Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований. 10
1.1. Применения природного газа и снижения токсичности отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания . 10
1.2. Регулирование состава газовоздушной смеси. 12
1.3. Регулирование мощности газовой модификации дизеля. 15
1.4. Особенности рабочих процессов 19
1.5. Анализ применения технических средств для систем приготовления газовоздушной смеси. 25
1.6. Концепция модернизации системы приготовления газовоздушной смеси. 29
1.7. Схема системы приготовления газовоздушной смеси. 32
1.8. Выводы 36
Глава 2. Разработка комплекса модернизированных моделей по расчету физического состояния рабочего тела и рабочего цикла газового двигателя . 39
2.1. Модель физического состояния рабочего тела 39
2.2. Коэффициенты переноса газов моторных топлив. 42
2.3. Математическая модель процесса газообмена при регулируемом теплообмене на впуске 43
2.4. Методика расчета рабочего процесса газовой модификации дизеля. 56
2.4.1. Термодинамическая модель рабочего цикла. 56
2.4.2. Физическая и математическая модель выгорания и тепловыделения. 60
2.4.3. Скорость распространения пламени. 63
2.4.3.1. Ламинарная скорость распространения пламени. 65
2.4.3.2. Турбулентная скорость распространения пламени. 70
2.4.4. Определение параметров тепловыделения. 75
2.4.4.1 .Влияние характеристик выгорания на показатели рабочего цикла 75
2.5. Выводы 82
Глава 3. Методика экспериментального исследования. 83
3.1 Общая методика эксперимента. 83
3.2. Экспериментальные установки. 87
3.3 Приборы и оборудование, используемые при исследованиях 90
3.4. Обработка результатов исследования. 95
3.5. Индикаторные показатели. 97
3.6. Оценка погрешностей результатов экспериментального исследования. 102
3.7. Выводы 104
Глава 4. Результаты экспериментального исследования рабочего процесса газовой модификации дизеля . 105
4.1. Программа экспериментов. 105
4.2. Основные параметры и характеристики газовой модификации дизеля 105
4.2.1. Расходы воздуха и газа. 105
4.2.2. Коэффициент избытка воздуха. 107
4.2.3. Эффективный КПД. 109
4.2.4. Температура отработавших газов. 112
4.3. Параметры рабочего цикла. 112
4.3.1. Максимальное давление цикла. 112
4.3.2. Скорость нарастания давления. 114
4.4. Влияние угла опережения зажигания на период воспламенения 114
4.5. Характеристика тепловыделения. 116
4.5.1. Показатели первой фазы тепловыделения. 116
4.5.2. Продолжительность второй фазы сгорания. 117
4.6. Экологические показатели газовой модификации дизеля. 122
4.7. Выводы.
- Применения природного газа и снижения токсичности отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания
- Модель физического состояния рабочего тела
- Приборы и оборудование, используемые при исследованиях
- Основные параметры и характеристики газовой модификации дизеля
Введение к работе
Одной из основных задач проектирования современного автомобиля является достижение экологической чистоты двигателя. Предельно допустимые выбросы вредных веществ для европейских стран ужесточаются каждые пять лет.
В нашей стране эксплуатируется огромный парк автомобилей, не удовлетворяющих требуемым нормам токсичности. Данное положение заставляет искать новые технические решения, позволяющие снизить выбросы вредных веществ без существенного изменения конструкции двигателя. Применение газовых топлив является одним из путей решения данной проблемы.
В настоящее время все большее распространение получают в качестве моторных топлив сжиженные углеводородные (нефтяные) газы (СУГ) и природный газ. Контроль выбросов вредных веществ для автомобилей, оснащенных двигателями с принудительным зажиганием, выполняется в соответствие с ГОСТ Р 41.83-99, ГОСТ Р 52033-2003 и ГОСТ 17.2.02.06-99.
Наиболее перспективным альтернативным топливом для ДВС, как с экономической, так и с экологической точек зрения является природный газ. При этом одним из важнейших направлений является использование газа в качестве моторного топлива для ДВС в целях замены жидких топлив (дизельных и бензиновых), т.е. для расширения ресурсов топлив в стране и для снижения токсичных выбросов автомобильным транспортом и другими установками с ДВС.
Проведя сравнительную оценку влияния различных топлив на экологические показатели двигателей с принудительным воспламенением относительно традиционного топлива - бензина по методикам правил 83.01 ЕЭК ООН и 83.03 ЕЭК ООН можно сделать следующие выводы:
Применение КПГ имеет большие резервы по снижению токсичности, чем стандартные виды топлив.
Применение КПГ и СУГ в качестве моторного топлива для автотранспорта обеспечивает снижение токсичности, однако не позволяет отказаться от дорогостоящих систем впрыска топлива и удовлетворять действующим нормам ГОСТ Р 41.83-99 (правила 83.03, ЕЭК ООН).
3. Использование антитоксичных систем является обязательным для достижения перспективных норм токсичности.
На природном газе могут работать как бензиновый и дизель, так и другие виды двигателей. Но накопленный опыт в соответствии с политикой отечественного рынка двигателестроения распространяется только на двигатели, конвертируемые для работы на природном газе. Разработанные газовые модификации на базе стандартных двигателей, обуславливают простату перевода двигателя с одного топлива на другое при минимальных изменениях конструкции.
Для получения адекватного экономического эффекта от конвертации дизеля на газовый рабочий процесс при этом необходимо поддерживать эффективный КПД на заданном уровне. Реализация такой задачи возможна в процессе исследовательской работы по оптимизации рабочего процесса газовой модификации дизеля (ГМД). Несомненно, что такая оптимизация нуждается в теоретическом обосновании с использованием методов математического моделирования и должна базироваться на понимании процессов происходящих в камере сгорания ГМД, с прогнозированием технических мероприятий с экспериментальной оценкой их эффективности. Так, необходимо представлять суть физических и химических процессов, инициирующих и сопровождающих сгорание топлива при газовом рабочем процессе.
Цель исследования заключается в создании физически обоснованной математической модели рабочего процесса и разработке на ее основе направлений совершенствования рабочего процесса ГМД. Реализация поставленных целей, в результате анализа состояния теории газовой модификации дизеля на данном этапе, потребовала решения следующих задач:
Проведения углубленных экспериментальных исследований с целью выявления влияния различных факторов на параметры рабочего процесса ГМД.
Проведения теоретических исследований для установления рода зависимостей от основных параметров, определяющих скорость распространения фронта пламени в газовоздушных смесях.
Усовершенствования системы регулирования подачи газа и воздуха для ГМД.
Получения зависимостей, позволяющих адекватно описывать характеристику тепловыделения.
Создания комплекса модернизированных математических моделей и алгоритма расчета рабочего процесса ГМД, и апробирования программы расчета на ПЭВМ.
В диссертационной работе проведен анализ особенностей рабочего процесса ГМД, вариантов его практической реализации, а также модернизированных моделей и методик расчета динамики тепловыделения двигателя. В результате анализа определены основные направления их развития. Газовый двигатель обладает рядом преимуществ по сравнению с дизелем, в том числе меньшим уровнем шума, большим моторесурсом, отсутствие нагара на поршнях и свечах, а также в отработавших газах, отсутствие детонации (октановое число газа 105-115), более длительный срок моторного масла (в 1,5,-2 раза), лучшими экологическими показателями, и наконец, топливной экономичностью.
Многообразие схем и конструкций электронного управления подачей топлива в ГМД свидетельствуют о сложной взаимосвязи между факторами, определяющими эффективность процесса, и отсутствии единого подхода к решению проблемы. Противоречивость данных, приводимых различными авторами о рабочем процессе и протекании сгорания в газовом двигателе, во многом определяется тем, что в рассмотренных случаях, скорее всего использовались различные виды газовых топлив, а также способы регулирования и виды газовой аппаратуры. Это не позволяет выработать конкретные рекомендации по оптимизации рабочего процесса с применением электронной системы управления при конвертации дизельных двигателей для работы на природном газе. Обзор математических моделей газового рабочего процесса показал, что работы в этом направлении ведутся с недостаточной интенсивностью, что связано со сложностью описания процесса. Сформулированы задачи исследования (гл. 1).
Во второй главе предложен комплекс модернизированных моделей и методик расчета рабочего процесса газовой модификации дизеля. Представлена модель физического состояния рабочего тела, а также модернизированная модель процесса газообмена при регулируемом теплообмене на впуске газовой модификации дизеля. Рассмотрено влияние различных физических факторов, определяющих сгорание в цилиндре двигателя. Выбрана формула для описания динамики тепловыделения ГМД. Получены зависимости параметров характеристик тепловыделения при использовании природного газа и режима работы двигателя. Исследованы пути решения по определению рационального способа регулирования ГМД.
Экспериментальному исследованию рабочего процесса ГМД посвящена третья глава. Сформулированы цели экспериментальных исследований и методика их проведения. Для реализации экспериментов разработана экспериментальная установка, позволяющая установить зависимость основных показателей работы двигателя от режимных и регулировочных параметров, а также оценить влияние различных факторов на индикаторный КПД, угол опережения зажигания, максимальное давление сгорания и скорость повышения давления. Для исследования параметров рабочего процесса газового двигателя разработан и реализован информационно-измерительный комплекс на базе ПЭВМ. Произведена оценка погрешности измерений.
В заключительной четвертой главе определено адекватность результатов расчетных и экспериментальных данных, в ходе проведенных исследований. Приведены количественные оценки влияния отдельных величин и факторов на параметры рабочего процесса. Получены зависимости характеристик тепловыделения от долей теплоты газа и режимов работы ГМД. Выполнена сравнительная оценка эффективности работы ГМД в зависимости от сочетания различных входных параметров.
Научную новизну работы представляет:
1. комплекс моделей и методику расчета для обоснования и разработки
модернизированной системы управления рабочим процессом ГМД.
9
2. Сформулированная физически обоснованная модель сгорания и теп-
ловыделения в ГМД; предложенные зависимости для определения ее параметров. Практическая значимость:
Рекомендации по реализации результатов расчетных теоретических и экспериментальных исследований.
Рекомендации по улучшению показателей газовой модификации при работе по нагрузочной и внешней скоростной характеристик.
Модернизированная система электронного управления рабочим процессом ГМД.
Зависимости, полученные путем экспериментально-теоретического исследования, могут быть использованы для расчетного прогнозирования параметров газового двигателя и выбора рациональных регулировочных решений.
Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда» г. Санкт-Петербург.
На защиту выносятся:
Комплекс модернизированных математических моделей протекания рабочего процесса ГМД.
Модернизированная система электронного управления ГМД.
Результаты экспериментального исследования специфики рабочих процессов в газовом двигателе.
Физически обоснованные и экспериментально подтвержденные зависимости параметров тепловыделения в газовом двигателе от исходных условий в цилиндре.
Полученные зависимости регулирования состава газовоздушной смеси и угла опережения зажигания топлива ГМД.
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Применения природного газа и снижения токсичности отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания
С увеличением количества автомобильного транспорта, эксплуатирующихся в крупных городах России, проблема экономии жидкого нефтяного топлива снижения токсичности ОГ дизелей приобретает в последние годы все более возрастающее значение.
Процесс стабилизации загрязнения окружающей среды и его уменьшения может идти по двум основным направлениям: выпуск автомобилей и тракторов с параметрами, отвечающими требованиям действующего законодательства по охране окружающей среды и создание условий для поддержания этих параметров в заданном диапазоне в условиях эксплуатации подвижного состава. Среди силовых установок автомобилей и тракторов наиболее энергетически эффективной тепловой машиной по-прежнему остается дизель. Его ресурс и эксплуатационные показатели продолжают повышаться. Тем менее, внимание к дизелю с точки зрения экологии и замены жидкого топлива на газообразное уделяется все больше.
Добыча нефти в России упала наполовину. Анализ текущего состояния топливно-энергетического комплекса России показывает, что причина уменьшения объемов добычи нефти состоит в низкой эффективности системы разведки, освоения и эксплуатации новых нефтяных месторождений, с которых собирают 20-30 % нефти. Спад объемов производства нефтепродукции будет продолжаться, прежде всего, из-за острого дефицита инвестиций. Мировая тенденция к снижению объемов добычи нефти, удорожанию жидких моторных топлив, сокращение мировых запасов нефти, ухудшение экологической ситуации ставят перед двигателестроителями всего мира новые задачи. Например, улучшение показателей двигателей внутреннего сгорания, снижение удельных расходов топлива, улучшение экологических характеристик, использование альтернативных топлив.
Одним из наиболее распространенных альтернативных топлив, не требующим глобальной переделки существующих ДВС, имеющим большие объемы разведанных месторождений, имеющим возможность восполнения и искусственного производства является природный газ (метан). В настоящее время природный газ (метан) наиболее широко применяется в компримированном виде (КПГ). Имеется опыт применения в ДВС криогенного метана.
Газификация транспортных средств оправдана экономически и с позиций экологии. Сложившаяся ситуация позволяет считать, что на ближайшие пятнадцать лет совершенствование автомобильных и тракторных дизелей может решаться путем: - внедрения государственных и отраслевых стандартов, регламентирующих допустимые уровни выбросов вредных веществ в ОГ; - создания дизеля с малотоксичным газовым рабочим процессом; v - поиска новых видов топлива и присадок к нему, позволяющих заменить ЖИДКОе ДИЗеЛЬНОе ТОПЛИВО НефтЯНОГО ПрОИСХОЖДеНИЯ; tf. - разработки и производства антитоксичных устройств, способствующих снижению токсичности существующих типов дизелей (нейтрализаторы, сажевые фильтры, дожигатели и др.).
Один из существенных моментов, влияющих на применение газообразных топлив в ДВС, это более низкая стоимость в сравнении с жидкими нефтяными топливами. Очень остро проблема снижения затрат на топливо стоит в сельском хозяйстве, потребляющем в ценах сегодняшнего дня моторных топлив на 19 миллиардов рублей. В настоящее время, по поручению президента России, разрабатывается правительственная программа по переводу сельскохозяйственной техники на применение КПГ. Как известно большая часть сельскохозяйственной техники имеет дизельные двигатели и, безусловно, это накладывает определенные рамки на возможность подобного применения. Одним из вариантов является конвертация базового дизельного двигателя в газодизельный или чисто газовый с искровым зажиганием. Учитывая большой парк дизельных автомобилей, не только в сельском хозяйстве, вариант конвертации базовых дизелей подразумевает большой рынок переоборудования.
В дизелях автомобилей и тракторов целесообразно применять природный газ, переводя их на газовый рабочий процесс. Однако нельзя не сказать о сложностях, сопровождающих подобный процесс перевода автомобилей и тракторов на газообразное топливо - обеспечение высокой надежности, приемлемых экологических и экономических показателей, максимально возможной унификации с базовой конструкцией двигателя и транспортного средства. Дизельный двигатель, конвертированный для работы на природном газе, позволяет более полно реализовать преимущества газового топлива. В нашей стране и за рубежом создан ряд двигателей, позволяющих экономить топлива выражаемый в денежном эквиваленте, благодаря замещению его газом.
Хотя принцип преобразования дизеля в газовый теоретически прост, на практике осуществлять его сложнее, чем может показаться с перого взгляда. Основные трудности создания транспортных газовых двигателей связаны с тем,. что режимы работы транспортных двигателей весьма широко и быстро меняются во времени. Вследствие этого трудно обеспечить наивыгоднейшее соотношение воздуха и газа, их эффективное сгорание при условии высокой топливной экономичности и малого выброса вредных веществ. Как подтверждение этого следует отметить отсутствие на сегодняшний день отработанных и распространенных конструкций транспортных газовых двигателей на базе дизеля.
Модель физического состояния рабочего тела
При моделировании рабочего процесса газового двигателей внутреннего сгорания необходимо опираться на знание свойств воздуха, паров топлива и т.д. [91]. Однако сразу же возникает вопрос - логично ли для описания явно нестационарного, неравновесного процесса использовать характеристические уравнения и если это окажется принципиально возможным, то как следует описывать физические характеристики рабочего тела в цилиндре двигателя, а также физические (термодинамические) свойства паров топлив. Это далеко не риторический вопрос, так как физические свойства смеси сложных углеводородных соединений до настоящего времени еще недостаточно хорошо изучены.
Отсутствие указанной информации может свести на нет все попытки построения математических моделей, описывающих протекающие в цилиндре процессы смесеобразования, сгорания и др.
В качестве моторного топлива используем природный газ большая часть таких газов состоит из алканов, т.е. углеводородов метанового ряда: метана СН4=0,9519; С2Н6=0,0071; С3Н8=0,0075; С4Ню=0,0060; С5Н,2=0,0058; N2=0.02U9. Наибольшая (по объему) доля из этих углеводородов падает на метан 93%.
Как было указано, любое газовое топливо и продукты его сгорания представляют собой смеси простых газов. Определение многих их свойств основано на элементарных законах и соотношении термодинамики. Состояние любого газа или рабочей смеси (газ, воздух) характеризуется основными параметрами -давление, плотность или удельный объем и температура.
Автором [91] рассматривается уравнение состояние рабочих тел в основном для широко используемых видов топлив (бензин, дизельное топливо, керосин, моторное масло и т.д.), что касается альтернативных видов топлив (КПГ, СНГ и т.д.) в данном источнике нет характерных исследований.
Среди многочисленных уравнений состояния реального газа уравнение Бертло наиболее точно передает свойства слабо сжатых газов, находящихся в состоянии, близком к состоянию насыщения (2.1). Это уравнение, являющееся несколько измененным уравнением Ван-дер-Ваальса, отражает качественную и количественную стороны поведения реального газа: (Р + )М)=ДГ; (2.1.1) где а — коэффициент, учитывающий силы внутреннего (кахезионного) давления в газе; Ъ — коэффициент, учитывающий собственный объем молекул в единице объема газа. Преобразовав уравнение (2.1), получим pv = RT ;(2.1.2) 1 9 л (л 6 1 + 1— 128 в I в2 Выражение (2.2) позволяет вычислить коэффициент сжимаемости ( z). Итак, ; (2.1.3) r = = ,+JL.. , RT 128 в I О1
Если вещество находится в состоянии, далеком от насыщения, т. е. л— 0, в—к», то его сжимаемость z = 1,0. Напротив, в критической точке, т. е. при л = 1 и в = 1,в соответствии с (2.1.3) имеем ікр = 0,648.
В [93] для некоторых веществ приведены значения zKp. В критической точке zKp, определяемое по формуле (2.1.3).
Таким образом, для веществ, далеких от состояния насыщения (л 0,5; 0 0,85), можно использовать формулу (2.1.3). При параметрах, приближающихся к критическим, меньшую погрешность дает формула (2.1.4). z = 1 - (1.50 - 0.5)л-2Vзи ; (2.1.4) В любых случаях характеристическое уравнение вида Pv = zRT;(2A.5) применяется только для равновесного процесса, совершаемого над газом. Иначе говоря, для условий, когда в объеме, занимаемом газом при совершении над ним какого-либо процесса в любой момент времени в любой точке объема, давления и температуры будут одинаковы.
Итак, на всех стадиях развития рабочего процесса в цилиндре двигателя коэффициент сжимаемости рабочего тела (воздуха) весьма несущественно отличается от единицы. В результате с достаточно высокой степенью точности можно утверждать, что рабочее тело двигателя обладает свойствами совершенного газа и подчиняется уравнению pv=RT. Естественно, для описания свойств газообразного топлива необходимо считаться с их сжимаемостью, так как они находятся в условиях, достаточно близких к насыщению. Однако и в таких случаях соображения, касающиеся квазиравновесности, остаются в силе.
Анализ табл. 2.1 показывает, что среднее значение коэффициента сжимаемости для состава природного газа меньше единицы. Для метана в пределах давления от 0,1 до 35 мПа z l, т.е. за счет действия межмолекулярных сил притяжения метан сжимается сильнее чем идеальный газ [42]. Минимальное значение z метана соответствует давлению 11,0-12,0 мПа, что соответствует максимальному давлению сгорания в газовом двигателе следовательно коэффициент z влияет на скорость истечения газа в цилиндре в процессе рабочего такта которая равна пределу средней скорости воспламенения смеси, двигателей работающих на нефтяных топливах.
Приборы и оборудование, используемые при исследованиях
При экспериментальном исследовании применялись следующее оборудование и измерительная аппаратура.
Опытный комплект модернизированной электронной системы управления двигателем в комплектации: - Блок управления двигателем Корвет 9,2 (ООО «АБИТ» г. Санкт-Петербург). - Бесконтактная система зажигания, с катушками зажигания «BOCSH» 0.221 503 001; - Дозаторами газа (для газовой модификации дизеля 8412/12) производства ООО НТЦ «Завод Ленинец» г. Санкт-Петербург. - Смеситель газовый с электронным управлением (для газовой модификации дизеля 12ЧН18/20) - Дроссельная заслонка с электроприводом ШДР-711 (Саратовский электромеханический завод); - Датчик положения дроссельной заслонки 4343330.004 («НПП хАВТЭЛ»); - Датчик положения коленчатого вала 191.3847 («НПП АВТЭЛ»); - Датчик фаз 406.3847 («НПП АВТЭЛ»); - Датчик температуры охлаждающей жидкости 19.3828 («НПП АВТЭЛ»); - Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе 45.3829 («НПП АВТЭЛ»); - Датчик температуры воздуха во впускном коллекторе 19.3828 («НПП АВТЭЛ»); - Высоковольтные провода с распределенным помехоподавляющим - сопротивлением 2000 Ом/м. - Наконечники свечей зажигания с встроенным резистором 5 кОм
Опытный комплект электронной системы управления двигателем. 1 -БЭУ «Корвет 9.2»; 2 - силовой щит коммутационный управления и аварийной сигнализации; 3 - микропроцессорный регулятор частоты вращения; 4 -осциллограф контроля частотных сигналов выхода, микропроцессорного регулирования скорости; 5 - силовой щит нагрузки; 6 - пульт настройки электронного регулятора частоты вращения; 7 - блок питания; - Датчик давления газов в цилиндре, тензометрический (НПК «Гарант») Оптоэлектронная пара для отметки углов ПКВ. тип прибора - нормирующий преобразователь сигнала.
Для определения углового положения коленчатого вала использовался датчик, на основе перфорированного диска с двумя отверстиями и оптоэлектронная пара, построенная на излучающих светодиодах инфракрасного спектра и приемниках излучения. Конструктивно в корпусе датчика смонтировано четыре оптических пары и плата предварительного усилителя. Кроме того, с внешней стороны корпуса датчика смонтированы четыре светодиода, подтверждающие исправность излучающих светодиодов датчика, и четыре светодиода, позволяющие выполнять юстировку датчика относительно отверстий и прорезей в перфорированном диске. Каждая оптопара датчика соответствует определенным углам поворота коленчатого вала: относительно первой проходят прорези, выполненные в диске через 1 ПКВ, относительно второй проходят прорези, выполненные через 10 ПКВ, а относительно третьей и четвертой проходят отверстия, соответствующие НМТ и ВМТ. :-.
Для ввода в аналого-цифровой преобразователь сигналы, формируемые датчиками, должны быть усилены и приведены к стандартизованному, виду для этих целей используется усилительная и преобразующая аппаратура. Поддержание входных сигналов в заданных пределах называется нормированием сигнала, а устройство, выполняющее эту роль, называется нормирующим преобразователем. В данном случае использовался нормирующий преобразователь конструкции ЦНИТА. Конструктивно нормирующий преобразователь представляет собой плату заключенную в металлический корпус, на внешней стороне которого расположены разъемы для подключения датчиков, управляющие и сигнальные элементы.
На задней панели преобразователя размещены тумблер включения сети, предохранитель и клемма заземления, а также сетевой шнур и кабель, посредством которого блок приема сигналов датчиков подсоединяется к АЦП.
Основные параметры и характеристики газовой модификации дизеля
Представленные на (рис. 4.13 - 4.14), результаты обработки индикаторных диаграмм показывают, что зависимости максимального давления от угла опережения зажигания не только идентичны по характеру для ГМД с использованием различных источников приготовления газовоздушной смеси, но близко согласуются по абсолютным величинам. Таким образом, можно считать, что при равных углах опережения температурные состояния ГМД достаточно близки, что позволяет исключить этот фактор при сравнении значений задержки воспламенения от источника зажигания, а также использования различных средств для приготовления газовоздушной смеси.
Как показано в главе 2, динамика тепловыделения является не только основным индикатором протекания процессов сгорания в цилиндре двигателя, но и базой для моделирования рабочих циклов. С обеих точек зрения наибольший интерес представляют параметры, позволяющие дифференцированно оценивать процессы выгорания основного газовоздушного заряда.
Основным показателем, характеризующим горение топлива, является максимальная скорость тепловыделения. Физические представления о протекании первой фазы сгорания предполагают, что максимальная скорость тепловыделения должна быть связана с количеством топлива, подготовленного к сгоранию к моменту воспламенения.
Результаты обработки индикаторных диаграмм, представленные на рис. 4.15 показывают, что максимальные скорости тепловыделения практически пропорциональны величине соответствующей порции топлива, как для исследуемого газового двигателя, так и для прототипа. Полученный результат подтверждает о том, что в первой фазе сгорания в газовом двигателе участвует часть объема газовоздушной смеси. Поскольку скорость тепловыделения и доля тепловыделения, приходящиеся на первую фазу сгорания пропорциональны, зависимости для Xi будут идентичны т. е. возрастают при увеличении количества газа за каждый цикл.
Влияния запального объема газа на максимальную скорость тепловыделения при постоянном установочном угле опережения зажигания 0=12 ПКВ и и = 1400 об/мин.
Выгорание во второй фазе достаточно полно характеризуется промежутком времени между воспламенением и достижением второго максимума скорости тепловыделения, выраженным в углах поворота коленчатого вала ( )- Согласно теоретическим представлениям, величина этого промежутка в газовом двигателе определяется, при прочих равных условиях, временем распространения пламени от источника воспламенения до стенки камеры сгорания. При этом решающую роль играет турбулентная скорость распространения пламени, которая в свою очередь, зависит от коэффициента избытка воздуха, давления, температуры и частоты вращения. Поскольку в данном случае речь идет о средней скорости, диапазон температур и давлений при различных режимах ограничен. При постоянных частотах вращения практический интерес представляет зависимость (р2 от коэффициента избытка воздуха (рис. 4.16).
Как показывают результаты, приведенные на рисунке, величина угла ср2 при сгорании в газовом двигателе возрастает с увеличением коэффициента избытка воздуха. Влияние коэффициента избытка воздуха на продолжительность распространения пламени газового двигателя 8ГЧ12/12 и постоянных установочном угле опережения зажигания -12 ПКВ, и=1400 об/мин.
Зависимость, полученная для ГМД, подтверждает предположение, что в данном случае мы имеем дело с процессами распространения фронта пламени, скорость которых зависит, при данном коэффициенте турбулентности, от нормальной скорости пламени, а последняя в области бедных смесей снижается по мере перехода к большим коэффициентам избытка воздуха. При трактовке результатов, представленных на рис. 4.16, следует иметь в виду, что с увеличением коэффициента избытка воздуха средняя температура за время процесса сгорания уменьшается, что также способствует увеличению угла (р2.
При работе двигателя по винтовой характеристике, как показано на рис. 4.3, состав смеси в наибольшей степени зависит от частоты вращения, то есть от нагрузки. Влияние частоты вращения на скорость распространения пламени, согласно результатам большинства исследований, проведенных на двигателях с искровым зажиганием, выражается прямо пропорциональной зависимостью, так что скорость сгорания, выраженная в углах поворота коленчатого вала, остается при постоянном составе смеси практически неизменной. Кажущаяся зависимость угла (р2 от частоты вращения, показанная на рис. 4.17, определяется, в действительности, зависимостью коэффициента избытка воздуха от нагрузки.
