Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в качестве моторного топлива двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием все шире используется природный газ (метан). Преимуществами данного газа перед топливами нефтяного происхождения являются развитая добыча и низкая стоимость. К другим преимуществам относятся его высокие антидетонационные свойства и широкие пределы воспламенения метановоздушных смесей.
Наряду с отмеченными положительными свойствами имеются и серьезные проблемы, связанные с использованием природного газа в качестве моторного топлива газовых двигателей с высокой степенью сжатия и турбонад-дувом. Одной из этих проблем является низкая скорость сгорания метановоз-душных смесей, которая представляет собой причину повышенной длительности формирования начального очага горения и соответственно общей длительности процесса сгорания в цилиндре ДВС, что увеличивает расход топлива и повышает уровень выбросов несгоревших углеводородов с отработавшими газами. Данные недостатки особенно резко проявляются при применении штатной системы зажигания из-за недостаточной эффективности искрового разряда в условиях камеры сгорания газовых ДВС.
Обостряющаяся проблема топливных ресурсов и постоянно ужесточающиеся экологические требования заставляют искать пути повышения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов, одним из которых является повышение воспламеняющей способности искрового разряда системы зажигания газовых ДВС.
На основании анализа известных работ установлено, что вопросы влияния параметров искрового разряда системы зажигания газовых ДВС на показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов, в том числе и при работе на бедных смесях, изучены недостаточно.
В этой связи представляется необходимым проведение всесторонних исследований, направленных на определение параметров искрового разряда (амплитуды тока, длительности и характеристики выделения энергии в индуктивной фазе), позволяющих улучшить показатели газовых ДВС.
Все сказанное выше определяет актуальность исследований.
Цель диссертационной работы - улучшение показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов двигателей, работающих на природном газе за счет рационального выбора параметров искрового разряда системы зажигания.
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:
- провести теоретические исследования процесса формирования начального очага горения при искровом зажигании газовоздушной смеси (для условий камеры сгорания ДВС) с учетом параметров искрового разряда системы зажигания;
Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору СВ. Тимохину за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.
исследовать влияние плотности газа (воздуха) и параметров вторичного напряжения в системе зажигания на критическую величину межэлектродного зазора в свече зажигания;
провести сравнительные стендовые испытания ДВС, оснащенного штатной и экспериментальными системами зажигания на различных режимах его работы.
Научная новизна работы
Определены характеристики выделения энергии искрового разряда, обеспечивающие увеличение скорости роста начального очага горения для условий камеры сгорания газового ДВС. Предложена уточненная зависимость радиуса начального очага горения от параметров искрового разряда и физико-химических свойств газовоздушной смеси, учитывающая радиус искрового разряда.
Установлено характерное для газовых ДВС с высокой степенью сжатия влияние полярности вторичного напряжения в системе зажигания на критическую величину межэлектродного зазора свечи зажигания.
Установлена возможность повышения предела обеднения газовоздушной смеси в газовых ДВС за счет изменения характеристики выделения энергии в индуктивной фазе искрового разряда.
Практическая ценность
Выполнение установленных требований к характеристике выделения энергии искрового разряда системы зажигания газовых ДВС обеспечивает повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов.
Использование в системе зажигания газовых ДВС обоснованных значений скорости нарастания вторичного напряжения и его полярности позволяет достичь бесперебойного искрообразования при увеличенном межэлектродном зазоре в свечах зажигания.
Применение экспериментальных систем зажигания для газовых двигателей позволяет при работе на режиме холостого хода снизить выброс несго-ревших углеводородов на 69 % и оксида углерода на 12 %.
Методы исследования. Расчетно-теоретическое обоснование проводилось с использованием основных физических законов и теории рабочих процессов ДВС. Применялись экспериментальные исследования, включающие лабораторные испытания и стендовые испытания ДВС, метод сравнения исследуемых показателей двигателя, оснащенного штатной и экспериментальными системами зажигания, метод эмпирического анализа и статистической обработки опытных данных с использованием прикладных программ Microsoft Excel, Statistica.
Объект исследования. Объектами исследования являлись поршневые транспортные газовые двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием КАМАЗ мод. 820.52-260.
Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов исследования обеспечивалась проведением опытов с требуемой повторяемостью и соответствующей статистической обработкой их результатов, сопоставимостью полученных данных и зависимостей фундаментальным теоретическим представлениям о влиянии параметров искрового разряда на рабочий
процесс ДВС, а также проведением стендовых испытаний по методикам и в соответствии с действующими стандартами и нормативно-технической документацией.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследования приняты к внедрению Научно-техническим центром ОАО «КАМАЗ» и используются при разработке систем зажигания и выборе значений параметров искровых разрядов существующих и перспективных стационарных и транспортных газовых двигателей КАМАЗ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и одобрены на международных научно-технических конференциях ПГУАС, Пенза 2006-2008 гг.; Международной научно-технической конференции Сибирского федерального университета, Красноярск 2007 г.; Всероссийской научно-технической конференции Сибирского государственного университета путей сообщения, Новосибирск 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», Волгоград 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них одна работа - в издании, входящем в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, приложений и списка использованной литературы. Общий объем работы - 128 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок и 6 таблиц. Список использованной литературы составляет 161 наименование, в том числе 42 на иностранном языке.
