Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема организации рабочего процесса РПД и пути их решения 9
1.1. Преимущества и недостатки роторно-поршневых двигателей Ванкеля 9
1.2. Особенности процесса распространения пламени в РПД Ванкеля 13
1.3. Способы повышения полноты сгорания топлива в РПД 17
1.4. Опыт применения водорода в двигателях внутреннего сгорания
1.4.1. Теплофизические свойства водорода 21
1.4.2. Работа поршневых и роторно-поршневых ДВС на водороде
1.5. Математические модели рабочего процесса роторно-поршневых двигателей Ванкеля 27
1.6. Постановка задач исследования 31
2. Математическая модель процесса сгорания в РПД Ванкеля, учитывающая добавку водорода 33
2.1. Основные положения математической модели 33
2.2. Основные уравнения математической модели 35
2.3. Моделирование распространения пламени в камере сгорания РПД 37
2.4. Математическое описание геометрии РПД 41
2.5. Моделирование длительности формирования начального очага в предкамере свечи зажигания 44
2.6. Определение нормальной скорости сгорания топливовоздушной смеси с добавками водорода 47
2.7. Моделирование процесса теплоотдачи в стенки рабочей полости 49
2.8. Моделирование механизма гашения пламени в пристеночных слоях РПД
2.9. Влияние добавки водорода на теплофизические характеристики топливовоздушной смеси и продуктов сгорания 52
2.10. Моделирование расслоения топливовоздушного заряда в рабочей камере РПД 57
2.11. Заключение по главе 58
3. Экспериментальная установка 59
3.1. Объект испытаний и оборудование стенда 59
3.1.1. Объект испытаний 59
3.1.2. Оборудование испытательного стенда 60
3.1.3. Контрольно-измерительное оборудование 61
3.1.4. Система топливоподачи з
3.1.5. Система зажигания 68
3.1.6. Система индицирования РПД 69
3.2. Установка с камерой сгорания постоянного объема 70
3.2.1. Оборудование установки с камерой сгорания постоянного объема 70
3.2.2. Регистрация распространения пламени в камере сгорания постоянного объема 73
3.3. Заключение по главе 75
4. Верификация математической модели и теоретические исследования влияния добавок свободного водорода на процесс сгорания в РПД 76
4.1. Верификация математической модели 76
4.1.1. Экспериментальное определение влияния добавок свободного водорода на нормальную скорость сгорания 76
4.1.2. Результаты сопоставления расчетных и экспериментально полученных индикаторных диаграмм 79
4.2. Минимально необходимое количество водорода на различных режимах работы РПД 80
4.3. Исследование влияния добавки водорода на полноту сгорания при расслоении добавки по объему рабочей камеры 85
4.4. Заключение по главе 88
5. Экспериментальные исследования влияния добавок свободного водорода на показатели РПД ВАЗ - 311 90
5.1. Влияние добавок водорода на топливную экономичность 90
5.2. Влияние добавки водорода на экологические показатели РПД
5.2.1. Режим холостого хода 94
5.2.2. Нагрузочный режим работы РПД
5.3. Влияние добавки водорода на межцикловую неидентичность процесса сгорания 101
5.4. Влияние фазированной подачи водорода на экономичность и экологические показатели РПД 105
5.5. Заключение по главе 108
Заключение 110
Список литературы
- Теплофизические свойства водорода
- Моделирование длительности формирования начального очага в предкамере свечи зажигания
- Система зажигания
- Результаты сопоставления расчетных и экспериментально полученных индикаторных диаграмм
Введение к работе
Актуальность темы. Роторно-поршневые двигатели (РПД) Ванкеля имеют преимущества перед поршневыми двигателями с возвратно-поступательным движением поршней по удельным показателям мощности, металлоемкости, уравновешенности, трудоемкости изготовления, однако несколько проигрывают по расходу топлива и содержанию токсичных компонентов в отработавших газах. Последним, в частности, объясняется то, что РПД Ванкеля практически не используют на автомобилях, хотя для других областей применения в мире производят широкий спектр двигателей этого типа различной мощности.
Показатели РПД можно улучшить, увеличив скорость распространения пламени при сгорании топлива. Из опыта, накопленного преимущественно для поршневых двигателей, известно положительное влияние добавок свободного водорода на скорость и полноту сгорания углеводородных топлив. Можно с уверенностью предполагать, что в РПД добавки водорода могут быть ещё более эффективными, чем в поршневых ДВС, и позволят в значительной мере устранить один из недостатков РПД, а именно, недогорание топливовоздушной смеси, обусловленное особенностями процесса распространения пламени в камерах сгорания двигателей этого типа. Улучшение топливной экономичности и экологических показателей РПД Ванкеля за счет добавок свободного водорода к основному топливу может сделать этот тип двигателя более конкурентоспособным не только в качестве силовых установок маломерных судов и легкомоторной авиации, но и в качестве силовых установок мобильных наземных машин.
Цель диссертационной работы заключается в повышении топливной экономичности и снижении содержания несгоревших углеводородов в отработавших газах РПД Ванкеля за счет использования добавок свободного водорода к основному углеводородному топливу.
Задачи исследования:
-
разработать математическую модель рабочего процесса РПД, позволяющую исследовать процесс распространения пламени в камере РПД с учетом добавки свободного водорода к основному топливу;
-
оборудовать лабораторную установку с камерой сгорания постоянного объема и экспериментально определить зависимость нормальной скорости распространения ламинарного фронта пламени от величины добавки свободного водорода в основную топливовоздушную смесь;
-
оборудовать стенд для испытаний РПД, работающего с добавками свободного водорода к основному топливу;
-
провести теоретические исследования влияния добавок свободного водорода на процесс распространения пламени в камере РПД для определения необходимой величины добавки свободного водорода для полного сгорания топли-вовоздушной смеси и изучить возможность уменьшения величины требуемой добавки за счет фазирования момента подачи водорода;
5) провести испытания РПД Ванкеля, работающего с добавками свободного водорода в основную бензовоздушную смесь, в том числе с фазированием момента начала подачи водорода относительно начала процесса впуска.
Методы исследования. Теоретические исследования влияния добавок водорода к основному углеводородному топливу на процесс сгорания в РПД Ван-келя с помощью математического моделирования распространения турбулентного пламени. Экспериментальные исследования на установке с камерой сгорания постоянного объема с целью получения необходимых для математического моделирования данных и стендовые испытания РПД Ванкеля с целью проверки результатов теоретических исследований.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются использованием фундаментальных положений термодинамики, теории ДВС при моделировании рабочего процесса РПД Ванкеля, подтверждением результатов моделирования экспериментальными данными. Экспериментальные данные получены с применением современного измерительного и газоанализи-рующего оборудования, в том числе с использованием системы индицирования фирмы Kistler.
Объект исследований. Односекционный роторно-поршневой двигатель ВАЗ-311 Волжского автомобильного завода.
Научная новизна работы. Впервые теоретически и экспериментально изучено влияние добавок свободного водорода в основную бензовоздушную смесь на показатели РПД Ванкеля при его работе на режимах частичных нагрузок и холостого хода. Определено минимально необходимое количество добавки водорода для полного сгорания топлива в РПД на различных режимах работы. Предложен и реализован способ расслоения топливовоздушного заряда по камере сгорания РПД с целью уменьшения величины добавки водорода, требуемой для полного сгорания основного топлива. Определены особенности влияния различных по величине добавок водорода на содержание продуктов неполного сгорания топлива в отработавших газах РПД при обеднении топливовоздушной смести.
Практическая ценность.
-
Разработанная математическая модель рабочего процесса РПД Ванкеля с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, учитывающая использование добавок водорода, является инструментом для поиска путей снижения неполноты сгорания топливовоздушной смеси.
-
Использование добавок водорода может быть применено для улучшения показателей РПД по топливной экономичности и экологичности.
Положения, выносимые на защиту:
– математическая модель, учитывающая влияние добавок свободного водорода на процесс распространения пламени по камере сгорания РПД;
– результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода на нормальную скорость распространения пламени исходной топливовоздушной смеси, проведенных на камере сгорания постоянного объема;
– результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода на удельный эффективный расход топлива и выбросы продуктов неполного сгорания РПД Ванкеля на режимах холостого хода и частичных нагрузок;
– способ фазированной подачи водорода в РПД Ванкеля на такте впуска, обеспечивающий сокращение его расхода.
Реализация результатов работы. Материалы работы используются в учебном процессе для подготовки бакалавров и магистров направления 23.03.01 «Технология транспортных процессов», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и 43.03.01 «Сервис» при изучении дисциплин «Экология автомобильного транспорта» и «Газобаллонное оборудование автомобилей».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и одобрены на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета, г. Волгоград 2012–2016 гг.; международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», г. Волгоград 2013 г.; межрегиональном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность», г. Волгоград 2014 г.; IV международной научно-технической конференции «Резниковские чтения», г. Тольятти, 2015 г.; всероссийской научно-техничной конференции для молодых учёных и студентов с международным участием, г. Пенза, 2015 г.; 2-ой молодёжной научно-практической конференции «Молодые учёные – альтернативной транспортной энергетике», г. Воронеж, 2015 г.; 2-ой Международной научной конференции «Актуальные вопросы транспорта в современных условиях», г. Саратов, 2015 г.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 8 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК, получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 128 страниц машинописного текста, 44 рисунка и 3 таблицы. Список литературы составляет 128 наименований, из них 55 на английском языке.
Теплофизические свойства водорода
Процесс распространения пламени в РПД имеет ряд особенностей, обусловленных, в первую очередь, формой камеры сгорания. Вытянутая серповидная форма камеры сгорания (см. рис 1.1) увеличивает расстояние, которое необходимо пройти фронту пламени от свечи зажигания до вершин ротора. В результате вращения ротора в рабочей камере РПД создается однонаправленное движение топливовоздушного заряда, которое препятствует распространению фронта пламени от свечи зажигания в сторону задней, по ходу вращения, вершины ротора. В тоже время, направленное движение заряда способствует быстрому сгоранию топлива у передней вершины ротора.
Скорость распространения фронта пламени в камере сгорания как поршневого, так и роторно-поршневого двигателя зависит от интенсивности и масштаба турбулентных пульсаций [17, 55, 106]. В поршневых двигателях турбулентность генерируется в основном на такте впуска на границах впускной струи и в конце такта сжатия при перетекании заряда из надпоршневого пространства в камеру сгорания [55, 77]. В РПД впускной клапан отсутствует и заряд на такте впуска турбулизируется в меньшей степени, чем в ПД. Как было установлено в ходе исследований, проведенных в НАМИ Зиновьевым И. В. и Шатровым Е. В. [24, 25], дроссельная заслонка и впускной трубопровод не оказывают существенного влияния на параметры турбулентности в рабочей камере РПД. Не является мощным генератором турбулентности размещаемая в грани ротора относительно неглубокая выемка продолговатой в плане формы. В тоже время, как показывает опыт [21, 24, 25, 27], несмотря на отсутствие очевидных генераторов турбулентности распространение пламени в РПД происходит с большими скоростями, чем в поршневых двигателях. Этот факт объясняют влиянием на распространение пламени однонаправленного движения заряда, обусловленного вращением ротора. Перетекание заряда из задней, по направлению вращения ротора, части рабочей камеры в переднюю не только вызывает перемещение заряда в целом, но и является генератором дополнительной турбулентности вследствие неравномерного изменения локальных объемов в различных частях рабочей камеры. Вместе с тем, это однонаправленное движение заряда препятствует распространению фронта пламени в сторону задней, по направлению вращения, вершины ротора и создает, тем самым, условия для неполного сгорания топливовоздушной смеси.
Общирные экспериментальные исследования особенностей распространения пламени в камере сгорания РПД выполнил в НАМИ И. В. Зиновьев [24, 25]. Перемещение фронта пламени И. В. Зиновьев регистрировал с помощью семи фотодатчиков, установленных в той части статора, вдоль которой распространяется пламя. Опыты были проведены на РПД с одной свечой зажигания и из семи датчиков шесть располагались перед свечой зажигания, то есть фиксировали распространение пламени в сторону задней вершины ротора. Регистрация распространения фронта пламени была проведена на частотах вращения эксцентрикового вала от 1500 до 5500 мин-1. В результате экспериментов было обнаружено, что при всех исследуемых частотах вращения, кроме 1500 и 5500 мин-1, фронт пламени не достигал задней вершины ротора. При этом количество недогорающей около задней вершины ротора топливовоз-душной смеси оказывалась тем больше, чем выше была частота вращения эксцентрикового вала. На режимах с частотой вращения вала 5500 мин-1 в подавляющем большинстве циклов фронт пламени также не достигал задней вершины ротора. Однако в отдельных циклах сгорание оказывалось полным [24].
С нашей точки зрения, это могло быть следствием возникновения в этих циклах детонационного горения. Как известно из опыта на поршневых двигателях, детонация при высоких частотах вращения вала практически не проявляет себя характерным стуком, и наличие такой детонации без применения специальных средств установить сложно. При частотах вращения 1500 мин-1 скорость течения заряда в камере сгорания самая низкая и, следовательно, на распространение пламени в сторону задней вершины ротора отводится самый большой промежуток времени. Вместе с тем вполне вероятно возникновение при таких частотах вращения вала под нагрузкой детонационного сгорания, при котором скорость пламени резко возрастает. В своей работе И. В. Зиновьев [24] отмечает характерный для детонации звуковой эффект при указанной частоте вращения эксцентрикового вала.
Теоретические исследования процесса распространения пламени в камере сгорания РПД были выполнены в ВолгГТУ М. В. Дульгером [21] с помощью предложенной им математической модели, в которой учитывались скорость течения заряда, параметры турбулентности и различие в скоростях распространения пламени в продольном и поперечном направлениях на поверхности ротора. Пример полученной в результате такого моделирования картины распространения фронтов пламени в бензовоздушной смеси в камере сгорания РПД по отношению к передней и задней вершинам ротора для режима осредненного ездового городского цикла (п = 2000 мин , ре = 0,2 МПа) представлен на рис. 1.2. Как видно из рис. 1.2, к моменту выпуска (ц/ = 300 ПЭВ) фронт пламени не успевает достичь задней вершины ротора. Исходя из объема камеры сгорания, неохваченной пламенем, можно определить, что доля несгоревшей топливовоз-душной смеси составляет 8,5 % от всей массы заряда.
Моделирование длительности формирования начального очага в предкамере свечи зажигания
Математическая модель базируется на системе уравнений, включающей в себя уравнения сохранения энергии для каждой из трех зон свежего заряда и каждой из двух зон продуктов сгорания, уравнения сохранения масс и объемов, а также уравнения состояния идеального газа для каждой зоны.
В дифференциальной форме уравнения сохранения энергии записываются в следующем виде: для зон исходной топливовоздушной смеси: Кг dvm 1 „ dp dmm dQWui иі vui ui kui -1 d ku. -1 d d для зон продуктов сгорания: P "in =Cpui Ki , (2.1) kbj dVbj 1 dp dmbj dQ иУЫ 1 тг UP ( \ШПЪ, U\lWui Р — " УЬІ = 42 и Qdtss)— " къ -1 къ -1 dm b1 dm bj2 + CPUJ Tuj Г + Cpu(J+1) Tu(J+1) (2.2) Pu(j+1) u(j+1) —7 ( O где / = 1, 2, 3 – номер зоны исходной топливовоздушной смеси; j = 1, 2 - номер зоны продуктов сгорания; р - давление в рабочей камере РПД; Vui, mui и Vbj, mbj - соответственно объемы и массы z-ой зоны исходной топливовоздушной смеси и7-ой зоны продуктов сгорания; Тш - температура соответствующей зоны исходной топливовоздушной смеси. угол поворота ротора; - угловая скорость вращения ротора; Qu - теплота сгорания топливовоздушной смеси; Qw и Qdiss - соответственно потери теплоты в стенки камеры сгорания и на диссоциацию; к и ср- соответственно показатель адиабаты и теплоемкость. Уравнение сохранения объемов в дифференциальной форме: 3— + 2—bJ = М, (2.3) 1 d 1 d d где Vz– объем всей камеры сгорания при текущем положении ротора. Предполагается отсутствие утечек заряда через уплотнительные элементы ротора, в результате чего масса смеси в рабочей полости двигателя считается фиксированной и определяется, исходя из уравнения сохранения массы: 3 2 jmui + Y mbij = Ша, (2.4) 2=1 2=1 7=1 где ma - общая масса заряда в рабочей камере двигателя. Уравнения состояния для зон исходной топливовоздушной смеси и продуктов сгорания: р -Vu = mu Ru -Ти, (2.5) p Vjj = mjj Tjj. (2.6) Система уравнений (2.1) - (2.6) решается относительно неизвестных функций методом Рунге-Кутта. При этом увеличение массы продуктов сгорания и соответственно уменьшение массы свежего заряда определяются путем моделирования процесса перемещения турбулентного пламени.
В данной работе для описания процесса сгорания в рабочей камере РПД применяется модель «погружения» [91, 106], подробно описанная в работе М.В. Дульгера [21] и основанная на концепциях К.И. Щелкина [71] и А. С. Соколика [57] о механизме турбулентного распространения пламени.
Модель предполагает, что движение передней границы фронта пламени полностью определяется характеристиками турбулентности в набегающем потоке газа. В результате погружения во фронт пламени турбулентных молей характерного масштаба передняя граница пламени движется со скоростью we относительно исходной топливовоздушной смеси и принимается как сглаженная поверхность, огибающая максимально выступающие очаги пламени. Сгорание этих молей в охваченном пламенем объеме свежей смеси происходит по поверхностному механизму с ламинарной скоростью wn. При этом выгорание молей свежего заряда по глубине зоны горения происходит по экспоненциальному закону: z и = е Weh, (2.7) где м - доля исходной топливовоздушной смеси за фронтом пламени; z - глубина зоны горения; ъ - продолжительность выгорания исходной топливовоздушной смеси. Ширина зоны турбулентного горения зависит от времени выгорания свежего заряда ъ и скорости его погружения во фронт пламени we, которая определяется исходя из минимальной регистрируемой доли свежего заряда Х0: Ьп = Т0и\п —. (2.8) Х0 При моделировании распространения турбулентного пламени определяются мгновенные значения массы и объема продуктов сгорания в рабочей полости РПД. При этом используется прием условного «собирания вместе» как продуктов сгорания, так и свежего заряда, находящихся за фронтом пламени. Поверхность, которая разделяет продукты сгорания и свежую топливовоздуш-ную смесь, называется границей зоны продуктов сгорания. Расстояние между границами зон продуктов и свежего заряда определяется следующим образом: bf = web . (2.9)
Из сравнения соотношений (2.8) и (2.9) следует, что Ът Ь0, в результате чего об изменении ширины зоны турбулентного пламени можно судить по величине bf. Размер сгорающих молей при этом соответствует микромасштабу Тейлора t, который в свою очередь пропорционален интегральному масштабу турбулентности Lt [32, 106]: L t 7=, (2.10) /ReL где ReL - число Рейнольдса, определяющее режим течения заряда в рабочей камере. Интегральный масштаб турбулентности пропорционален высоте камеры сгорания, которая меняется в зависимости от положения ротора и угловой координаты относительно поверхности ротора: Lt nc= , (2.11) Н где F(\/,r) - площадь поперечного сечения камеры; //- ширина ротора. Поэтому величина интегрального масштаба турбулентности определяется для каждого сечения рабочей камеры. Скорость погружения молей тейлоровского масштаба для каждой полузоны определяется по формуле: we(ij) = wij + wn(i+j-i) (2-12) где /=1,2; j= 1,2; w - интенсивность турбулентных пульсаций для //-ой полузоны; wn - скорость распространения ламинарного пламени свежей смеси на границе //-ой полузоны. Характерное время хь выгорания турбулентных молей находится следующим образом: tb(ij) = (2ЛЗ) W n{i + j-\) Исходя из найденного значения хй(у), скорость выгорания топливовоз-душной смеси во фронте пламени находится по формуле: (Ю_ ю УЮ (2.14) ch\f ю т%) где те/у\ - масса свежего заряда, погружаемого во фронт пламени на границе //-ой полузоны; wib(jj) масса продуктов сгорания в //-ой полузоне.
С целью определения массы заряда, погруженной во фронт пламени е(у), предварительно определяется скорость погружения исходной смеси во фронт пламени на границе //-ой полузоны: dme(ij) Pu(i+i-l) Af(ij) \ц + wn(i+i-l)) w _ \ L / ЛА± J } 1 (2.15) (Щ Ю где н(г+7_1) и wn(i+j_1 - соответственно плотность и нормальная скорость распространения ламинарного пламени исходной смеси, граничащей с соответствующей полузоной; Af(jj) v и w\i - площадь фронта пламени и интенсивность турбулентных пульсаций соответствующей полузоны.
Система зажигания
Особенностью воспламенения рабочей смеси в РПД является то, что свечи зажигания расположены в предкамерах, которые соединяются с основной камерой сгорания каналами круглого или прямоугольного сечения. Начальный очаг формируется в предкамере, а воспламенение основной массы топливовоздушной смеси осуществляется высокотемпературным факелом горящих газов, истекающим из предкамеры в рабочую полость.
Условия сгорания в предкамерах заметно отличаются от таковых в основной камере сгорания РПД. Во-первых, повышенное содержание остаточных газов вследствие затрудненной вентиляции предкамер. Во-вторых, в предкамерах меньше как интенсивность турбулентных пульсаций, так и их масштаб. Указанные отличия в параметрах турбулентности обусловлены большей температурой и, соответственно, вязкостью рабочей смеси в предкамере, а также условиями формирования турбулентных пульсаций на границах струи при перетекании рабочей смеси из основной камеры сгорания в предкамеру.
Размеры предкамеры существенно превышают диаметр начального очага горения, при котором этот очаг приобретает способность самостоятельно развиваться без подвода энергии от искрового разряда. Согласно известным данным [28, 30] минимально необходимый для дальнейшего устойчивого развития диаметр начального очага равен в бензовоздушных стехиометрических смесях примерно 2 мм и в сильно обедненных смесях достигает 5 мм. В связи с указанным соотношением размеров период индукции в рассматриваемой модели представлен последовательностью двух стадий: стадии формирования собственно начального очага горения и стадии распространения пламени на весь объем предкамеры. Длительность первой стадии практически не зависит от характеристик турбулентного поля в камере сгорания и в основном определяется соотношением между энергией, выделяющейся в реагирующем объеме вследствие экзотермической реакции, и энергией, теряемой из-за отвода теплоты в электроды и свежую смесь. Во второй стадии начального периода сгорания происходит распространение пламени в условиях мелкомасштабной турбулентности.
Для бензовоздушных смесей близкого к стехиометрическому состава можно предполагать, что соотношение длительности указанных выше двух стадий процесса формирования начального очага будет находиться примерно в постоянном соотношении. Исходя из этого, Дульгер М. В. [21] использовал для определения длительности всего периода индукции выражение для длительности его второй стадии - стадии распространения фронта пламени от начального очага на весь объем предкамеры: где со - угловая скорость вращения ротора; wn0 - нормальная скорость распространения пламени при стандартных условиях; p, Tu- соответственно давление и температура заряда в предкамере в момент начала искрообразования на электродах свечи зажигания; qu - удельная теплота сгорания топливовоздушной смеси.
Множитель С2 в формуле (2.27) больше единицы и учитывает насколько общая продолжительность периода индукции превышает длительность его второй стадии. Для фиксированных формы и размеров предкамеры, типа системы зажигания, межэлектродного зазора, формы электродов множитель С2 оказывается постоянной величиной.
При искровом зажигании в предкамере РПД бензоводородовоздушных смесей соотношение длительностей первой и второй стадий периода индукции меняется в зависимости от содержания водорода. Длительность первой стадии, для которой химическая активность водорода и его каталитическое действие на процесс воспламенения играет более важную роль, чем для стадии распространения турбулентного пламени, сокращается с увеличением доли водорода быстрее, чем длительность второй стадии.
Для того чтобы учесть в математической модели отмеченную особенность влияния добавок водорода на начальный период процесса сгорания в РПД, в выражение (2.27) предложено ввести дополнительный множитель КH , представляющий собой некоторую функцию от величины добавки водорода. Вид этой функции был определен на основе обработки индикаторных диаграмм, полученных нами для одного и того же режима работы РПД на стехио-метрических топливовоздушных смесях с различными по величине добавками водорода.
Как было отмечено выше, каждый факел пламени, истекающий из предкамеры, образует центр воспламенения, от которого пламя распространяется в продольном и поперечном направлениях по поверхности ротора. При вращении ротора положение центров воспламенения относительно поверхности ротора остается неизменным.
Влияние добавок водорода на величину нормальной скорости сгорания топливовоздушной смеси wn0 учитывали пересчетом нормальной скорости распространения пламени в исходной углеводородовоздушной смеси по формуле wn0 = wnCH (1 - gH2) + шпH2 gH2, (2.32) где wnCH , wnH - нормальные скорости пламени углеводородного топлива и чистого водорода; еH - величина массовой добавки водорода. Основанием для о 2 применения формулы (2.32), то есть, по сути дела, аддитивного принципа определения нормальной скорости распространения пламени в топливовоздушной смеси основного топлива с водородом, послужили результаты проведенных нами экспериментальных исследований в камере сгорания постоянного объема [61, 73]. Подробное описание этих экспериментов, их методики и результатов будет дано в последующих главах.
Эксперименты были проведены с добавками водорода к пропанобутано-воздушным смесям, однако учитывая, что различные углеводородовоздушные смеси имеют схожий характер изменения ламинарной скорости в зависимости от коэффициента избытка воздуха [15], а пропано-бутановая смесь и бензин как разновидности углеводородного топлива близки по своим свойствам, можно предположить, что установленный для пропан-бутановой композиции с добавками водорода принцип аддитивности будет также справедлив при использовании в качестве основного топлива бензина.
Значения нормальной скорости распространения ламинарного пламени в углеводородовоздушных и водородовоздушных смесях в зависимости от коэффициента избытка воздуха представлены на рис. 2.4.
Результаты сопоставления расчетных и экспериментально полученных индикаторных диаграмм
Индицирование роторно-поршневого двигателя является сложной задачей. С целью получения полной картины изменения давления в рабочей камере РПД необходимо использовать минимум три датчика давления, расположенные в различных частях статора. Однако для исследования влияния добавок водорода на процесс сгорания в РПД достаточно использовать один датчик давления, установленный в непосредственной близости ВМТ.
В данном исследовании для индицирования РПД использовался неохлаждаемый пьезоэлектрический датчик-свеча фирмы Kistler (тип 6118В), установленный на место лидирующей свечи «L». Сигнал с датчика поступал на блок усилителей, общий вид которых представлен на рис. 3.8.
В процессе проведения опытов контролировался «дрейф нуля» усилителя. После усиления сигнал с датчика давления поступал на один канал аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а другие каналы АЦП поступали сигналы с датчика ВМТ и датчика момента подачи искры на свечу зажигания «T». Полученные сигналы записывались и обрабатывались на персональном компьютере с помощью программного обеспечения Power Graf Analysis и Microsoft Excel. Таким образом, в связи с особенностью конструкции РПД запись давления в камере сгорания осуществлялась в пределах от 285о перед ВМТ до 90о после ВМТ по углу поворота эксцентрикового вала. Пример записи сигналов представлен на рис. 3.9.
Для экспериментального определения значения нормальной скорости распространения ламинарного пламени в углеводородовоздушных смесях с добавками свободного водорода была использована лабораторная установка с камерой сгорания постоянного объема, общий вид которой изображен на рис. 3.10. Схема установки представлена на рис. 3.11. Она оснащена необходимой контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, а также системой для подачи топливовоздушной смеси и удаления продуктов сгорания. Воспламенение топливовоздушной смеси осуществлялось свечой зажигания. При этом специальная лабораторная система зажигания позволяла варьировать силу тока (I = 25 … 400 мА) и длительность электрического разряда ( = 0,2 … 8 мс). Давление топливовоздушной смеси перед ее воспламенением в камере сгорания во всех случаях равнялось атмосферному.
С целью исключения влияния на результаты экспериментов погрешностей индивидуального дозирования топлива и воздуха, топливовоздушные смеси различного состава приготовлялись в отдельных баллонах, как показано на рис. 3.12. Баллон для топливовоздушной смеси перед заправкой предварительно вакуумировался с помощью вакуумного насоса, затем последовательно заполнялся до необходимого давления основными компонентами. Состав топли-вовоздушной смеси задавался соотношением величин парциальных давлений пропан-бутана, водорода и воздуха. Заправленный баллон выдерживался несколько суток для получения однородной топливовоздушной смеси.
Распространение фронта пламени по объему камеры сгорания регистрировалось с помощью двух ионизационных датчиков, сигналы которых через усилители поступали на вход цифрового запоминающего осциллографа. Значение видимой скорости Wjy распространения пламени вычислялось делением разности расстояний от источника зажигания до каждого ионизационного датчика на разность интервала времени появления сигналов на каждом из датчиков. Пример записи сигналов с ионизационных датчиков представлен на рис. 3.13. Такая методика исключает влияние процесса образования начального очага горения на результат определения видимой скорости сгорания w . Отсутствие такого влияния было подтверждено серией специальных экспериментов, в которых регистрировалась видимая скорость распространения пламени при одном и том же составе топливовоздушной смеси, но при различных параметрах электрического разряда (/, ). Известно [30, 106], что параметры разряда влияют на длительность процесса образования начального очага горения. Как показали указанные эксперименты, варьирование параметров электрического разряда свечи не влияло на величину регистрируемой видимой скорости сгорания.