Содержание к диссертации
Введение
Глава I. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ И МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ АНТИДЕТОНАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДВИГАТЕЛЯ II
1.1. Общие представления о механизме возникновения детонации в двигателе II
1.2. Анализ методов улучшения антидетонационных свойств двигателей 19
1.2.1. Организация процесса сгорания 19
1.2.2. Условия теплообмена 29
1.2.3. Управление рабочим процессом и режимом работы двигателя 31
1.2.4. Впрыск воды ; 33
1.3. Анализ методов расчёта условий возникновения детонационного сгорания 36
1.4. Выводы и постановка задач исследования... 47
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ С ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ МОМЕНТА НАЧАЛА ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ 49
2.1. Исходные положения 49
2.2. Особенности расчёта цикла с учётом тепло-потерь в стенки при многозонной модели... 53
2.3. Моделирование детонации 68
2.3.1. Обоснование методики 68
2.3.2. Методика и алгоритм расчёта 77
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ МОДЕЛИ 80
3.1. Экспериментальная установка и объект испытаний 80
3.2. Методика проведения опытов и обработки результатов 85
3.3. Анализ результатов проверки модели 91
3.4. Выводы 100
Глава 4. ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ АНТИДЕТОНАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДВИГАТЕЛЯ 102
4.1. Возможности улучшения антидетонационных свойств двигателя за счёт изменения условий теплообмена 102
4.2. Возможности улучшения антидетонационных свойств двигателя путём изменения характеристик тепловыделения 115
4.3. Улучшение антидетонационных свойств двигателя управлением рабочим процессом и режимом работы 129
4.4. Результаты и выводы 139
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОБАВОК ВОДЫ 143
5.1. Расчётное исследование влияния добавок воды на рабочий процесс двигателя 143
5.2. Экспериментальное исследование эффективности добавок воды 149
5.3. Исследование процесса сгорания при добавке воды 160
5.4. Поиск возможности повышения эффективности добавок воды 168
5.5. Результаты и выводы 176
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 179
ЛИТЕРАТУРА 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 197
- Общие представления о механизме возникновения детонации в двигателе
- Исходные положения
- Экспериментальная установка и объект испытаний
- Возможности улучшения антидетонационных свойств двигателя за счёт изменения условий теплообмена
- Расчётное исследование влияния добавок воды на рабочий процесс двигателя
Введение к работе
Важной народнохозяйственной задачей, сформулированной в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" и получившей дальнейшее развитие в последующих решениях и постановлениях КПСС и Советского правительства, является экономия сырьевых и энергетических ресурсов страны.
Улучшение антидетонационных свойств двигателя непосредственно связано с вопросами экономии топлива и его ресурсов. Повышение степени сжатия за счёт достигнутого улучшения антидетонационных свойств двигателя (АСД) обеспечит прямую экономию бензина, а уменьшение требуемого 04 при исходной степени сжатия приведёт к экономии нефтяного сырья и энергии на производство бензина.
Исследованию детонации уделяется большое внимание с самого начала развития двигателестроения. Практически нет ведущего предприятия, НИИ, вуза, занимающегося исследованием рабочих процессов ДВС с искровым зажиганием, где не велись бы поиски путей улучшения антидетонационных свойств двигателей. Особый вклад в развитие теории детонации принадлежит ИХФ АН СССР.
Несмотря на успехи, достигнутые как в конструктивном усовершенствовании двигателей, так и в разработке высокооктановых бензинов, острота проблемы борьбы с детонацией не только не уменьшилась, а, напротив, возросла, так как опасность этого нарушения процесса сгорания в современных форсированных двигателях значительно больше, чем в прежних малофорсированных. Проблема обостряется отмечаемым в последние годы ухудшением качества бензинов вследствие повышения доли высокосернистых нефтей, поставляемых на переработку, и увеличением доли топлив, получаемых путём вторичной переработки с применением интенсивных методов, которые вызывают возрастание выхода низкооктановых компонентов топлива. Это совместно с ограничением концентрации свинцовых антидетонаторов в бензинах требует новых решений при форсировании двигателей по степени сжатия без изменения требований к 04 топлива.
Сказанное определяет актуальность работ по исследованию детонационного сгорания и изысканию рациональных путей улучшения
Современные двигатели обладают уже достаточно высокими антидетонационными показателями, и поиски дальнейшего улучшения их антидетонационных свойств затруднительны и требуют более чётких знаний условий возникновения детонационного сгорания и степени влияния на детонацию отдельных факторов. До последнего времени исследования детонационного сгорания в двигателе в основном проводились экспериментальным путём. Однако сложность процессов, протекающих в камере сгорания двигателей, разнообразие углеводородного состава топлив и их кинетических характеристик затрудняет правильную оценку степени влияния отдельных факторов на возникновение детонации. Поэтому нередко на основе экспериментального анализа авторы приходят к противоречивым выводам.
Современный уровень математического моделирования процессов в цилиндре двигателя открывает возможности изучения вопросов детонационного сгорания на основе расчётного исследования по модели, позволяющей анализировать влияние отдельных факторов и вести направленный поиск методов улучшения АСД.
Настоящая работа посвящена расчётно-экспериментальному исследованию условий возникновения детонации в карбюраторном двигателе с традиционной организацией процесса сгорания. Рассмотрены возможности улучшения АСД за счёт изменения характеристик тепловыделения, условий теплообмена, некоторые вопросы оптимизации расчётным путём параметров регулирования двигателя. Выпол-
9 нен комплекс расчётных и экспериментальных исследований возможностей улучшения АСД при введении добавок воды, оценена эффективность этого метода, показаны изменения в рабочем процессе и даны соответствующие рекомендации о целесообразности применения добавок воды в двигателе.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ПЛТД МАДИ по теме "Разработка рекомендаций по снижению расхода топлива на основе совершенствования применяемых и использования прогрессивных рабочих процессов ДВС" целевой комплексной программы 0Ц045.
Цель работы - на основе расчётно-экспериментальных исследований изыскать эффективные методы улучшения антидетонационных свойств современных карбюраторных двигателей, выполненных по классической схеме.
Научная новизна. Разработана математическая модель цикла с прогнозированием момента возникновения детонации, отличающаяся учётом многостадийности самовоспламенения, позволяющая анализировать влияние на детонацию характеристик тепловыделения, условий теплообмена, режимных и регулировочных факторов. Определены возможности улучшения АСД за счёт изменения характеристик тепловыделения и условий теплообмена и выявлена зависимость их от механизма самовоспламенения. Впервые показано определяющее влияние подогрева заряда в процессе сжатия на детонацию при самовоспламенении по высокотемпературному механизму. Получена многофакторная зависимость, связывающая параметры двигателя и его процесса с требуемым 04 топлива. Получены новые данные о влиянии добавок воды на рабочий процесс двигателя.
Практическая ценность. Результаты исследований уточняют и дополняют существующие представления о факторах, определяющих условия возникновения детонации в двигателе. Разработанная мо-
10 дель позволяет ускорить поиск эффективных путей улучшения антидетонационных свойств двигателей. На основе расчётных исследований, подтверждённых экспериментально, даны рекомендации по эффективным методам борьбы с детонацией. Показана антидетонационная эффективность зажигания от двух свечей в двигателе АЗЛК-4І2 и охлаждения днища поршня маслом в двигателе BA3-2I08. Даны рекомендации о целесообразности добавок воды.
Реализация работы. Методика и программа расчётного моделирования детонации в двигателе принята к использованию в НАМИ. Программа расчёта рабочего цикла двигателя с учётом теплообмена, с прогнозированием момента начала детонации реализована на ЭВМ ЕС и СМ-4 в УГК ВАЗ.
Апробация работы. Основные разделы диссертационной работы докладывались на двух Всесоюзных научных конференциях (1-3.02. 82, г.Москва, МАДИ и 30.09-2.10.82, г.Ташкент, ТАДИ), на 42-ой научно-исследовательской конференции МАДИ (24.01-1.02.1984 г.) и на научно-техническом семинаре (28-29.05.84) секции "Химмотология" в Московском Доме научно-технической пропаганды.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи, тезисы двух докладов на Всесоюзных конференциях и разделы к 4 научно-техническим отчётам.
Общие представления о механизме возникновения детонации в двигателе
Уже первыми исследователями было установлено, что природа появления "стука" связана с завершающей стадией процесса сгорания, с возникновением резкого скачка давления и высокочастотными колебаниями давления. Были установлены также различия между явлениями, наблюдаемыми при детонации в трубе и детонации в двигателе, которые сводятся к следующему /90/: і) антидетонаторы, применяемые для подавления детонации в двигателе, не оказывают влияния на возникновение и скорость детонационной волны в трубе;
2) повышение температуры топливокислородной смеси затрудняет образование детонационной волны в трубе, в то время как в двигателе повышение температуры способствует появлению детонации;
3) детонационная волна в трубе образуется на большом расстоянии от точки поджигания, что не имеет места в условиях двигателя, к тому же при сгорании углеводородовоздушных смесей в трубе детонация вообще не возникает.
В последующих исследованиях, среди которых большое значение имеют работы А.С. Соколика и А.Н.Воинова /19, 81/, было показано, что явления при "стуке" в двигателе имеют много общего с явлениями, наблюдаемыми при детонации в трубах. В частности, было показано явное наличие ударных волн при "стуке", которые распространяются по камере, неоднократно отражаясь от стенок. Во фронте ударной волны воспламеняются объёмы несгоревшей смеси, наиболее подготовленные к самовоспламенению. Объёмы смеси, не воспламенившиеся при прохождении первичной ударной волны, сгорают в процессе распространения турбулентного фронта пламени или же воспламеняются во фронте отраженной ударной волны и тем самым поддерживают развитие детонации во времени. Скорость распространения детонационной волны при сильном "стуке" достигает 2000 м/с, т.е. скорости обычной детонации в трубах. Однако механизм образования первичной ударной волны в двигателе значительно сложнее известного механизма образования ударной волны в трубах. На фотоснимках детонационного сгорания в ДВС наблюдаются первоначально образующиеся очаги самовоспламенения и на некотором расстоянии от них появляются фронты ударных волн. Очаги самовоспламенения не возникают вблизи поверхности стенки и вблизи фронта пламени /17, 19/. Размеры и количество очагов самовоспламенения зависят от рода топлива и интенсивности детонации и, как полагает А.Н.Воинов /17/, от термодинамических условий в последних порциях. В зависимости от завершающих стадий самовоспламенения может наблюдаться целый спектр скоростей ударных волн. Если размеры очагов малы, то ударные волны вообще не наблюдаются, и сгорание протекает нормально.
Несмотря на обширные исследования, направленные на выявление механизма образования детонации в двигателе, до сих пор нет достаточно ясного представления о природе образования ударных волн в камере сгорания ДВС /49/. Можно выделить две точки зрения по этому вопросу. Сторонники первой /15, 57, 87, 88, 119, 120 и др./ полагают, что причиной образования ударной волны служит взаимодействие волновых явлений от распространяющегося с ускорением фронта пламени с предпламенными процессами в несгоревших порциях заряда. Причём определяющая роль в этом взаимодействии и, следовательно, в появлении детонации отводится аккумуляции элементарных волн от фронта пламени по механизму, в какой-то мере сходному с аккумуляцией волн при образовании ударной волны в трубе. Отличие же в двигателе заключается в том, что элементарные волны сжатия неоднократно отражаются от стенок за период сгорания и накладываются друг на друга. При благоприятных условиях это наложение волн может привести к образованию волны сжатия достаточно большой амплитуды, которая способна вызвать самовоспламенение несгоревшей смеси и в результате ударную волну, переходящую в детонационную. В некоторых работах /88/ допускают даже образование ударной волны в результате аккумуляции и наложения элементарных волн сжатия. Последнее положение маловероятно, хотя бы с точки зрения различий, наблюдаемых при детонации в трубах и в двигателе, изложенных выше. Однако влияние возмущений от фронта пламени в виде колебаний давления на процесс развития самовоспламенения в несгоревшей смеси вполне допустимо.
Сторонники второй точки зрения /10, 19, 29, 41, 59, 64, 74, 81, 101, 103 и др./, наиболее распространенной в настоящее время, считают, что первопричиной образования ударной волны служит самовоспламенение последних порций заряда. При этом волновые возмущения от фронта пламени играют второстепенную роль или не оказывают влияния на развитие самовоспламенения. В данном случае появление детонации в двигателе определяется главным образом термодинамическими условиями в последних порциях, временем процесса сгорания, реакционно-кинетическими характеристиками топлива и не связано с характером распространения фронта пламени. Такая точка зрения подтверждается, во-первых, опытами, в которых в камере сгорания установки одиночных рабочих циклов искусственно создавалась достаточно сильная ударная волна /19/. Эта волна вызывала детонацию только в том случае, когда в последних порциях заряда создавались термодинамические условия для самовоспламенения. Если инициирование ударной волны осуществлялось раньше, то волна затухала, и детонация возникала в обычный момент. Во-вторых, наличием тесной связи между склонностью топлив к детонации и склонностью этих же топлив к самовоспламенению, в качестве основных примеров которой можно привести следующие.
1. Между цетановыми (ЦЧ) и октановыми числами топлив одинакового группового состава имеет место обратная зависимость /I, 19/: ЦЧ=60-0ЧИ/2.
2. Между химическим строением индивидуальных углеводородов и их склонностью к самовоспламенению наблюдается связь, качественно подобная наблюдаемой связи между химическим строением этих углеводородов и их антидетонационной стойкостью. Так, наименьший период задержки самовоспламенения имеют нормальные парафиновые углеводороды, а наибольший - ароматические. Соответственно АС также наименьшая у парафинов, а наибольшая - у ароматических углеводородов. У нормальных углеводородов период задержки уменьшается с увеличением числа атомов в молекуле, у изомерных углеводородов период задержки больше по сравнению с нормальными /7, 31/. Соответственно и АС нормальных углеводородов снижается с увеличением числа атомов в молекуле, а изомерные углеводороды обладают более высокой АС по сравнению с нормальными.
Исходные положения
При разработке настоящей расчётной модели была использована в качестве базовой методика расчёта приближённого к действительному термодинамического цикла двигателя с гомогенным зарядом, разработанная ранее в МАДИ А.Л.Максимовым /60,61/, которая здесь получила развитие в направлении учёта теплопотерь в стенки и определения условий в несгоревшей части заряда, приводящих к детонационному сгоранию. Вместе с тем, алгоритм программы разработан таким образом, чтобы сохранить все возможности предыдущей модели. То есть, программа позволяет выполнять расчёт по определению текущих концентраций окиси азота в отдельных порциях заряда и в среднем по всему заряду. При этом в зависимости от поставленных целей можно проводить расчётный анализ образования окиси азота как в адиабатических условиях, так и при учёте теплоотдачи в стенки от продуктов сгорания. Нужный вариант расчёта задаётся в исходных данных.
Структура алгоритма предлагаемой модели в основе сохранена по базовой. Главное изменение в алгоритме вызвано моделированием процесса детонации, поэтому в дополнение к двум этапам расчёта, на которые условно можно разделить предыдущую модель -расчёт собственно термодинамического цикла и расчёт кинетики образования окиси азота, следует добавить третий этап - расчёт момента самовоспламенения последних порций.
Начальные данные для выполнения расчёта:
- конструктивные параметры двигателя: степень сжатия - Е , отношение радиуса кривошипа к длине шатуна - Л , диаметр цилиндра - D , ход поршня , величина поверхности камеры сгорания в головке цилиндра - Fe ;
- режимные параметры: частота вращения - П , коэффициент избытка воздуха - Ы. , коэффициент наполнения - /Jv , коэффициент остаточных и рециркулируемых газов - J"z+e , показатель политропы сжатия - Пі , температура заряда в конце впуска Та і средние по площади и времени температуры поверхностей камеры сгорания в головке - Ті , днища поршня - Тп , стенки цилиндра - Тц , вихревое отношение - Си/Cm \
- характеристики процесса сгорания: угол опережения подвода теплоты - 0С , длительность тепловыделения - for , показатели, характеризующие интенсивность тепловыделения - р , Гїї \
- характеристики топлива: элементарный состав (Ст,Нт,0т), молекулярная масса Літ , низшая теплота сгорания - Ни , теоретически необходимое количество воздуха для сгорания I кг топлива - Ьо . Кроме того для расчёта момента детонации дополни- . тельно вводится октановое число топлива и данные по задержкам самовоспламенения топливовоздушных смесей (см. 2.3);
- окружающие атмосферные условия: температура - Тк , давление - Рк .
Модель построена при следующих основных допущениях:
- в процессе сгорания рабочее тело состоит из сгоревшей и несгоревшей частей заряда (рис.2.I), разделённых бесконечно тонким фронтом пламени произвольной конфигурации. Сгоревшая часть заряда делится на равные по массе порции, для которых выполняется условие термического и химического равновесия. Температура от порции к порции различна.
Экспериментальная установка и объект испытаний
В задачу экспериментального исследования с целью проверки адекватности математической модели входило:
I. Получение индикаторных диаграмм давлений отдельных циклов при работе двигателя с детонацией на различных режимах и определение по этим диаграммам момента начала детонации.
2. Получение характеристик активного тепловыделения в исследуемых циклах.
Эксперименты проводились на двигателе ВАЗ-2Ю6 с использованием специальной головки блока цилиндров с = 9, подготовленной для измерения в ІУ цилиндре давления, температуры поверхности камеры сгорания в головке и регистрации распространения фронта пламени. В качестве тормозного устройства использовалась электрическая балансирная машина постоянного тока мощностью 150 КВт с максимальной частотой вращения 6000 мин"1, работающая по схеме мотор-генератор. Чтобы исключить ошибки состава смеси, связанные с неравномерностью её распределения по цилиндрам, питание ІУ цилиндра осуществлялось от отдельного карбюратора К-62. Для улучшения испарения топлива, поступающего в ІУ цилиндр, участок трубы после карбюратора подогревался водой, подводимой из рубашки блока цилиндров. Первые три цилиндра питались от серийного карбюратора с воздухоочистителем. Расход топлива и воздуха в этих цилиндрах не контролировался. Зажигание во всех цилиндрах осуществлялось от серийной системы зажигания двигателя ВАЗ-2І06, которая питалась от выпрямителя ВСА-5, работавшего в буфере с аккумуляторной батареей. Для исключения детонации в первых трёх цилиндрах, дроссельная заслонка карбюратора, питающего эти цилиндры, была частично прикрыта.
Система питания ІУ цилиндра воздухом включала газовый счётчик РС-40, ресивер объёмом 200 дм8, нагреватель и соединяющие резинометаллические рукава. Расход воздуха регистрировался с помощью диска, установленного на оси ротора газового счётчика, фотодатчика и цифрового электронного счётчика ЕСА-3. Расход топлива в ІУ цилиндре замерялся объёмным методом с помощью закрытых мерных шаров.
Температура смеси во впускной трубе выделенного цилиндра измерялась открытой хромель-копелевой термопарой, установленной примерно в центре потока на расстоянии 3 см от головки цилиндров. Б /26/ показано, что незащищённая термопара позволяет достаточно точно для целей настоящей работы оценить температуру горючей смеси на впуске: наибольшая разность показаний "сухой" термопары, установленной в специальном термоприёмнике, через который принудительно циркулировала смесь, и "мокрой" не превышала 2С для широкого диапазона скоростных режимов.
Для поддержания заданного теплового режима двигателя использовались замкнутые двухконтурные системы охлаждения воды и масла с принудительной циркуляцией жидкости во внутреннем контуре и регулированием расхода воды во внешнем контуре. Автоматические системы регулирования температуры охлаждающей воды и масла включали хромель-копелевые термопары, реле включения, прибор РІШБ-С и реверсивный электродвигатель, установленный на кране регулирования расхода воды во внешнем контуре. Точность поддержания заданной температуры 2С. Дополнительно двигатель обдувался воздухом от автономного вентилятора, установленного со стороны впускного и выпускного трубопроводов. Для отвода ОГ применялся серийный выпускной трубопровод двигателя, соединенный с выпускной системой бокса.
Возможности улучшения антидетонационных свойств двигателя за счёт изменения условий теплообмена
В реальном двигателе раздельное (по отдельным объёмам или по времени) управление тепловыми потоками затруднительно. Однако можно за счёт тех или иных мероприятий изменять условия теплообмена преимущественно в каких-либо отдельных частях заряда или в отдельные периоды цикла. Например, увеличение площади вытеснителя повысит теплоотвод только от последних порций, а замена материала деталей на другой, с более высоким коэффициентом теплопроводности - от всего заряда. Внутрицилиндровая турбулизация изменит условия теплообмена преимущественно в процессе сгорания, а интенсификация движения заряда при впуске -и в процессе сгорания, и в процессе сжатия. Дифференцированное охлаждение отдельных деталей или участков их поверхностей может привести к преимущественному изменению теплообмена от отдельных поверхностей и в отдельные периоды цикла и т.д.
С этих позиций при расчётном анализе по модели мероприятия, направленные на изменение условий теплообмена, условно можно разделить на 3 группы:
1) Мероприятия, направленные на изменение теплоотвода от всего заряда в процессе сгорания.
2) Мероприятия, направленные на увеличение теплоотвода от последних порций заряда.
3) Мероприятия, направленные на изменение условий теплообмена в процессе сжатия.
Для практических целей представляет интерес какая из этих групп наиболее эффективна с точки зрения улучшения АСД. Если это установить путём расчётов, то уже экспериментальным путём можно вести поиск наиболее эффективного варианта среди ограниченного числа конкретных мероприятий данной группы, что, естественно, приведёт к экономии материальных и временных затрат.
В настоящей работе на примере изооктана и изооктано-гепта-новой смеси с 04 = 60 по разработанной модели выполнен такой анализ, для чего выбраны следующие начальные условия: Ji = I, ЦУ, = 0,84, П = 2000 мин"1, fr = 0,06, Та = 350 К, Рк = = 0,098МПа, Тк = 293К, &т = 50п.к.в., Вс ОПГП , J$ = /77 = = 2,5, Тг = Тц = й - 450К. Конструктивные параметры D , S , рг , Л приняты равными соответствующим параметрам двигателя ВАЗ-2Ю6.
Для расчетно-теоретического анализа влияния добавок воды к свежей смеси на основные показатели рабочего цикла двигателя, а также на образование и выбросы окислов азота была использована разработанная модель термодинамического цикла (гл.2), дополненная включением в состав рабочего тела добавок паров воды и соответствующими изменениями в методике расчёта параметров цикла. В исходных данных задаётся (дополнительно) доля вводимой воды:
Дальнейший расчёт аналогичен расчёту цикла с гомогенным зарядом (гл. 2, /60/).
Методика позволяет выявить влияние присадки воды на температуры цикла (из-за увеличения теплоёмкости рабочего тела), потери на диссоциацию, к.п.д. цикла, образование и выбросы окислов азота, а также выявить степень чувствительности этих показателей к добавке воды при различных условиях организации процесса сгорания и для различных режимов работы двигателя при соответствующем изменении исходных данных Be , SST % ft % т1, Та ,r)v , ПІ и др.
В настоящее время процесс испарения поданной в двигатель воды не изучен, и потому нет возможности точно рассчитать изменение таких начальных условий как Та и ПІ . При отсутствии экспериментальных данных также нет возможности оценить влияние воды на процесс сгорания в двигателе и коэффициент наполнения. Поэтому при расчётах полагалось, что процесс сгорания и наполнение не меняются при добавке воды.
