Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Физико-химические основы образования несгоревших углеводородов в цилиндре поршневых ДВС с искровым зажиганием 11
1.2 Анализ методов снижения выделения несгоревших углеводородов бензиновыми двигателями . 17
1.2.1 Анализ применения систем нейтрализации отработавших газов . 17
1.2.2 Применение альтернативных топлив 18
1.2.3 Воздействие на рабочий процесс 20
1.3 Анализ известных представлений о процессе сгорания в цилиндре бензинового ДВС 22
1.3.1 Анализ методов изучения процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС 22
1.3.2 Применение явления ионизации в пламени углеводородных топлив для изучения процесса сгорания в условиях поршневого ДВС 24
1.3.3 Применение методов моделирования для изучения процессов сгорания в условиях ДВС 28
1.3.4 Анализ известных исследований процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС с искровым зажиганием 29
1.4 Постановка задач исследования 34
Глава 2. Экспериментальная установка. Планирование и методика проведения экспериментов 35
2.1 Экспериментальная установка 35
2.1.1. Обоснование выбора установки УИТ-85 в качестве экспериментальной модели реального транспортного ДВС 35
2.1.2 Описание экспериментальной установки 37
2.2 Планирование эксперимента 45
2.2.1 Варьируемые факторы и диапазон их изменений 45
2.2.2 Настройки и регулировки системы, определяющие изменение варьируемых факторов 48
2.3 Методика проведения эксперимента 53
2.4 Погрешности измерений, производимых при проведении эксперимента 56
2.4.1 Погрешности определения коэффициента избытка воздуха а, массовой доли добавляемого водорода в топливе Н и концентрации СН в ОГ .56
2.4.2 Погрешности измерения ионного тока 57
2.5 Адекватность эмпирических математических моделей, полученных в работе 62
Глава 3. Результаты испытаний и их анализ 65
3.1 Измерения тока на датчике ионизации в камере сгорания УИТ-85 65
3.2 Зависимость тока на ионизационном датчике от состава смеси 68
3.2.1 Амплитуда импульса ионного тока в зависимости от состава смеси 68
3.2.2 Время возникновения импульса тока на датчике ионизации и его продолжительность в зависимости от состава смеси 70
3.3 Зависимость ионного тока от степени сжатия и скоростного режима 72
3.3.1 Зависимость амплитуды сигнала от степени сжатия для разных скоростных режимов 72
3.3.2 Изменения времени возникновения сигнала на датчике ионизации и его продолжительности в зависимости от скоростного режима и степени сжатия 73
3.4 Характер изменений тока на ионизационном датчике в зависимости от количества водорода, добавляемого в ТВС 76
3.4.1 Зависимость амплитуды импульса ионного тока от количества водорода, добавляемого в ТВС разных составов 76
3.4.2 Время возникновения импульса ионного тока в зависимости от количества добавляемого водорода 78
3.4.3 Продолжительность сигнала на датчике ионизации в зависимости от содержания в ТВС добавляемого водорода 80
3.5 Концентрация несгоревших углеводородов в отработавших газах при изменении варьируемых факторов 82
3.5.1 Зависимость концентрации СН в ОГ от состава смеси 82
3.5.2 Изменения концентрация СН в ОГ в зависимости от степени сжатия и скоростного режима 84
3.5.3 Зависимость концентрации СН в ОГ от количества добавляемого в ТВС водорода 86
3.6 Основные результаты измерений ионного тока в КС и концентрации СН в ОГ экспериментальной установки 88
Глава 4. Обобщение, анализ и возможность практического применения результатов экспериментального исследования 90
4.1 Параметры процесса сгорания в цилиндре ДВС, определяемые с помощью датчика ионизации 90
4.1.1 Средняя скорость распространения пламени в цилиндре УИТ-85
и средняя скорость пламени в фазе догорания у стенок КС 90
4.1.2 Амплитуда импульса тока на датчике ионизации в КС, как характеристика процесса сгорания 95
4.2 Влияние режимных параметров и физико-химических свойств ТВС на скорость распространения пламени 99
4.2.1 Влияние скоростного режима 99
4.2.2 Влияние степени сжатия 101
4.2.3 Влияние состава смеси 102
4.2.4 Влияние добавок водорода 104
4.3 Закономерности изменений концентрации несгоревших углеводородов в ОГ во взаимосвязи с величинами ионного тока и скоростей распространения пламени в КС 115
4.3.1 Выделение интересующего диапазона составов смеси 116
4.3.2 Взаимосвязь скоростей сгорания и тока ионизации пламени с концентрацией СН в ОГ при изменениях физико-химических свойств смеси 116
4.4 Возможности практического применения результатов исследования 124
4.4.1 Возможность использования датчика ионизации для определения состава смеси 124
4.4.2 Применение информации с датчика ионизации для регулирования двигателя по минимуму концентрации СН в ОГ 124
4.5 Основные выводы по анализу и обобщению экспериментальных данных 129
Основные выводы 130
Использованная литература 132
- Применение явления ионизации в пламени углеводородных топлив для изучения процесса сгорания в условиях поршневого ДВС
- Настройки и регулировки системы, определяющие изменение варьируемых факторов
- Изменения концентрация СН в ОГ в зависимости от степени сжатия и скоростного режима
- Амплитуда импульса тока на датчике ионизации в КС, как характеристика процесса сгорания
Введение к работе
Снижение токсичности отработавших, газов (ОГ) при улучшении топливной экономичности и сохранении мощностных показателей остается наиболее актуальной проблемой: современного двигателестроения. Регулярное ужесточение законодательных требований к выделению автомобилями вредных веществ, особенно несгоревших углеводородов (СН), служит стимулом для постоянных исследований в этом направлении. Несгоревшие углеводороды обладают значительным токсичным действием, включая: канцерогенное. Комплекс мер, направленных на снижение выделения СН, как продукта неполного сгорания, совместно с оксидами азота, весьма сложен. Кроме того, концентрация СН в ОГ характеризует условия и полноту сгорания заряда, т.е. является показателем совершенства рабочего процесса. Поэтому исследования процессов образования углеводородов в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) весьма актуальны.
В современном автомобилестроении существуют различные тенденции решения проблем экологической безопасности. Разрабатываются автомобили с электроприводом, однако в настоящее время электропривод, как силовой агрегат автомобиля, не заменит традиционный ДВС в силу недостаточного уровня потребительских качеств. Применение альтернативных, топ--лив не решает полностью проблем токсичности автомобильных двигателей и сдерживается проблемами, связанными с инфраструктурой и дороговизной этих технологий. Широко распространенные системы каталитической нейтрализации ОГ с использованием благородных металлов являются дорогостоящими и снижают эффективность работы двигателя.
Наиболее эффективные и перспективные методы снижения токсичности ДВС заключаются в воздействии на рабочий процесс, т.е. непосредственно на причины образования токсичных веществ. Такие способы связаны с осуществлением рабочего процесса на бедных смесях при различных способах интенсификации сгорания и сохранении эффективности. Для совершен-
7 ствования этих методов и изучения механизмов образования токсичных веществ необходимы исследования процесса сгорания в цилиндре ДВС. Недостаточная разработанность теории горения определяет необходимость экспериментальных исследований. Значительная сложность и дороговизна визуализации процесса сгорания в условиях ДВС с помощью кварцевых окон в камере сгорания (КС), методов лазерной диагностики и т.д. обуславливает интерес к использованию для изучения процесса сгорания явления ионизации в пламени углеводородных топлив. С помощью датчиков ионизации в КС возможно получение информации о контурах и скорости распространения пламени.
Скорость распространения пламени является фактором, влияющим на развитие начального очага горения при зажигании, общую протяженность процесса сгорания в цикле и на догорание вблизи холодных стенок КС. На значение скорости пламени оказывают влияние уровень турбулентности заряда и физико-химические свойства смеси. Т.е. скорость пламени является показателем условий сгорания (в т.ч. локальных), результирующим влияние турбулентности и физико-химических свойств топливно-воздушной смеси (ТВС). В то же время, условия горения топливно-воздушной смеси в различных зонах КС данной конструкции, определяют выделение несгоревших углеводородов двигателем. Химическая кинетика: окисления углеводородов сложна и в полной мере не разработана, поэтому для дальнейшего совершенствования рабочего процесса необходимы экспериментальные исследования. Существующие представления о выделении СН двигателем получены на основе обширных экспериментальных исследований. Однако недостаточно изучено влияние скорости пламени, как показателя турбулентности заряда и физико-химических свойств ТВС. Вышесказанное определяет необходимость изучения зависимости концентрации СН в ОГ от скорости распространения пламени в КС.
Данная работа посвящена выявлению взаимосвязи скорости распространения пламени в цилиндре бензинового ДВС и выделения несгоревших угле-
8 водородов. Выбор данной токсичной составляющей ОГ обусловлен отсутствием развитых представлений о процессах окисления углеводородов в цилиндре ДВС, сложностью мер по снижению выделения СН двигателем в комплексе с другими токсичными составляющими и ужесточением законода* тельных норм на выделение СН автомобилями. Исследование имеет экспериментальный характер, целью его является снижение концентрации СН в ОГ бензиновых ДВС на основе исследования влияния физико-химических свойств смеси на процесс сгорания и разработка рекомендаций по контролю сжигания ТВС с использованием явления ионизации в пламени углеводородных топлив. Актуальность заключается в изучении влияния скорости распространения пламени в цилиндре ДВС на концентрацию несгоревших углеводородов в ОГ, нахождении оптимальных для снижения СН условий сгорания и разработке способов регулирования двигателя по минимальной эмиссии СН с помощью датчиков ионизации.
Кроме того, актуальность подтверждается тем, что работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ТГУ и программой по приоритетным направлениям науки и техники, утвержденными Министерством образования и науки РФ.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, зав. кафедрой д.т.н. проф. А.П. Шайкину, д.т.н. проф. М.М. Русакову, к.т.н. доценту Л.Н. Бортникову, старшему преподавателю Е.Д. Кальнею, а также всем сотрудникам кафедры «Тепловые двигатели».
Применение явления ионизации в пламени углеводородных топлив для изучения процесса сгорания в условиях поршневого ДВС
Применение ионизационных датчиков для изучения процесса сгорания в цилиндре ДВС известно сравнительно давно. Например, исследования Ара-вина, Иноземцева, Соколика, Семенова и др. [11, 45, 72] в области изучения электропроводности пламени в условиях сферической бомбы и ДВС показали, что ионный ток приобретает резкий скачок в момент соприкосновения фронта пламени с электродами ионизационного зонда и падает практически до нуля, несмотря на дальнейшее повышение температуры и давления в камере сгорания. Таким образом, возможно выделение в пламени зоны, где происходят химические реакции, т.е. выделение собственно зоны горения, что позволяет определять положение и скорость распространения фронта пламени в КС ДВС. Важные результаты получены Иноземцевым по исследованию влияния различных факторов (таких как состав смеси, балластирование) на ионный ток в углеводородном пламени. Сравнительная дешевизна таких методов и возможность применения на транспортных двигателях постоянно привлекают внимание исследователей, что находит отражение в современных публикациях: Например, в исследованиях [112] явление ионизации во фронте углеводородного пламени было использовано для изучения локальных значений соотношений топлива и воздуха. Для эффективного сжигания топлива в цилиндре ДВС, особенно при использовании бедных смесей, это очень важная характеристика. В качестве датчика ионизации использовалась свеча зажигания, т.е. после искрового разряда на свечу подавалось напряжение и оценивалось протекание ионного тока. Был получен импульс ионного тока с двумя пиками проводимости. По мнению авторов, первый и больший из них связан с Chemi-ионизацией, второй пик генерирует термоионизация в постпламенных газах. Исследования в области использования ионизационных датчиков для контроля процесса сгорания в цилиндре ДВС проводят ведущие мировые производители, такие как BOSCH, DELPHI, MECEL, Mitsubishi Electric Corp. и др [99, 103,120, 129].
Кроме того, с помощью системы ионизационных датчиков возможно построение картины распространения пламени в цилиндре ДВС, определение скоростей пламени [41, 42, 97, 127]. В работе [116] использована система из восьми ионизационных датчиков, расположенных в прокладке головки блока цилиндров. Информация о сигналах на этих датчиках используется для разработки модели распространения пламени в КС.
Таким образом, экспериментальное изучение процесса сгорания в цилиндре ДВС с помощью ионизационных датчиков достаточно дешевый метод, позволяет получать локальные характеристики сгорания, в т.ч. в пристеночных слоях, определять скорости и контуры фронта пламени. 1.3.3 Применение методов моделирования для изучения процессов сгорания в условиях ДВС
В основном, экспериментальные методы исследования сгорания внутри цилиндра ДВС характеризуются значительной сложностью и дороговизной, поэтому в исследованиях имеет место постоянный интерес к моделированию рабочих процессов ДВС, в т.ч. процесса сгорания [13, 128, 130]. Например, работа [104] посвящена численному моделированию искрового зажигания на основе ионных токов в свече зажигания. Рассмотрено развитие начального очага пламени на сверхобедненных смесях и влияние различных факторов (состава смеси, турбулентности заряда и т.д.). В настоящее время численному моделированию рабочего процесса в камере сгорания поршневого ДВС с искровым зажиганием посвящено достаточно много исследований. Однако, неизвестно о каких либо обобщениях и критериях, т.е. сложно применить к какому-либо общему случаю, т.к. теория горения не разработана в достаточной мере [38]. Известны и методы моделирования выделения вредных веществ двигателем [90, 93], характеризующиеся достаточно хорошей сходимостью с экспериментальными данными, однако по выделению несгоревших углеводородов этот вопрос проработан недостаточно в связи с весьма сложными и неизученными в полной мере химическими процессами окисления углеводородов [23].
Известны также методы экспериментального моделирования процесса сгорания с помощью модельных установок, моделирующих отдельные циклы сгорания и оснащенные приспособлениями, необходимыми для визуализации и количественного описания процесса сгорания [16, 69,95,115].
Для более приближенных к условиям реального ДВС исследований применяются одноцилиндровые установки или отсеки реальных ДВС, оснащенные экспериментальными приспособлениями для визуализации и контроля процесса сгорания. 1.3.4 Анализ известных исследований процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС с искровым зажиганием По всем известным данным [16, 25, 69]; условия распространения пламени в поршневом ДВС в общем не соответствуют ламинарному горению, и ближе подходят к случаю турбулентного режима. Однако вследствие сложности процесса, невозможно однозначно охарактеризовать процесс сгорания в условиях ДВС по всей его продолжительности. Поэтому, в исследованиях характерно разделение процесса на фазы. Наиболее распространено разделение процесса сгорания в поршневых двигателях легкого топлива с искровым зажиганием на три фазы [16, 92]: первая фаза - начальная, отвечает формированию развитого фронта турбулентного пламени из начального очажка горения, возникшего около электродов свечи; вторая фаза — основная, состоит в распространении турбулентного фронта пламени по большей части камеры сгорания, в результате чего сгорает основная масса рабочей смеси; третья фаза - конечная, в ней происходит завершение сгорания отдельных турбулентных молей за фронтом пламени и догорание в слоях, прилегающих к стенкам. Значительно детализировать информацию о протекании процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС с искровым зажиганием помогло экспериментальное исследование А.С. Соколика [71] с фотографированием процесса сгорания в двигателе через систему щелей в головке цилиндра. Обработка результатов фотографирования показана на рис, І.5. Здесь в зависимости от угла поворота кривошипа р (ГЖВ) представлены значения видимой скорости пламени Шл и доли сгоревшего объема смеси V. Скорость пламени имеет максимум в районе ВМТ, равный 16 м/с. Кривая процента выгоревшего объема характеризуется сначала ускорением роста, затем почти постоянной скоростью возрастания и, наконец, участком замедления. Прямой участок кривой V Соколик называет основной фазой сгорания (V меняется от 15 до 90%) и обозначает через 02. Начальный участок, обозначаемый 01, классифицируется как начальная фаза горения. Участок изменения V от 90 до 100% является последней, третьей, фазой горения.
Настройки и регулировки системы, определяющие изменение варьируемых факторов
Фронт пламени в полости ионизационного датчика, соприкоснувшись с центральным электродом и касаясь боковых электродов или стенок полости, замыкает цепь датчика, т.е. в цепи возникает ток, обусловленный электропроводностью пламени. Продолжительность существования тока определяется временем замыкания цепи, т.е. временем от первого касания центрального электрода фронтом пламени, касающимся боковых электродов или стенок полости до погасания пламени при соприкосновении со стенками, т.е. выгорания ТВ С в полости датчика. Длина полости датчика, т.е. габаритный размер, характеризующий средний путь фронта пламени составляет 10 мм (рис. 2.4). Таким образом, возможно определение средней скорости распространения пламени в полости датчика ионизации, т.е. вблизи стенки КС. Сила тока в цепи определяется по закону Ома [80]: I=U/Rt где U- падение напряжения на осциллографе, R = 1 МОм - сопротивление осциллографа. Для записи осциллограмм с датчика ионизации использовался цифровой осциллограф АСК-3 001. Блок-схема системы измерения ионного тока показана на рис. 2.5. Между электродами ионизационного датчика создается разность потенциалов с помощью источника постоянного тока ВИЛ - 010. Напряжение на клеммах источника составляет 14 В. На первый канал аналогового ввода осциллографа подается сигнал с электромагнитного датчика, установленного на проводе высокого напряжения свечи зажигания. В момент искрового разряда на этом датчике возникает импульс тока, который фиксируется осциллографом и используется для синхронизации развертки осциллограммы. Т.е. начало осциллограммы для каждого рабочего цикла соответствует моменту воспламенения смеси. Таким образом, сигнал с ионизационного датчика синхронизируется на экране осциллографа с оборотами двигателя, что позволяет определять углы ПКВ, соответствующие его положению и продолжительности.
Для определения концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах использовался: газоанализатор EIR-2105 фирмы Yanaco (Япония). В данной модели газоанализатора использован метод недисперсионной инфракрасной газовой спектроскопии.
Таким образом, рассмотрение известных методов изучения процесса сгорания в цилиндре ДВС, показало преимущества использования ионизационных датчиков. В качестве объекта испытаний обоснованно выбрана универсальная установка УИТ-85
В настоящей работе варьируемыми факторами были степень сжатия, скоростной режим двигателя, состав топливно-воздушной смеси и количество добавляемого в смесь водорода. УОЗ в настоящей работе поддерживался на всех режимах постоянным. Было подобрано его значение, равное 13 ПКВ до ВМТ, соответствующее максимальной детонационной стабильности используемого бензина. Это было сделано с целью сокращения числа варьируемых в первом приближении эксперимента факторов, т.к. УИТ-85 не реальный мотор, а используемая для экспериментов натурная модель. Исследовались изменения скоростей распространения пламени концентрации несгоревших углеводородов в ОГ. Установка позволяла изменять значение одного из факторов при сохранении неизменных значений остальных. Диапазон изменения степени сжатия є выбирался из соображений определения влияния на процесс сгорания и токсичность в достаточно широком диапазоне значений и в условиях, приближенных к современным моторам. Причем для исследования процесса сгорания необходима стабильность его протекания и отсутствие детонации. Для испытаний использовался следующий ряд значений є: 5, 6, 7, 8. На степени сжатия 8 при работе на богатых смесях начинает проявляться явление детонации (топливо - бензин АИ-95), поэтому максимально приближенный к условиям транспортного ДВС изученный режим -работа со степенью сжатия 7, при котором сохраняются условия детонационной устойчивости. Скоростные режимы испытаний определились возможностями установки, т.е. n = 600 и 900 об/мин.
Состав смеси изменялся в соответствии с необходимостью изучения влияния в широком диапазоне значений, имеющих место при работе транспортных ДВС. Т.е. были изучены режимы работы на богатых смесях, определяющих работу транспортных моторов на режиме прогрева и на мощностных режимах, на стехиометрической смеси, необходимой для работы трехкомпо-нентного каталитического нейтрализатора и на бедных смесях, соответствующих максимальной топливной экономичности. Исследованный ряд значений коэффициента избытка воздуха на различных режимах приведен в таблице 2.1.. Кроме изменения состава смеси, варьирование физико-химическими свойствами смеси осуществлялось с помощью добавок водорода в ТВ С в малых количествах (т.е. не приводящих к изменениям теплофизи-ческих свойств топлива). В качестве добавки используется газообразный водород в количестве не более 6% массы от общего расхода топлива. Активизирующая добавка в данной работе использовалась как способ влияния на физико-химические характеристики смеси и для расширения представлений о влиянии добавок водорода на процесс сгорания.
Работа установки с добавками водорода в ТВС осуществлялась на режиме со степенью сжатия 7 при 600 об/мин. Данное значение степени сжатия было выбрано на основании детонационной стабильности сгорания, что важно в исследованиях подобного рода, и, в тоже время, приближено к значениям степени сжатия современных автомобильных двигателей. Скоростной режим был выбран из соображений снижения расходов бензина и водорода, т.е. удешевления испытаний, а также для возможности сравнения влияния на характеристики сгорания начальной турбулентности заряда и активизирующей добавки.
Изменения концентрация СН в ОГ в зависимости от степени сжатия и скоростного режима
Картина отклика амплитуды импульса ионного тока на изменения варьируемых факторов (кроме добавок водорода) представлена на рис. 3.3. Как видно из рисунка, зависимости величины тока на датчике ионизации от состава смеси имеют примерно одинаковую форму для всех изученных степеней сжатия и скоростных режимов. Максимальные значения амплитуда имеет в области богатых смесей (а = 0.85 - 0.9). При дальнейшем обогащении смеси сила тока на ионизационном датчике уменьшается, аналогично и при обеднении смеси амплитуда сигнала монотонно уменьшается практически до нуля. Т. е. при отсутствии нормального воспламенения и сгорания сигнал на ионизационном датчике отсутствует. Например, при работе на 600 об/мин (степень сжатия = 7) максимальное значение амплитуды (1 9 мкА) соответствует а « 0.9, при обогащении смеси (а = 0.8) амплитуда сигнала составила около 8 мкА, а при обеднении смеси до а = 1.1 это значение не превышало 5.8 мкА, до а = 1.2-3 мкА, а при а = 1.4 сигнал на ионизационном датчике отсутствует.
Анализ графиков (рис. 3.3) показывает, что ионизационный ток в условиях ДВС имеет значительную зависимость от состава смеси при всех изученных значениях степени сжатия и скоростного режима. Полученные результаты качественно аналогичны результатам известных исследований [11, 120]. Таким образом, результаты измерения тока ионизации в данной работе показали значительную зависимость изменения его величины от состава смеси. 3.2.2 Время возникновения импульса тока на датчике ионизации и его продолжительность в зависимости от состава смеси На рис. 3.4 - 3.5 представлены, изменения промежутка времени t от искрового разряда до появления импульса, и его продолжительности т при изменении состава смеси в рассмотренном диапазоне степеней сжатия и скоростных режимов установки. Как видно на рисунках, отрезки времени Лит имеют минимальные значения при несколько обогащенном составе смеси (а = 0.85 — 0,95). При обеднении и дальнейшем обогащении смеси значения t и т монотонно возрастают. Так, время возникновения тока при а = 0.9 (n = 600 об/мин) составляет около 6 мс, а при а = 1.2 — около 9 мс. При работе на другом скоростном режиме (n = 900 об/мин) характер зависимости времени возникновения сигнала от состава смеси не изменяется. Как видно на рис. 3.4 кривые, отражающие изменения t в зависимости от состава смеси для разных скоростных режимов, практически эквидистанты. Время продолжительности импульса ионного тока на осциллограмме т имеет такой же вид зависимости от состава смеси, что и время t от искрового разряда до возникновения импульса (рис. 3.5). Т.е. имеется минимум т при а 0.85 - 0.95. При обеднении и обогащении смеси относительно этого состава продолжительность существования тока на ионизационном датчике увеличивается. Так, при а. — 0.9 время продолжительности импульса для n = 600 об/мин составляет около 2.4 мс, при а = 0.8 — около 2.6 мс, при а = 1.1 — т « 3.2 мс, а при а = 1.3 — т составляет около 5.6 мс. Для другого скоростного режима (n = 900 об/мин) характер зависимости продолжительности сигнала на осциллографе от состава смеси сохраняется, т.е. минимальному значению т соответствует примерно то же значение а, а при обеднении и обогащении смеси относительно этого состава время существования тока на датчике ионизации монотонно возрастает. Таким образом, отрезки времени от искрового разряда до появления тока на ионизационном датчике и продолжительности импульса тока ионизации, т.е. время прихода фронта пламени к ионизационному датчику и время его существования в полости ионизационного датчика имеет четкую зависимость от состава смеси, причем для всех изученных степеней сжатия и скоростных режимов. Зависимость ионного тока от степени сжатия и скоростного режима 3.3.1 Зависимость амплитуды сигнала от степени сжатия для разных скоростных режимов На рис. 3.3 изображены зависимости амплитуды сигнала от состава смеси для степеней сжатия є = 5, 6, 7 и 8 на двух скоростных режимах n = 600 и 900 об/мин. Из рис. 3.3 видно, что при увеличении степени сжатия величина амплитуды сигнала несколько возрастает, причем независимо от скоростного режима. Так, например для стехиометрического состава смеси и n = 600 об/мин величина тока на датчике ионизации составляет примерно 6.5 мкА при работе со степенью сжатия 5, при = 6 — 1 « 7.2 мкА, при степенях сжатия 7 и 8 амплитуда сигнала составляет примерно 8 и 9.6 мкА соответственно. Для другого скоростного режима (n = 900 об/мин), характер изменения уровней величины тока на датчике ионизации, в зависимости от степени сжатия, аналогичен. Для наглядного представления зависимости амплитуды импульса ионного тока от скоростного режима, на одном графике построены зависимости величины сигнала на ионизационном датчике от состава смеси для одной степени сжатия є = 7 и двух скоростных режимов n = 600 и 900 об/мин (рис. 3.6). Анализ рис. 3.6 показывает незначительное различие амплитуды импульса ионного тока на разных скоростных режимах при работе установки на богатых смесях. Так при а = 0.9 величина сигнала при 900 об/мин примерно на 0.8 мкА больше, что составляет около 8 %, при обеднении смеси разница становится несущественной и находится в пределах погрешности определения амплитуды. На рис. 3.4, 3.5 изображены экспериментальные точки измерений отрезков времени t и т от состава смеси для всех изученных степеней сжатия и скоростных режимов. Исходя из полученных опытных данных, выявить зависимость данных характеристик ионного тока от степени сжатия не представляется возможным, т.к. значения оцениваемых отрезков времени при разных степенях сжатия «разбросаны» случайно и разница находятся в пределах ошибок определения. Поэтому для анализа зависимостей рассматриваемых характеристик от состава смеси и скоростного режима, с помощью метода наименьших квадратов (МНК) определены в виде полиномов и построены на диаграмме зависимости t и т от состава смеси для точек во всём диапазоне степеней сжатия. Анализ полученных кривых показывает, что при изменении скоростного режима изменяется время возникновения сигнала на датчике ионизации от скоростного режима. Так, например для а = 1 при n = 600 об/мин-время t составляет около 6.6 мс, а при увеличении идо 900 об/мин это время сокращается до 5 мс, что составляет около 24%. Таким образом, при увеличении начальной турбулентности заряда время достижения пламенем ионизационного датчика заметно сокращается. Для времени существования тока на датчике ионизации наблюдается слабая обратная зависимость (рис. 3.5). Для исключения погрешностей определения среднего по всем степеням сжатия значения т, проведено сравнение значений для разных скоростных режимов, используя данные для каждой степени сжатия отдельно. Например, на рис. 3.7 показано сравнение значений т при работе на разных скоростных режимах со степенями сжатия є = 5 и 7. Анализ полученных графиков показывает, что для всех степеней сжатия подтверждается указанный выше характер изменения продолжительности импульса ионного тока в зависимости от скоростного режима. Например, для а = 1, увеличение времени продолжительности импульса при увеличении п с 600 до 900 об/мин составляет примерно 0.5 мс (около 20%). При обеднении и обогащении смеси, эта разница несколько увеличивается. Таким образом, время существования тока на ионизационном датчике при увеличении начальной турбулентности заряда несколько увеличивается.
Амплитуда импульса тока на датчике ионизации в КС, как характеристика процесса сгорания
Скоростной режим - один из факторов, оказывающих влияние на процесс сгорания в цилиндре ДВС. Частотой вращения коленчатого вала двигателя определяется начальная турбулентность заряда, и, следовательно, турбулентная скорость пламени. В проведенных испытаниях скоростные режимы работы установки составляли 600 и 900 об/мин; Для автомобильных двигателей это довольно низкие частоты вращения, однако изменение скоростного режима установки позволяет качественно оценить влияние начальной турбулизации заряда на процесс распространения пламени в цилиндре ДВС. Так при увеличении частоты вращения п коленчатого вала установки с 600 до 900 об/мин время от искрового разряда до достижения пламенем датчика ионизации сокращается (рис, 3.4), значит, при увеличении оборотов возрастает средняя скорость турбулентного пламени. Анализ графиков на рис. 4.1 показывает, что с увеличением п рост значений V для а = 0.9 составляет 7 м/с (41%), для а = 1.2-2.5 м/с (20%). Т.е. с обеднением смеси интенсивность роста средней скорости пламени снижается. Разность возрастания средних скоростей пламени на богатых и бедных смесях объясняется достаточно сильным снижением нормальной скорости пламени при обеднении смеси, которое не компенсируется возрастанием турбулентности.
Относительное изменение средней скорости сгорания оценено с помощью значений угла поворота коленчатого вала, соответствующего «основной» фазе сгорания, т.е. достижения пламенем датчика ионизации. При увеличении п для а = 0.9, т.е. для смеси, характеризующейся максимальным значением Un [33], изменения продолжительности pt «основной» фазы практически не происходит, а при обогащении или обеднении смеси относительно этого состава происходит увеличение pt. Так для а = 0.8 (pt возрастает примерно на 4ПКВ, для а = 1.1 - на 6ПКВ, а для а = 1.3 - на 9ПКВ. Т.е. рост скорости пламени в «основной» фазе при увеличении турбулентности не компенсирует увеличение скорости вращения коленчатого вала, поэтому протяженность процесса сгорания по углу ПКВ несколько увеличивается. Особенно это заметно при работе на бедных смесях, характеризующихся низкими значениями Un, что подтверждает наличие влияния физико-химических свойств смеси на скорости сгорания в условиях ДВС и показывает значимость этого влияния при работе на бедных смесях.
Для времени существования тока на датчике ионизации при увеличении скоростного режима характерно обратное изменение. Т.е. время т несколько увеличивается (рис 3.5, 3.7). Соответственно, более значительно возрастает протяженность фт выгорания полости датчика ионизации, т.е. «заключительной» фазы сгорания по углу поворота коленчатого вала (рис. 4,3). Так, для а - 1.0 увеличение рт при возрастании п составляет около 8ПКВ, для а = 1.3 - около 25ПКВ..Следовательно, снижается средняя скорость пламени U в полости датчика ионизации, т.е. в «заключительной» фазе сгорания. Анализ рис. 4.4 показывает, что для а = 0.8 снижение U составляет 1.5 м/с (около 29%), для а - 0.9 - 1 м/с (20%), а для а = 1.2 это изменение составляет 0.5 м/с (15%). В полости камеры сгорания, где установлен датчик ионизации турбулентность ниже, а теплоотдача больше, чем в остальном объёме КС, поэтому такое повышение п (300 об/мин) не приводит к повышению турбулентной скорости сгорания. Кроме того, а зоне пристеночных слоев выгорание оставшейся части заряда характеризуется законами мелкомасштабной турбулентности и ламинарного горения [16, 71]. Видимо, при увеличении п происходит снижение нормальной скорости распространения пламени в зоне ионизационного датчика по причине увеличения разбавления свежей смеси продуктами сгорания вследствие возрастания турбулентного обмена в основной фазе сгорания. Это приводит к снижению средней скорости пламени в заключительной фазе сгорания. Таким образом, подтверждается, что основное влияние на выгорание рабочей смеси в заключительной фазе сгорания в т.ч. в пристеночных слоях, оказывают физико-химические свойства ТВС (состав смеси, забалластированность продуктами сгорания, состав топлива), в то время как влияние скоростного режима, т.е. турбулентности ослабевает.
Изменение скоростного режима практически не оказывает влияния на амплитуду импульса ионного тока (рис. 3.6), что показывает определяющее значение физико-химических свойств смеси для сгорания в заключительной фазе. 4.2.2 Влияние степени сжатия
Степень сжатия, є, ДВС, как фактор, определяющий температуру и давление смеси в начале сгорания, оказывает серьёзное влияние на процесс сгорания. Следовательно, это должно отражаться на параметрах ионного тока, характеризующих изменения в процессе распространения пламени;. Однако отследить какую-либо закономерность в изменениях времени начала импульса ионного тока и времени его продолжительности при изменении степени сжатия в настоящей работе не представляется возможным. Как показано на рис. 3.4 - 3.5 значения этих параметров ионного тока для различных степеней сжатия практически не отличаются друг от друга и распределены случайно в пределах погрешности. Видимо, причина этого заключается в довольно слабом влиянии степени сжатия на осредненные значения скоростей пламени и значительной погрешности определения значений t и г, не позволяющей отследить влияние начальных условий сгорания на показатели средней скорости пламени в основной и заключительной фазах сгорания.
Как показано выше, сила тока на датчике ионизации более полно характеризует физико-химические свойства смеси и позволяет отследить некоторую зависимость значений I от степени сжатия. Анализ рис. 3.3 показывает, что с ростом степени сжатия, значения амплитуды сигнала также возрастают. В связи с возрастанием значений є повышается плотность заряда. При этом, видимо, возрастает массовая скорость ламинарного горения (количество вещества, воспламеняющееся на единице поверхности пламени в единицу времени) [33].
