Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1. Актуальность проблемы применения природного газа как моторного топлива 10
1.2. Способы использования природного газа в современных двигателях транспортных машин и имеющиеся проблемы 13
1.3. Способы интенсификации процесса сгорания в газовых двигателях 17
1.4. Начальная фаза сгорания и способы ее интенсификации в обедненных газовоздушных смесях 22
1.4.1. Влияние параметров искрового разряда на развитие начальной фазы сгорания 24
1.4.2. Расслоение заряда как способ ускорения развития начальной фазы сгорания 28
1.5. Использование математического моделирования для исследования образования и развития начального очага горения 33
1.6. Основные задачи исследования 34
Глава 2. Одномерная четырехзонная математическая модель процесса искрового воспламенения метановоздушной смеси при ее локальном обогащении в области электродов свечи зажигания 36
2.1. Особенности математической модели и принятые допущения 36
2.2. Моделирование состава трехкомпонентной смеси с учетом режима работы форсунки, впрыскивающей горючий газ ... 40
2.3. Основные уравнения модели 43
2.4. Начальные и граничные условия 48
2.5. Выбор основных коэффициентов и констант, проверка модели на адекватность 50
2.6. Выводы по главе 55
Глава 3. Теоретические исследования процесса искрового воспламенения метановоздушнои смеси с учетом ее локального обогащения в зоне зажигания 56
3.1. Влияние вида локально подаваемого газа на состав горючей смеси в области электродов свечи зажигания 56
3.2. Влияние вида локально подаваемого горючего газа на структуру фронта пламени метановоздушной смеси 59
3.3. Влияние локального обогащения смеси в зоне электродов свечи зажигания на динамику развития НО горения и характер выхода горения на стационарный режим 65
3.4. Влияние локальных добавок горючих газов на энергетический баланс начального очага горения 70
3.5. Способы форсирования начального очага в сравнении с локальным расслоением топливовоздушной смеси 75
3.6. Влияние режима работы форсунки на время развития начального очага горения 78
3.7. Теоретическое исследование процесса смешения с основной метановоздушной смесью горючих газов, подаваемых в локальную область электродов свечи зажигания 83
3.8. Влияние локальных добавок горючих газов на развитие начального очага пламени при изменении состава метановоздушной смеси 86
3.9. Выводы по главе 88
Глава 4. Экспериментальные установки и методики исследования 91
4.1. Экспериментальная установка с камерой сгорания постоянного объема 91
4.1.1. Камера сгорания постоянного объема 92
4.1.2. Лабораторная система зажигания 94
4.1.3. Регистрация процессов воспламенения и горения... 94
4.1.4. Узел для подачи горючего газа в область межэлектродного зазора 96
4.1.5. Методика работы с установкой 99
4.2. Экспериментальная установка для изучения особенностей факелов горючего газа, подаваемого в область электродов свечи зажигания, и методика работы с установкой 104
4.3. Выводы по главе 106
Глава 5. Экспериментальное исследование процесса сгорания смесей природного газа с воздухом при локальных добавках горючего газа в область электродов свечи зажигания 107
5.1. Результаты экспериментальных исследований влияния локального обогащения топливовоздушной смеси на начальную фазу и последующий процесс сгорания 108
5.1.1. Влияние вида локально подаваемого горючего газа на развитие начальной фазы сгорания смеси природного газа с воздухом 108
5.1.2. Влияние вида локально подаваемого горючего газа на развитие процесса сгорания в смеси природного газа с воздухом 112
5.1.3. Влияние перепада давлений на воспламенение впрыскиваемого газа (визуальное исследование) 117
5.2. Влияние на развитие начальной фазы и всего процесса сгорания различных факторов, не учтенных в математической модели 124
5.2.1. Влияние конструкции узла для подачи горючего газа в область электродов свечи зажигания на процесс воспламенения и сгорания смеси природного газа с воздухом 124
5.2.2. Совместное влияние момента подачи высокого напряжения на свечу зажигания, продолжительности и давления локальной подачи разных горючих газов на процесс сгорания смеси природного газа с воздухом 126
5.2.3. Влияние параметров искрового разряда на процесс воспламенения смеси природного газа с воздухом при локальном обогащении зоны межэлектродного зазора свечи зажигания горючими газами 132
5.3. Особенности процесса сгорания турбулизированных смесей природного газа с воздухом и смесей, забалластированных остаточными газами 137
5.4. Влияние локального обогащения зоны электродов свечи зажигания на межцикловую нестабильность процесса сгорания смеси природного газа с воздухом 139
5.5. Выводы по главе 142
Глава 6. Теоретическое изучение влияния локальных добавок горючего газа в область электродов свечи зажигания на индикаторные показатели газового ЛВС 145
6.1. Исходные положения математической модели рабочего процесса ДВС и система основных уравнений 145
6.2. Определение параметров в уравнении Вибе 148
6.3. Результаты расчетов индикаторных показателей газового ДВС с учетом локального обогащения зоны электродов свечи зажигания метаном 150
6.4. Выводы по главе 153
Основные результаты и выводы 154
Литература 157
- Влияние параметров искрового разряда на развитие начальной фазы сгорания
- Моделирование состава трехкомпонентной смеси с учетом режима работы форсунки, впрыскивающей горючий газ
- Влияние вида локально подаваемого горючего газа на структуру фронта пламени метановоздушной смеси
- Влияние вида локально подаваемого горючего газа на развитие процесса сгорания в смеси природного газа с воздухом
Введение к работе
В настоящее время стала очевидной перспективность использования природного газа в качестве альтернативного моторного топлива для автотранспортных средств (АТС). Последнее обусловлено рядом важных преимуществ этого топлива перед бензином и дизельным топливом: низкая стоимость, развитая добыча, доступность во многих регионах мира. Кроме того, природный газ имеет преимущества перед традиционными видами топ-лив с точки зрения выбросов вредных веществ в атмосферу. В связи с этим в США, Японии, Великобритании, Аргентине, Австралии приняты дорогостоящие программы по использованию природного газа на транспорте. 20 января 1999 года Госдума РФ, приняв в первом чтении законопроект "Об использовании природного газа в качестве моторного топлива", также одобрила перевод АТС на газ.
На сегодняшний день природный газ нашел наиболее широкое применение в двигателях с воспламенением топливовоздушной смеси электрической искрой. При этом отмечается снижение мощности ДВС, обусловленное, в частности, меньшей скоростью сгорания смесей природного газа с воздухом. При обеднении этих смесей скорости их сгорания быстро уменьшаются, что не позволяет в полной мере использовать одно из важных достоинств природного газа - широкие пределы воспламенения.
Выяснению возможностей ускорения процесса сгорания смесей природного газа с воздухом в ДВС с принудительным искровым зажиганием посвящена данная диссертационная работа.
В настоящее время можно считать установленным, что важнейшую роль в формировании всего процесса сгорания играет его начальная фаза. По мере обеднения смеси природного газа с воздухом продолжительность начальной фазы может увеличиться в пять раз. Это приводит к росту продолжи-
тельности сгорания несмотря на то, что продолжительность основного периода сгорания меняться незначительно. Многочисленные исследования по-
' казывают, что любые меры, обеспечивающие ускоренное развитие начально-
го очага (НО), способствуют ускорению всего процесса сгорания, позволяют сократить пропуски воспламенения, снизить межцикловую нестабильность и, тем самым, повысить эффективность работы двигателя.
В связи со сказанным основное внимание в диссертации сосредоточено на изучении возможности ускорения развития начального очага горения смесей природного газа с воздухом за счет разработанной в ВолгГТУ организации рабочего процесса ДВС. Существо этой организации заключается в локальном обогащении топливовоздушной смеси в области межэлектродного зазора свечи зажигания. В отличие от ранее проведенных исследований в настоящей работе это достигается подачей в область межэлектродного зазора метана при использовании этого же газа в качестве основного топлива.
Для теоретического анализа такого способа организации рабочего процесса была разработана четырехзонная сферическая центральносимметрич-ная математическая модель искрового воспламенения смеси метана с воздухом при локальных добавках в область электродов свечи зажигания различных горючих газов, с учетом режима работы форсунки, впрыскивающей этот газ. С помощью модели проведено теоретическое исследование воздействия различных добавок на формирование трехкомпонентной смеси, структуру
* фронта пламени, динамику формирования НО горения, характер выхода го-
рения на стационарный режим, нормальную скорость сгорания.
Модель также позволила провести сравнительный анализ влияния на развитие начального очага горения как локального обогащения зоны электродов свечи зажигания, так и форсирования энергии емкостной и индуктивной фазы искрового разряда и повышения степени сжатия.
Кроме того, использование при теоретическом анализе модели индикаторного процесса ДВС, разработанной ранее на кафедре "Теплотехника и гидравлика" ВолгГТУ и адаптированной с учетом задачи исследования, позволило оценить влияние локального обогащения зоны электродов свечи горючим газом на индикаторные показатели газового ДВС.
Для опытной проверки справедливости результатов теоретического анализа были проведены экспериментальные исследования как в камере сгорания постоянного объема, оснащенной необходимой дозирующей, регулирующей и измерительной аппаратурой, так и на установке для визуальной регистрации факелов горючих газов.
Экспериментальные исследования подтвердили справедливость основных результатов теоретического анализа. Кроме того, эксперименты позволили установить ряд факторов, влияющих на воспламенение и горение локально обогащенной метановоздушной смеси, но не учтенных при математическом моделировании.
Работа выполнялась на кафедре "Теплотехника и гидравлика" Волгоградского государственного технического университета в период с 1999 по 2003 гг.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Злотину Григорию Наумовичу и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Захарову Евгению Александровичу за неоценимую организационную помощь и поддержку. Автор признателен доктору технических наук, профессору Федянову Евгению Алексеевичу за ценные консультации, помощь и поддержку, кандидату технических наук, доценту Шумскому Сергею Николаевичу за наладку и ремонт электронной экспериментальной аппаратуры, а также всем сотрудникам кафедры, содействовавшим выполнению настоящей работы.
Влияние параметров искрового разряда на развитие начальной фазы сгорания
Известно много работ, посвященных изучению влияния параметров искрового разряда на развитие начальной фазы сгорания [6, 30, 62, 69, 83, 103, 104, 107 и др.].
Самым простым способом форсирования начальной фазы сгорания является увеличение межэлектродного зазора свечей, что увеличивает поверхность контакта искрового канала с зажигаемой смесью и приводит к повышению воспламеняющей способности искры. Очаг начинает развиваться от больших начальных размеров, что способствует ускоренному развитию пламени [6, 65, 69, 100].
Наибольший эффект как в случае воспламенения бензовоздушных, так и в случае воспламенения метановоздушных смесей, достигается при увеличении зазора от 0,6 до 0,9-1,2 мм. Дальнейшее его увеличение приводит к росту величины пробивных напряжений и увеличению потребляемой энергии, а также к снижению устойчивости очага по отношению к турбулентным пульсациям. На рис. 1.3 показано влияние размера искрового промежутка на радиус возбужденного объема в метановоздушной смеси [62].
По сей день ведутся споры о роли отдельных фаз искрового разряда в форсировании развития начальной фазы сгорания. Одни исследователи определяющей считают энергию, выделяющуюся в индуктивной фазе разряда. Другие усиление роли искрового разряда в формировании начальной фазы связывают с энергией емкостной фазы разряда. Третьи считают, что параметры искрового разряда вообще не оказывают влияния на инициирование процесса сгорания.
Мнения о преимущественной роли емкостной фазы разряда придерживаются R. Maly, W. Herden, В. Saggau и др [62, 90, 113]. Такой вывод ими сделан исходя из того, что при зажигании искрой топливовоздушной смеси пламя в НО появляется еще до окончания пробоя искрового промежутка. В качестве дополнительного аргумента в пользу емкостной фазы разряда приводятся результаты экспериментов, в которых сравнивались объемы НО при поджигании смеси в первом случае чисто емкостным разрядом, во втором -разрядом, имевшим индуктивную фазу. Общая энергия искры была в обоих случаях одинаковой (порядка 30 мДж). Результаты экспериментов показали, что при зажигании емкостным разрядом объем НО оказывается больше.
Противоположной точки зрения на выбор параметров искровых разрядов придерживаются В. Балагуров, А.Воинов, М. Dulger, Sher и др [5, 13, 33, 44, 69]. На основании проведенных исследований они утверждают, что искровой разряд с одной лишь емкостной фазой всегда обладает худшей воспламеняющей способностью, чем разряд, содержащий индуктивную фазу. Так, например, в работе [82] энергия индуктивной фазы при воспламенении обедненной топливовоздушной смеси изменялась за счет различных сочетаний тока и длительности разряда. При этом было установлено, что для стабильного воспламенения смеси состава а-1,6 в условиях ДВС необходима сила тока 400 мА и продолжительность индуктивной фазы разряда 4мс.
В работе [62] делается попытка объяснить такое противоречие. Когда энергии емкостной фазы разряда достаточно для развития незатухающего начального очага горения, а это происходит в основном при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси, энергия, подводимая в индуктивной фазе разряда, расходуется лишь на нагрев уже сгоревшей смеси. В то же время, энергия индуктивной фазы может стать определяющим фактором в случае обеднения топливной смеси, когда энергия емкостной фазы разряда недостаточна для обеспечения саморазвивающегося НО.
По мнению автора работы [30], механизм влияния энергии индуктивной фазы разряда заключается лишь в блокировании теплоотвода в электроды свечи зажигания, что препятствует образованию около них значительных температурных градиентов. Связано это с тем, что перенос энергии индуктивной фазы разряда во фронт пламени, осуществляемый теплопроводностью и диффузией, протекает слишком медленно для того, чтобы обеспечить за время развития НО передачу во фронт пламени сколько-нибудь значительных количеств энергии. В результате возможности ускорения развития начального очага горения за счет форсирования параметров искрового разряда невелики. В работах по воспламенению топливовоздушной смеси [69] установлено, что очаг чувствителен к подпитке до тр=2-3 мс.
Таким образом, в настоящее время большинство исследователей склоняются к выводу о том, что воспламеняющая способность искры существенно зависит от закона выделения энергии, причем эта зависимость усиливается по мере обеднения топливной смеси. Поэтому, например, в работе Адельмана [70] выделение энергии в 40 мДж за время менее 1 мкс не приводит к зажиганию, в то время как разряд с энергией 28 мДж, выделяющийся в течении 1 мс, обеспечивает успешное зажигание той же смеси.
Многими исследователями отмечается, что из-за малой активности природного газа, заметное форсирование воспламенения газовоздушной смеси происходит при применении высокоэнергетических систем зажигания. Так, например, исследования, проводимые в Ташкентском автомобильно-дорожном институте, показали, что для оптимальной работы газового двигателя при стехиометрических составах смеси необходимо использовать одиночный разряд с энергией 180-190 мДж. При этом длительность индуктивной фазы, также как и в бензиновом ДВС, должна быть более 2 мс [4].
Однако, вопрос о влиянии энергии и параметров емкостной и индуктивной фаз искрового разряда на процесс сгорания в газовом двигателе, на наш взгляд, еще недостаточно изучен даже для традиционной системы организации рабочего процесса. Тем более нет сведений о влиянии характеристик искрового разряда на развитие начального очага горения при локальном обогащении смеси в области межэлектродного зазора свечи зажигания.
Моделирование состава трехкомпонентной смеси с учетом режима работы форсунки, впрыскивающей горючий газ
Некоторыми специалистами, в том числе отечественными [1,13], для расслоения рабочей смеси предлагается использовать форкамерно-факельное зажигание, при котором воспламенение основной обедненной части смеси происходит факелом горящей обогащенной смеси, вытекающей из форкаме-ры, где она поджигается электрической искрой.
В работе [51] предлагается использовать форкамерно-факельное зажигание в двигателях, работающих на природном газе, что обеспечивает значительную интенсификацию процесса сгорания и позволяет двигателю работать на бедных смесях.
В работе [92] исследовано сгорание газовоздушной смеси при двухфазном впрыскивании форсункой природного газа. Это приводит к стабилизации процесса сгорания, снижает колебания индикаторного давления и обеспечивает эффективную работу двигателя при а=1,3-1,7. Интересными, на наш взгляд, представляются работы, связанные с подачей небольшого количества водорода туда, где он принес бы наибольший эффект, а именно в зону электродов свечи зажигания. Так, например в патенте США № 4 319 552 полый центральный электрод свечи зажигания объединен с устройством для электролиза воды. Получаемый в результате электролиза водород подается по каналу в центральном электроде. В авторском свидетельстве СССР № 1 368 936 между внутренней поверхностью корпуса и изолятором свечи зажигания размещено кольцо из порошка гидрида металла. Нагреваясь в процессе работы двигателя, гидрид выделяет водород, который поступает в искровой зазор.
В патенте России № 1828683 на разработанный в ВолгГТУ рабочий процесе двигателя подача малых доз водорода в область межэлектродного зазора осуществляется по каналу в корпусе свечи зажигания, конструктивно объединенной с электромагнитной форсункой. При этом на впуске в цилиндры может поступать бедная бензовоздушная смесь. Исследования такого способа организации работы двигателя проводились при локальной подаче как водорода, так и пропана [20, 27].
Результаты исследований показали, что обогащенная водородом или пропаном вблизи электродов свечи бензовоздушная смесь, легко и надежно воспламеняется, горение быстро выходит на стационарный режим и охватывает большой объем, что позволяет существенно сократить продолжительность начальной фазы процесса сгорания и повысить его межцикловую стабильность. При этом существенно уменьшается общая энергия искрового разряда, необходимая для воспламенения топливовоздушной смеси.
Кроме того, добавки водорода и пропана влияют на эффективные показатели двигателя, что наиболее сильно проявляется на средних и малых нагрузках. Так, например, при добавке водорода в одноцилиндровый двигатель ВАЗ предел эффективного обеднения смеси на режиме ре=0,19МПа и холостом ходу составил соответственно 0Сэк==1,22 и аэк=1,4, а повышение топливной экономичности в тепловом эквиваленте на этих режимах составило 8% и 33% (аэк — эквивалентный коэффициент избытка воздуха с учетом добавки водорода). Качественно так же влияет локальное обогащение бензовоздуш-ной смеси в области межэлектродного зазора за счет подачи туда не водорода, а пропана. На рис. 1.4 показана регулировочная характеристика по составу смеси двигателя ВАЗ при локальной подаче пропана в область межэлектродного зазора свечи зажигания.
Специально для двигателей, работающих на природном газе, исследователями университета Виктория (США) была предложена импульсно-струйная система воспламенения сверхбедных смесей [73, 111]. Она состоит из обычной системы зажигания и быстродействующей форсунки для подачи горючего газа в межэлектродный зазор незадолго до искрообразования. В качестве горючего газа предлагается использовать метан и водород. Исследования проводились как в бомбе постоянного объема, так и на одноцилиндровом двигателе. Отмечается, что при подаче в зону электродов метана, скорость нарастания давления в бомбе остается такой же как и при подаче водорода, то есть скорость основного процесса сгорания не зависит от рода локально подаваемого газа. Однако, при локальном обогащении смеси метаном время формирования начального очага оказывается большим. Использование в двигателе импульсно-струйной системы позволило сократить по сравнению со стандартной системой зажигания продолжительность начальной фазы и длительность сгорания в целом. Причем этот эффект был тем сильнее, чем беднее топливовоздушная смесь. Удалось достичь устойчивой работы газового двигателя при а=1,7, в то время как с обычной системой зажигания эта величина составляла а=1,4. Как отмечают авторы, по своим характеристикам такая система воспламенения близка к плазменной, но требует значительно меньшей энергии разряда.
Недостатком импульсно-струйной системы зажигания, на наш взгляд, является большое расстояние между соплом форсунки и искровым зазором (10-20 мм), из-за чего впрыскиваемый форсункой горючий газ не весь достигает зоны электродов свечи зажигания. Для повышения эффективности использования добавок величина межэлектродного зазора была увеличена до 6 мм. При этом энергия искры была достаточно высокой и составляла 150 мДж, а ее продолжительность - 0,2 мс.
Несмотря на имеющиеся недостатки импульсно - струйной системы зажигания и малое число известных работ, связанных с локальным обогащением зоны электродов свечи, на наш взгляд, именно подобный подход в организации работы является достаточно простым и в то же время весьма эффективным способом форсирования процесса сгорания в двигателе, работающем на бедных смесях.
Влияние вида локально подаваемого горючего газа на структуру фронта пламени метановоздушной смеси
От величины коэффициента диффузии локальной добавки горючего газа зависит размер гш, т.е. чем выше диффузионные свойства добавки, тем меньше скорость изменения состава смеси по мере удаления от электродов свечи зажигания. Поэтому, если при локальной подаче водорода, обладающего наилучшими диффузионными свойствами, ее концентрация падает до нуля на расстоянии Гщ=7,2 мм от электродов свечи, то при подаче метана это расстояние уменьшается до Гщ=6,4 мм, а при подаче пропана - до 4,8 мм.
Таким образом, проведенный анализ показал, что от физических свойств локальных добавок горючих газов зависит характер изменения их концентрации в трехкомпонентной смеси. Это является одним из определяющих факторов для форсированного развития НО горения. Влияние вида локально подаваемого горючего газа на структуру фронта пламени метановоздушной смеси
Для объяснения причин, по которым локальная добавка горючего газа, поданного в область межэлектродного зазора свечи зажигания, способствует форсированию НО горения топливовоздушной смеси, была изучена структура ламинарного фронта пламени этой смеси как с микродобавками различных горючих газов, так и без них. Такая необходимость вызвана тем, что от структуры фронта пламени непосредственно зависит нормальная скорость горения, от которой в свою очередь зависит динамика развития начального очага. Согласно тепловой теории распространения пламени [13]: где UH - нормальная скорость распространения пламени; X - коэффициент температуропроводности; 8 -толщина фронта пламени.
Фронт ламинарного пламени представляет собой относительно тонкий слой, в котором происходит быстрое повышение температуры газовой смеси и химическое превращение исходных веществ в конечные продукты сгорания. Всю толщину фронта можно условно разделить на две части: зону подогрева свежей смеси, в которой высокие градиенты температуры и концентраций компонентов обеспечивают интенсивный перенос из зоны реакции в свежую смесь теплоты и вещества, и зону реакции. От скорости физико-химических процессов, протекающих в этих зонах, зависит нормальная скорость распространения пламени.
На рис.3.2 представлен расчетный профиль фронта пламени обедненной (а=1,4) метановоздушной смеси. Свежая смесь первоначально прогревается теплопроводностью из зоны горения до температуры Т«1200 К, после чего в ней начинают протекать химические реакции, сопровождающиеся тепловыделением. Максимальная интенсивность тепловыделения (qr= 7,8-10"9 Вт/м3) практически совпадает с максимальной скоростью расходования метана (WCH4=156кг/м3-с). Уменьшение концентрации топлива вследствие его постепенного выгорания приводит к падению интенсивности тепловыделения при движении в глубь фронта пламени. Адиабатическая температура сгорания при этом Тад=2140 К. Толщина фронта пламени составляет 8=0,79 мм, а нормальная скорость сгорания UH=0,155м/с.
Необходимо отметить, что, у метана, в отличие от других углеводородных газов, коэффициент диффузии выше, чем коэффициент диффузии воздуха. Поэтому в зоне прогрева газовоздушная смесь (кривая а) оказывается обедненной, а в зоне реакции обогащенной. Этим в значительной мере объясняется более широкие пределы воспламенения метановоздушных смесей.
При подаче в область межэлектродного зазора свечи зажигания некоторого количества метана в этой области образуется смесь (ос=0,97), скорость сгорания которой близка к максимальной. Из рис.3.3 видно, что эта смесь первоначально прогревается теплопроводностью из зоны горения уже до температуры Т»1600 К, после чего в ней начинают более активно, по сравнению с реакцией сгорания обедненной метановоздушной смеси, протекать химические реакции. Момент достижения максимальной интенсивности тепловыделения (qr=24,5-10"9BT/M3) практически совпадает с максимальной скоростью расходования основного углеводородного топлива - метана (\сн4=370кг/м -с), однако по величине и qr, и WCH4 оказываются в несколько раз больше, чем без локальной добавки метана. Адиабатическая температура сгорания также увеличивается и составляет Т«2500 К. Толщина фронта пламени сокращается почти в два раза (8=0,47 мм), а нормальная скорость сгорания увеличивается до UH=0,276 м/с. При этом локальная добавка метана не нарушает характер изменения состава смеси (а) во фронте пламени.
Пропан является более активным газом, чем метан. Его энергия активации 24,4 ккал/моль, а у метана 34,4 ккал/моль. Кроме того, сгорание пропа-новоздушной смеси протекает с большей скоростью (рис. 1.1) и с большим выделением теплоты (табл. 1.2). Поэтому при локальной подаче пропана в область электродов свечи зажигания физико-химические процессы во фронте пламени протекают более интенсивно, чем при подаче метана. Из рис.3.4 видно, что при одинаковой степени обогащения зоны электродов свечи зажигания (а=0,97) значение максимальной интенсивности тепловыделения.
Влияние вида локально подаваемого горючего газа на развитие процесса сгорания в смеси природного газа с воздухом
Важно отметить, что эти свойства и высокая химическая активность водорода обеспечивают его стабильное воспламенение при любом сочетании момента подачи газа электромагнитной форсункой с моментом подачи высокого напряжения на свечу зажигания. При этом для воспламенения во всем диапазоне значений давления подачи достаточен ток индуктивной фазы, равный 100 мА при продолжительности фазы 2 мс.
Иная картина наблюдается при воспламенении струи пропана. На рис.5.8 приведены фотографии факелы горящего пропана при разных давлениях перед форсункой. Видно, что при перепадах давлений меньших критического (ркр=172 кПа), т.е. в докритической области течения, как и в случае с подачей водорода, имеет место яркое свечение факела в области, примыкающей к электродам свечи зажигания. По мере увеличения давления перед форсункой размеры горящего факела также возрастают. Правда, в отличие от водорода факел горящего пропана несколько смещается в сторону от электродов свечи и имеет менее размытый контур, что по всей видимости связано с меньшей химической активностью пропана, его большей плотностью и меньшим коэффициентом диффузии.
Картина меняется при перепадах давлений больших критического (за-критическая область течения), когда скорость пропана на выходе из сопла становится равной скорости звука. Как отмечалось в п.3.7, такая струя обладает повышенной устойчивостью по сравнению с дозвуковой, и размывание границ такой струи, т.е. ее перемешивание с воздухом происходит медленнее. Струя должна проделать существенно больший путь, прежде чем образуется воспламеняемая смесь. Этим, на наш взгляд, в значительной степени объясняется почему в ходе экспериментальных исследований при таких перепадах давлений удается поджечь лишь "хвост" струи.
Кроме того, для обеспечения устойчивого воспламенения струи пропана во всем изучавшемся диапазоне давления его подачи требовался повышенный до 400 мА ток индуктивной фазы разряда и увеличенная до 8мс длительность искрового разряда. Анализ фотографий горящих факелов метана (рис.5.9) показывает, что при перепадах давлений меньших критических (ркр=184 кПа), как и в случае воспламенения струи водорода, факел имеет размытый контур и располагается непосредственно вблизи электродов свечи зажигания, т. е. в этом случае наблюдается почти одинаковое формирование вблизи электродов концентрационных полей метана и водорода.
При давлениях больших критических фотографии факела метана схожи с фотографиями факела пропана. Связано это с тем, что струя метана, также как и струя пропана, при таких давлениях должна проделать больший путь, чем при докритическом истечении газа, прежде чем образуется воспламеняемая смесь. Правда, как показывают результаты теоретических расчетов, представленные на рис.3.13, в отличие от пропана, этот путь для струи метана несколько меньший. Поэтому, так называемый, срыв воспламеняемой струи метана в ходе экспериментов наблюдается при большем, чем для пропана, перепаде давлений.
Таким образом, изучение фотографий факелов горящих газов подтвердили значительное влияние диффузионных свойств этих газов и перепадов давлений на формирование их концентрационных полей в области, примыкающей к межэлектродному зазору свечи зажигания. При этом поскольку метан легче воздуха и по своим диффузионным свойствам лежит между водородом и пропаном, постольку формирование концентрационного поля метана в докритической области истечения аналогично водороду, а в сверхкритической - пропану. Следует подчеркнуть, что этот вывод совпадает с основными результатами вычислительных экспериментов, описанных в главе 3.
В главе 4 была описана конструкция узла, разработанная специально для подачи метана в область электродов свечи зажигания (рис.4.3). Особенностью этой конструкции является подача горючего газа в юбку свечи зажигания, где этот газ расширяется, перемешивается с исходной топливовоздуш-ной смесью, образуя в области электродов свечи зажигания смесь необходимого состава. Было проведено сравнение эффективности данной конструкции с узлом, изображенном на рис.4.4, в котором газ подается непосредственно в межэлектродный зазор свечи зажигания.
Результаты экспериментальных исследований показали, что в случае использования в качестве горючего газа водорода оба узла обеспечивают одинаковое форсирование НО горения, а следовательно и всего процесса сгорания в широком диапазоне изменения давления подачи.
Иная картина наблюдается при использовании в качестве горючего газа более тяжелых локальных добавок. В этом случае подача, например, метана в юбку свечи зажигания по сравнению с его подачей непосредственно в межэлектродный зазор свечи зажигания приводит к несколько большему форсированию НО горения (рис.5.10) и значительному повышению вероятности воспламенения обедненной метановоздушной смеси (рис.5.11).
