Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Первичный очаг воспламенения, его место и роль в процессе сгорания, современное представление о его развитии 8
1.2. Ускорение сгорания смеси путём организации движения заряда в цилиндре ДВС 13
1.3. Интенсификация воспламенения за счёт расслоения свежего заряда 14
1.4. Форсирование процесса воспламенения через параметры инициирующего разряда 16
1.5. Системы зажигания с регулируемым межэлектродным расстоянием 24
1.6. Моделирование процесса воспламенения 30
1.7. Основные задачи исследования 32
Глава 2. ДВУМЕРНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ИСКРОВОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОИ СМЕСИ ОДНОЭЛЕКТРОДНОЙ СВЕЧОЙ ЗАЖИГАНИЯ 35
2.1. Допущения и основные уравнения 35
2.2. Начальные условия 44
2.3. Граничные условия 46
2.4. Выбор основных коэффициентов и констант 48
2.5. Численный метод решения 50
2.6. Проверка модели на адекватность 51
2.7. Выводы по главе 53
Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ОДНОЭЛЕКТРОДНЫМИ СВЕЧАМИ 55
3.1. Влияние межэлектродного расстояния на зажигание неподвижной смеси 55
3.1.1. Влияние межэлектродного расстояния на энергетический баланс начального очага
горения 56
3.1.2. Влияние межэлектродного расстояния на пространственную картину развития начального очага горения 62
3.1.3. Влияние межэлектродного расстояния на развитие начального очага горения при изменении состава топливовоздушной смеси 66
3.2. Роль размера и материала массового электрода
(выступа на поршне) в процессе воспламенения
неподвижной смеси 71
3.2.1. Влияние диаметра массового электрода на процесс зажигания. 71
3.2.2. Влияние материала выступа на поршне на воспламенение 79
3.3. Выводы по главе 87
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 89
4.1. Экспериментальные установки для исследования процессов зажигания смеси одноэлектродными свечами. .. 89
4.1.1. Установка для исследования зажигания неподвижных топливовоздушных смесей одноэлектродными свечами...89
4.1.2. Установка для исследования процессов сгорания турбулизированных смесей 92
4.1.3. Установка для проведения экспериментов на двигателе.. .95
4.2. Методики проведения экспериментов 97
4.2.1. Методика проведения экспериментов в камерах сгорания постоянного объёма 97
4.2.2. Методика проведения экспериментов на двигателе 101
4.3. Выводы по главе 101
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОДНОЭЛЕКТРОДНЫХ СВЕЧЕЙ ЗАЖИГАНИЯ 103
5.1. Результаты экспериментов в камерах сгорания постоянного объёма 103
5.1.1. Влияние межэлектродного расстояния и диаметра массового электрода на развитие процесса сгорания в неподвижных топливовоздушных смесях 103
5.1.2. Развитие процесса сгорания в турбулизированных топливовоздушных смесях при использовании одноэлектродных свечей 107
5.1.3. Влияние межэлектродного расстояния и диаметра массового электрода на межцикловую нестабильность времени формирования начального очага и сгорания
в целом 110
5.1.4. Влияние межэлектродного расстояния, материала и диаметра массового электрода на пределы воспламенения топливовоздушных смесей 113
5.2. Результаты экспериментов на двигателе 116
5.3. Выводы по главе 121
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 123
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 125
- Первичный очаг воспламенения, его место и роль в процессе сгорания, современное представление о его развитии
- Допущения и основные уравнения
- Влияние межэлектродного расстояния на зажигание неподвижной смеси
- Экспериментальные установки для исследования процессов зажигания смеси одноэлектродными свечами.
- Влияние межэлектродного расстояния и диаметра массового электрода на развитие процесса сгорания в неподвижных топливовоздушных смесях
Введение к работе
Растущие требования к топливной экономичности и экологичности поршневых ДВС обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования их рабочего процесса, позволяющего, в частности, на основных эксплуатационных режимах повысить степень обеднения топливовоздуш-ной смеси (ТВС).
Как показывают многочисленные исследования, важнейшую роль в протекании процесса сгорания играет его начальная фаза. Она же в значительной степени определяет межцикловую нестабильность всего процесса. Поэтому обеспечение возможности работы на обеднённых ТВС непосредственно связано с интенсификацией развития начального очага (НО) горения.
Существенную роль в формировании и развитии НО оказывают параметры искрового разряда, воспламеняющего ТВС. В частности, энергетический начальный потенциал очага определяется энергией ёмкостной фазы разряда, величина которой зависит от пробивных напряжений на свече. Неконтролируемое изменение пробивных напряжений на различных режимах работы ДВС может приводить к снижению энергии ёмкостной фазы и, как следствие, к неустойчивому развитию НО.
В работе рассматривается организация процесса воспламенения ТВС системами зажигания с одноэлектродными свечами и искровым разрядом на поршень, в которых имеется возможность регулировать пробивное напряжение за счёт изменения межэлектродного расстояния в зависимости от режима работы двигателя.
В литературе отсутствуют данные об особенностях зажигания ТВС по такой схеме. Между тем, искровое воспламенение ТВС одноэлектродными свечами имеет свои особенности: во-первых, возможно изменение в широ- ких пределах межэлектродного расстояния в процессе работы двигателя; во-вторых, отсутствует стандартный боковой электрод; в-третьих, непосредственно в зоне развития НО имеется выступ поршня, на который осуществляется разряд, и который может быть изготовлен разной формы и из различного материала.
Всё вышесказанное определило необходимость проведения широкого круга исследований по рассматриваемому способу зажигания с целью выяснения его особенностей и возможностей форсирования воспламенения.
Для проведения теоретических исследований была разработана двумерная осесимметричная модель процесса воспламенения, учитывающая главные особенности зажигания ТВС одноэлектродными свечами. На базе разработанной математической модели были проведены теоретические исследования влияния управления межэлектродным расстоянием на процесс воспламенения ТВС при различном сочетании определяющих параметров: состава ТВС, материала и диаметра выступа на поршне (массового электрода), позволившие, в частности, подробно изучить механизмы влияния этих параметров на пространственную картину развития НО.
Большое место в работе занимают экспериментальные исследования, проведённые в специально созданных камерах сгорания постоянного объёма и непосредственно на двигателе, которые подтвердили основные результаты теоретических исследований, а исследования на двигателе показали эффективность управления межэлектродным расстоянием в зависимости от режимов его работы.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Злотину Г.Н. за неоценимую помощь и поддержку, а также всем сотрудникам кафедры "Теплотехника и гидравлика", содействовавшим выполнению данной работы.
Первичный очаг воспламенения, его место и роль в процессе сгорания, современное представление о его развитии
Потребности в транспортных средствах увеличиваются на порядок каждые 50 лет [70]. Но несмотря на то, что предложен целый ряд альтернативных типов силовых установок, по прогнозам специалистов в ближайшие 30-50 лет поршневые ДВС сохранят своё доминирующее положение [52, 55, 80, 95, ПО]. Значительную долю ДВС составляют бензиновые двигатели с искровым зажиганием, развитие которых определяют ужесточающиеся требования на токсичность выбросов и нормы расхода топлива [118].
Важнейшими направлениями дальнейшего развития ДВС с искровым зажиганием являются совершенствование рабочего процесса и создание двигателя, работающего на обеднённой топливовоздушной смеси (ТВС) на режимах, характерных для городской езды [69]. Результаты многих исследований [10, 79, 88, 96] показывают, что при соответствующей организации рабочего процесса удаётся повысить топливную экономичность и снизить токсичность отработавших газов.
Решающее влияние на показатели рабочего процесса двигателя оказывает начальная фаза сгорания ТВС, которая составляет значительную часть общей продолжительности сгорания [12, 16, 43]. На этом этапе формируется первичный (начальный) очаг горения (НО), который по своим размерам сопоставим с интегральным масштабом турбулентности. Для цилиндра ДВС значение интегрального масштаба определяется размерами камеры сгорания и впускного клапана и составляет 5-10мм [10, 56, 84].
По мнению многих авторов [23, 43, 53, 116] именно этот этап определяет межцикловую нестабильность всего процесса сгорания. Так, японскими исследователями [24] в результате проведённого эксперимента на двигателе, работающем на бедной ТВС, было установлено, что межцикловые колебания индикаторного КПД (цї) определяются, главным образом, скоростью сгорания топлива в начальный период времени. Объяснение этому факту дают авторы работы [117], утверждающие, что цикловые изменения состава ТВС в цилиндре двигателя вблизи свечи зажигания определяют межцикловую нестабильность всего процесса сгорания.
Процесс формирования и развития НО весьма сложен, так как на него одновременно действует множество взаимно влияющих друг на друга вероятностных факторов: локальная неоднородность смеси в зоне межэлектродного зазора, случайный характер турбулентных пульсаций, случайное место пробоя искрового промежутка, нестабильность параметров последующего искрового разряда и т.д.. Каждый из этих факторов в отдельности или их неблагоприятное сочетание могут привести к нарушению процесса воспламенения, увеличению межцикловой нестабильности.
А. Ю. Свитачёв, подробно исследовавший в своей работе [43] влияние стохастических факторов на процесс воспламенения ТВС, пришёл к заключению, что максимальная стабильность и надёжность воспламенения ТВС заданного состава может быть достигнута лишь при определённом сочетании в зоне развития НО параметров турбулентности, параметров искрового разряда, конструкции свечи зажигания и камеры сгорания.
Допущения и основные уравнения
Предлагается двумерная осесимметричная модель процесса искрового зажигания неподвижной горючей смеси, базирующаяся на расчётной схеме, приведённой на рис.2.1.
При создании модели были приняты следующие допущения:
- газы являются идеальными;
- в любой точке расчетной области смесь, в общем случае, состоит из углеводорода топлива, воздуха и продуктов сгорания;
- давление в процессе воспламенения постоянно;
- реакции горения протекают по тепловому механизму, их скорости описываются законами Аррениуса и действующих масс;
- удельные теплоёмкости всех компонентов одинаковы и равны теплоёмкости воздуха;
- скорость конвективных потоков мала по сравнению со скоростью звука;
- вязкостные и объёмные силы, а также влияние излучения и эффектов Дюфора и Соре пренебрежимо малы.
Модель базируется на дифференциальных уравнениях нестационарного тепломассопереноса [5, 7, 22, 28, 54, 93], записанных в цилиндрической системе координат. В силу сделанных допущений можно уравнение движения газа не рассматривать, а базисные уравнения записать следующим образом:
- уравнение неразрывности и Z соответственно; vr, vz - скорости движения точки расчетной области относительно осей R и Z соответственно; yv - массовая доля v-oro компонента; Dv - коэффициент диффузии v-oro компонента; Wv , hv - скорость расходования этого компонента и его удельная энтальпия; ср - удельная изобарная теплоемкость; Т - температура; X - коэффициент теплопроводности смеси; qr - теплота, подводимая в результате химических реакций; q3 - теплота, подводимая в результате выделения энергии в искровом разряде; qT- теплота, отводимая в электроды.
Уравнение сохранения (2.2) рассматривается для двух компонентов смеси: углеводорода топлива и воздуха , а массовая доля продуктов сгорания находится из условия:
Индекс v в уравнениях (2.2), (2.3), (2.4) указывает на соответствующий компонент смеси: 1 - углеводород, 2 - воздух, 3 - продукты сгорания.
Влияние межэлектродного расстояния на зажигание неподвижной смеси
Одним из основных отличий рассматриваемого способа зажигания от традиционных схем является возможность изменения межэлектродного расстояния непосредственно в процессе работы двигателя. Поэтому было проведено теоретическое изучение возможности ускорения развития НО при использовании одноэлектродных свечей зажигания за счёт изменения межэлектродного расстояния.
Влияние межэлектродного расстояния на энергетический баланс начального очага горения
Динамика развития НО определяется его энергетическим балансом, зависящим от особенностей протекающих в очаге тепломассообменных процессов. В этой связи исследование роли межэлектродного расстояния d в интенсификации воспламенения было начато с рассмотрения влияния этого расстояния на энергетический баланс очага.
Описанная во второй главе математическая модель позволяет проводить расчёты в широком диапазоне значений определяющих параметров (d, D, а и др.). В диссертации приведён расчёт энергетического баланса для двух случаев зажигания ТВС состава а=1,4 при диаметре массового электрода D= 10мм:
1) ёмкостная фаза (d= 1,0мм) + индуктивная (мощность фазы N=5BT, её длительность траз=2мс);
2) ёмкостная фаза (d= 1,4мм), индуктивная фаза разряда отсутствует.
Анализ этих двух случаев позволяет установить основные закономерности энергетического баланса НО при изменении d. Следует отметить, что так как разработанная модель развития НО симметрична относительно оси Z, то она позволяет исследовать протекающие в очаге процессы в точках расчётной области, удалённых на различные расстояния от торцовой поверхности массового электрода. В работе описаны результаты исследований процессов, происходящих в плоскостях, удалённых от поверхности массового электрода на 0,2мм и 0,5мм (рис.3.1).
Как известно, начало воспламенению даёт ёмкостная фаза разряда. Выделяющаяся при этом энергия ёмкостной фазы Qc приводит к возникновению высокотемпературного очага. При увеличении межэлектродного расстояния удлиняется канал пробоя и возрастает плотность выделяемой в нём энергии Qc, поскольку Qc d . В результате (рис.3.2), в начальный момент времени при большем d образуется НО большего размера V и большей температуры Т. Так, увеличение d с 1,0мм до 1,4мм привело к возрастанию температуры очага с 4250К до 5700К и его объема с 1,4мм3 до 2,8мм.3
Более высокие во втором случае температурные градиенты и поверхности контакта "горячей" зоны со свежей смесью приводят к интенсификации процессов теплообмена, уменьшению зоны прогрева и ускорению химических реакций во фронте пламени. Кроме того, увеличение межэлектродного расстояния ведёт к снижению тепловых потерь в электроды, что также положительно сказывается на развитии НО.
Всё вышесказанное иллюстрируют рис.3.3, 3.4, где приведены локальные составляющие энергетического баланса НО (определяемые по формулам 2.7-2.9, 2.27, 2.28) для рассматриваемых случаев в момент времени т=0,185мс в точках расчётной области, находящихся в плоскостях сравнения, указанных выше. В частности, из рисунков видно, что при d= 1,4мм даже при отсутствии подпитки очага индуктивной фазой максимальные значения скорости тепловыделения при горении qr и полной скорости изменения энтальпии смеси qz примерно в 1,2 раза выше, чем в случае меньшего d и наличия индуктивной фазы.
Поэтому при увеличении межэлектродного расстояния некоторое неизбежное уменьшение энергии, выделяемой в индуктивной фазе разряда, из-за её перераспределения в сторону ёмкостной составляющей не будет нивелировать наблюдаемые положительные эффекты.
Экспериментальные установки для исследования процессов зажигания смеси одноэлектродными свечами
Для верификации разработанной математической модели и экспериментального изучения развития процесса сгорания по рассматриваемой схеме зажигания понадобилось создание специального стенда, удовлетворяющего следующим требованиям:
- обеспечивать максимальное соответствие формы зоны развития НО геометрии расчётной области модели;
- обеспечивать возможность изучения процесса сгорания ТВС разного состава;
- позволять варьировать в широких пределах межэлектродное расстояние и характеристики искрового разряда;
- давать возможность применения массовых электродов из разных материалов различного диаметра;
- обеспечивать регистрацию развития как НО, так и всего процесса сгорания.
Схема созданной экспериментальной установки, учитывающей эти требования, представлена на рис.4.1. Её основным элементом является вертикально расположенная толстостенная цилиндрическая камера сгорания (1). В соответствующих резьбовых отверстиях камеры сгорания разметены свеча зажигания (2), массовый электрод (10), ионизационные датчики (5), пьезокварцевый датчик давления (13), а также краны для подачи ТВС и осуществления вентиляции.
Подача ТВС в камеру сгорания производится из баллона (9) до заданного давления, контролируемого по образцовому манометру (8). Продукты сгорания удаляются при помощи вакуумного насоса (11), а степень вакуу-мирования определяется при помощи вакууметра (12).
Искровой разряд происходит в центре камеры сгорания между специальной одноэлектродной свечей (2) и противоположно расположенным подвижным массовым электродом (10), за счёт перемещения которого осуществляется изменение межэлектродного расстояния. Величина межэлектродного зазора определяется с помощью круглых калибров, которые при замерах вводятся в камеру через специальное отверстие в её торце. Применение фторопластового уплотнения по резьбе подвижного электрода позволило исключить утечку ТВС из камеры сгорания при повышенных давлениях. В опытах применялись специально изготовленные массовые электроды разного диаметра из различных материалов.
Управление характеристиками искрового разряда осуществляется с помощью лабораторной системы зажигания с регулируемыми характеристиками искрового разряда [32]. Её основные технические характеристики следующие:
- ток индуктивной фазы - до 400мА;
- длительность разряда - до 8мс;
- диапазон градиента нарастания вторичного напряжения - 0,6...2,5 кВ/мкс.
Регистрация процессов воспламенения и горения осуществляется с помощью двух ионизационных датчиков (5) и пьезокварцевого датчика давления (13). Конструкция ионизационных датчиков и схема регистрации ионизационного тока (рис.4.2.) были выбраны с учётом рекомендаций, приведённых в работе [32], что позволило получать устойчивые неискажённые по форме сигналы. Расположение ионизационных датчиков в камере сгорания выбрано таким образом, чтобы обеспечивалось слежение как за развитием НО, так и за процессом сгорания в целом. Расстояние от центра воспламенения до датчиков составляет 5мм и 25мм соответственно. Сигналы от ионизационных датчиков и датчика давления выводятся на экраны двухлучевых запоминающих осциллографов С8-11 и С8-17 (7) (рис.4.1).
Влияние межэлектродного расстояния и диаметра массового электрода на развитие процесса сгорания в неподвижных топливовоздушных смесях
. Влияние межэлектродного расстояния и диаметра массового электрода на развитие процесса сгорания в неподвижных топливовоздушных смесях
Исследования развития процесса сгорания в неподвижных смесях проводились в специально созданной ламинарной камере сгорания постоянного объёма, конструкция которой описана в четвёртой главе. Для обеспечения корректного сопоставления результатов опытов, во всех случаях общая энергия, запасённая системой зажигания не изменялась.
На рис.5.1 и рис.5.2 показаны зависимости от межэлектродного расстояния d средней продолжительности начальной фазы сгорания тн и среднего времени достижения максимального давления по отношению к моменту зажигания тм при различном сочетании определяющих параметров: состава смеси а и диаметра массового электрода D. Как видно, во всех случаях при увеличении d наблюдается сокращение как начальной фазы сгорания, так и времени достижения максимального давления, что подтверждает данные теоретического исследования о роли d в интенсификации воспламенения. Из рисунков видно, что уменьшение тм, в основном, обусловлено сокращением тн. Таким образом эксперименты показывают, что изменение межэлектродного расстояния влияет главным образом на начальный этап сгорания.
Опыты подтвердили данные расчётного исследования о большом влиянии на развитие процесса сгорания размера (диаметра) D массового электрода - увеличение диаметра электрода D приводит к существенному увеличению тн и тм. Так, при d=l,0MM увеличение D с 2 до 10мм ведёт к возрастанию тм на 25%. Вместе с тем, при больших D возрастает роль межэлектродного зазора в интенсификации сгорания. Если при D=2MM увеличение d с 1 до 1,4мм сокращает тм на 6%, то при D=10MM - на 13%.
Эксперименты подтвердили показанное в расчётном исследовании усиление роли межэлектродного расстояния на процесс сгорания по мере обеднения ТВС
Процесс сгорания в цилиндре двигателя осуществляется при интенсивном движении ТВС, причём степень турбулизации смеси в зависимости от скоростного режима ДВС меняется в широких пределах. Поэтому были проведены эксперименты в турбулентной камере постоянного объёма (её конструкция описана в четвёртой главе) по изучению роли межэлектродного расстояния в процессе сгорания при различных интенсивностях турбулентности.
На рис.5.3 и рис.5.4 показаны зависимости хн, тм и среднего времени достижения фронтом пламени ионизационного датчика тд при разных межэлектродных расстояниях от интенсивности турбулентности и . Как видно, и при различных интенсивностях турбулентности в камере сгорания увеличение межэлектродного расстояния ведёт к Сокращению продолжительности фаз сгорания тнитм. При этом увеличивается и средняя видимая скорость движения фронта пламени, которая определяется временем тд.
Вместе с тем, при увеличении интенсивности турбулентности снижается положительное влияние увеличения межэлектродного зазора на процесс сгорания. Так, если при и -1,0м/с увеличение d с 1,0 до 1,4мм сокращает время достижения максимального давления тм на 15%, то при и-3,0м/с уменьшение тм составляет только 6%. Отмеченный факт, по-видимому, объясняется тем, что увеличение d сокращает индуктивную фазу искрового разряда, что может отрицательно сказаться на устойчивое развитие пламени при развитой турбулентности в камере сгорания.
