными двигателями IDI)

Форкамера зажигания — малая искра, большой эффект

Плохое воспламенение и медленное прогорание смеси, а также чрезмерно высокие выбросы NOx до сих пор препятствовали использованию двигателей, работающих на обедненной смеси.Эти препятствия теперь устранены с помощью форкамерного зажигания: даже с сильно разбавленными смесями — будь то с воздухом или с выхлопными газами — высокая энергия зажигания гарантирует надежное и быстрое сгорание везде. В случае разбавления воздухом гомогенные обедненные смеси с соотношением воздух / топливо значительно больше двух могут быть воспламенены и эффективно сожжены, обеспечивая выбросы NOx, близкие к пределам обнаружения. Таким образом, сочетание форкамерного зажигания, двигателей с обедненной смесью и гибридизации могло бы заметно снизить расход топлива транспортных средств с бензиновым двигателем.

Двигатели

, работающие по принципу Миллера или Аткинсона, также выигрывают от форкамерного зажигания. Их обычное отсутствие турбулентности в камере сгорания компенсируется дополнительной турбулентностью форсунок из форкамеры. Это также обеспечивает надежное и быстрое сгорание, и эти процессы сгорания могут в полной мере продемонстрировать свои преимущества (например, более низкие потери тепла через стенки). «Используя форкамерное зажигание, мы можем повысить эффективность не только современных двигателей, но и новых технологий», — говорит Сенс.«Постепенно это позволит нам улучшить бензиновый двигатель».

Потенциал, который питает форкамерное зажигание, продемонстрирован испытаниями на одноцилиндровом двигателе, работающем с пассивным или активным форкамерным зажиганием. С пассивной опцией расход топлива в WLTC упал до трех процентов в результате более высокой степени сжатия, и вполне возможно дальнейшее повышение эффективности. Активное форкамерное зажигание даже привело к экономии до восьми процентов в WLTC.«Эти результаты являются многообещающими», — сообщает Биндер. «И мы видим дальнейший потенциал для оптимизации за счет учета предкамерного зажигания при проектировании камеры сгорания новых двигателей».

границ | Система, позволяющая смешивать контролируемое сжигание с высокооктановым топливом с использованием форкамеры и прямого инжектора высокого давления

Введение

Мотивация: необходимость в двигателях с регулируемым сгоранием с чистым смешиванием

Транспорт — это сердцевина мировой экономики.Ожидается, что в ближайшие два десятилетия мировой спрос на энергию для транспорта вырастет примерно на 25% (ExxonMobil 2020). Большая часть роста приходится на страны, не входящие в ОЭСР, благодаря их развивающейся инфраструктуре и экономике. Однако даже в странах ОЭСР прогнозируется рост коммерческих перевозок. Таким образом, во всем мире существует острая потребность в повышении эффективности, сокращении выбросов и повышении устойчивости транспорта.

Перед растущим транспортным сектором стоят сложные задачи.Из-за большого спроса на энергию есть опасения по поводу потребления нефти и выбросов парниковых газов (ПГ). Кроме того, необходимо сократить и контролировать такие критерии загрязнителей, как оксиды азота (NOx), твердые частицы (ТЧ) и летучие органические соединения (ЛОС), которые оказывают разрушительное воздействие на качество воздуха на местном и глобальном уровнях. Из-за прямой корреляции между транспортировкой и экономическим ростом, особенно коммерческим транспортом, стоимость новых технологических инноваций должна быть масштабируемой, при этом удовлетворяя потребности клиентов в общей стоимости владения, производительности, надежности, долговечности и долговечности.

Похоже, что не будет «серебряной пули» или единого решения, которое решало бы все эти проблемы, из-за огромного масштаба проблемы. Полностью аккумуляторные электрические автомобили и автомобили на водородных топливных элементах привлекательны с точки зрения выбросов местных загрязняющих веществ и могли бы снизить выбросы парниковых газов по сравнению с ДВС, если бы электричество, используемое для зарядки аккумулятора или производства водорода, было из источника с низким содержанием CO ₂ . Однако важно помнить, что эти технологии могут не быть оптимальным решением для всех транспортных приложений и иметь проблемы с масштабируемостью из-за их высокой стоимости и отсутствия инфраструктуры.

В секторе тяжелых условий эксплуатации электрическому грузовику класса 8 с полной аккумуляторной батареей, по оценкам, потребуется аккумуляторная батарея мощностью ∼1000 кВт-ч, которая будет стоить не менее 125000 долларов и весит не менее 13000 фунтов. Благодаря современному быстрому зарядному устройству для зарядки этой батареи потребуется 12 часов (Kalghatgi, 2018). Стоимость одного только аккумуляторного блока аналогична общей стоимости грузовика с дизельным двигателем. Кроме того, батареи сделаны из драгоценных природных ресурсов, таких как литий и кобальт, и было показано, что перевод всех транспортных средств на аккумуляторную электроэнергию маловероятен с точки зрения поставок полезных ископаемых (Olivetti et al., 2017). Наконец, электромобили — это не автомобили с нулевым уровнем выбросов. Требуется полный анализ жизненного цикла продукта, и на данном этапе неясно, есть ли большое преимущество с точки зрения сокращения выбросов CO ₂ .

Водородные топливные элементы — еще одна привлекательная технология, когда речь идет о сокращении местных выбросов загрязняющих веществ. Важно помнить, что водород — это просто энергоноситель, как и электричество. Таким образом, для массового увеличения производства водорода потребуется значительный рост электрической сети для производства зеленого водорода, как и в случае с электричеством для аккумуляторов.Дополнительная проблема с водородом — хранение топлива и мобильность. Водород — легкий газ и имеет очень небольшую удельную энергию в расчете на объем. Его сложно эффективно обрабатывать и транспортировать. Потребуются очень большие инвестиции в инфраструктуру для хранения водорода, транспорта и заправочных станций, а также в электрическую сеть для масштабирования транспортных средств на водородных топливных элементах. Недавнее исследование оценило затраты, связанные с переводом всех транспортных средств в Китае на аккумуляторную электроэнергию или водородные топливные элементы в 2050 году.Инвестиции в инфраструктуру, связанные с аккумуляторными электромобилями, составят ~ 1 триллион долларов, а для водорода — ~ 3 триллиона долларов (Shih et al., 2018). Это огромные инвестиции, которые вряд ли произойдут своевременно, и необходимость снижения воздействия транспорта на окружающую среду является насущной.

Существует неизбежная необходимость сократить потребление ископаемого топлива. Это должно быть достигнуто с помощью сочетания технологий, одной из которых является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). За последние несколько десятилетий ДВС претерпел огромные изменения, направленные на сокращение выбросов и повышение топливной экономичности.Эти инвестиции не следует выбрасывать, а, скорее, общество должно продолжать совершенствовать эти двигатели и инвестировать в топливо и стратегии сжигания, которые соответствуют целям общества по выбросам и снижению изменения климата, при этом по-прежнему используя нашу существующую инфраструктуру жидкого топлива. Это кажется наиболее прагматичным, доступным и простым подходом к снижению воздействия на окружающую среду и обеспечению устойчивости транспорта в будущем.

Чистое сжигание, возобновляемое жидкое биотопливо имеет большой потенциал для снижения NOx, сажи и выбросов CO в течение всего жизненного цикла от ДВС.В настоящее время биотопливо в основном производится из различных источников биомассы, таких как сельскохозяйственные культуры, травы и водоросли. В более долгосрочной перспективе такие технологии, как солнечное топливо, производимое из секвестрированного CO ₂ , являются отличными кандидатами для закрытия углеродного цикла и создания большого количества углеродно-нейтрального топлива. Солнечное топливо по сути имитирует биологический процесс фотосинтеза, при котором CO ₂ , вода и солнечный свет используются для создания источника топлива. По сути, солнечное топливо хранит солнечную энергию в своих связях и, таким образом, является носителем энергии, как батареи и водород.Однако они являются более привлекательными энергоносителями, поскольку с ними легко обращаться, они обладают высокой энергоемкостью и легко вписываются в существующую топливную инфраструктуру. Самым простым солнечным топливом является метанол (CH ₃ OH), и в данном исследовании он будет рассматриваться как альтернатива дизельному топливу (Shih et al., 2018; Tountas et al., 2019).

Смешивание контролируемого горения с высокооктановым топливом, обеспечиваемое форкамерой

В современном дизельном двигателе топливо непосредственно впрыскивается в камеру сгорания, которая самовоспламеняется и создает турбулентное диффузионное пламя.Иногда это называют в просторечии «сжиганием дизельного топлива», но более формально это называется сжиганием с контролируемым смешиванием (MCC), поскольку скорость смешения топлива и воздуха определяет скорость сгорания. Есть много привлекательных характеристик двигателей, в которых используется этот процесс сгорания. Двигатели MCC работают на обедненной смеси с высокой степенью сжатия, что обеспечивает высокий термодинамический КПД и высокий КПД сгорания. Двигатели MCC устойчивы к изменяющимся условиям окружающей среды, управляемы и могут обеспечивать очень высокий крутящий момент на низких оборотах, потому что детонация и предварительное зажигание не являются проблемой из-за отсутствия предварительно смешанного топлива.

Более чистые возобновляемые виды топлива, такие как спирты, обычно устойчивы к самовоспламенению (т. Е. Имеют высокое октановое число) и поэтому обычно используются в двигателях с предварительным смешиванием заряда с искровым зажиганием (SI). Двигатели SI имеют много недостатков, таких как работа с ограничением пикового крутящего момента с ограничением детонации, боязнь предварительного воспламенения на низкой скорости, низкая плотность крутящего момента, плохая реакция мгновенного крутящего момента, высокие уровни циклической изменчивости и относительно низкий тепловой КПД. Преимущественно предварительно смешанные низкотемпературные режимы горения (LTC), такие как воспламенение от сжатия с однородным зарядом (HCCI) и воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI), показали высокую эффективность и низкие выбросы NOx и сажи при использовании высокооктанового топлива, но по-прежнему имеют проблемы с управляемостью, рабочим диапазоном нагрузок и эффективностью сгорания (Демпси и др., 2013b; Демпси и др., 2014). Таким образом, представляет интерес разработка технологий, которые могут использовать высокооктановые топлива в режиме MCC.

Westport Innovations Inc. разрабатывает двухтопливный концентрический игольчатый инжектор для решения этих проблем в двигателях большой мощности, позволяя осуществлять контролируемое сгорание без предварительного смешивания с природным газом. Технология прямого впрыска высокого давления (HPDI) Westport использует сжиженный природный газ (СПГ) и дизельное топливо в единственном инжекторе (McTaggart-Cowan et al., 2014; McTaggart-Cowan et al., 2015; Мамфорд и др., 2017). Концепция HPDI впрыскивает пилотное количество дизельного топлива в конце такта сжатия. Дизель легко воспламеняется и увеличивает температуру в цилиндре, особенно возле наконечника форсунки. Затем, около верхней мертвой точки, инжектор подает природный газ под высоким давлением, который быстро воспламеняется из-за сгорания пилотного дизельного топлива и приводит к контролируемому сгоранию природного газа без предварительного смешивания.

Практическим ограничением технологии HPDI является необходимость в двух топливных системах высокого давления, что является сложным и дорогостоящим.Kammel et al. (Kammel et al., 2019) разработали инновационную систему для решения этой проблемы, которая представляет собой систему сгорания HPDI с форкамерным зажиганием, для которой не требуется дизельное топливо, только природный газ. В этой системе кольцевой объем форкамеры вставлен в отверстие инжектора, а единственный прямой инжектор, который питается природным газом высокого давления, установлен по центру через центр кольцевой форкамеры. Kammel et al. Первоначально эта система была разработана с использованием моделирования CFD, и моделирование показало, что концепция однотопливного HPDI с предкамерным зажиганием привела к контролируемому сгоранию природного газа со смешиванием, что привело к работе двигателя, подобной дизельному.Последующее исследование Зеленки и соавт. (Зеленка и др., 2020) экспериментально продемонстрировал концепцию сжигания природного газа HPDI с форкамерным зажиганием на большом 6-литровом одноцилиндровом исследовательском двигателе. Они смогли экспериментально показать, что концепция обеспечивает характеристики сгорания дизельного двигателя, такие как высокий тепловой КПД и точное управление началом сгорания и скоростью выделения энергии сгорания. Концепция предкамерного HPDI привела к более высоким выбросам CO и UHC, но более низким выбросам NOx.По-прежнему существует много практических проблем с топливом СПГ, например, с удаленным газом и погруженным криогенным насосом высокого давления. Даже с учетом последних технологических достижений системы СПГ с прямой закачкой обычно работают с пиковым давлением закачки 500–600 бар (McTaggart-Cowan et al., 2015; Mumford et al., 2017; Zelenka et al., 2020).

Представляет интерес разработка этой концепции для традиционного жидкого топлива, которое проще в обращении и транспортировке в современной глобальной инфраструктуре.Кроме того, топливная система высокого давления двигателя будет более традиционной и легко сможет обеспечить давление впрыска более 2500 бар, что обеспечит эксплуатационную гибкость, более высокую эффективность и сокращение выбросов в цилиндрах во время работы MCC. На рисунке 1 показано, как эта концепция может быть реализована в обычном поршневом двигателе с одним источником топлива. В данном исследовании эта концепция будет называться управляемым сжиганием с включенным смесителем (PC-MCC) с включенной форкамерой.

РИСУНОК 1 .Форкамера позволила реализовать концепцию управляемого смешения (PC-MCC).

Топливо должно быть достаточно летучим для обеспечения испарения и предотвращения коксования или возгорания лужи в форкамере. Кроме того, топливо должно иметь достаточно высокое сопротивление самовоспламенению (т. Е. С высоким октановым числом), чтобы избежать преждевременного воспламенения в форкамере. Форкамерное зажигание запускается свечой зажигания, чтобы обеспечить адекватный и повторяемый контроль над процессом форкамерного горения. Бензиноподобное топливо, пропан, СПГ и спирты, такие как метанол, этанол, пропанол и бутанол, среди прочего, являются отличными кандидатами для этой концепции.

Это исследование было сосредоточено на метаноле. Метанол является привлекательным биотопливом, поскольку его можно производить из различных источников биомассы, и он является самым простым солнечным топливом будущего (Bromberg and Cheng 2010; Shih et al., 2018). Из-за высокой теплоты испарения и высокой устойчивости к самовоспламенению довольно сложно создать надежную работу МКЦ с метанолом. Таким образом, в этом исследовании демонстрируется стратегия PC-MCC с метанолом, поскольку он будет одним из самых сложных видов топлива для воспламенения.Однако эта концепция считается гибкой и применимой к любому топливу с достаточной летучестью и устойчивостью к самовоспламенению.

В этой работе проводится сравнение между традиционным дизельным сжиганием (CDC), контролируемым сжиганием метанола, легированного с цетановым улучшителем (MCC-MD), и концепцией контролируемого сжигания с включенным смешиванием (PC-MCC) с чистым метанольным топливом. . Экспериментальные данные двигателя были получены от одноцилиндрового дизельного двигателя при работе CDC и MCC-MD.Была построена CFD-модель двигателя, и модель была проверена на точность прогнозирования процессов воспламенения и сгорания во время работы CDC и MCC-MD. Затем модель CFD была использована для демонстрации и изучения концепции PC-MCC с метанолом. Были смоделированы и проанализированы параметрические изменения размера форкамеры и диаметра прохода. Наконец, устойчивость процесса горения, которая определяется как нечувствительность процесса горения к граничным условиям, была оценена для трех стратегий горения.

Одноцилиндровый экспериментальный двигатель

Эксперименты проводились на четырехтактном дизельном двигателе на базе платформы General Motors (GM) объемом 1,9 л. В таблице 1 показаны геометрия двигателя и технические характеристики топливных форсунок. Лаборатория экспериментальных двигателей находится в Центре исследований двигателей Университета Висконсин-Мэдисон. Двигатель имеет топливную систему Common Rail высокого давления. Прямой инжектор (DI), использованный в этом исследовании, представлял собой Bosch CRI2.2, который установлен по центру в цилиндре двигателя.Чаша поршня представляла собой стандартный поршневой дизельный двигатель GM 1,9 л, степень сжатия которого составляла 16,7, и форма чаши с возвратным входом, которая была обычной для дизельных двигателей малой мощности этого года выпуска.

ТАБЛИЦА 1 . Технические характеристики одноцилиндрового двигателя объемом 1,9 л и топливной форсунки General Motors.

Для каждой установившейся рабочей точки было получено 300 последовательных циклов данных о давлении в цилиндре. Данные о давлении каждого отдельного цикла сглаживались с использованием фильтра нижних частот ряда Фурье с функцией спада по Гауссу, имеющей 100% пропускание от 0 до 6 кГц и снижение до 1% на частоте 8 кГц.Эти частоты немного выше, чем в первом режиме колебаний цилиндра этого двигателя. Это делается для того, чтобы сохранить как можно больше информации в данных о давлении в цилиндре, но при этом отфильтровать высокочастотный шум, который содержит очень мало полезной информации и затрудняет интерпретацию вычисленной скорости тепловыделения (Brunt et al., 1998; Dempsey et al. др., 2019).

После фильтрации кривые давления в цилиндре использовались для расчета кажущейся скорости тепловыделения (AHRR) для каждого отдельного цикла.AHRR — это, по сути, скорость химического тепловыделения за вычетом скорости потерь тепла на стенки камеры сгорания и определяется как

AHRR = dQdθ | химический − dQdθ | wall, HTX = 1γ − 1VdPdθ + γγ − 1PdVdθ, (1)

, где P — давление в цилиндре, V — объем цилиндра, γ — отношение удельных теплоемкостей, а θ — угол поворота коленчатого вала. В этой работе предполагается, что γ является постоянной равной 1,33. По AHRR можно рассчитать накопленное тепловыделение. Рассчитываются параметры фазы горения, такие как CA10, CA50 и CA90, которые представляют положение угла поворота коленчатого вала, при котором накопленное тепловыделение достигло 10%, 50% и 90% от своего максимального значения, соответственно.Общий указанный цикл включает только такты сжатия и расширения, от -180 ° до 180 ° ATDC, где 0 ° ATDC представляет верхнюю мертвую точку хода сжатия. Общий цикл представляет интерес при изучении стратегий сгорания двигателя, поскольку он фокусируется на термодинамике цикла и не включает вспомогательные воздействия, такие как трение и накачивание. Общее указанное среднее эффективное давление (IMEPg) было рассчитано как

IMEPg = − 180 ° 180 ° PdVVd, (2)

, где V _d — рабочий объем двигателя.Общий показанный КПД (GIE) измеряет эффективность процессов сгорания и отвода работы и включает влияние термодинамики рабочего тела, теплопередачи, неполного сгорания и прорыва цилиндров. ЭДД был рассчитан как

ЭДД = ∫ − 180 ° 180 ° PdVmfuelLHVfuel, (3)

, где м _{топливо} — масса впрыскиваемого топлива за цикл, а LHV _{топливо} — нижний нагрев. стоимость топлива.

В этом исследовании был исследован единственный установившийся режим работы двигателя со средней нагрузкой: 1900 об / мин и ∼10 бар IMEPg.Были проведены две экспериментальные кампании — одна с дизельным топливом DI, а другая с DI метанолом, смешанным с 12% -ным по массе ди-трет-бутилпероксидом (DTBP). Свойства этих видов топлива показаны в Таблице 2. Дизельное топливо было топливом для насосов, которое было проанализировано независимой лабораторией для определения его свойств. Метанол был приобретен у VP Racing Fuels и представляет собой продукт, обозначенный как M1, и по своим свойствам он соответствует чистому метанолу у Heywood (Heywood 1988).

ТАБЛИЦА 2 .Свойства топлива для насосного дизельного топлива, метанола и ди-трет-бутилпероксида (ДТБП).

DTBP — это коммерчески доступная добавка к топливу, которая используется в дизельном топливе для увеличения цетанового числа (Schwab et al., 1999). Он также был изучен в качестве топливной добавки для повышения реакционной способности высокооктанового топлива для использования в усовершенствованных режимах сгорания, таких как HCCI и RCCI (Mack et al., 2005; Splitter and Hanson, 2010; Kaddatz et al., 2012 ; Демпси и др., 2013а). Демпси и др. использовали эксперименты с обедненным двигателем HCCI, чтобы охарактеризовать влияние DTBP на реактивность высокооктановых топлив, таких как бензин, метанол и этанол (Dempsey et al., 2013). Реакционная способность базового топлива, смешанного с цетановым улучшителем, была оценена как через число эффективных первичных эталонных топлив (PRF), которое определяется путем проведения экспериментов с топливами PRF в согласованных рабочих условиях. Смешанный с метанолом 12% DTBP по массе имел эффективное число PRF (т.е. октановое число) ~ 72.

Экспериментальные рабочие условия показаны в Таблице 3. Оба рабочих режима являются без предварительного смешивания, стратегии контролируемого сжигания смешивания, которые используют однократный впрыск около верхней мертвой точки.В обычном режиме сгорания дизельного топлива (CDC) использовался обедненный общий эквивалентный коэффициент без внешней рециркуляции выхлопных газов (EGR), давление впрыска 800 бар и условия впуска, которые характерны для дизельного двигателя с турбонаддувом и охладителем наддувочного воздуха. Одномерная имитационная модель цикла (GT-Power) двигателя была построена для прогнозирования условий захваченного цилиндра при закрытии впускного клапана (IVC) (Dempsey et al., 2013). Было замечено, что существует линейная зависимость между температурой расширительного бака на впуске и температурой захваченного газа в IVC, которая составляет

Tivc [C] = 0.924 ∗ Tintake [C] +29, (4)

, где T _ivc — расчетная температура газа в цилиндре при IVC, а T _{на впуске} — заданное граничное условие для впускного расширительного бачка температура. Это соотношение используется для инициализации моделирования CFD в IVC.

ТАБЛИЦА 3 . Экспериментальные условия эксплуатации одноцилиндрового двигателя GM 1,9 л.

Метанол, смешанный со стратегией DTBP, обозначенный как MCC-MD, был аналогичен с двумя важными отличиями, которые проистекают из свойств топлива.Чтобы добиться аналогичного начала сгорания, стратегия MCC-MD требовала комбинации более раннего начала впрыска (SOI) и более высокой температуры на впуске. КНИ был увеличен на три градуса угла поворота коленчатого вала (CAD), а температура на впуске увеличилась почти вдвое до 111 ° C. Это проблема использования высокооктанового топлива в двигателях с воспламенением от сжатия — они требуют повышенных температур на впуске, чего может быть сложно достичь на практике при сохранении высокой эффективности системы двигателя (Jun et al., 2007; Kumar et al., 2017). Это исследование демонстрирует, что концепция PC-MCC устраняет потребность в повышенных температурах всасывания с высокооктановым топливом.

Форсунка CRI2.2 DI, которая использовалась в экспериментах с двигателем, была испытана на измерителе скорости впрыска (ROI) от Bosch (Bosch 1966; Bower and Foster 1991). Измерения рентабельности инвестиций проводились с дизельным топливом при различных давлениях в рампе и длительностях впрыска, все с фиксированным противодавлением в трубке 40 бар. Результаты этих экспериментов по окупаемости инвестиций и более подробную информацию о том, как они проводились, можно найти у Демпси (Dempsey 2013).Измерения окупаемости инвестиций, полученные с дизельным топливом для форсунки CRI2.2, используются непосредственно в симуляциях дизельного топлива CFD. Общая форма измеренной рентабельности инвестиций была сохранена на основе данных о впрыске дизельного топлива, но профиль был изменен для метанола с учетом плотности топлива и большей продолжительности впрыска. Очевидно, что это предположение потребует более тщательного изучения в будущем.

Вычислительное моделирование гидродинамики

В этой работе одноцилиндровый дизельный двигатель был смоделирован с использованием кода моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) CONVERGE версии 2.3.16. CONVERGE использует модифицированный декартов метод сечения ячеек, чтобы исключить необходимость в том, чтобы вычислительная сетка соответствовала интересующей геометрии. Этот подход позволяет создавать ортогональные сетки и автоматизирует процесс создания сетки (Senecal et al., 2007). Подробное описание всех моделей, использованных в этой работе, можно найти в руководстве CONVERGE (Richards et al., 2016). Двигатель считается осесимметричным относительно оси цилиндра, поэтому использовалась геометрия сектора 1/7 (т.е. угол сектора 51,4 °).

Частицы жидкого топлива впрыскиваются в виде сфер с тем же диаметром, что и эффективная площадь отверстия сопла форсунки, но представляют собой распределение диаметров капель топлива.В газовой фазе Эйлера решаются усредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS) для определения полей скорости и давления в цилиндре двигателя. Незамкнутый тензор напряжений в уравнении количества движения RANS моделируется турбулентной вязкостью, которая добавляется к молекулярной вязкости. Здесь турбулентная вязкость моделируется с использованием модели турбулентности k-ε группы повторной нормализации (RNG). Рекомендуемые константы модели, опубликованные Convergent Science, используются в этом исследовании (Richards et al., 2016). Эта модель турбулентности была тщательно проверена для моделирования RANS контролируемого смешения сгорания дизельного топлива (Dempsey et al., 2018).

На рис. 2 показана смоделированная геометрия сектора для двигателя GM 1,9 л в рабочих условиях CDC. На рисунке показано место впрыска пакета жидкого топлива и показаны настройки динамической вычислительной сетки, используемые в модели. Использовалось разрешение базовой сетки 1,4 мм. Все поверхности цилиндров заделаны одним слоем ячеек в 0.Разрешение 7 мм. Коническая область длиной 10 мм была заделана ячейками 0,35 мм рядом с соплом инжектора для устранения высокоскоростной струи. Наконец, адаптивное уточнение сетки (AMR) CONVERGE использовалось для разрешения градиентов температуры и скорости с разрешением 0,35 мм. Предыдущие исследователи показали, что эти модели разбрызгивания и перемешивания лагранжевой капли, эйлеровой жидкости чувствительны к разрешающей способности сетки Эйлера (Abani et al., 2008; Wang et al., 2010; Dempsey et al., 2012). Исследования показали, что использование установки модели, аналогичной этой, приводит к приемлемой сетке сходимости длины отрыва и толщины зоны реакции для дизельного распылителя с размером ячеек 0.35 мм (Senecal et al., 2013a; Senecal et al., 2013b; Pomraning et al., 2014). Таким образом, в данной работе он использовался как минимальный размер ячейки.

РИСУНОК 2 . Секторное моделирование рабочего режима CDC, иллюстрирующее настройки расчетной сетки. Вертикальная плоскость среза, окрашенная в зависимости от температуры газа на оси распыления при 8 ° ВМТ.

Физические свойства (т.е. плотность, поверхностное натяжение, давление пара, теплота испарения и т. Д.) Жидкого дизельного топлива определяются как отдельный компонент со свойствами из предопределенной базы данных свойств жидкости CONVERGE: DIESEL2 (Richards et al., 2016). Физические свойства смеси метанол / DTBP приняты за чистый метанол. После испарения в газовую фазу дизельное топливо химически моделируется как н-гептан, а смесь метанол / DTBP обрабатывается как таковая, предписанная бинарная смесь метанола и DTBP.

Используемая модель горения представляет собой непосредственно интегрированную химическую кинетику, которая решается с помощью химического решателя CONVERGE SAGE (Richards et al., 2016). Каждая ячейка CFD рассматривается как хорошо перемешиваемый гомогенный химический реактор.Не существует подсеточной модели, учитывающей химические взаимодействия турбулентности. В качестве модели химической кинетики использовалась модель Wang et al. (Wang et al., 2014). Это скелетный механизм, состоящий из 80 видов и 349 путей элементарных реакций. Механизм включает первичные эталонные топлива (PRF) н-гептан и изооктан, а также метанол, этанол и ди-трет-бутилпероксид (DTBP). Механизм был подтвержден Wang et al. (Wang et al., 2014) для прогнозирования воспламенения и последующего сгорания при работе двигателя HCCI со смесями PRF и топливными смесями спирт / DTBP.Механизм точно предсказал влияние добавки DTBP на задержку зажигания.

В данной работе будет использоваться коэффициент эквивалентности на основе кислорода ( Φ _ox ). Коэффициент эквивалентности кислорода рассчитывается в каждой ячейке CFD как

Φox = 2∑iNiηC, i + 12∑iNiηH, i∑iNiηO, i, (5)

, где N _i — количество молей видов i и η _{C, i} , η _{H, i} , и η _{O, i} — количество углерода (C), атомы водорода (H) и кислорода (O) в образцах и соответственно (Richards et al., 2016). Для чистого углеводородного топлива отношение эквивалентности на основе кислорода и классическое отношение эквивалентности на основе отношения воздух / топливо идентичны. Однако для насыщенного кислородом топлива Мюллер показал, что эквивалентное отношение на основе кислорода отличается от эквивалентного отношения на основе воздуха / топлива. Метод на основе кислорода является более подходящей мерой мгновенной близости смеси реагентов к химической стехиометрии (Mueller 2005).

На рис. 3 сравниваются экспериментальное давление в цилиндре и AHRR с прогнозируемыми с помощью модели CFD для работы CDC и MCC-MD.AHRR из модели CFD рассчитывается точно так же, как описано ранее для экспериментов, с использованием того же полосового фильтра и постоянного отношения удельной теплоемкости. В обеих моделях задержка воспламенения предсказывается точно, но количество тепловыделения во время «всплеска предварительного смешения», который является первой фазой контролируемого смешения горения (декабрь 1997 г.), завышено с помощью моделирования CFD. Это говорит о том, что скорость смешения завышена во время периода задержки воспламенения. Это характерно для моделей RANS CFD, в которых используется хорошо перемешанный реактор, из-за искусственного избыточного перемешивания в каждой дискретной ячейке.Фаза сгорания с контролируемым перемешиванием хорошо прогнозируется в обеих моделях как до конца впрыска, так и после окончания впрыска.

РИСУНОК 3 . Давление в цилиндре и AHRR из экспериментов с двигателем GM 1,9 л и моделирование CFD при ∼10 бар IMEPg для работы CDC (слева) и MCC-MD (справа) .

Также на рисунке 3 показано сравнение экспериментального и предсказанного CFD GIE. Модель CFD завышает ЭДД для обеих операционных стратегий на ~ 1% абсолютного значения.Тем не менее, тенденция к небольшому снижению ЭДД на ~ 1% абсолютного значения от стратегии CDC к стратегии MCC-MD достаточно хорошо отражена в моделировании. Предполагается, что это небольшое снижение эффективности связано с более высокими потерями теплопередачи для стратегии MCC-MD, происходящими из более крупного случая выделения предварительно смешанного тепла и более длительной продолжительности впрыска, что может привести к продолжительному периоду высокой теплопередачи в цилиндрах. коэффициенты у стен.

В оставшейся части этого исследования используется моделирование CFD для демонстрации новой форкамерной стратегии контролируемого горения для высокооктанового топлива и демонстрации ее желаемых характеристик в отношении устойчивости к горению.На данном этапе разработки концепции выбросы загрязняющих веществ выходят за рамки, и поэтому прогнозы выбросов на основе моделирования CFD отображаться не будут.

CFD-моделирование контролируемого горения с включенным перемешиванием в форкамере

CFD-моделирование использовалось для демонстрации концепции использования активно заправляемой кольцевой форкамеры для воспламенения спрея метанольного топлива с прямым впрыском, как показано на рисунке 1. На рисунке 4 показано, как геометрия сектора CFD Модель была модифицирована с включением кольцевой форкамеры и прохода.При добавлении кольцевой форкамеры и канала высота сжатия двигателя, которая представляет собой расстояние между верхней частью днища поршня и пожарной частью в ВМТ, регулируется для поддержания геометрической степени сжатия (CR) 16,7. Принимая во внимание допущение о вертикальной осесимметрии, эта модель по своей сути предполагает, что существует один канал для каждого струи распыления DI, что означает семь проходов и семь струй распыления DI в этой модели. Прямо над каждым факелом распыления DI должно быть горячее пламя форкамеры, служащее источником воспламенения.Мы надеемся, что это снизит проблемы, связанные с циклической изменчивостью воспламенения каждого шлейфа метанола. Мюллер и др. изучали контролируемое горение метанола при помощи свечи накаливания и наблюдали, что с одной свечой накаливания начало горения сильно варьируется, что нежелательно (Mueller and Musculus 2001).

РИСУНОК 4 . Секторная CFD-модель форкамеры позволила реализовать концепцию контролируемого горения при перемешивании (PC-MCC) в ВМТ. Показанная модель имеет диаметр канала предкамеры (D _проход ), равный 1.5 мм и высотой (H _шт ) 20 мм (D1,5 — h30).

В таблице 4 приведены геометрические характеристики всех исследованных форкамер. Диаметр прохода (D _проход ) и высота кольцевой форкамеры (H _pc ) параметрически варьировались в этом исследовании, при этом ширина кольцевого пространства форкамеры (W _pc ) составляла 5 мм. Объем предкамеры в процентах от объема ВМТ колеблется от 7,6% до 19,1%. На рисунке 5 показаны более подробные сведения о настройке моделирования CFD для моделирования PC-MCC.Кольцевой форкамер наматывается на расположенный по центру прямой инжектор Common Rail. Схема прямого инжектора показана, чтобы помочь визуализировать систему, но не имеет никакого значения для моделирования. Для моделирования PC-MCC используется дополнительный уровень детализации сетки. Поверхность прохода заделана двумя слоями ячеек 0,175 мм для дальнейшего улучшения процессов потока, горения и теплопередачи в проходе.

ТАБЛИЦА 4 . Варианты конструкции кольцевой форкамеры и прохода, смоделированные с помощью CFD-модели.

РИСУНОК 5 . Иллюстрация установки моделирования CFD для форкамеры позволила моделировать контролируемое горение при смешивании (PC-MCC) с проходом D = 1,5 мм и H _pc = 20 мм (слева) Вертикальная плоскость разреза на оси распыления, окрашенная кислородом на основе отношения эквивалентности при синхронизации зажигания ПК (справа) Вертикальная плоскость среза на оси распыления, окрашенная в зависимости от температуры газа в начале деионизированного метанола.

В моделировании CFD PC-MCC в верхней части кольцевой форкамеры вводится источник энергии для имитации свечи зажигания.Источником энергии является небольшая сфера диаметром 1,0 мм, которая на 1,0 мм выступает в верхнюю часть форкамеры и центрируется по ширине кольцевого пространства. Свеча зажигания концептуально проиллюстрирована на рисунке 5. Источник выделяет небольшое количество энергии в двух фазах, чтобы имитировать пробой и фазу дуги свечи зажигания (Richards et al., 2016). Учитывая, что это моделирование секторов, наличие источника искры в кольцевой форкамере вне центральной оси домена означает, что во всей форкамере будет семь различных свечей зажигания.Это не то, что предназначено для этой концепции. Скорее, как показано на рисунке 1, он предназначен для использования только одного источника искрового зажигания. Эффект семи различных мест воспламенения, вероятно, приведет к завышению прогноза скорости горения в форкамере, но все же позволяет этой простой модели CFD обеспечить доказательство концепции этой стратегии горения и иллюстрирует ее сильные и слабые стороны.

Моделирование PC-MCC использует те же рабочие условия, что и стратегия MCC-MD в таблице 3, с некоторыми заметными различиями.Начальная температура газа при IVC (т.е. начало моделирования CFD) в форкамере и проходе была установлена ​​на 450 К. Это оценка, но она была установлена ​​относительно высокой, чтобы учесть, что эти области останутся горячими по сравнению с предыдущим циклом. Начальная температура основной камеры была установлена ​​на уровне 360 К. Это демонстрирует, что концепция PC-MCC не требует высоких уровней нагрева на входе для высокооктанового топлива. В этом случае моделируемая температура впускного расширительного бачка составляет 63 ° C, как и при работе CDC.

Проход и основная камера сгорания инициализируются сухим воздухом (21% O ₂ и 79% N ₂ по молям). Для всех симуляций PC-MCC, проведенных в этом исследовании, предкамера была инициализирована гомогенной смесью метанола и сухого воздуха с кислородным эквивалентом 3,7. Это произвольное значение, но будет показано, что это приводит к обедненной, но воспламеняющейся смеси в форкамере в момент зажигания. Эта инициализация предкамеры является упрощением для демонстрации концепции.На практике это будет топливная форсунка, которая подает топливо в форкамеру во время такта сжатия. Учитывая, что все форкамеры начинаются с Φ _ox 3,7, общая заправка метанолом в форкамеры зависит от объема форкамер. В форкамерах высотой 20 мм и объемом 4,7 см3 использовалось 7,5 мг / цикл метанола. Предварительные камеры с высотой 10 мм, 15 мм и 25 мм имели количество топлива в форкамеру 3,7 мг / цикл, 5,6 мг / цикл и 9,4 мг / цикл, соответственно. Эти количества топлива в форкамере относятся к полному кольцевому пространству форкамеры, а не только для геометрии сектора.Наконец, заправка метанолом DI оставалась фиксированной на уровне 49,1 мг / цикл с временным интервалом SOI -4,9 ° ATDC.

Как показано слева на рисунке 5, во время такта сжатия воздух из основной камеры проталкивается вверх в форкамеру, создавая постепенно обедненную смесь на протяжении всего процесса сжатия. При синхронизации зажигания в форкамере (-10 ° ВМТ) смесь в форкамере становится неоднородной. Смесь наиболее бедная прямо над проходом, а в правом нижнем углу форкамеры находится смесь, близкая к стехиометрической.На свече зажигания Φ _ox составляет ∼0,5 для этой конструкции форкамеры. На рис. 6 показана форкамера, усредненная по пространству Φ _ox во время такта сжатия для различных форкамер. Все случаи начинались с гомогенного Φ _ox 3,7 на НПВ и постепенно становились более бедными во время сжатия. При синхронизации зажигания (-10 ° ATDC) среднее значение Φ _ox в форкамере колеблется от ∼0.От 45 до ∼0,65. Это повлияет на скорость горения, температуру пламени и скорость повышения давления в форкамере.

РИСУНОК 6 . Изменение пространственно усредненного отношения эквивалентности на основе кислорода ( Φ _ox ) в форкамере во время такта сжатия для каждой исследованной геометрии форкамеры.

Демонстрация контролируемого сжигания с включенным смешиванием (PC-MCC) с использованием чистого метанольного топлива

Для иллюстрации концепции PC-MCC результаты моделирования CFD показаны на рисунке 7 с использованием форкамеры высотой 20 мм и диаметром прохода 1.5 мм. В нижней части рисунка 7 показано давление в форкамеру и в основной камере, скорость тепловыделения (HRR) в форкамеру и в основной камере, а также профиль окупаемости метанола в DI в зависимости от угла поворота коленчатого вала. В верхнем ряду рисунка показаны изображения прогнозируемой температуры газа в цилиндрах. Имеются две плоскости разреза, одна вертикальная и одна на зонтичном углу форсунки, обе соприкасаются с осью распыления DI.

РИСУНОК 7 . Форкамера с управляемым смешиванием (PC-MCC) работала на чистом метаноле.Высота форкамеры (H _шт ) 20 мм и диаметр прохода (D _проход ) 1,5 мм. Время зажигания в предкамере -10 ° ATDC и DI-SOI метанола -4,9 ° ATDC.

Во время сжатия давление в форкамере немного отстает от основной камеры, что ожидается, поскольку масса перемещается из основной камеры в форкамеру через проход. Если топливо имеет высокое сопротивление самовоспламенению, то предварительное зажигание в форкамере не должно вызывать беспокойства. При -10 ° ATDC источник искрового зажигания начинается в центре верхней части форкамеры.Прогнозируется, что продолжительность тепловыделения в форкамере составит ∼9 CAD, что относительно быстро. Прогнозируется, что продолжительность горения в форкамере будет очень короткой из-за семи различных источников воспламенения, что моделируется геометрией сектора. Из-за сгорания в форкамере давление в форкамеру повышается до макс. 13 МПа при -3 ° ВМТ, в то время как давление в основной камере составляет 9,5 МПа. Эта разница давлений выбрасывается в виде пламени горячей струи из форкамеры примерно в верхней мертвой точке.

ДИ метанол уже впрыскивается в основную камеру, и форсунка форкамеры почти немедленно воспламеняет топливный спрей ДИ метанола и устанавливает событие МКЦ в основной камере.Сгорание в основной камере развивается в пространстве аналогично работе CDC, при этом пламя без предварительного смешивания адвектируется вниз на дно чаши вдоль входящей стенки чаши и вверх в зону сплющивания. Скорость сгорания в основной камере относительно постоянна от начала сгорания до конца сгорания и контролируется скоростью впрыска топлива DI метанола и последующим турбулентным перемешиванием, создаваемым разбрызгиванием, движением поршня и разбрызгиванием / настенное взаимодействие.Это идеальная ситуация для управления процессом сгорания, поскольку ее можно адаптировать к конструкции топливного инжектора (количество отверстий, расход и угол распыления), форме чаши поршня, времени впрыска и объемному движению в цилиндре. . Это управляемый процесс сгорания, который является ключевым для реальных двигательных установок.

CFD-моделирование изменений конструкции форкамеры

На рисунке 8 показаны результаты изменения диаметра проходного отверстия от 1,0 до 1.75 мм. Каждый корпус имеет одинаковые общие условия эксплуатации. Каждая форкамера заправляется 7,5 мг / цикл метанола, и 49,1 мг / цикл метанола вводятся напрямую. При времени зажигания (−10 ° ATDC) средние значения Φ _ox находятся в диапазоне от ∼0,65 для самого маленького прохода и ∼0,45 для самого большого прохода, как показано на рисунке 6. Маленький проход 1,0 мм явно является слишком ограничительный, так как давление в форкамере значительно отстает от давления в основной камере. Это приводит к потерям на «накачку», поскольку масса передается между двумя камерами.Это отражено в низком прогнозируемом CFD GIE на уровне 42,7%.

РИСУНОК 8 . CFD предсказал давление и скорость тепловыделения для работы PC-MCC на основе параметрического изменения диаметра прохода. Работа на чистом метанольном топливе.

По мере увеличения размера прохода давление в форкамере более точно соответствует давлению в основной камере, и ЭДД увеличивается с максимальным значением 45,6% для форкамеры диаметром 1,5 мм. Указанная эффективность близка к прогнозируемым значениям CFD для CDC (GIE _CDC = 46.5%) и MCC-MD (GIE _MCC-MD = 46,0%). Считается, что немного более низкая эффективность работы PC-MCC связана с дополнительными потерями теплопередачи в форкамере и проходе, но для подтверждения этого потребуются дополнительные исследования. Эти потери, а также потери при перекачке из камеры в камеру, потенциально могут быть уменьшены за счет уменьшения размера предкамеры и длины прохода.

Другой параметрический вариант конструкции форкамеры ориентирован на размер форкамеры.Высота предкамеры варьировалась от 10 мм до 25 мм, при этом всегда использовался диаметр прохода 1,5 мм. Подача топлива в форкамеру варьируется в зависимости от размера форкамеры от 3,7 мг / цикл до 9,4 мг / цикл. На рисунке 6 показано, как средние значения Φ _ox в форкамере меняются во время сжатия до момента зажигания. На рисунке 9 показаны результаты моделирования CFD различной высоты предкамеры. Самая короткая форкамера (H _pc = 10 мм) привела к полному пропуску зажигания топлива DI-метанола.Это связано с низкой заправкой форкамеры топливом, в результате чего пламя форкамерной форсунки было слабым с очень небольшим проникновением в основную камеру. Увеличение высоты форкамеры до 15 мм привело к сгоранию ДИ метанола в основной камере, но с большей задержкой воспламенения ~ 12 CAD по сравнению с более крупными форкамерами, которые имеют задержку воспламенения ДИ метанола ~ 5 CAD. Более длительная задержка воспламенения приводит к сгоранию с частичным предварительным смешиванием, которое дает сопоставимый показатель эффективности, но имеет тенденцию к увеличению шума, создаваемого сгоранием (Dempsey et al., 2016). Форкамера высотой 20 и 25 мм дает очень похожие процессы сгорания, но форкамера большего размера имеет меньшую ЭДД, что, вероятно, связано с высокими потерями теплопередачи в форкамере из-за увеличенной площади поверхности.

РИСУНОК 9 . CFD предсказал давление и скорость тепловыделения для работы PC-MCC на основе параметрического изменения высоты форкамеры. Работа на чистом метанольном топливе.

Последним параметрическим изменением стратегии PC-MCC, исследованной в этом исследовании, было влияние времени зажигания в форкамере.Время зажигания в предкамере изменялось от -25 ° до -10 ° ВМТ с использованием форкамеры высотой 20 мм с проходом диаметром 1,5 мм. Заправка метанолом DI была зафиксирована с использованием тех же ROI и SOI -4,9 ° ATDC, как и на протяжении всего этого исследования. Важно помнить, что коэффициент эквивалентности на основе кислорода в форкамере изменяется в зависимости от момента зажигания, как показано на рисунке 6.

Результаты развертки времени зажигания показаны на рисунке 10. Последний момент зажигания при –10 ° ATDC. , дает самую короткую задержку воспламенения деионизированного метанола и очень стабильную скорость выделения тепла при перемешивании.По мере увеличения времени зажигания в форкамере скорость тепловыделения в основной камере значительно замедляется, что приводит к постепенному снижению ЭДД. Интересно, что начало горения в основной камере относительно постоянно в течение трех предварительных отсчетов зажигания. На рис. 10 показаны максимальная и средняя температура газа в основной камере в зависимости от угла поворота коленчатого вала для различных моделей синхронизации зажигания. Для последнего момента зажигания при -10 ° ВМТ горячее пламя форкамеры входит в основную камеру при ∼ −2.5 ° ВМТ, сразу попадая в брызги топлива метанола DI, начавшиеся при -4,9 ° ВМТ. Однако для более продвинутых режимов зажигания пламя форкамерной струи входит в основную камеру перед впрыском метанола. В этих случаях струйное пламя служит для предварительного нагрева основной камеры, но не напрямую зажигает струю деионизированного метанола.

РИСУНОК 10 . CFD предсказал A .) Давление и скорость тепловыделения, B .) Максимальную температуру в основной камере и ° C .) средняя температура основной камеры для работы PC-MCC с чистым метанолом за параметрическую развертку времени зажигания в форкамере. Высота форкамеры 20 мм и диаметр прохода 1,5 мм.

Для расширенного времени зажигания факел струи входит в основную камеру на несколько градусов угла поворота коленчатого вала после искры, на что указывает быстрое повышение максимальной температуры основной камеры. Пиковая температура струйного пламени зависит от коэффициента эквивалентности в форкамере, который выше для более ранних моментов зажигания, и приводит к более высокой температуре струйного пламени, поступающей в основную камеру.Как только давление в форкамере снижается до уровня основной камеры, выброс горячей струи из форкамеры резко прекращается. Высокотемпературная струя в основной камере быстро перемешивается, и пиковые температуры основной камеры для трех дополнительных моментов зажигания сходятся к ~ 1100 K к ВМТ. Это приводит к относительно постоянной задержке воспламенения распыляемого деионизированного метанола, которая больше, чем если бы деионизированный метанол воспламенялся непосредственно пламенем форкамерной струи.

Демонстрация устойчивости к горению форкамерного смесителя Управляемое горение

Основная цель PC-MCC — разрешить использование высокооктанового топлива в режиме горения, который сохраняет все преимущества CDC, такие как надежность, стабильность, управляемость, отсутствие -детонационная ограниченная работа и высокий КПД.Устойчивость определяется как процесс сгорания, нечувствительный к граничным условиям двигателя, так что двигатель является устойчивым и не подвержен влиянию изменяющихся условий окружающей среды, переходных процессов, колебаний от цилиндра к цилиндру и от цикла к циклу в ограниченных условиях, а также различных процессов впрыска топлива. . Чтобы проиллюстрировать устойчивость к сгоранию, температура IVC в цилиндре широко варьируется в симуляциях CFD для различных изученных стратегий сгорания: CDC с дизельным топливом, MCC-MD с различными смесями метанола и DTBP и PC-MCC с чистым метанолом.Результаты показаны на рисунке 11. На рисунке 11A вторичная ось x иллюстрирует расчетную температуру впускного расширительного бачка, необходимую для достижения предписанной температуры IVC в цилиндре, которая была определена по формуле. 4 с использованием одномерной модели двигателя.

РИСУНОК 11 . A .) CFD предсказал начало горения (CA10) по размаху температуры на впуске для CDC с дизельным топливом, MCC-MD с различными смесями метанола и DTBP и работы PC-MCC с чистым метанолом. B .), C .) И D .) CFD предсказал скорости тепловыделения для различных стратегий сгорания с контролируемым смешиванием по изменению температуры всасывания. Моделирование PC-MCC проводилось с предкамерой высотой 20 мм с проходом 1,5 мм.

Обычное сгорание дизельного топлива (CDC) демонстрирует устойчивость к сгоранию, поскольку начало сгорания практически постоянно, в то время как температура на впуске изменялась в диапазоне ~ 55 ° C. Работа PC-MCC с чистым метанолом и форкамера высотой 20 мм с 1.Канал диаметром 5 мм также демонстрирует отличную устойчивость к горению в аналогичном диапазоне температур всасывания. Это чрезвычайно важно и предполагает, что стратегия PC-MCC сохраняет нечувствительность к температуре поступления, что является желательной характеристикой.

Операция MCC-MD дает разные результаты. Начало горения показывает значительную чувствительность к температуре всасывания для всех исследованных смесей метанол / DTBP. Поскольку концентрация DTBP снижается с 12% по массе до 0% по массе (чистый метанол), требования к температуре на входе значительно возрастают.Для чистого метанола, чтобы иметь фазу сгорания, аналогичную работе CDC и PC-MCC, необходимая температура на входе составляет ~ 160 ° C, что довольно высоко и трудно достичь в широком рабочем пространстве в реальных силовых установках.

Наконец, на рис. 11 также показаны различные примеры расчетных скоростей тепловыделения, рассчитанных с помощью CFD, в зависимости от изменений температуры на впуске. Режимы CDC и PC-MCC устойчивы к широко изменяющейся температуре всасывания, так как скорость тепловыделения в основной камере практически не изменяется.В случае PC-MCC на тепловыделение в форкамере влияет изменение температуры IVC основной камеры. Вероятно, это результат нескольких факторов. Плотность воздуха в основной камере увеличивается по мере снижения температуры на впуске, таким образом, больше воздуха передается в форкамеру во время процессов сжатия, уменьшая эквивалентное соотношение в форкамере во время зажигания. Кроме того, когда температура всасываемого воздуха снижается, температура несгоревшего газа в форкамере снижается, что приводит к снижению скорости пламени в форкамере.Начало горения для работы МКЦ-МД весьма чувствительно к температуре захваченной ВАХ. Эта чувствительность приводит к широкому изменению пиковых скоростей тепловыделения во время фазы сгорания с предварительным смешиванием, что приводит к широкому изменению шума двигателя и создает проблемы с регулированием времени сгорания.

Резюме и заключение

Это исследование было сосредоточено на разработке концепции сжигания, которая позволит использовать высокооктановое топливо в стратегии сжигания с контролируемым смешиванием.В концепции использовались кольцевой форкамер и прямой инжектор высокого давления, установленный в центре. Топливом, используемым в этом исследовании, был метанол, который является очень подходящим топливом-кандидатом для этой концепции. Однако концепция PC-MCC является топливной гибкой, пока топливо имеет достаточную летучесть и относительно высокое сопротивление самовоспламенению, чтобы избежать преждевременного воспламенения в форкамере.

В этой работе использовались эксперименты с одноцилиндровым двигателем, чтобы продемонстрировать характеристики смешивания контролируемого горения с дизельным топливом (CDC) и смешивания контролируемого горения со смесями метанола / DTBP (MCC-MD).Модель CFD была построена для моделирования этих стратегий сжигания, а концепция PC-MCC работала на чистом метаноле. Ниже резюмируются результаты этого расследования.

1. Работа MCC-MD с прямым впрыском метанола, смешанного с 12% по массе. DTBP был успешно использован вместо дизельного топлива в условиях работы со средней нагрузкой в ​​маломощном двигателе CI — 1900 об / мин и ∼10 бар IMEPg. По сравнению с дизельным топливом для достижения аналогичного начала сгорания время впрыска было увеличено на ~ 3 CAD, а температура на впуске была увеличена почти вдвое до 111 ° C.

2. Стратегия MCC-MD дала ЭДД дизельного топлива, но было продемонстрировано, что MCC-MD не обладает устойчивостью к сгоранию, поскольку начало сгорания очень чувствительно к температуре захваченной IVC. Это имело место для различных уровней DTBP, смешанного с метанолом, и для чистого метанола. Одним из преимуществ работы CDC является устойчивость к горению при изменении граничных условий. Таким образом, для использования в двигателях MCC альтернатив дизельному топливу с чистым сгоранием они должны демонстрировать устойчивость к сгоранию.Похоже, что метанол с повышенной реакционной способностью НЕ демонстрирует устойчивости к горению в условиях, исследованных здесь.

3. Стратегия PC-MCC с использованием чистого метанола продемонстрировала нечувствительность к изменяющейся температуре всасывания и, таким образом, аналогичный уровень устойчивости к сгоранию по сравнению с работой CDC. Стратегия PC-MCC была параметрически изучена с метанолом, варьируя размер форкамеры, диаметр прохода и время зажигания в форкамере. Диаметр прохода 1,5 мм показал самый высокий ЭДД.Размер предкамеры не менее 3,5 см3 был необходим для достижения форкамерного струйного пламени, которое проникало в основную камеру для воспламенения спрея деионизированного метанола. Синхронизация зажигания в форкамере показала, что существует по существу два режима работы PC-MCC: один, в котором пламя форкамеры непосредственно воспламеняет распыляемое топливо DI, и второй, когда форкамеру запускается достаточно рано, и в этом случае пламя форкамерной форсунки просто подогревается основная камера сгорания.

Работа в будущем и взгляд в будущее

Основываясь на результатах этого исследования, стратегия сгорания PC-MCC может обеспечить показанную эффективность, аналогичную дизельной, и сохранить устойчивость сгорания, которая ожидается в дизельном двигателе.Концепция PC-MCC была продемонстрирована здесь с метанолом, но ожидается, что это будет стратегия, которая может использовать широкий спектр видов топлива, таких как бензин, пропан, СПГ и спирты. Исследование, проведенное в этом исследовании, было просто проверкой концепции и ни в коем случае не оптимизацией. Для дальнейшего развития этой стратегии сжигания необходимо провести много исследований. Основное внимание в будущих исследованиях в этой области необходимо будет уделить следующему:

1. В будущем моделирование CFD необходимо проводить на полной геометрии двигателя.Таким образом, можно полностью представить кольцевую форкамеру и смоделировать распыление топлива и процесс образования смеси в форкамере. Следует включить более точное представление об источнике искрового зажигания и распространении пламени в форкамере. Учитывая полную геометрию форкамеры, можно также оптимизировать длину, угол и количество проходов. В будущем при моделировании CFD необходимо провести исследования сходимости сетки, чтобы повысить уверенность в результатах моделирования.

2. Используя модель CFD с полной геометрией, PC-MCC следует продемонстрировать с широким спектром видов топлива, учитывая требования к летучести с учетом впрыска топлива в форкамеру и требования к реактивности, чтобы избежать преждевременного воспламенения в форкамере.

3. Необходимо разработать рабочее пространство для каждого вида топлива. Например, предкамера необязательно запускать при любых условиях. Двигатель мог запускаться, работать на холостом ходу и работать с малой нагрузкой с помощью форкамеры и режима PC-MCC. Однако по мере увеличения нагрузки низкооктановые топлива, такие как нафта и бензины с более низким октановым числом, скорее всего, не потребуют помощи форкамеры для обеспечения работы МКК. Для топлива с более высокой устойчивостью к самовоспламенению, такого как спирты и природный газ, может потребоваться использование форкамеры при любых условиях.Наконец, возможно, существуют рабочие условия, при которых форкамера с активным топливом может использоваться в качестве источника турбулентного струйного воспламенения для стехиометрического предварительно смешанного заряда, и в этом случае прямой инжектор не будет использоваться.

4. В этом исследовании внутренний радиус кольцевой форкамеры составлял 5 мм, а внешний радиус — 10 мм. Таким образом, прямой инжектор, используемый в этой системе, будет иметь диаметр корпуса инжектора не более 10 мм. Это относительно мало для современных инжекторов прямого впрыска топлива, и поэтому влияние этого предположения необходимо будет изучить в будущих исследованиях этой концепции.Затем можно построить и испытать кольцевую форкамеру с подходящим прямым инжектором.

5. Наконец, необходимо количественно оценить и понять выбросы от работы PC-MCC. При использовании топлива с высоким содержанием кислорода, такого как низкоуглеродные спирты, выбросы сажи, вероятно, будут очень незначительными или совсем не будут. Однако PC-MCC, безусловно, будет иметь высокие выбросы NOx из двигателя. Для топлива с очень низким содержанием сажи может быть возможность использовать стехиометрический режим PC-MCC и использовать трехкомпонентный катализатор для контроля NOx.Эти типы мыслей нуждаются в дальнейшем исследовании, чтобы реализовать их.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Вклад авторов

AD является ведущим автором и выполнил написание и предварительное моделирование. Компания JZ разработала кольцевые форкамеры. MW провел моделирование CDC и MCC.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Convergent Science за использование академических лицензий для CONVERGE и TECPLOT. Особая благодарность команде HPC Университета Маркетт за поддержку кластера. Авторы выражают благодарность Кейси Аллену (Университет Маркетта), Джиму Сибисту (Национальная лаборатория Ок-Ридж), Сейджу Кокджону (Университет Висконсин-Мэдисон) и Бену Лоулеру (Университет Клемсона) за полезные беседы и, наконец, Рольфу Рейцу за использование данные двигателя из Университета Висконсин-Мэдисон.

Ссылки

Abani, N., Kokjohn, S., Park, S. W. M. Bergin, Munnannur, A., Ning, W., Sun, Y., et al. (2008). «Усовершенствованная модель распыления для уменьшения зависимостей числовых параметров при моделировании CFD дизельного двигателя», Всемирный конгресс и выставка SAE, Детройт, штат Мичиган, апрель 2018 г. doi: 10.4271 / 2008-01-0970

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bosch, W. (1966). Индикатор расхода топлива: новый измерительный прибор для отображения характеристик индивидуального впрыска.SAE International, Технический документ 660749. doi: 10.4271 / 660749

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бауэр, Г. Р., Фостер, Д. Э. (1991). «Сравнение расхода расходомеров впрыска Bosch и zuech», в International congress & exposition (Warrendale, Пенсильвания: SAE International) doi: 10.4271 / 910724

CrossRef Full Text | Google Scholar

Бромберг, Л. и Ченг, В. К. (2010). Метанол как альтернативное транспортное топливо в США.С .: варианты экологичного и энергобезопасного транспорта . Кембридж, Англия: Автомобильная лаборатория Слоуна, Массачусетский технологический институт.

Брант, М. Ф. Дж., Понд, К. Р., и Бьюндо, Дж. (1998). Анализ детонации бензиновых двигателей с использованием данных о давлении в цилиндрах »на International congress & exposition (Warrendale, Пенсильвания: SAE International. Doi: 10.4271 / 980896

CrossRef Full Text | Google Scholar

Dec, JE (1997). Концептуальная модель дизельного горения ДИ на основе лазерного листа.SAE International, Технический документ 970873.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А. Б., Карран, С. Дж., И Вагнер, Р. М. (2016). Перспектива ряда стратегий сгорания бензина с воспламенением от сжатия для обеспечения высокого КПД двигателя и низких выбросов NOx и сажи: эффекты расслоения топлива в цилиндрах. Внутр. J. Engine Res. 17 (8), 897–917. doi: 10.1177 / 1468087415621805

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А.Б., Сейлер П. Дж. И Джонсон С. (2019). Сравнение измерений давления в цилиндрах дизельного двигателя для тяжелых условий эксплуатации с использованием переключающего адаптера. J. Eng. Газовые турбины Power 141 (8), 81014. doi: 10.1115 / 1.4043408

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А. Б., Зайлер, П., Свенссон, К., и Ци, Ю. (2018). Комплексная оценка прогнозов CFD-моделирования дизельного двигателя с использованием полуэмпирической модели сажи для широкого диапазона систем сгорания. SAE Int.J. Engines 11 (6), 1399–1420. doi: 10.4271 / 2018-01-0242

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А. Б., Уокер, Н. Р., и Райтц, Р. (2013). Влияние цетановых улучшителей на реакционную способность бензина, этанола и метанола и их влияние на горение RCCI. SAE Int. J. Fuels Lubricants 6 (1), 170–187. doi: 10.4271 / 2013-01-1678

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А. Б., Уокер, Н. Р. Э. Гингрич, и Райтц, Р. Д. (2014).Сравнение стратегий низкотемпературного сгорания для усовершенствованных двигателей с воспламенением от сжатия с акцентом на управляемость. Combustion Sci. Технология 186 (2), 210–241. doi: 10.1080 / 00102202.2013.858137

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А. Б. (2013). Двухтопливное воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI) с альтернативными видами топлива . Кандидатская диссертация. Мэдисон (Висконсин): Университет Висконсин-Мэдисон.

Демпси, А.Б., Уокер, Н.Р., и Рейц, Р. Д. (2013a). Влияние цетановых улучшителей на реакционную способность бензина, этанола и метанола и их влияние на горение RCCI. SAE Int. J. Fuels Lubr. 6 (1), 170–187. doi: 10.4271 / 2013-01-1678

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А. Б., Уокер, Н. Р., и Райтц, Р. Д. (2013b). Влияние геометрии корпуса поршня на двухтопливное контролируемое воспламенение от сжатия (RCCI) в двигателе малой мощности, работающем на бензине / дизельном топливе и метаноле / дизельном топливе. SAE Int. J. Двигатели 6 (1), 78–100. doi: 10.4271 / 2013-01-0264

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Демпси, А. Б., Ван, Б.-Л., Рейц, Р. Д., Петерсен, Б., Саху, Д., и Майлз, П. К. (2012). Сравнение количественных измерений коэффициента эквивалентности в цилиндрах с прогнозами CFD для легкого низкотемпературного дизельного двигателя внутреннего сгорания. SAE Int. J. Двигатели 5 (2), 162–184. doi: 10.4271 / 2012-01-0143

CrossRef Полный текст | Google Scholar

ExxonMobil (2020). ExxonMobil: перспективы энергетики: перспектива до 2040 года . Техас, Техас: ExxonMobil.

Хейвуд, Дж. Б. (1988). Основы двигателя внутреннего сгорания. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Книжная компания Макгроу-Хилл.

Google Scholar

Джун Дж. Х., Сонг С. Х., Чун К. М. и Ли К. С. (2007). «Сравнение уровня NOx и BSFC для системы рециркуляции выхлопных газов HPL и системы рециркуляции выхлопных газов LPL для тяжелых дизельных двигателей». в Азиатско-Тихоокеанском автомобильном машиностроении. 5–8 августа 2018 г., Голливуд, Калифорния, SAE International.doi: 10.4271 / 2007-01-3451

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kaddatz, J., Andrie, M., Reitz, R., and Kokjohn, S. (2012). Сгорание с воспламенением от сжатия с контролируемой реактивностью в легких условиях с использованием цетанового улучшителя. SAE International, Технический доклад 2012-01-1110.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kalghatgi, G. (2018). Неужели это конец двигателям внутреннего сгорания и нефти на транспорте ?. заявл. Energ. 225, 965–974. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2018.05.076

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kammel, G., Mair, F., Zelenka, J., Lackner, M., Wimmer, A., Kogler, G., et al. (2019). Предварительное проектирование на основе моделирования и экспериментальная проверка концепции сжигания газа HPDI с форкамерным зажиганием. SAE International, Технический документ 2019-01-0259. doi: 10.4271 / 2019-01-0259

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кумар, П., Чжан, Ю., Травер, М., и Клири, Д. (2017). Конструкция воздушной системы на основе моделирования для бензиноподобного топлива с низкой реакционной способностью при сгорании с частичным предварительным смешиванием в дизельном двигателе большой мощности.SAE International, Технический документ 2019-01-0259. doi: 10.4271 / 2017-01-0751

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мак, Дж. Х., Диббл, Р. У., Бухгольц, Б. А., и Флауэрс, Д. Л. (2005). Влияние добавки ди-третичного бутилпероксида (DTBP) на горение HCCI топливных смесей этанола и диэтилового эфира. SAE International, Технический документ 2005-01-2135.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

McTaggart-Cowan, G., Mann, K., Huang, J., Singh, A., Patychuk, B., Чжэн, З. X., и Мунши, С. (2015). Прямой впрыск природного газа под давлением до 600 бар в двигатель большой мощности с пилотным зажиганием. SAE Intern. J. of Eng. 8 (3), 981–996. doi: 10.4271 / 2015-01-0865

CrossRef Полный текст | Google Scholar

McTaggart-Cowan Mann, G.K., Wu, N., and Munshi, S. (2014). Эффективный двигатель с прямым впрыском природного газа для большегрузных автомобилей. Варрендейл, Пенсильвания: SAE International. doi: 10.4271 / 2014-01-1332

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мюллер, К.J., и Musculus, M. P. (2001). Свеча накаливания способствовала зажиганию и сжиганию метанола в дизельном двигателе с оптическим DI. Варрендейл, Пенсильвания: SAE International. doi: 10.4271 / 2001-01-2004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мюллер, К. Дж. (2005). Количественная оценка стехиометрии смеси, когда молекулы топлива содержат элементы окислителя или молекулы окислителя содержат элементы топлива. SAE International, Технический документ 2005-01-3705.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мамфорд, Д., Гоуди Д. и Сондерс Дж. (2017). «Потенциал и проблемы HPDI» на 9-й международной конференции AVL по коммерческим трансмиссиям 2017 г., 10–11 мая 2017 г., Грац, Австрия. Варрендейл, Пенсильвания: SAE International. doi: 10.4271 / 2017-01-1928

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Olivetti, E. A., Ceder, G., Gaustad, G. G., and Fu, X. (2017). Соображения по цепочке поставок литий-ионных аккумуляторов: анализ потенциальных узких мест в критических металлах. Джоуль 1 (2), 229–243.doi: 10.1016 / j.joule.2017.08.019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pomraning, E., Richards, K., and Senecal, P.K (2014). Моделирование турбулентного горения с использованием модели RANS, детального химического анализа и адаптивного уточнения сетки. SAE International, Технический документ 2014-01-1116.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ричардс, К. Дж., Сенекал, П. К. и Помраннинг, Э. (2016). Руководство по Converge v2.3. Мэдисон, Висконсин: конвергентная наука.

Google Scholar

Schwab, S.Д., Гинтер, Г. Х., Хенли, Т. Дж., И Миллер, К. Т. (1999). Влияние 2-этилгексилнитрата и ди-трет-бутилпероксида на выбросы выхлопных газов тяжелого дизельного двигателя. SAE International, Технический документ 1999-01-1478. doi: 10.4271 / 1999-01-1478

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенекал, П. К., Помраннинг, Э., Андерс, Дж. У., Вебер, М. Р., Герке, К. Р., Полоновски, К. Дж. И др. (2013a). Прогнозы переходной длины отрыва пламени по сравнению с экспериментами с одноцилиндровым оптическим двигателем.136 (11), 111505. doi: 10.1115 / 1.4027653

Google Scholar

Сенекал П. К., Помраннинг Э., Ричардс К. Дж. И Сом С. (2013b). Исследование сходимости сетки для моделирования брызг с использованием модели турбулентности LES. SAE International, Технический документ 2013-01-1083.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Senecal, P.K., Richards, K.J., Pomraning, E., Yang, T., Dai, M.Z., McDavid, R.M., et al. (2007). Новый декартовский CFD-код с параллельными ячейками для быстрого создания сетки, применяемый для моделирования цилиндров дизельных двигателей.SAE International, Технический документ 2007-01-0159. doi: 10.4271 / 2007-01-0159

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Shih, C.F., Zhang, T., Li, J., and Bai, C. (2018). Энергия будущего с жидким солнечным светом. Джоуль 2 (10), 1925–1949. doi: 10.1016 / j.joule.2018.08.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Splitter, D. и Reitz, R.D. (2010). Высокоэффективное сгорание RCCI с низким уровнем выбросов за счет топливной добавки. SAE Int. J. Fuels Lubr. 3 (2), 742–756. doi: 10.4271 / 2010-01-2167

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tountas, A. A., Peng, X., Tavasoli, A. V., Duchesne, P. N., Dingle, T. L., Dong, Y., et al. (2019). К солнечному метанолу: прошлое, настоящее и будущее 6 (8), 1801903. doi: 10.1002 / advs.201801903 |

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Х., Демпси А. Б., Яо М., Цзя М. и Райтц Р. Д. (2014). Кинетическое и численное исследование влияния добавки ди-трет-бутилпероксида на реакционную способность метанола и этанола. Energy and Fuels 28 (8), 5480–5488. doi: 10.1021 / ef500867p

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, Y., Ge, H.-W., and Reitz, R.D (2010). Валидация моделей распыления, не зависящих от сетки и шага по времени, для многомерного CFD-моделирования двигателя. SAE Int. J. Fuels Lubr. 3 (1), 277–302. doi: 10.4271 / 2010-01-0626

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зеленка, Дж., Каммель, Г., Виммер, А., Бэроу, Э., и Хушенбетт, М. (2020).Анализ концепции сжигания газа HPDI с форкамерным зажиганием. SAE International, Технический документ 2020-01-0824.

No related posts.