ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЯХ

FACTORS INFLUENCING THE MIXING PROCESS IN DIESEL LOCOMOTIVES

Nabi Asset

Master's student, Mukhamedzhan Tynyshpayev ALT University, Kazakhstan, Almaty

Shaizadayev Aktilek

Master's student, Mukhamedzhan Tynyshpayev ALT University, Kazakhstan, Almaty

Аннотация. Смесеобразование в тепловозных дизелях протекает в условиях ограниченного времени, высокой температуры и давления в конце сжатия и существенной неоднородности полей скорости воздуха в камере сгорания. Качество смесеобразования определяет полноту сгорания, дымность, температурный уровень цикла и, как следствие, экономичность и ресурс деталей цилиндро-поршневой группы и топливной аппаратуры. В статье рассмотрены основные факторы, определяющие распыливание, испарение и перемешивание топлива с воздухом именно для крупногабаритных (среднеоборотных) тепловозных дизелей, и показано, почему оптимизация должна учитывать не один параметр (например, давление впрыска), а согласование топливоподачи, газообмена и геометрии камеры.

Abstract. Mixing in diesel locomotives takes place under conditions of limited time, high temperature and pressure at the end of compression and significant heterogeneity of the air velocity fields in the combustion chamber. The quality of the mixture formation determines the completeness of combustion, smokiness, temperature level of the cycle and, as a result, the efficiency and service life of the parts of the cylinder-piston group and fuel equipment. The article discusses the main factors determining the atomization, evaporation and mixing of fuel with air specifically for large (medium-speed) diesel locomotives, and shows why optimization should take into account not one parameter (for example, injection pressure), but the coordination of fuel supply, gas exchange and chamber geometry.

Ключевые слова: тепловозный дизель, смесеобразование, впрыск топлива, распыл топлива, камера сгорания, вихревое движение воздуха.

Keywords: diesel locomotive, mixing, fuel injection, fuel spraying, combustion chamber, air vortex movement.

В дизеле топливо и воздух подаются раздельно, а горючая смесь формируется непосредственно в цилиндре во время впрыскивания: струя дробится на капли, капли испаряются, пары топлива смешиваются с воздухом, после чего смесь самовоспламеняется при условиях, зависящих от свойств топлива и параметров среды. Для тепловозных дизелей эта картина усложняется относительно быстроходных автомобильных двигателей: объёмы цилиндров больше, время цикла при меньшей частоте вращения больше, но и характер течений воздуха иной, а требование к устойчивой работе на широком диапазоне нагрузок (включая длительные переходные режимы) делает чувствительными даже «мелкие» отклонения в работе форсунок и ТНВД. Первый ключевой блок факторов связан с тем, как топливо поступает в камеру сгорания. Распыливание определяется давлением и законом впрыска, характеристиками распылителя (диаметры и количество сопловых отверстий, их ориентация, качество кромок), а также перепадом давления «форсунка–цилиндр» в течение впрыска. В современных исследованиях по струе дизельного топлива подчёркивается, что повышение давления впрыска обычно увеличивает проникновение факела и меняет структуру распыла, а также ускоряет переход топлива в паровую фазу, что прямо влияет на скорость образования горючей смеси [1, 2]. Обзорные материалы по формированию дизельного распыла показывают, что после первичного и вторичного дробления дальнейшее уменьшение размеров капель в значительной степени определяется испарением, поэтому параметры среды в цилиндре становятся столь же важными, как и сама форсунка.

Второй блок факторов – состояние воздуха в цилиндре к началу и в процессе впрыска. Смесеобразование всегда является конкуренцией трёх процессов: распыла (создание поверхности испарения), испарения (переход в паровую фазу) и перемешивания (транспорт паров топлива и воздуха). Температура и давление в конце сжатия уменьшают задержку воспламенения и ускоряют подготовку смеси, но одновременно влияют на плотность газа и, через неё, на проникновение факела и скорость испарения [3]. В учебных материалах по ДВС подчёркивается, что при росте частоты вращения повышаются давление и температура в конце сжатия, уменьшается период задержки воспламенения, и возрастает требовательность к качеству топлива и процессам подготовки смеси. Для тепловозных дизелей, где турбонаддув является нормой, критичны параметры наддува и газообмена: коэффициент избытка воздуха, остаточные газы, температура наддувочного воздуха после охладителя. Любое ухудшение наполнения (например, загрязнение воздушного тракта или снижение эффективности турбокомпрессора) уменьшает долю доступного кислорода в зоне факела и увеличивает локальные переобогащённые области, что ведёт к дымности и неполному сгоранию даже при «правильной» цикловой подаче топлива. Общие положения по влиянию параметров рабочего цикла и газообмена на процессы в цилиндре систематически рассматриваются в классических учебниках по теории и расчёту ДВС [4, 5].

Третий важнейший блок — организация движения воздуха в камере сгорания. Смесеобразование в дизеле принципиально опирается на интенсивное перемешивание факела с воздухом за счёт вихревых и турбулентных течений: закрутки (swirl), перетекания из «чаши» поршня, сжатия вихря к ВМТ (squish), локальной турбулентности, создаваемой формой камеры и конфигурацией впускных каналов. От типа камеры сгорания и её геометрии зависит траектория факела, его взаимодействие со стенками и распределение зон богатой/бедной смеси; в публикациях, анализирующих влияние камеры, смесеобразование прямо связывают с распыливанием, испарением и смешением, зависящими от давления/температуры среды и других факторов.

Четвёртый блок факторов относится к свойствам топлива, которые в дизеле влияют на смесеобразование не абстрактно, а через распыл, испарение и химическую подготовку к самовоспламенению. Вязкость и плотность определяют гидравлику форсунки и формирование струи; при пониженных температурах вязкость дизельного топлива возрастает, что способно ухудшать распыл и менять характеристики струи. Это подтверждают исследования распыла при разных температурах топлива, где прямо отмечается влияние роста вязкости на характеристики распыла [6]. Цетановое число характеризует склонность топлива к воспламенению при стандартных условиях испытания и связано с периодом задержки воспламенения: при низком цетановом числе обычно возрастает доля топлива, накопленного до начала горения, что усиливает «жёсткость» и ухудшает управляемость процесса. Нормативная база по определению цетанового числа закреплена в стандарте ISO 5165 (межгосударственная версия ГОСТ ISO 5165).

Пятый блок факторов — техническое состояние топливной аппаратуры и её регулировка, что для тепловозных дизелей особенно актуально из-за длительной работы под нагрузкой и значительных наработок между капитальными ремонтами [7, 8]. Износ плунжерных пар ТНВД, падение давления начала впрыска, ухудшение герметичности иглы распылителя, закоксовывание отверстий, изменение факела — всё это напрямую ухудшает дисперсность и симметрию распыла и увеличивает межцилиндровую неравномерность смесеобразования. В специализированной литературе по тепловозным топливным системам много внимания уделяется вопросам работы, ремонта и испытаний элементов топливной аппаратуры (включая форсунки и распылители) и влиянию их состояния на рабочий процесс [9-11].

Заключение. Наконец, для современного подхода важно учитывать режимные факторы: частоту вращения, нагрузку, давление наддува, температуру заряда и степень рециркуляции/остаточных газов (если она присутствует конструктивно или фактически через ухудшение продувки). На малых нагрузках доминируют проблемы неполного использования воздуха и повышенной относительной доли теплопотерь и пристеночных эффектов; на больших нагрузках — ограничение по воздуху (локально) и риск избыточных температур в зоне факела. В любом режиме смесеобразование остаётся процессом, чувствительным к согласованию топливоподачи и движения воздуха в камере.