Analysis of the effect of a closed crankcase ventilation system on the fuel efficiency of a compression ignition engine

Full Text

Введение В процессе сгорания топлива в двигателе часть продуктов сгорания проникает через зазор между поршнем и цилиндром, направляющей клапана и попадают в картер двигателя, где смешивается с масляным туманом, превращаясь в картерные газы (КГ). Во избежание возникновения в картерном пространстве (КП) значительного избыточного давления, отрицательно влияющего на герметичность уплотнений в двигателе, КГ выводятся в атмосферу в случае открытой системы вентиляции картера (ОСВК) или поступают на вход в турбокомпрессор - при закрытой системе вентиляции картера (ЗСВК) [1]. Обычно применяют ЗСВК для исключения уноса вредных веществ в окружающую среду. Современные тенденции в двигателестроении направлены на повышение топливной экономичности и достижения перспективных экологических норм, что, в свою очередь, ведет к обязательным требованиям, которые влияют на облик самих дизелей [2]. В частности, это введение новых конструктивных элементов, реализующих тот или иной способ снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателей. Последнее касается и систем вентиляции картерных газов. Например, ГОСТ Р 51998-2002 «Дизели автомобильных транспортных средств. Общие технические условия» требует применения в конструкции двигателей с воспламенением от сжатия ЗСВК. Необходимо отметить негативное последствие применения ОСВК на двигателях, разработанных и приспособленных для работы в закрытых помещениях, в машинных отделениях кораблей, автомобилях специального назначения, двигателей-генераторов электроэнергии в больницах, теплицах и т.д. В этом случае КГ не только загрязняют воздух, но и покрывают масляной пленкой все поверхности помещения. При разработке систем вентиляции картера в отечественной и зарубежной практике все большее распространение получают методы компьютерного моделирования, т.к. проектирование и доводка современных двигателей невозможны без проведения математического моделирования и компьютерной оптимизации [3]. Данный факт все более актуален с ужесточением экологических норм и требований к топливной экономичности. Цель исследований Разработка и верификация термодинамической модели рабочего процесса двигателя с ЗСВК. Анализ влияния ЗСВК и ОСВК на основные эффективные показатели двигателя, в частности улучшения топливной экономичности. Материалы и методы Термодинамические расчетные исследования Разработка математической 1D-модели рабочего процесса двигателя Р6 ЧН 13/15 мощностью 550 л.с. (далее - двигатель Р6) с одноступенчатой системой наддува, охладителем наддувочного воздуха типа «воздух - воздух» и расчетные исследования выполнялись с использованием лицензионного программного обеспечения - ПО AVL BOOST. Программный продукт AVL BOOST использует 0-мерную постановку, т.е. в цилиндре, в силу его компактности, пренебрегают разницей давлений по объему. Это допущение существенно упрощает расчет и не вносит заметных погрешностей в результаты. Цилиндр рассматривается как открытая термодинамическая система или как сочетание нескольких систем. Поле скоростей не рассматривается, давление и температуру внутри каждой термодинамической системы считают не зависящими от координат, а зависящими от времени (угла поворота коленчатого вала). При выполнении теплового расчета в ПО AVL BOOST основным источником информации являются официальная документация и примеры выполнения задач, которые расположены в директории установки ПО. Характеристики и геометрические параметры двигателя Р6: - диаметр цилиндра D = 130 мм; - ход поршня S = 150 мм; - степень сжатия ε = 17,5; - эффективность ОНВ η = 92 %; - номинальная мощность Ne = 404 кВт при частоте вращения коленчатого вала nном = = 1900 мин-1; - максимальный крутящий момент Ме = = 2550 Н·м при частоте вращения коленчатого вала от nМ = 900-1400 мин-1. Для разработки точной расчетной модели использовалась реальная CAD-модель двигателя Р6. С использованием возможностей, предоставляемых ПО AVL BOOST, в модель поочередно загружались подготовленные и предварительно извлеченные в формате STL внутренние объемы всех газодинамических каналов, патрубков и коллекторов двигателя. Была разработана и верифицирована математическая модель рабочего процесса базового двигателя Р6 по результатам испытаний на площадке НТЦ ПАО «КАМАЗ». По результатам верификации математической модели двигателя Р6 была проведена работа по подобру эффективного зазора КГ (Effective Blow By Gap) от 0,0012 до 0,0014 мм (зазор «поршень - гильза», используемый в математической модели прорыва КГ) для каждого исследуемого режима работы двигателя Р6 (см. табл. 1) с целью наиболее точной верификации расхода КГ и максимального давления в сгорания в цилиндре (Pz) (см. табл. 2). Действительный геометрический зазор «поршень - гильза» в горячем состоянии для автомобильных дизелей задается на основании опытных данных в интервале 0,04…0,08 мм [4]. Давление КГ в КП также являлось исходной величиной для достоверной верификации математической модели (см. табл. 1). Расчеты проводились при частоте вращения коленчатого вала двигателя Р6 1900/1400/1200/1100/900 мин-1. Стоит отметить, что давление КГ как следует из табл. 1 чуть выше атмосферного на момент проведения испытаний на всех режимах работы двигателя. Это наглядно доказывает эффективную работу ЗСВК в части поддержания должного работоспособного давления в КП и оптимальной работы уплотнений [5]. Данные, представленные в табл. 2, показывают разницу по расходу КГ и максимальному давлению сгорания Pz. Стоит отметить, что разница в расчетных и экспериментальных значениях не превышает 1 %. Это говорит о хорошей верификации базовой модели двигателя. Для реализации перепуска КГ во впускную систему через турбокомпрессор было принято решение ввести третью системную границу (позиция 8, рис. 1). В связи с тем, что третья системная граница может функционировать только с объемными моделями, было принято решение организовать перепуск КГ не через турбокомпрессор (как реализовано в базовом двигателе Р6), а сразу во впускной коллектор двигателя Р6. Расчетная модель двигателя Р6 с ЗСВК представлена на рис. 1. Для учета изменения количества КГ, в результате изменения рабочего процесса, был введен элемент «интерпретатор формул» (позиция 7, рис. 1), в котором просуммированы расходы КГ, поступающие в КП, двигателя Р6 для каждого цилиндра и поданные обратно во впускной коллектор через ЗСВК. Температура КГ в связи с отсутствием действительных значений принималась равной 100 °С на всех режимах работы двигателя. Стоит отметить, что с учетом принятых допущений проведенной верификации математическая модель достаточно точно описывает рабочий процесс двигателя Р6 (доля погрешности равна 1 %). Математическая модель рабочего процесса двигателя Р6 с ОСВК Далее также при помощи ПО AVL BOOST была разработана расчетная модель двигателя Р6 с ОСВК (рис. 2). Отличие расчетной модели ОСВК от расчетной модели ЗСВК является отсутствие позиции 9 - ЗСВК, остальные компоненты идентичны рис. 1. КГ, поступающие из цилиндров двигателя Р6 через направляющие клапанов и цилиндропоршневую группу, отводятся в атмосферу через ОСВК. Расчетная модель двигателя Р6 с ОСВК представлена на рис. 2. Результаты и обсуждение Результаты расчетного анализа двигателя Р6 с ЗСВК и ОСВК представлены в табл. 3, 4 и на рис. 3-5. Выводы Была разработана и верифицирована термодинамическая модель двигателя Р6 с ЗСВК. Достоверность математической модели подтверждается максимальным отклонением до 1 % от результатов натурных испытаний двигателя Р6 по удельному расходу топлива, максимальному давлению сгорания и расходу КГ. На основании проведенного термодинамического анализа двигателя Р6 стоит отметить следующее: - подача КГ во впускной коллектор ухудшает топливную экономичность двигателя, особенно на низких режимах работы, и разница может доходить до 1 г/кВт·ч; - при увеличении расхода КГ снижается отношение количества КГ к количеству воздуха поступающего из атмосферы; наибольшее значение составляет 2,7 % при 900 мин-1; - подача КГ во впускной коллектор двигателя влияет на подогрев рабочего тела, тем самым повышая максимальную температуру сгорания, что в свою очередь ведет к увеличению максимального давления сгорания на 3…4 бара, а также, как следствие, должно сказаться на повышении выбросов вредных веществ: оксидов азота NOx и оксидов углерода CO. Таблица ١ Исходные данные по поршневому зазору и давлению КГ базового двигателя Частота вращения кол. вала ne, мин-1 Эффективный зазор КГ, мм Атмосферное давление, бар Давление КГ, бар 1900 0,00140 0,995 1,005 1400 0,00135 1,003 1200 0,00138 1,002 1100 0,00131 1,000 900 0,00122 0,994 0,998 Таблица ٢ Значения расхода КГ и Pz базового двигателя с ЗСВК Частота вращения кол. вала ne, мин-1 Расход КГ Погрешность расчета, % Испытания, л/мин Расчет, л/мин 1900 114,3 113,6 0,6 1400 119,8 120,4 -0,5 1200 117,4 118,0 -0,5 1100 102,1 102,7 -0,6 900 82,4 82,4 -0,1 Максимальное давление сгорания Pz, бар 1900 214,1 214,4 -0,1 1400 233,7 233,8 -0,1 1200 234,6 235,1 -0,2 1100 221,4 223,6 -0,9 900 210,7 210,0 0,3 Рис. 1. Расчетная модель двигателя Р6 с ЗСВК: 1 - воздушный фильтр, 2, 4, 6, 14 - трубопровод, 3 - турбокомпрессор; 5 - охладитель наддувочного воздуха; 7 - элемент «интерпретатор формул»; 8 - третья системная граница; 9 - ЗСВК; 10 - впускной коллектор; 11 - цилиндры двигателя; 12 - выпускной коллектор; 13 - перепускной клапан; 15 - глушитель; 16 - данные по двигателю Рис. 2. Расчетная модель двигателя Р6 с ОСВК Таблица ٣ Отношение расхода КГ к расходу воздуха ЗСВК ОСВК Отношение Обороты кол. вала ne Расход воздуха расход КГ Расход воздуха расход КГ ЗСВК ОСВК л/мин л/мин л/мин л/мин % мин-1 7623,5 113,6 7661,6 112,2 1,5 1,5 1900 6397,0 120,4 6527,0 119,8 1,9 1,8 1400 5283,6 118,0 5419,3 117,5 2,2 2,2 1200 4448,8 102,7 4561,3 102,2 2,3 2,2 1100 3065,1 82,4 3154,5 81,9 2,7 2,6 900 Таблица ٤ Основные эффективные показатели двигателя Р٦ в зависимости от исполнения СВК Обороты кол. вала ne, мин-1 ОСВК ЗСВК ge, г/кВт·ч Pz, бар ge, г/кВт·ч Pz, бар 1900 195,0 211,3 195,1 214,1 1400 183,1 231,7 183,6 233,7 1200 180,4 232,7 181,0 234,6 1100 182,0 219,4 182,7 221,4 900 191,4 208,9 192,4 210,7 Рис. 3. Зависимость коэффициента избытка воздуха α от частоты вращения коленчатого вала ne двигателя Р6 Рис. 4. Зависимость расхода воздуха Gв от частоты вращения коленчатого вала ne двигателя Р6 Рис. 5. Зависимость давления наддува рк от частоты вращения коленчатого вала ne двигателя Р6

About the authors

S. M Andriyanov

Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University; Scientific and Engineering Center of KAMAZ Group

Email: z-sergei-z@mail.ru
Naberezhnye Chelny, Russia

A. A Matveyev

Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University; Scientific and Engineering Center of KAMAZ Group

Email: z-sergei-z@mail.ru
Naberezhnye Chelny, Russia

V. N Nikishin

Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University

DSc in Engineering Naberezhnye Chelny, Russia

L. I Fardeyev

Scientific and Engineering Center of KAMAZ Group

Email: z-sergei-z@mail.ru
Naberezhnye Chelny, Russia

References

Supplementary files