Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ путей улучшения экологических и топливо - экономических параметров ДВС 8
1.1. Исследование влияния различных факторов на экологические и топливо - экономические параметры ДВС 8
1.2. Анализ причин и методы снижения образования оксидов азота и сажи при сгорании топлива в дизелях 16
1.3. Проблемы одновременного улучшения топливо - экономических и экологических параметров дизеля 29
1.4. Пути улучшения топливо - экономических и экологических параметров традиционного процесса с самовоспламенением от сжатия 36
1.5. О возможности создания рабочего процесса ДВС с самовоспламенением гомогенного заряда 38
Глава 2. Теоретические основы организации рабочего процесса с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия
2.1. Физико - химические параметры смесевого топлива ДМЭ - природный газ
2.2. Особенности самовоспламенения гомогенных топлива - воздушных смесей 56
2.3. Динамика развития реакции горения в HCCI двигателе 63
2.4. Алгоритм синтеза рабочего цикла HCCI двигателя 69
Глава 3. Методическое и аппаратурно - программное обеспечение регистрации и обработки индикаторных диаграмм 79
3.1. Общие методические подходы к процедуре индицирования 79
3.2. Выбор аппаратурного обеспечения индицирования рабочего процесса 89
3.3. Особенности алгоритма обработки индикаторных диаграмм HCCI двигателя 89
3.4 Погрешности регистрации и обработки результатов испытаний 95
Глава 4. Результаты анализа процесса лвс с воспламенением гомогенного заряда от сжати
4.1. Результаты обработки экспериментальных индикаторных диаграмм 102
4.2. Результаты моделирования динамики тепловыделения и синтеза индикаторных диаграмм HCCI двигателя 107
4.3. Параметрический анализ влияния различных факторов на показатели рабочего процесса HCCI двигателя 117
4.4. Законы регулирования HCCI двигателя и применимость различных типов топлива 136
Заключение и общие выводы
Список литературы приложение
- Анализ причин и методы снижения образования оксидов азота и сажи при сгорании топлива в дизелях
- О возможности создания рабочего процесса ДВС с самовоспламенением гомогенного заряда
- Особенности самовоспламенения гомогенных топлива - воздушных смесей
- Особенности алгоритма обработки индикаторных диаграмм HCCI двигателя
Введение к работе
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является важной составной частью энергетической базы, играет определяющую роль, как основная силовая установка в транспортных и промышленных отраслях народного хозяйства.
В связи с этим повсеместно уделяется неослабленное внимание вопросам дальнейшего развития этих двигателей с целью повышения их технического уровня. При этом, признавая важность совершенствования ДВС по многим направлениям, признаются первостепенными - повышение топливной экономичности и снижение дымности и токсичности отработавших газов (ОГ). Это диктуется необходимостью безотлагательного решения таких крупных социально-экономических проблем, как энергосбережение и охрана окружающей среды.
Успешное решение двуединой и часто противоречивой задачи снижения расхода энергоносителя и вредных выбросов дизеля является важной научной проблемой и имеет большую практическую значимость.
Экологическая обстановка ставит перед правительственными и коммунальными органами управления проблему рациональной эксплуатации ДВС и поддержания их технического уровня. Особое место уделяется вопросам дальнейшего усовершенствования дизелей как наиболее экономичного теплового двигателя, расширению их применения в различных отраслях народного хозяйства. Но одним из отрицательных последствий расширяющегося применения дизелей является увеличение выброса в атмосферу продуктов сгорания, часть из которых обладает токсическими свойствами.
Ускорение перехода на производство легковых автомобилей с дизельными двигателями, непрерывное увеличение парка традиционных дизельных транспортных средств и промышленных дизельных ДВС приводит к необходимости углубления работ по снижению токсичности и дымности их отработавших газов. По сравнению с бензиновыми ДВС, преимущество в экологическом плане у дизелей велико при сгорании топлива здесь выделяется го-
5 раздо меньшее количество токсических продуктов СО, СИ и NOx. Но внутреннее смесеобразование и диффузионное сгорание крайне неоднородной топливовоздушной смеси в дизеле всегда сопровождается интенсивным выделением твердого углерода в виде сажистых частиц, которые является адсорбентом канцерогенных бенз (а)-пирена и других токсических веществ, и сравнительно высоким выходом окислов азота (NOx) самого токсичного компонента ОГ. Данные таблицы 1.1 и 1.2 наглядно показывают, что основным токсическим компонентом ОГ дизелей являются окислы азота NOx. Их доля в общей эквивалентной токсичности ОГ дизелей колеблется от 70 до 92%, как показана на табл. 1.1 или от 2,0 до 9,0 г/(кВт.ч), как видно на табл. 1.2.
Таблица 1.1
Таблица 1.2 Нормы выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей,
предназначенных для установки на транспортные средства
Среди наиболее современных и эффективных способов снижения дым-ности и токсичности ОГ особое место принадлежит физико-химическому воздействию на рабочий процесс. Успешное решение возникающих при реализации этого способа задач связано с выявлением характера воздействия на протекание процесса формирования токсичных веществ в дизеле, который, в свою очередь, является составной частью процесса сгорания жидкого распыленного топлива и качественно связан с предшествующими процессами смесеобразования, воспламенения и формирования фронта пламени. Этим и можно объяснить сложность управления рабочим процессом, так как в отдельности каждый из процессов имеет различную физическую природу и подчиняется своим различным физико - химическим закономерностям.
Одним из перспективных методов организации рабочего процесса ДВС является рабочий процесс с воспламенением гомогенного заряда от сжатия {HCCI процесс). Гомогенная смесь образуется в системе топливоподачи, так же, как и в двигателях с искровым зажиганием с использованием системы впрыскивания под низким давлением во впускной коллектор или непосредственным впрыскиванием с очень ранним углом опережения топливоподачи. Чтобы ограничить интенсивность сгорания должны быть использованы бедные смеси. По сравнению с дизелями, за счет использования гомогенной смеси в HCCI двигателях практически отсутствуют проблемы с ограничением выбросов сажи и оксидов азота. В целом, HCCI двигатель показывает более высокую эффективность (сопоставимую с дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива) при меньшей суммарной эмиссии вредных веществ по сравнению с обычными ДВС (ультра низкие концентрации NOx и РМ-твердых частиц), что достигается объемным сгоранием всей смеси в цилиндре.
Низкая эмиссия NOx важное преимущество HCCI двигателей перед бензиновыми двигателями с непосредственным впрыскиванием (DGI), так как для снижения эмиссии NOx DGI двигатели должны оснащаться бифункциональными нейтрализаторами. По сравнению с дизелями с непосредствен-
7 ным впрыскиванием топлива HCCI двигатели имеют более низкую эмиссию
NOx и сажи, т.е. показателям, по которым возникают основные препятствия по выполнению перспективных норм по токсичности для дизелей. Рабочий заряд в HCCI двигателях может быть очень бедным, расслоенным, разбавленным отработавшими газами или может быть применена комбинация этих свойств. Поскольку распространения пламени не требуется, уровень разбавления свежей смеси может быть много выше, чем в двигателях с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия.
Данная работа посвящена разработке расчетно-теоретических методов анализа путей организации HCCI процесса в ДВС, исследованию его характеристик, выбору топлив и организации регулирования, решению методических вопросов по экспериментальному исследованию двигателей такого типа, что в целом направлено на создание нового рабочего процесса имеющего высокие показатели по топливной экономичности при низкой эмиссии вредных веществ и сажи с отработавшими газами.
Анализ причин и методы снижения образования оксидов азота и сажи при сгорании топлива в дизелях
В анализе и обобщении причин образования NOx при сгорании в дизелях используются положения теории академика Зельдовича Я. Б. о термической природе окисления азота и совместном воздействии на этот процесс температурного и концентрационного факторов. Характер зарегистрированных результатов объясняется преобладающим влиянием одного из факторов. Такой подход, несмотря на некоторые его недостатки, позволяет сформулировать основные требования к организации процесса сгорания в дизеле с уменьшенным выходом NOx.
Экспериментально установленная в ряде опытов взаимосвязь между скоростью нарастания давления (скоростью тепловыделения в первой фазе) и выходом NOx с ОГ позволяет объяснить умеренное (по сравнению с дизелями непосредственного впрыска топлива) содержание NOx в ОГ дизелей с разделенными КС.
Физические модели сгорания и образования NOx, предложенные различными авторами, базируются на теории Зельдовича и включают различные термодинамические модели в КС. В ряде случаев допущения, принятые при построении термодинамических моделей, являются недостаточно обоснованными. Наиболее правильными следует признать модели, основанные на рассмотрении локальных условий. С этих позиций нельзя согласиться с Апосто-леску [37], который рассматривает заряд, состоящий из свежего воздуха и продуктов сгорания. Автор признает, что удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных было получено при соответствующем подборе констант скоростей реакций. Модель, предлагаемая в [35], основывается на рассмотрении топливного факела, достигшего и отраженного от стенок КС. Сходимость расчетных значений NO с экспериментальными получалась в результате подбора величины энергии активации.
Хенейн [36] не рассматривал условий в локальных зонах, однако он провел подробный анализ структуры топливного факела с учетом влияния вихревого движения воздуха. Ему удалось выделить характерные зоны (области) топливного факела, которые являются основными "поставщиками" тех или иных токсических составляющих ОГ дизеля. Используя данные работ Лина, Скотта и других, Хенейн проанализировал влияние характеристик тепловыделения на токсичность ОГ дизеля.
В.З. Махову [43], удалось подойти к рассмотрению влияния локальных условий на механизм образования (недогорание) CHwNO. Им получены данные, подтверждающие преобладающее влияние локальной температуры на эмиссию оксидов азота с ОГ.
Оксиды азота. Связь эмиссии NOL с топливной экономичностью Многочисленными экспериментальными исследованиями была доказана взаимосвязь между топливной экономичностью дизеля и токсичностью его ОГ по определяющему компоненту NOx. Как правило, любое воздействие, направленное на сокращение выхода NO при сгорании в дизелях приводит к снижению эффективного КПД цикла [38]. Если принять, что выход NOx и экономичность двигателя связаны комплексным параметром вида NOx I rje, то отмеченное свойство проявляется в том, что при всяких воздействиях на рабочий процесс дизеля, связанных с одновременным изменением NOx и rje, данный параметр стремится сохранить свою исходную величину, т.е. в первом приближении NOx I rje = const. Универсальность связи це — NOx у дизелей подтверждена при исследованиях влияния различных конструктивных и регулировочных факторов на выбросы вредных веществ с ОГ [39, 40].
Наиболее часто для сокращения выхода NOx у дизелей прибегают к снижению номинальной мощности двигателя (повышению а) и уменьшению угла в опережения впрыскивания топлива. Однако уменьшение мощности у дизелей практически создает лишь кажущийся эффект. В этом случае при регистрируемом снижении концентрации CN0 в отработавших газах, удельный выброс gN0 либо не изменяется, либо несколько возрастает. Таким образом, дефорсирование дизеля - нерациональное средство как с энергетической, так с экологической точек зрения [1, 39].
Энергетически убыточны также и многие другие мероприятия, уменьшающие выход NOx с ОГ: дросселирование на впуске, снижение степени сжатия, снижение температуры воздуха, уменьшение теплового состояния дизеля, изменение параметров впрыскивания топлива, т.к. приводят к ухудшению термодинамической эффективности двигателя [1,6, 16, 21].
Проблема усложняется еще и тем, что любое мероприятие, связанное с уменьшением выхода NOx ,как правило, сопровождается ростом выхода СО и дымности ОГ. Повышение выброса с ОГ этих энергоспособных продуктов неполного сгорания логически подтверждает правомерность указанной зависимости CNO - tje или gNO - це и может служить одним из критериев, лимитирующих целесообразные пределы снижения выхода NOx при проведении антитоксических регулировок дизеля.
Результатами исследований, проведенных в РУДН [41, 42] Установлено, что характер корреляционной зависимости NOx - це качественно не зависит от типа камеры сгорания, способа организации смесеобразования, технического состояния двигателя, условий внешней среды (влажности, температуры и давления атмосферного воздуха), что свидетельствует об универсальности отмеченной зависимости.
Тот факт, что любое воздействие на рабочий процесс дизеля с целью снижения выхода NOx приводит к снижению эффективного КПД, вытекает из закономерностей термодинамического цикла дизеля. Известно, что термический КПД цикла Tjt при данном показателе адиабаты к рабочего тела определяется значениями степеней сжатия є и предварительного расширения р.
Термический КПД растет с ростом є и уменьшением р. Оба эти изменения однозначно связаны с повышением максимальной температуры рабочего тела в цикле, что в свою очередь, должно быть отражено в кинетических характеристиках химических процессов в камере сгорания. В частности, с ростом температуры повышается интенсивность диссоциации продуктов сгорания, увеличивается равновесная концентрация NOx и скорость реакции их образования. С другой стороны, уменьшение р в цикле вызывает более интенсивные снижения температуры на такте расширения продуктов сгорания, что способствует торможению процессов диссоциации NOx и "закалке" ее на более высоком уровне концентраций и, следовательно, повышению эмиссии этого компонента.
О возможности создания рабочего процесса ДВС с самовоспламенением гомогенного заряда
Рабочий процесс с воспламенением гомогенного заряда от сжатия (в западной литературе обозначаемый как HCCI - technology) является многообещающей альтернативой, как двигателям с искровым зажиганием, так и дизелям. Как и в дизеле в HCCI двигателе, топливо самовоспламеняется при высокой температуре, но при организации HCCI процесса используется гомогенная топливо-воздушная смесь. Гомогенная смесь образуется в системе топливоподачи, так это осуществляется в двигателях с принудительным воспламенением смеси, используя систему впрыскивания под низким давлением во впускной коллектор или непосредственным впрыскиванием с очень ранним углом опережения топливоподачи (до 360ПКВ до ВМТ). Чтобы ограничить интенсивность сгорания должны быть использованы бедные смеси. По сравнению с дизелями, за счет использования гомогенной смеси в HCCI двигателях практически отсутствуют проблемы с ограничением выбросов сажи и NOx. Уровни эмиссии СН и СО выше, чем в обычных двигателях с искровым зажиганием. В целом, HCCI двигатель показывает более высокую эффективность (сопоставимую с дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива) при меньшей суммарной эмиссии вредных веществ по сравнению с обычными ДВС (ультра низкие концентрации NOx и РМ - твердых частиц), что достигается объемным сгоранием всей смеси в цилиндре [84, 85].
Как показано на рис. 1.2 двигатели с искровым зажиганием имеют преимущество в том, хорошо перемешанные топливо с воздухом минимизируют образование твердых частиц. В случае воспламенения от сжатия (дизель) отсутствуют дроссельные потери на впуске, что приводит к высокой эффективности. Однако в отличие от этих двигателей при организации HCCI процесса сгорание происходит одновременно по всему объему, а не во фронте пламени. Это приводит к более низким температурам горения, предельно сокращая эмиссию NOx двигателем [86].
Низкая эмиссия NOx важное преимущество HCCI двигателей перед бензиновыми двигателями с непосредственным впрыскиванием (DGf), так как для снижения эмиссии NOx DG1 двигатели должны оснащаться бифункциональными нейтрализаторами. По сравнению с дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива HCCI двигатели имеют более низкую эмиссию NOx и сажи, показателям по которым возникают основные препятствия по выполнению перспективных норм по токсичности для дизелей. Рабочий заряд в HCCI двигателях может быть очень бедным, расслоенным, разбавленным отработавшими газами или может быть применена комбинация этих свойств. Поскольку распространения пламени не требуется, уровень разбавления свежей смеси может быть много выше, чем в двигателях с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия.
Поскольку нагрев от сжатия происходит одновременно во всей смеси, то сгорание происходит в смеси топливо-воздух-отработавшие газы почти любого состава, как только температура достигнет 800-1100 К. Напротив, в традиционных дизелях минимальные температуры пламени 1990-2100 К, что является причиной недопустимо высоких выбросов NOx.
Следует отметить более низкую стоимость HCCI двигателей, так как они требуют топливоподающей аппаратуры с более низким давлением топ-ливоподачи.
Другим преимуществом HCCI двигателей является его многотопливность. Могут быть использованы топлива с различными октановыми и цета-новыми числами. Двигатель с переменными степенью сжатия и фазами газораспределения в принципе мог работать на любом углеводородном топливе или спирте, которые могли быть испарены и смешаны с воздухом перед сгоранием [86].
Литературные источники показывают, что исследовались в качестве топлив для HCCI двигателей: бензин, дизельное топливо, пропан, природный газ, смеси углеводородов, метанол, этанол, ацетон и др. Рассмотрим более подробно применение различных топлив.
Бензин имеет большие преимущества как топливо для HCCI двигателей. Высокое октановое число позволяет использовать высокие степени сжатия в HCCI двигателях. Реально степень сжатия составляет 12...21 в зависимости от октанового числа, температуры окружающего воздуха, коэффициента остаточных газов. Высокие степени сжатия объясняют высокий КПД. Препятствием к повышению степени сжатия состоит в высоких максимальных давлениях цикла, особенно при больших нагрузках. Дополнительным преимуществом бензина является легкое испарение и использование существующей топливной инфрастуктуры.
Дизельное топливо легко самовоспламеняется, но тяжело испаряется, поэтому требуется значительный нагрев топливо-воздушной смеси для полного испарения топлива. Степень сжатия должна быть очень низкой (8 и ниже), чтобы получить удовлетворительное сгорание, что определяет низкий индикаторный КПД. Альтернативно дизельное топливо может быть впрыснуто в цилиндр в начале сжатия, что может приводить к неполному испарению топлива и образованию твердых частиц. Однако непосредственное впрыскивание топлива в сочетании с интенсивным вихревым движением воздушного заряда приводит к полному испарению топлива и смешению перед воспламенением на малых нагрузках. Эта концепция используется в двигателе МК фирмы Nissan. Кроме того, дизельное топливо имеет собственную развитую инфраструктуру.
Пропан - превосходное топливо для HCCI двигателей. Высокие значения КПД HCCI двигателей могут быть достигнуты в силу его высокого октанового числа (105 по октану). Поскольку пропан газ, он может быть легко смешан с воздухом. Некоторая инфраструктура также существует для пропана. Поскольку пропан может храниться в жидком виде при умеренных давлениях, количество топлива, которое может быть запасено на борту транспортного средства сопоставимо с количеством типичных жидких топлив.
Поскольку природный газ имеет очень высокое октановое число (около 110),он может быть использован в HCCI двигателях при очень высоких степенях сжатия (до 21), что приводит к высоким значениям КПД, Однако подобно бензину или пропану конструкция двигателя должна быть приспособлена к относительно большим давлениям сгорания.
При использовании дизельного топлива требуется его очень раннее впрыскивание для достаточно полного испарения. Однако при сжатии, если температура в цилиндре становится выше температуры самовоспламенения, произойдет самовоспламенение до достижения ВМТ. Так как момент воспламенения должен располагаться в районе ВМТ, количество гомогенной смеси топлива должно быть ограничено некоторым уровнем [87]. При раннем впрыскивании топлива капли топлива попадают на стенки цилиндра, вследствие чего эмиссия СН, СО и РМ увеличивается (более чем в два раза), а эффективный КПД снижается [88]. Для решения этих проблем Hisashi Ака-gawa и др. [89, 90] использовали штифтовой распылитель форсунки и плунжер с уменьшенной фаской, для увеличения однородности заряда и контроля за эмиссией СН и СО. Подача большого количества отработавших газов так-же хороший способ увеличения задержки воспламенения.
Особенности самовоспламенения гомогенных топлива - воздушных смесей
Детонация в двигателе в результате низкотемпературного многостадийного самовоспламенения относится к парафиновым топливам, заключенным в пределах так называемой октановой шкалы - от н-гептана до 2,2,4-триметилпентана, и детонирующим, при обычно используемых степенях сжатия не выше 10. Эти выводы из спектроскопических наблюдений были подтверждены и результатами исследования химической природы «стука» анализом проб газа, отбираемых из детонирующей части заряда в аналогичной работе Соколика [46, 98], в работе Кумагаи и Кнорре [99, 122] и в работе Гусакова и Савастенко [121]. Анализ обнаружил появление перед детонационным воспламенением значительных количеств промежуточных продуктов окисления-альдегидов и перекисей.
Исходя из полученных результатов было показано, что низкотемпературное самовоспламенения носит двухстадийныст характер. Двустадий-ность процесса проявляется в последовательном накоплении органических перекисей, возникновении холодного пламени, с последующим развитием «альдегидного» механизма окисления в стадии «голубого» пламени. В то же время сгорание со «стуком», правда, регистрируемым «на слух», было обнаружено и для таких топлив, для которых низкотемпературное самовоспламенение либо вообще невозможно, либо крайне затруднено, как метан, этан, бензол, формальдегид.
Если предположить, что «стук» для этих топлив также связан с возникновением ударной волны в результате «объемного воспламенения» перед фронтом пламени, то единственно возможным механизмом такого самовоспламенения может быть только двустадийный процесс с голубым пламенем в качестве начальной стадии. В этом случае необходимое для возникновения ударной волны ускорение сгорания осуществляется в результате распространения горячего пламени в продуктах голубого пламени. Единственным прямым указанием на двустадийное самовоспламенение этих топлив при «стуке» является обнаружение в заряде перед фронтом пламени «пренебрежимо малых» для бензола и очень малых для метана концентраций перекисей (Ю"5) и альдегидов (2.10"4). Но зато те же опыты дали ряд весьма убедительных косвенных доказательств того, что это - самовоспламенение высокотемпературного типа.
Исходя из того, что такое самовоспламенение лимитируется начальной скоростью генерирования реакционных центров, для рассматриваемых топлив следует ожидать резко выраженного продетонационного эффекта от добавок, облегчающих этот процесс, т. е. при замене стадии зарождения через распад связи С-Нв метане (АН= 100 ккал) реакциями:
Действительно, при добавке к бензолу или метану N02 или CH3J наблюдается значительное снижение допустимой по детонации степени сжатия. Наоборот, при добавке к топливам, детонирующим с низкотемпературным самовоспламенением - изооктану и циклогексану, NO2 дает лишь слабый продетонационный эффект, а йодистый метил действует как антидетонатор. Заметим, что антидетонационные свойства йодистого метила, даже несколько более резко выраженные, чем у анилина, были обнаружены еще в первых изысканиях антидетонаторов.
При низкотемпературном самовоспламенении в действии таких добавок приблизительно компенсируются подавление холоднопламенной стадии и промотирование последующей стадии процесса. Особенно наглядно различие в действии N02 на детонацию, связанную с низкотемпературным и высокотемпературным самовоспламенением, иллюстрируется на примере формальдегида и гептаноизооктановой смеси с одинаковым октановым числом (около 25). Добавка NO2 к формальдегиду дает резко выраженный продетонационный эффект, а с парафиновым топливом - нейтральный эффект.
Как отмечалось, антидетонаторы являются источником образования свободных радикалов: тетраэтилсвинец - радикалов С2Н5, ароматические амины - окиси азота, образующейся при их окислении. При добавке антидетонаторов к топливам с высокотемпературным самовоспламенением специфический эффект антидетонаторов, непосредственно связанный с подавлением холоднопламенной стадии, не может проявиться из-за отсутствия последней. Наоборот, введение с антидетонатором источника свободных радикалов должно облегчить развитие начальной стадии - голубого пламени, смещая ее к фазе цикла с максимальным давлением. И этот вывод, основанный на специфических свойствах высокотемпературного самовоспламенения, подтверждается опытом, именно тем, что добавка к бензолу ТЭС, анилина и диметиланилина дает продетонационный эффект, снижая приблизительно на два пункта критическую степень сжатия.
Наконец, высокотемпературный тип самовоспламенения при «стуке» бензола и метана подтверждается и сильным продетонационным эффектом альдегидов - формальдегида и ацетальдегида (см. рис. 2.2), а для бензола и бензальдегида, способствующих развитию высокотемпературного самовоспламенения. Как отмечалось ранее, в случае низкотемпературного самовоспламенения добавка альдегидов либо подавляет детонацию (формальдегид), либо оказывается нейтральной (ацетальдегид). Таким образом, характер детонационного эффекта таких добавок, как NO2, формальдегид, может служить своеобразным индикатором, определяющим кинетическую природу самовоспламенения, дающим начало детонации в двигателе.
Особенности алгоритма обработки индикаторных диаграмм HCCI двигателя
Практика проведения работ по совершенствованию энергетических, экономических и экологических характеристик ДВС показала, что индициро-вание рабочего объема цилиндра ДВС является одним из наиболее информативных методов исследования характеристик процессов, протекающих на всех стадиях преобразования теплотворной способности топлива, запасенной в виде энергии химических связей, в выделяемую при горении теплоту и далее, в механическую индикаторную работу. Специфика метода состоит в получении, в функции угла поворота коленчатого вала (времени), параметров процесса, среднеинтегральных по объему КС. Это проистекает из того, что регистрируемым параметром при индицировании является давление, мгновенные значения которого принято считать равными друг другу в любой точке однополостной КС. Методика обработки индикаторных диаграмм в функцию тештоиспользования, основана на термодинамических соотношениях, подразумевающих, что анализируемые процессы равновесны в рассматриваемый момент времени, а рабочее тело однородно по всему объему [107, 111,112].
Это допущение корректно в подавляющем большинстве случаев, т.к. в КС поршневой части ДВС не существует принципиального процесса, для осуществления которого специально создавался бы существенный перепад давлений, связанный, например, с получением полезной технической работы. Существующие процессы с дросселированием части рабочего тела (вытеснители, «защемляемые» объемы и пр.) используют неравномерность потенциального поля давления в КС исключительно с целью повышения кинетической энергии заряда для интенсификации таких процессов, как распад топливных струй, испарение капель топлива, взаимодиффузия топлива и окислителя (смешение), турбулентное горение и т.п., исследуемых, как правило, специальными методами. Локальными флуктуациями давления, связанными с турбулентностью или процессом нормального распространения пламени (в отличие от детонационного сгорания) пренебрегают, в силу их относительной малости [108,115, 119].
Однако, несмотря на регистрацию величины, усредненной по объему КС - давления, при обработке индикаторных диаграмм существует способ получения количественных зависимостей описывающих степень неравномерности распределения некоторых параметров по объему КС. Для этого требуются математические модели, качественно адекватные рассматриваемому процессу в камере сгорания. Включение этих моделей в процедуру обработки индикаторной диаграммы подразумевает их автоматизированную идентификацию в процессе вычислений, на основе информации, получаемой при регистрации текущего давления в цилиндре и данных о конструктивных, режимных и ряда других параметров, замеряемых в цикле испытаний ДВС.
Элементарным примером включения простейшей модели, учитывающей неоднородность рабочего тела, в процедуру обработки индикаторных диаграмм в функцию теплоиспользования, может служить широко применяемый метод вычисления теплоемкости. Известно, что теплоемкость является функцией ряда параметров ср =f(gH, gc go — % Т, х), часть из которых, например, элементарный массовый состав топлива ( gH, go go,—) или средний по КС коэффициент избытка воздуха (а) могут быть заданы заранее. Другие параметры, такие, как текущие температура ( Т) и доля выгоревшего топлива ( х ), определяющая соотношение между долей продуктов сгорания и исходных веществ, определяются по ходу расчета. Таким образом, масса рабочего тела делится, как минимум, на две части, различного состава, соотношение между которыми не остается постоянным. Можно возразить, что данная модель является грубым приближением к действительности, в силу того, что в КС ДВС всегда существует концетрационно-температурная неоднородность свежей смеси (для дизеля концентрационная неоднородность является необходимым условием его работы, т. к. характерный средний коэффициент избытка воздуха для этого типа двигателей а =1,5.. .6,0 лежит вне пределов горения гомогенных углеводородно-воздушных смесей путем распространения пламени). Однако модель дает более достоверные результаты по сравнению с расчетом с постоянной теплоемкостью. Примеры такого рода можно продолжить [109, 113, 114], сделав вывод о том, что данное направление - развитие методик обработки индикаторных диаграмм, путем внесения в процедуры уточненных подмоделей процессов, составляющих рабочий цикл ДВС, несомненно, перспективно.
Широкое внедрение новейших технологий, сопровождаемое колоссальными темпами развития микроэлектроники и вычислительной техники создало новые направления развития аппаратурного обеспечения индициро-вания поршневых ДВС. Современные датчики для регистрации давления в КС, полностью удовлетворяя требованиям по необходимому частотному разрешению, имея высокую линейность (отклонение не более 0,3%) и чувствительность (150...350 пК/МПа) могут выполняться неохлаждаемыми (температура чувствительного элемента до 400С), при этом их габаритные размеры 04,3 мм (AVL CU12P), резьба М5 (AVL GM12D), 06,2 мм (Kistler 6121) позволяют без труда монтировать их в головке цилиндра малогабаритных двигателей.
Аппаратура для регистрации и последующей обработки сигналов с усилителей развивается по двум основным направлениям. Первое из них продолжает линию создания специализированных исследовательских комплексов, полностью выполняющих все требуемые функции, за счет развитой собственной архитектуры. Такие комплексы, например AVL IndiMaster 670 wmAVL IndiMeter 619, в силу больших затрат на их разработку, их производства. Второе направление, ориентировано на разделение функций между специализированным устройством преобразования сигналов и ЭВМ универсального назначения. Подобное устройство A VL IndiMeter 617 представляет собой плату, устанавливаемую непосредственно в персональный компьютер, работающую под его управлением в соответствии с поставляемым AVL программным обеспечением. Такое решение позволяет значительно снизить стоимость устройства в целом.
Бурное развитие средств цифровой обработки данных в последнее десятилетие привело к созданию целой гаммы высокопроизводительных (время преобразования порядка микросекунд) аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) в микроэлектронном исполнении. Такой АЦП является практически полностью законченным электронным блоком, размещенным в одной микросхеме и содержащем устройство выборки-хранения аналоговых сигналов и собственно преобразователь аналогового сигнала в цифровую форму, в виде 10... 16 разрядного двоичного числа. Высокая разрядность АЦП позволяет достигать низких погрешностей преобразования (на порядок и более), по сравнению с другими элементами канала индицирования. На основе таких АЦП выпускаются относительно дешевые многоканальные платы, т.е. включающие в себя входной мультиплексор на 16 и более входов, имеющие внешнюю шину данных, совместимую с шиной ПК типа IBM/PC и устанавливаемые непосредственно в компьютер.
