Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1 Методы расчета рабочего процесса поршневого бензинового 12 ДВС
1.2 Современные представления о распространении пламени и сгорании в двигателях с искровым зажиганием 15
1.3 Сгорание в бензиновых двигателях 27
1.4 Методы моделирования процесса сгорания 32
1.5 Особенности сгорания топливно-воздушной смеси при добавке водорода 34
1.6 Анализ методов снижения токсичности поршневых ДВС 37
1.7 Анализ методов изучения процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС 41
1.8 Постановка задач исследования 44
ГЛАВА 2 Экспериментальная установка. Планирование и методика проведения экспериментов 45
2.1 Экспериментальная установка 45
2.2 Датчики использованные в эксперименте 50
2.3 Варьируемые факторы и диапазон их изменений 52
2.4 Методика проведения эксперимента 55
2.5 Погрешности измерений, производимых при проведении эксперимента 57
2.6 Выводы по второй главе 69
ГЛАВА 3 Результаты экспериментов и их анализ. 70
3.1 Измерение продолжительности процесса сгорания 70
3.2 Скорость распространения пламени по фазам сгорания 87
3.3 Объем над поршнем при завершении основной фазы сгорания 96
3.4 Амплитуда импульса тока на датчике ионизации в КС, как характеристика процесса сгорания 98
3.5 Основные результаты измерений в экспериментальной установке 100 ГЛАВА 4 Обобщения, теоретический анализ и возможность практического применения результатов экспериментального исследования 101
4.1 Обобщение выявленных особенностей процесса сгорания при добавке водорода в ТВС и оценка влияния режимных параметров работы на процесс сгорания ТВС 101
4.2 Математические зависимости основных характеристик процесса сгорания 112
4.3 Расчетная индикаторная диаграмма давления и характеристика тепловыделения при добавках водорода в ТВС 125
4.4 Основные выводы по анализу и обобщению экспериментальных данных 135 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 136
Список используемой литературы 138
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Кинетика химии горения углеводородных топлив 151
- Современные представления о распространении пламени и сгорании в двигателях с искровым зажиганием
- Экспериментальная установка
- Скорость распространения пламени по фазам сгорания
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие автомобилестроения происходит при быстром росте цен на углеводородное топливо с одной стороны и экологическим загрязнением атмосферы отработавшими газами в крупных городах с другой стороны, что обуславливает поиски различных направлений по снижению токсичности и улучшению экономичности работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее перспективным направлением, как по снижению токсичности, так и повышению экономичности является воздействие на рабочий процесс и применение альтернативных видов топлива, таких как природный газ, синтез-газ и водород, т.е. непосредственно на причины образования токсичных веществ и эффективность работы двигателя.
Вопросу использования водорода посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ, как в нашей стране, так и за рубежом. Показано, что при малых добавках водорода (до 5-6% от массы топлива) отмечаются такие особенности сгорания как: заметное расширение пределов воспламенения и горения топливно-воздушной смеси (ТВС), значительное снижение токсичности отработавших газов (ОГ) по оксиду углерода и несгоревшим углеводородам (СН), увеличение полноты сгорания, меньшая зависимость характеристик двигателя от угла опережения зажигания. Особенно ярко эти особенности проявляются при обеднении смеси. Отличительной особенностью водорода является, значительное улучшение всех перечисленных параметров, какое не наблюдается при использовании других добавок.
Разработка двигателя работающего на бензине с малыми добавками водорода требует учета особенностей его сгорания. Начальный этап разработки - тепловой расчет рабочего процесса, позволяющий определить пути улучшения рабочих характеристик уже разработанных и проектируемых двигателей. Расчет должен быть доступным для инженера и учитывать особенности процесса сгорания при добавке водорода в ТВС. В тепловом расчете основными проблемами являются определение продолжительности воспламенения (первой фазы сгорания) и скорости распространения пламени во второй и третьей фазе, а также характеристики тепловыделения. Необходимо отметить, что точность расчета по любой из методик определяется в первую очередь, именно, характеристикой тепловыделения. В практике, как в России, так и в зарубежных исследовательских и конструкторских центрах, принята полуэмпирическая характеристика полученная И.И. Вибе. Основными её недостатками являются сложность определения в процессе конструкторской разработки показателя характера сгорания m и продолжительности процесса сгорания, а также отсутствие данных по влиянию на них малых добавок водорода.
Анализ литературы показывает, что применение водорода в качестве добавки в ТВС является перспективным альтернативным топливом для ДВС, а особенности процесса сгорания таких смесей изучены не полностью. Причем его влияние на скорость распространения пламени и характеристику тепловыделения практически не изучено. В связи с этим определение особенностей сгорания бензовоздушных смесей при малых добавках водорода, и на основе этого закономерностей, связывающих средние скорости распространения пламени и характеристику тепловыделения с изменением режимных параметров работы двигателя, для проведения расчета сгорания на стадиях проектирования и доводки двигателя является актуальным.
Целью работы является улучшение характеристик процесса сгорания в бензиновых двигателях за счет изменения свойств топливно-воздушной смеси при добавке водорода.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
определение особенностей влияния добавок водорода в ТВС на продолжительность сгорания и среднюю скорость распространения пламени в первой, второй и третьей фазе сгорания;
получение полуэмпирических зависимостей для расчета скорости распространения пламени в основной, второй и третьей фазах сгорания при изменении свойств ТВС и режимных параметров работы двигателя;
вывод зависимости для прогнозирования показателя характера сгорания характеристики тепловыделения при изменении свойств ТВС и режимных параметров работы двигателя.
ОБЪЕКТ исследования - процесс сгорания углеводородных топлив в двигателях с искровым зажиганием при добавке водорода в топливно-воздушную смесь.
ПРЕДМЕТ исследования - прогностические показатели средних скоростей распространения пламени в первой, второй и третьей фазе, а также характеристики тепловыделения при изменении свойств ТВС за счет добавки водорода.
Методы исследования. При проведении исследований применялись экспериментальные методы, включающие стендовые испытания на одноцилиндровой исследовательской установке УИТ-85, методы эмпирического анализа, статистическая обработка данных и компьютерное моделирование.
Достоверность полученных результатов исследования обусловлена большим объемом экспериментов, применением методов статистической обработки данных, а также подтверждается хорошей сходимостью результатов исследования процесса сгорания с результатами отечественных и зарубежных исследований проведенных на экспериментальных установках и реальных автомобильных двигателях.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследования заключается в установлении закономерностей влияния малых добавках водорода в ТВС на среднюю скорость распространения пламени и характеристику тепловыделения на основе измерений ионного тока в пламени, и включают полученные результаты:
способ определения третьей фазы сгорания, а также показателя характера сгорания по изменению ионного тока пламени;
эмпирическую зависимость для определения средней скорости распространения пламени в третьей фазе сгорания, при малых добавках водорода в ТВС;
полуэмпирическую зависимость для определения средней скорости распространения пламени во второй и основной (первая и вторая) фазах сгорания, при малых добавках водорода в ТВС;
эмпирическую зависимость для определения характеристики тепловыделения, при малых добавках водорода в ТВС.
ПРАКТИЧЕСКУЮ значимость исследования представляют:
- результаты исследований сгорания бензовоздушных смесей с добавкой водорода
в бензиновом ДВС, показавшие значительные возможности по сокращению дли
тельности сгорания во всех трех фазах;
система измерения и записи сигналов на датчике ионизации оригинальной конструкции, позволяющей размещать датчики ионизации практически на любой двигатель без существенной его доработки, в том числе в наиболее удаленной от свечи зажигания зоне КС;
полученные эмпирические зависимости определения средних скоростей распространения пламени в основной, второй и третьей фазе сгорания, а также показателя характера сгорания ш, для ТВС с добавками водорода, что позволят сократить сроки на проектирование и доводку новых ЛВС, работающих на бензине с добавками водорода.
Исследования проводились согласно государственному заказу по проекту «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 205, раздел 03 «Экологически чистый и высокоскоростной транспорт», 2004 г, и областному ГРАНТу для студентов, аспирантов и молодых ученых 2006 года «Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при изменении качества топливной смеси».
Реализация результатов работы.
Расчетные зависимости рекомендованы к внедрению НТЦ ОАО «АВТОВАЗ», и реализованы в областном ГРАНТе для студентов, аспирантов и молодых ученых 2006 года.
Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Двигатели внутреннего сгорания».
Апробация работы.
Основные положения диссертации обсуждены на научно-технических семинарах кафедры «Тепловые двигатели» ТГУ в 2006 и 2007 годах, а также на следующих конференциях: МНТК «Прогресс транспортных средств» ВГТУ, Волгоград -2005; ВНТК с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» ТГУ, Тольятти - 2004, 2005; 49-я МНТК ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров", МГТУ «МАМИ», Москва - 2005; Международный симпозиум «Образование через науку», МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва - 2005; Международном симпозиуме по водородной энергетике, МЭИ, 2005 г. Москва; МНТК «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» Россия, Челябинск 2006 г; МНК «Ломоносов», Москва, МГУ 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.
На защиту выносятся следующие положения:
результаты экспериментальных исследований особенностей процесса сгорания при добавке водорода в топливно-воздушную смесь, а именно: на продолжительность сгорания и скорость распространения пламени в первой, во второй и третьей фазах сгорания;
эмпирическая зависимость скорости распространения пламени в третьей фазе сгорания с изменением свойств ТВС и параметрами работы двигателя;
полуэмпирические зависимости скорости распространения пламени в основной и второй фазах сгорания с изменением свойств ТВС и параметрами работы двигателя;
эмпирическая зависимость показателя характера сгорания m с изменением свойств ТВС и параметрами работы двигателя.
Структура и объем диссертации.
Диссертации состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 159 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, иллюстрированного 3 таблицами и 72 рисунками.
Современные представления о распространении пламени и сгорании в двигателях с искровым зажиганием
Сгорание во всех его стадиях является комплексом сложных взаимодействующих физико-химических процессов. В основе этого комплекса лежат химические реакции взаимодействия горючего с окислителем. Окислителем обычно является кислород атмосферного воздуха. Результаты сгорания как экзотермической равновесной химической реакции определяются простыми термохимическими уравнениями. Последние позволяют определить теоретически необходимое количество воздуха для сгорания заданного количества топлива, состав продуктов сгорания, объемы компонентов и т.д.
Однако эти уравнения не дают представления о динамике процесса сгорания. Динамику процесса отражает химическая кинетика. Классические кинетические уравнения реакций первого, второго и третьего порядков, установленные на основе закона действующих масс, правильно описывают суммарную скорость лишь небольшого числа самых простых химических превращений. Они применимы для простых гомогенных систем, в которых отсутствуют осложняющие обстоятельства, т.е. для систем с однородными реагентами при условии постоянства температуры и объема, при отсутствии каталитического влияния стенок сосуда и т.п. [63, 113,157].
Химические превращения в двигателях не могут быть отнесены к простым реакциям. Известно, что сгорание углеводородов осуществляется по сложным цепным механизмам [47, 63, 88, 95, 97, 158].
Механизм цепных воздействий был предложен Ю.Б. Харитоном и Н.Н. Семеновым. В основе этого учения лежит представление о том, что превращение исходных веществ (горючего и окислителя) в процессе реакции происходит ряд стадий, в ходе которых образуются химически активные вещества, интенсивно взаимодействующие как с исходными веществами, так и между собой [113,114,120,121].
Теория цепных химических реакций рассматривает главным образом элементарные процессы, происходящие с отдельными молекулами и атомами. Правда, она также дает и общие макроскопические закономерности скоростей реакций, но решение дифференциальных уравнений, описывающих эти закономерности, для сложных исходных продуктов затруднительно и требует значительного числа констант, определяемых опытным путем. Особые трудности вызывает описание цепных реакций в цилиндре двигателя, где вступает в реакцию окисления при высоких давлениях смеси самых разнообразных углеводородов, входящих в топливо в самых различных соотношениях. В течение процесса сгорания (окисления) изменяются давления, объем, и температура горючей смеси. В каждый момент времени в камере сгорания поле температур неоднородно: есть, по крайней мере, явный раздел между сгоревшей и несгорев-шей частью заряда. В пределах каждой из этих частей температуру можно считать выровненной за счет высокой степени турбулентности.
Рассмотрим более подробно механизм распространения пламени и кинетику химических реакций горения.
Экспериментальная установка
Углубленное изучение процесса сгорания удобнее производить, не на реальных двигателях, а на специальных установках, где рабочий процесс воспроизводится в виде ряда одиночных циклов. При этом представляется возможным более однозначно контролировать и независимо изменять отдельные параметры рабочего режима (давление, температуру сжатия, температуру стенок КС, состав смеси и т.д.) при сохранении остальных параметров неизменными. В настоящей работе для изучения средних скоростей распространения пламени в первой, второй и третьей фазе, а также характеристики тепловыделения использовалась специальная исследовательская одноцилиндровая установка УИТ-85.
Данная установка объединяет в себе положительные качества установок для изучения одиночных циклов и, в тоже время, более приближена к условиям транспортного ДВС. УИТ-85 представляет собой одноцилиндровый четырехтактный карбюраторный двигатель с изменяемой степенью сжатия, отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D = 1.35 [104]. Коленчатый вал приводится во вращение электромотором. Частота вращения поддерживается постоянной, имеется два режима 600 и 900 мин"1. Рабочая смесь приготовляется в простом одножиклёрном карбюраторе, гомогенность ТВС обеспечивается конструкцией подогреваемого впускного трубопровода. Влажность воздуха и температура заряда на впуске поддерживаются постоянными. Эти особенности конструкции позволяют максимально уменьшить неоднородность состава смеси от цикла к циклу, тем самым снизить межцикловую нестабильность (МЦН) работы двигателя, что особенно важно при изучении процесса сгорания в условиях ДВС. Кроме того, в камере сгорания имеется штатное место для установки маг-нитострикционного датчика для измерения детонации, что дает возможность замены этого датчика на ионизационный датчик, без каких-либо изменений в конструкции цилиндра. Конструкция УИТ-85 позволяет с высокой точностью контролировать режимные параметры работы ДВС (температура охлаждающей жидкости, степень сжатия, частота вращения, состав смеси, УОЗ) и изменять их независимо друг от друга. Это позволяет определять влияние на процесс сгорания и скорость распространения пламени отдельно того или иного фактора, т.е. установка позволяет воспроизводить режимы испытаний достаточно точно и может быть использована для изучения процесса сгорания. Схема экспериментальной Для приготовления топливно-воздушной смеси служит трехбачковый карбюратор, позволяющий попеременно работать из разных бачков. Состав смеси точно регулируется посредством регулировки высоты уровня топлива в поплавковой камере карбюратора. Воздушный заряд на впуске подогревается электрическим нагревателем и имеет постоянную температуру 52С, поддерживаемую с помощью датчика температуры с обратной связью.
Переход с одной частоты вращения на другую осуществляется поворотом переключателя частоты вращения расположенного на панели пульта управления установкой.
Основным агрегатом установки УИТ-85 является одноцилиндровый четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания с жидкостным тер-мосифонно-испарительным охлаждением и устройством для бесступенчатого изменения степени сжатия. Двигатель устанавливается на специальную подставку, прикрепленную к фундаментной плите. Основными узлами двигателя являются: картер, блок цилиндра, кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и различные питающие системы.
В механизм изменения степени сжатия входит направляющая и червячная передача, позволяющая перемещать головку и изменять степень сжатия от 4 до
10.
Скорость распространения пламени по фазам сгорания
Скорость сгорания - важнейший параметр рабочего процесса ДВС, определяющий показатели эффективности и токсичности. В данной работе определена продолжительность «основной» фазы сгорания, соответствующей распространению фронта пламени практически через весь объем камеры сгорания, а также второй и третьей фазы сгорания.
Скорость пламени при сохранении скоростного режима двигателя, т.е. степени турбулизации заряда, может изменяться при изменении физико-химических свойств ТВС. Физико-химические свойства смеси, состав, степень разбавления остаточными газами, наличие активизирующей добавки оказывают значительное влияние на скорость распространения ламинарного пламени. Как показано в работах [75, 84, 135] скорость распространения пламени в основной фазе сгорания может быть оценена по его электропроводности, которая, как известно из [122], отражает интенсивность протекания химических реакций во фронте пламени. В соответствии с теорией турбулентного горения газов, разработанной К.И. Щелкиным, турбулентная скорость зависит от нормальной скорости распространения пламени, что теоретически подтверждает влияние физико-химических свойств смеси на сгорание в «основной» фазе, определенное в данной работе.
Промежуток времени t от искрового разряда до начала импульса проводимости на датчике ионизации, позволяет оценить значения средней скорости пламени в «основной» фазе сгорания. Очевидно, что скорость распространения пламени не может быть меньше скорости при прямолинейном движении фронта пламени от свечи к датчику. Поэтому для определения характерной «средней» скорости фронта пламени в этой фазе сгорания достаточно поделить характерный размер КС, соответствующий пути распространения фронта пламени на время t:Полученные значения средних скоростей пламени, показаны на рисунке 3.13, близки к значениям, полученным при сходных условиях в известных работах [21, 75, 83].
Таким образом, на основании анализа осциллограмм ионного тока получены значения средней скорости пламени в «основной» фазе сгорания, находящиеся в соответствии с данными известных исследований [83];
Сгорание ТВС в КС проходит при постоянно изменяющемся давлении температуре и объеме, что оказывает существенное влияние на скорость распространения пламени. [39, 45] Из рисунка 3.13 видно, что с увеличением УОЗ до некоторой величины скорость распространения пламени возрастает, так для 900 мин 1, а = 1 для УОЗ = 13 и 22 ПКВ средняя скорость распространения пламени в основной фазе составляет 15.87 и 16.8 м/с, а для а = 1 составляет 11 и 12 м/с соответственно. Что составляет увеличение средней скорости в основной фазе на 5.5% для а = 1 и 8.4% для а = 1.3. Это объясняется тем, что основная доля сгоревшего топлива приходится на сжатие при минимальном объеме КС вблизи ВМТ, чем обуславливается значительное повышение температуры и давления в цилиндре двигателя, что ускоряет процесс сгорания. Но слишком большой УОЗ приводит к сгоранию основной части ТВС до ВМТ и большем объеме КС, что приводит, во-первых, к уменьшению скорости распространения пламени, а во-вторых, работа, совершаемая газом при сгорании, является отрицательной. Маленький УОЗ приводит к выгоранию основной части ТВС при расширении, и снижает мощностные и экономические показатели ДВС.
Влияние скоростного режима на среднюю скорость распространения пламени в основной фазе показано на рисунке 3.13. Очевидно, что увеличение частоты вращения приводит к увеличению турбулентности заряда, что повышает скорость распространения пламени в основной фазе. Для 600 мин 1, УОЗ = 13 ПКВ, при а = 1 и 1.3 средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания составила 11.95 и 8 м/с, а для 900 мин"1 - 15.87 и 11 м/с. Влияние скоростного режима на скорость распространения пламени в основной фазе сгорания уменьшается при обеднении смеси. Это связано с тем, что при обеднении смеси сгорание основной части заряда смещается в зону расширения, где турбулентность потока уменьшается, и оказывает меньше влияния на скорость сгорания.
Похожие диссертации на Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при добавке водорода в топливно-воздушную смесь
