Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Влияние характеристик пламени на механизм образования несгоревших углеводородов в двигателе с искровым зажиганием 10
1.1 Анализ основных характеристик распространения пламени в двигателе с искровым зажиганием 10
1.2 Современное представление о механизме образования несгоревших углеводородов в цилиндре поршневого ДВС с искровым зажиганием 17
1.2.1 Механизм гашения пламени на стенках и в щелях КС 17
1.2.2 Процесс погасания пламени в объеме КС 23
1.3 Методы исследования механизма образования несгоревших углеводородов и определения их концентраций в цилиндре двигателя 26
1.3.1 Методы математического моделирования концентрации несгоревших углеводородов 26
1.3.2 Эмпирические методы исследования механизма образования несгоревших углеводородов и определения их концентраций в цилиндре двигателя 28
1.4 Анализ методов снижения несгоревших углеводородов в поршневых двигателях с искровым зажиганием 36
1.4.1 Перспективы использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей 37
1.4.2 Перспективы использования СПГ в качестве топлива для автомобильных двигателей 39
1.4.3 Перспективы использования смеси природного газа с водородом в качестве топлива для автомобильных двигателей 42
Выводы к главе 1 48
Глава 2 Экспериментальное оборудование и методика проведения экспериментов 50
2.1 Экспериментальная установка 50
2.2 Методика проведения эксперимента 58
2.3 Статистическая обработка результатов испытаний 61
Глава 3 Обработка результатов испытаний 63
3.1 Зависимость интервала времени от начала зажигания до появления ионного тока от состава топливовоздушной смеси, величины добавляемого в нее водорода и скоростного режима двигателя 63
3.2 Зависимость длительности сигнала импульса ионного тока от состава топливовоздушной смеси и величины добавляемого в нее водорода 66
3.3 Зависимость времени возникновения в цилиндре двигателя максимума давления от состава топливовоздушной смеси и величины добавляемого в нее водорода 70
3.4 Зависимость ионного тока от состава топливовоздушной смеси, величины добавляемого в нее водорода и скоростного режима двигателя... 72
3.5 Зависимость концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах от состава топливовоздушной смеси и величины
добавляемого в нее водорода 78
Глава 4 Анализ и обобщение результатов экспериментального исследования 82
4.1 Средняя скорость распространения пламени в первой и основной фазах сгорания и ее зависимость от состава топливовоздушной смеси, величины добавляемого в нее водорода и скоростного режима двигателя... 82
4.2 Электропроводность фронта пламени, как параметр процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС 88
Глава 5. Связь эмиссии несгоревших углеводородов с характеристиками распространения пламени 96
5.1 Влияние скорости распространения и ионизации пламени на концентрацию несгоревших углеводородов 96
5.2 Прогнозирование концентрации несгоревших углеводородов с использованием скорости распространения пламени 100
5.3 Оценка и расчет концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя с использованием характеристик распространения фронта пламени 103
Заключение 114
Список сокращений и условных обозначений 115
Список литературы
- Методы исследования механизма образования несгоревших углеводородов и определения их концентраций в цилиндре двигателя
- Статистическая обработка результатов испытаний
- Зависимость длительности сигнала импульса ионного тока от состава топливовоздушной смеси и величины добавляемого в нее водорода
- Электропроводность фронта пламени, как параметр процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Устойчивый, интенсивный рост автотранспорта способствует усилению техногенного прессинга на природу и человека. Выявлено, что именно несгоревшие углеводороды (СН), входящие в состав отработавших газов (ОГ), способствуют возникновению у человека респираторных и онкологических заболеваний. В связи с этим, каждый год, законодательно ужесточаются требования к концентрации СН в ОГ автомобилей. Поскольку бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) достигли предела своего экологического совершенства, то все больше производителей обращают внимание на двигатели, использующие в качестве топлива сжатый природный газ (СПГ) и его смесь с водородом. Несмотря на большое количество исследований в данной области, до сих пор нет данных о связи эмиссии СН с характеристиками распространения пламени и с его электропроводностью. Это является необходимым условием для дальнейшего улучшения энергетических и экологических показателей газопоршневых ДВС, а также разработки (совершенствования) методов контроля СН, основанных на мониторинге ионного тока. Кроме этого, анализ современных методов расчета СН в ОГ газопоршневых двигателей, в которых не учитываются характеристики распространения пламени, выявил сильное несоответствие (более 50%) между расчетными и экспериментальными значениями. Поэтому методы расчета концентрации СН требуют серьезной доработки. Таким образом, выбранная тема исследований актуальна, как в теоретическом, так и в практическом плане.
Цель работы: снижение выбросов несгоревших углеводородов в отработавших газах газопоршневых двигателей за счет изменения характеристик распространения пламени в метановодородовоздушной смеси.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
1. Выявить зависимость между скоростью распространения метановодородовоздушного пламени и концентрацией СН в ОГ.
2. Определить связь между электропроводностью фронта пламени и концентрацией СН при добавлении водорода в природный газ;
3. Разработать метод оценки и расчета концентрации СН в газопоршневом двигателе, учитывающий влияние характеристик распространения пламени на эмиссию СН.
Объектом исследования является процесс сгорания углеводородного топлива с добавкой водорода в поршневом двигателе с искровым зажиганием.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые установлены на основе измерений скорости распространения пламени и ионного тока закономерности влияния состава топливовоздушной смеси (ТВС) и доли в ней водорода на выделение СН в ДВС, работающем на природном газе.
2. Выявлено взаимное влияние концентрации углерода в ТВС и скорости распространения пламени на величину ионного тока.
3. Предложен новый метод оценки и расчета СН в ОГ газопоршневого ДВС. Показано, что предлагаемый метод позволяет определить химический состав ТВС и значения характеристик распространения пламени, обеспечивающие снижение выбросов СН.
Теоретическое значение работы.
1. Показано сильное влияние процессов, происходящих в первой фазе сгорания на процессы во второй фазе сгорания топлива.
2. Установлена зависимость ионного тока от доли углерода в ТВС и скорости распространения пламени.
3. Раскрыт механизм влияния химико-физических свойств ТВС и характеристик распространения пламени на эмиссию СН в газопоршневом ДВС.
Практическое значение работы.
Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и доводке ДВС, использующих в качестве топлива природный газ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).
Методы исследования. При проведении исследований применялись экспериментальные методы, включающие стендовые испытания, методы эмпирического анализа, статистическая обработка данных и компьютерное моделирование.
Положения, выносимые на защиту.
1. Зависимость концентрации СН от средней скорости распространения пламени.
2. Результаты экспериментального исследования связи электропроводности фронта пламени с выделениями СН.
3. Метод оценки и расчета СН в ОГ двигателя, использующего в качестве топлива СПГ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).
Достоверность полученных результатов исследования обусловлена большим объемом экспериментов, применением методов статистической обработки данных, а также сходимостью результатов экспериментов с данными других авторов.
Реализация результатов работы.
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы ГК № 14.В37.21.0152 и ГК № 14.В37.21.0308. Расчетные зависимости рекомендованы к внедрению НТЦ ОАО «АВТОВАЗ». Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 141100 «Энергетическое машиностроение».
Апробация работы.
Результаты исследования были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинского государственного университета в 2010 – 2013 годах и доложены в следующих конференциях: IV международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» Тольяттинский государственный университет, Тольятти – 2012; II международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» Тольяттинский государственный университет, Тольятти – 2012; международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара – 2012; VIII всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара – 2012; XLI научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург – 2012; всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург – 2012; III международная научно-техническая конференция «Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении», Карачевский филиал государственного университета «Госуниверситет-УНПК», Карачев – 2012; IV международная научно-практическая конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянский государственный технический университет, Брянск – 2012; международная, научная конференция «Наука, образование, производство в решении экологических проблем», Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа – 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 227 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, иллюстрированного 4 таблицами и 83 рисунками.
Методы исследования механизма образования несгоревших углеводородов и определения их концентраций в цилиндре двигателя
Экспериментально обнаружено, что при Ре = 8 происходит гашение пламени. В [147] найдена эмпирическая зависимость числа Пекле для пропано-воздушной смеси: і (Р\ 26 Ре = 9,5-(р-1- 4Н , (1.8) w J где Р - давление, атм; ср - коэффициент избытка воздуха. Гашение пламени холодной стенкой цилиндра приводит к возникновению «замороженного» слоя. Толщина «замороженного» слоя зависит от давления и температуры несгоревшей смеси в момент «замораживания», состава ТВС, а также от температуры стенки цилиндра [63, 215]. Эмпирическая зависимость толщины замороженного слоя (q) от этих параметров может быть представлена в виде [198]:
На рисунке 1.2.1 показана модель, объясняющая образование СН в цилиндре ДВС [180]. Согласно модели, при погасании пламени у стенок КС образуются три «замороженных» слоя и один гасящий зазор. В конце такта расширения, газ в зазоре у перемычки над первым поршневым кольцом, выходит из зазора и растекается вдоль стенок КС. Когда выпускной клапан открывается, пристеночные «замороженные» слои захватываются выходящим потоком и покидают цилиндр. При движении поршня вверх, пограничный слой на стенке КС, содержащей СН, соскабливается с нее и сворачивается в вихрь.
В щелях гашение пламени возникает вследствие сильного охлаждения и малой скорости (невозможности) перемещения фронта пламени [44, 140, 173, 198]. Щели, в которых происходит основное гашение, расположены вокруг клапанов, на стыке головки блока цилиндров и блоком цилиндров и между поверхностью поршня и стенкой цилиндра (рисунок 1.2.2) [108, 204]. Масса СН, образующихся в щелях, где происходит гашение [33] определяется эмпирическим уравнением:
Щели в КС препятствуют окислению находящейся в ней топливной смеси. Однако часть ТВС может полностью или частично окислиться в течение такта расширения и выпуска. Рисунки 1.2.3 и 1.2.4 приводят связь давления в области поршневых колец с массовым расходом «замороженных» газов из щелей КС при изменении угла поворота КВД [196].
Массовый расход «замороженного» газа через щели между поршнем и стенкой цилиндра. Объемы между поршневыми кольцами и стенкой цилиндра: 1 - за первым компрессионным кольцом; 2 - за вторым компрессионным кольцом; 3 - за маслосъемным кольцом.
Анализ рисунков показывает, что возникновение оттока «замороженных» газов начинается при снижении давления в цилиндре ДВС [108].
В настоящее время, обнаружено, что помимо щелей и холодных стенок цилиндра, значительный вклад в величину СН вносят процессы абсорбции и десорбции. Исследования, проведенные в закрытом сосуде [162] и в двигателе [163] показывают, что, несмотря на кратковременное воздействие масляной пленки на топливо во время работы ДВС, процессы абсорбции / десорбции топлива в масляной пленке могут иметь значительный вклад в выбросы СН (до 16% от общего количества СН).
Процесс абсорбции заключается в поглощении масляным слоем топлива во время такта сжатия. В результате, часть топлива скрыта от пламени и не окисляется [1.23, 148, 171]. При такте расширения и выпуска происходит процесс десорбции: сохраненное в масляном слое топливо поступает в КС, способствуя росту эмиссии СН. Рисунок 1.2.5 схематически показывает процессы абсорбции и десорбции в цилиндре поршневого ДВС.
Интенсивность этих процессов зависит от растворимости топлива в масляной пленке. Обнаружено, что разные топлива имеют разную растворимость в масляном слое, при этом она уменьшается с увеличением температуры, что приводит к снижению концентрации СН. Так снижение топливной растворимости в 40 раз соответствует убыли СН на 30% [135, 196].
Эмиссия СН является показателем качества сгорания ТВС, т.е. совершенства рабочего процесса двигателя. Одним из факторов, влияющих на эмиссию СН, является состав смеси [33, 35, 44, 180, 181, 193, 198, 226]. На рисунке 1.2.6 показано, что концентрация СН имеет минимум при коэффициенте избытка воздуха (а) равном 1,15-1,2 [180]. При этом эмиссия СН растет в областях бедной (а 1,3) и богатой (а 0,9) смесей, что связано с неполнотой сгорания топлива.
Состав СН в выхлопных газах зависит от физико-химической структуры топлива. Топлива с более высоким содержанием олефиновых и ароматических углеводородов дают СН в выхлопных газах с более высокой химической активностью. При этом многие из СН, обнаруженных в ОГ, в самом топливе отсутствуют, что свидетельствует о наличии процесса пиролиза и частичном окислении компонентов топлива [33, 141, 147, 221, 225]. Влияние скорости сгорания на эмиссию СН в ОГ бомбы постоянного объема рассматривается в работе [63]. В которой показан рост концентрации СН при увеличении скорости сгорания. Однако, в исследовании [147], проведенном на бензиновом ДВС, выявлено наличие обратной линейной связи между нормальной скоростью распространения пламени и толщиной пристеночного слоя, характеризующей величину СН. Также известны исследования [49], в которых экспериментально показана взаимосвязь концентраций СН со средней скоростью распространения фронта бензоводородовоз душного пламени (V0) в КС одноцилиндрового ДВС и ее локальных зонах:
CH(V0,H)=683,42Vo2-1126V0+309,66VoH-1100H-1512H2+630,555. (1.11) Погасание пламени за счет деформации его фронта зависит только от процессов в газовой смеси. Высокая деформация фронта пламени, вызванная интенсивной турбулентностью, приводит к снижению скорости его распространения, которая сопровождается гашением пламени и ростом СН. Это было доказано в ходе эксперимента [105], проведенного в сосуде, наполненном пропановоздушной смесью, в котором с помощью вентиляторов создавали интенсивную турбулентность (рисунок 1.2.7).
Статистическая обработка результатов испытаний
Стенд также был оснащен системой подачи водорода в двигатель схема, которой, представлена на рисунке 2.1.4. Система работает по следующему принципу: водород из баллона высокого давления через редуктор и блок форсунок, включающий в себя четыре форсунки, поступает во впускной коллектор двигателя. Для устранения воздействия изменения давления во впускном коллекторе, перед блоком форсунок поддерживался перепад давления АР = 0,35 МПа
Система подачи водорода в двигатель, где Н2 - баллон с водородом; Ml, М2 - манометры; PI, Р2 - редукторы; РЕ - расходная емкость; БФ - блок форсунок; БУФ - блок управления форсунками; ГИ - генератор импульсов; АКБ - аккумуляторная батарея.
Расход водорода через систему устанавливался скважностью форсунок. Возможность отключения одной (нескольких) форсунок применялось для изменения расходной характеристики блока форсунок. Таким образом, тарировочная зависимость меняется на величину расхода водорода, которая устанавливается отключаемой форсункой. На рисунке 2.1.5 представлена тарировочная зависимость расхода водорода от времени открытия форсунки. определения концентрации СН в ОГ использовался микропроцессорный газоанализатор «АВТОТЕСТ-02 CO-C02-CH-02-NOx-a» фирмы «МЕТА», рисунки 2.1.6 и 2.1.7.
Для мониторинга ионного тока были использованы два ИД, представленные на рисунках 2.1.8 и 2.1.9. ИД представляет собой электрод (ИЗ), изолированный от корпуса двигателя керамическим изолятором.
Фронт пламени, омывая электрод и корпус двигателя, замыкает электрическую цепь, в которой возникает импульс ионного тока, обусловленный электропроводностью углеводородного пламени. На рисунке 2.1.10 показаны места установки ИД. Один из датчиков располагался непосредственно в свече зажигания, на расстоянии 7 мм от ее электрода, а другой на максимальном удалении от свечи зажигания, т.е. на расстоянии 85 мм. 3 - свеча зажигания с ИД; 4 - ИД. Продолжительность сигнала устанавливается временем замыкания цепи, т.е. временем нахождения пламени в зоне датчика. По результатам измерений промежутка времени (t) от подачи искрового разряда до возникновения импульса напряжения ионного тока, определено среднее значение скорости распространения пламени (U) формуле:
Методика эксперимента заключалась в параллельной регистрации сигналов с ИД, искры зажигания, датчика положения коленчатого вала и записи осциллограмм с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя L-Card в память персонального компьютера. Схема записи сигналов в цепи ИЗ представлена на рисунке 2.2.1.
Перед проведением эксперимента схема была протестирована на предмет линейности зависимости выходного сигнала от напряжения источника питания. На рисунке 2.2.2 показано, что напряжение измерительной цепи не находится в области тока насыщения.
В результате испытаний получены серии осциллограмм на каждом режиме испытаний. Осреднённый сигнал оценивался по следующим параметрам: 1) промежутку времени от начала зажигания до возникновения импульса ионного тока на ИД, расположенном у свечи зажигания (t\) и на ИД удаленном от неё (t2); 2) амплитуде сигнала ионного тока на ИД, расположенном у свечи зажигания (1\) и на ИД удаленном от неё (72); 3) длительности сигналов импульса ионного тока на ИД, расположенном у свечи зажигания (ґс1) и на ИД, расположенном в самой удаленной от свечи зажигания зоне КС (/с2); 4) времени возникновения в цилиндре ДВС максимума давления (?ртах); 5) величине максимального давления в цилиндре ДВС (Pz).
Варьируемыми факторами являлись состав ТВС (от 0,7 до 1,6) и доля добавляемого водорода в топливо, составляющая 29, 47 и 58% (по объему). Работа установки УИТ-85 осуществлялась со степенью сжатия 7, угле опережения зажигания (УОЗ) равном 13 и на скоростных режимах 600 и 900 об/мин. При изменений одного из варьируемых факторов, менялся и вид осредненного импульса. Пример «осредненной» осциллограммы показан на рисунке 2.2.3.
Осредненная осциллограмма импульсов ионного тока и давления: t\, t2- промежутки времени от начала зажигания до появления ионного тока на ИД, расположенного у свечи зажигания и до появления ионного тока на ИД, расположенного в самой удаленной от свечи зажигания зоне КС, соответственно; 1\, /2- исходный сигнал с ИД, расположенного у свечи зажигания и с ИД, расположенного в самой удаленной от свечи зажигания зоне КС, соответственно; tC), tc2 - длительность сигналов импульса ионного тока на ИД, расположенного у свечи зажигания и на ИД, расположенного в самой удаленной от свечи зажигания зоне КС, соответственно; /Ртах - время возникновения в цилиндре ДВС максимума давления; Pz - пик давления в цилиндре ДВС;
Зависимость длительности сигнала импульса ионного тока от состава топливовоздушной смеси и величины добавляемого в нее водорода
Графические зависимости показывают, что время появления сигнала имеет минимум при составе ТВС, близкой стехиометрической (а=1). С обеднением и обогащением ТВС время монотонно возрастает.
Обнаружено, что с увеличением частоты вращения КВД с 600 до 900 об/мин происходит уменьшение интервалов времени в обеих фазах сгорания. Так, снижение времени в первой фазе сгорания (t\) при коэффициенте избытка воздуха а=1 составило 22%, а во второй фазе сгорания (t2) 17%. При а=1,3 уменьшение времени в первой фазе сгорания составило 8%, а во второй фазе сгорания 7%. Т. е. с обеднением смеси интенсивность снижения времени возникновения сигнала на ИД падает.
Выявлено, что для обоих скоростных режимов, наблюдается снижение средней продолжительности распространения фронта пламени при 29, 47 и 58% добавке водорода в ТВС. При этом, наибольшее сокращение интервала времени наблюдается в первой фазе сгорания, при работе ДВС на бедной смеси с добавкой гН2-29%. Так, в первой фазе сгорания при а=1,3 добавка гт=29% снижает продолжительность сгорания на 53% («квд = 900 об/мин) и на 30% («Квд = 600 об/мин), а при а=1, сокращение t\ составляет 23% (иКвд = 900 об/мин) и 30%) («квд = 600 об/мин). В свою очередь, для второй фазы при а=1,3 добавка гт=29% снижает t2 на 20%) (пКВд= 900 об/мин) и на 15%) («квд 600 об/мин), а при а=1, сокращение интервала времени t2 составляет 10% (пква= 900 об/мин) и 11% («квд= 600 об/мин). Причиной этому, по-видимому, является то, что повышение доли водорода в ТВС способствует снижению энергии воспламенения, созданию активных центров химических реакций, а также увеличению пределов сгорания топлива [60].
Таким образом, промежутки времени от искрового разряда до появления тока на ИД, имеют четкую зависимость от состава ТВС, доли в ней водорода и скоростного режима двигателя. При этом наиболее ярко данная тенденция проявляется в первой фазе сгорания. Также было обнаружено, что при возрастании содержания водорода в ТВС время достижения пламенем ИД монотонно снижается в изученном диапазоне составов смеси и объемных концентраций активизирующей добавки (водорода), причем с обеднением смеси влияние добавок водорода усиливается.
В результате проведенных экспериментов, были получены интервалы времени от начала появления импульса ионного тока и до его окончания на ИД, расположенных у свечи зажигания и в самой удаленной от неё зоне КС, таблица А.2 приложения А.
На рисунках 3.2.1 и 3.2.2 показано изменение длительности сигналов импульса ионного тока при варьировании составом ТВС и концентрацией в ней водорода. Приведенные экспериментальные данные соответствуют частоте вращения КВД равной 900 об/мин. 4
Выявлено, что для. обоих ИД наблюдается снижение длительности сигнала при 29, 47 и 58% добавке водорода в ТВС. При этом наибольшее сокращение наблюдается в первой фазе сгорания при работе ДВС на бедной смеси с добавкой гН2=29%. Так, в первой фазе сгорания при а=1,2 добавка гН2==29% снижает длительности сигнала на 37% , а при а=1, сокращение ґс1 составляет 28% . В свою очередь, для второй фазы при а=1,2 добавка гН2=29% снижает tc2 на 21%, а при а=1, сокращение составляет 12%). Причиной этому, по-видимому, является то, что повышение доли водорода в ТВС способствует созданию активных центров химических реакций [60] и как следствие приводит к росту скорости распространения пламени и сокращению протяженности его фронта [92].
Таким образом, длительность сигнала импульса ионного тока, имеет четкую зависимость от состава ТВС и доли в ней водорода. При этом наиболее ярко данная тенденция проявляется в первой фазе сгорания. Также было обнаружено, что при возрастании содержания водорода в ТВС продолжительность сигнала ионного тока монотонно снижается в изученном диапазоне составов смеси и объемных концентраций активизирующей добавки (водорода), причем с обеднением смеси влияние добавок водорода усиливается.
Связь длительности сигнала импульса ионного тока (tc2) на ИД, удаленном от свечи зажигания, с длительностью сигнала импульса ионного тока (/сі) на ИД, расположенном у свечи зажигания, представлена на рисунке 3.2.3.
Экспериментально обнаружено, что, несмотря на изменение коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого водорода в ТВС, сохраняется линейная зависимость продолжительности сигнала ионного тока во второй фазе сгорания от продолжительности сигнала в первой фазе сгорания, формула (3.1). При этом увеличение tc\ соответствует повышению tC2, т.е. протекание химико-физических процессов при формировании первой фазы сгорания топлива влияет на tc2 и определяет её будущее значение. tc2=ac]+e, (3.1) где а - безразмерный эмпирический коэффициент, (а=0,33); в - безразмерный эмпирический коэффициент, (в=0,33).
Таким образом, учет длительности сигнала импульса ионного тока в первой фазе сгорания позволит спрогнозировать развитие длительности сигнала ионного тока во второй фазе сгорания, а, значит, и процессов, происходящих в ней. Следо 7П вательно, по данным ИД, расположенного в свече зажигания, можно проводить мониторинг длительности сигнала импульса ионного тока во второй фазе сгорания, без использования дополнительного датчика.
Зависимость времени возникновения в цилиндре двигателя максимума давления от состава топливовоздушной смеси и величины добавляемого в нее водорода В результате проведенных экспериментов, были получены интервалы времени от начала зажигания до возникновения в цилиндре двигателя максимума давления, таблица А.З приложения А.
На рисунке 3.3.1 показано изменение времени возникновения в цилиндре двигателя максимума давления при варьировании составом ТВС и концентрацией в ней водорода. Приведенные экспериментальные данные соответствуют частоте вращения КВД равной 900 об/мин.
Электропроводность фронта пламени, как параметр процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС
Выявлено, что наибольший рост скорости наблюдается в первой фазе сгорания. Причем чем беднее ТВС и больше добавка водорода, тем интенсивнее рост скорости. Так, в первой фазе сгорания при а=1,3 добавка гН2=29% увеличивает в среднем скорость сгорания на 53% («квд = 900 об/мин) и на 30% (пКВд=600 об/мин), а при а=1 увеличение скорости U\ составляет 23%) (иквд=900 об/мин) и 30 % («квд = 600 об/мин). В свою очередь, для второй фазы при а=1,3 добавка гН2=29% повышает скорость сгорания на 20% («квд= 900 об/мин) и на 15% («квд = 600 об/мин), а при а=1, увеличение скорости U2 составляет 10 % («квд = 900 об/мин) и 11% («квд = 600 об/мин). Причиной этому, по-видимому, является то, что увеличение доли водорода в ТВ С приводит к росту содержания атомарного водорода, который наряду с другими радикалами играет основную роль в реакциях горения [60]. Следовательно, что добавка водорода способствует формированию высокоактивных центров химических реакций, снижению энергии воспламенения и расширению пределов сгорания исходного топлива.
Влияние скорости в первой фазе сгорания на развитие скорости во второй фазе сгорания представлено на рисунке 4.1.5. Экспериментально обнаружено, что, несмотря на изменение скоростного режима, коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого в топливо водорода, сохраняется линейная зависимость скорости во второй фазе сгорания, от скорости в первой фазе сгорания. При этом увеличение скорости U\ соответствует повышению скорости U2, т.е. протекание химико-физических процессов при формировании первой фазы сгорания топлива влияет на U-і и определяет её будущее значение. Таким образом, учет скорости распространения пламени в первой фазе сгорания позволит спрогнозировать развитие скорости во второй фазе сгорания, а, значит, и процессов, происходящих в ней. Следовательно, по данным ИД, расположенного в свече зажигания, можно проводить мониторинг скорости сгорания во второй фазе сгорания, без использования дополнительного датчика.
В данной работе было изучено влияние на величину сигнала ионного тока различных факторов, определяющих работу ДВС. Значения амплитуды сигнала и её изменения в зависимости от варьируемых факторов представлены в главе 3 (рисунки 3.2.1 - 3.2.4). Анализ осциллограмм импульсов ионного тока показывает, что амплитуда сигнала на ИД, применяемых в настоящей работе, имеет характерную зависимость от состава ТВС. Также было выявлено, что регистрируемое значение ионного тока у свечи зажигания превосходит величину ионного тока в зоне, удаленной от свечи зажигания. Данный факт можно объяснить разной площадью поверхности используемых ИД и, возможно, влиянием турбулентности пламени, которая приводит к снижению плотности заряженных частиц во фронте пламени, и следовательно, регистрируемого ионного тока. Также был обнаружен пик ионного тока, совпадающий для обоих ИД и имеющий термическую природу возникновения, что открывает возможность определять значение температуры в КС ДВС, достаточной для возникновения термоионизации оксида азота. Влияние величины ионного тока в первой фазе сгорания на развитие ионного тока во второй фазе сгорания представлено на рисунке 4.2.1. Для исключения влияния размеров ИД на величину ионного тока, сравнительный анализ проводился в относительных величинах - отношения анализируемых параметров к параметрам при стехиометрическом составе смеси:
Экспериментально обнаружено, что, несмотря на изменение скоростного режима, коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого водорода в ТВС, сохраняется линейная зависимость 12 от 1\. При этом увеличение значения 1\ соответствует повышению 12, т.е. протекание химико-физических процессов вначале сгорания топлива влияет на 12 и определяет её будущее значение. Таким образом, учет величины ионного тока в первой фазе сгорания позволит спрогнозировать развитие ионного тока во второй фазе сгорания, а, значит и процессов, происходящих в ней. Следовательно, по данным ИД, расположенного в свече зажигания, можно проводить мониторинг ионного тока во второй фазе сгорания, без использования дополнительного датчика.
Также, в ходе анализа, было выявлено отсутствие зависимости (для обоих скоростных режимов) ионного тока от концентрации водорода, превышающей 29%. Причина этого, заключается в зависимости электропроводности фронта пламени от концентрации свободного радикала СТҐ [82, 118, 130], которая, вероятно, зависит от доли углерода в ТВС и скорости распространения пламени. Количество углерода в топливе определяет потенциальный резерв образования ОНҐ, а скорость распространения пламени характеризует интенсивность образования СН+ во время реакции горения топлива. При добавке водорода в ТВС, одновременно происходит уменьшение концентрации углерода в ТВС и увеличение скорости распространения пламени.
Рассмотрим влияние массовой доли углерода в топливе на величину ионного тока при разных концентрациях водорода и скоростных режимах, рисунки 4.2.2 и 4.2.3. Численные значения у графических зависимостей соответствуют величинам коэффициента избытка воздуха. Массовая доля углерода в ТВС (gc), была определена по формуле (4.2):
