автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методов управления рабочим процессом двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда

На правах рукописи

МАХМОУД МОХАМЕД ЭЛЬГХОБАШИ ЭЛЬ-ХАГАР

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ ДВИГАТЕЛЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОГО ЗАРЯДА

05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2004 г.

Работа выполнена на кафедре комбинированных двигателей внутреннего сгорания инженерного факультета Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Гусаков С.В.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук

Кавтарадзе Р.З. Пономарев Е.Г.

Ведущая организация:

ОАО Владимирский тракторный завод

Защита состоится " < ^ " 1° 2004 г. в "15

часов, на

заседании диссертационного совета К 212.203.12 в Российском университете дружбы народов по адресу; 117198, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу; 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан " ^ " ° ^ 2004 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К 212.203.12, кандидат технических наук, доцент

мм

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является основной силовой установкой в транспортных и промышленных отраслях народного хозяйства. Повсеместное распространения ДВС связано с их высокими коэффициентом полезного действия и удельными массо-габаритными показателями, значительным ресурсом, надежностью и др. Однако, в подавляющем большинстве ДВС используют в качестве топлива продукты переработки горючих ископаемых (нефть, природный газ, уголь и пр.), ресурсы которых ограничены. Поэтому повышение топливной экономичности поршневых двигателей приобретает все большую актуальность. Негативным фактором при эксплуатации ДВС являются выбросы вредных веществ с продуктами сгорания топлива. К особо опасным веществам для окружающей среды и человека относятся содержащиеся в отработавших газах оксиды азота, вызывающие образование смога, и твердые частицы (сажа) на которых концентрируются канцерогенные вещества. В настоящее время ведется поиск альтернативных рабочих процессов, совмещающих высокую топливную экономичность с низкой токсичностью отработавших газов. Одним из таких рабочих процессов, привлекающих пристальное внимание ведущих компаний по производству автомобилей и двигателей, является процесс, реализуемый в поршневых двигателях внутреннего сгорания при самовоспламенении гомогенной смеси от сжатия (НСС1- процесс). Причиной является высокий КПД, на уровне или даже выше дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива, и предельно низкие концентрации сажи и оксидов азога в отработавших газах. В тоже время НСС1 процесс имеет особенности, которые, видимо, стоит рассматривать как недостатки, и от успешного их преодоления зависит, станут ли двигатели этого класса доминировать на потребительском рынке. Первое, это проблемы с управлением моментом начала самовоспламенения смеси по углу поворота коленчатого вала двигателя, влияющего на КПД цикла. Второе, это "неуправляемый процесс сгорания", определяющей динамические нафузки на кривошинно-ша(унный механизм и уровень шума.

Данная работа посвящена разработке расчетно-теоретических методов анализа путей организации НСС1 процесса в ДВС, исследованию его характеристик, выбору топлив и организации регулирования, решению методических вопросов по экспериментальному исследованию двигателей такого типа, что в целом направлено на создание нового рабочего процесса, имеющего высокие показатели по топливной экономичности при низкой эмиссии вредных веществ и сажи с отработавшими газами, что определяет ее актуальность.

Целью исследования явилось определение особенностей организации и методов управления рабочим процессом с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия, обеспечивающих максимальный КПД поршневого дви-

гателя.

'ОС ИХ.....НХЛЬНА*

И'' ' ! КА 1'^ург

Для достижения указанной цели а работе необходимо было решить следующие задачи.

1. Разработать математическую модель и программу расчета на ПЭВМ рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия, учитывающую основные физико-химические особенности инициализации и протекания HCCI процесса в условиях ДВС.

2. Разработать методику обработки экспериментальных данных по испытаниям двигателя с самовоспламенением и объемным горением гомогенного заряда, учитывающую специфику его рабочего процесса при применении смесевого топлива.

3. Провести идентификацию расчетной модели ЯСС/ процесса по результатам обработки экспериментальных данных и удостовериться в ее адекватности в исследуемых пределах варьирования исходных данных.

4. Провести, используя расчетную модель ЯСС/ процесса, параметрический анализ влияния различных конструктивных и режимных параметров на параметры рабочего процесса.

5. Обосновать расчетно-теоретическими методами стратегию регулирования HCCI двигателя, обеспечивающую оптимизацию его показателей.

6. Исследовать применимость топлив различного физико-химического состава в двигателях с HCCI процессом.

Объект исследования. В работе анализировались экспериментальные данные, полученные на дизеле Yanmar IЧ 9,2/9,6, конвертированном для работы по ЯСС/ - процессу и проводился численный эксперимент по разработанной автором математической модели процесса с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия.

Научная новизна проведенной работы состоит в:

- проведенном анализе и обосновании возможностей создания двигателя внутреннего сгорания, имеющего высокую топливную экономичность при предельно низком содержании оксидов азота и практическом отсутствии сажи в отработавших газах, на основе рабочего процесса с самовоспламенением от сжатия гомогенного заряда в цилиндре ДВС;

- разработке математической модели на основе описания физико-химических процессов объемного самовоспламенения и сгорания, как бимолекулярной химической реакции окисления топлива, протекающей в условиях камеры сгорания поршневого двигателя, с учетом тепла идущего на изменение внутренней энергии рабочего тела, совершение работы и теплоотвода в стенки камеры сгорания;

- выявлении зависимости величины индикаторного КПД ЯСС/ процесса от температурного фактора - температуры окружающей среди, температуры конца сжатия, связанной со степенью сжатия и цетанового числа топлива;

- разработке метода определения законов регулирования состава смесевого топлива, обеспечивающих максимальный КПД двигателя с ЯСС/ процессом;

- разработке метода обработки экспериментальных индикаторных диаграмм двигателя с самовоспламенением от сжатия гомогенного заряда, использующего двухкомпонентное смесевое топливо, учитывающего особенности этого процесса.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в:

- создании программы расчета рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия, позволяющей проводить численные исследования и оптимизацию параметров двигателя;

- определении диапазона изменения цетанового числа смесевого топлива, в котором обеспечивается максимальное значение КПД ЯСС/двигателя;

- получении взаимосвязи эффективной энергии активации реакции самовоспламенения гомогенного заряда в условиях поршневого двигателя с цетано-вым числом применяемого топлива;

- обосновании целесообразности совершенствования конструкции двигателя, для обеспечения его надежности и долговечности при повышенных значениях максимального давления цикла для сохранения высоких показателей HCCI процесса по топливной экономичности;

- определении законов управления составом смесевого топлива, обеспечивающих максимальный КПД двигателя;

- создании программы обработки экспериментальных индикаторных диаграмм двигателя с самовоспламенением от сжатия гомогенного заряда, использующего двухкомпонентное смесевое топливо.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедрах комбинированных ДВС и эксплуатации автотракторных средств Российского университета дружбы народов.

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов в июне 2004 г. Материалы, включенные в диссертацию, были представлены на IX Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей" во ВлГУ (г. Владимир, 2003 г.), на XXXIX научной конференции РУДН "Актуальные проблемы теории и практики инженерных исследований" (г. Москва, 2003 г.), на ХХХХ научной конференции РУДН " Современные инженерные технологии " (г. Москва, 2004 г.)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 155 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков, 22 таблицы и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решения методических вопросов по расчетно-теорегическому исследованию двигателей с НСС1 процессом, что в целом направлено на создание нового рабочею процесса имеющего высокие показатели по топливной экономичности при низкой эмиссии вредных веществ и сажи с отработавшими газами (ОГ).

Приведена общая характеристика работы.

В первой главе приводится литературный обзор исследований влияния различных факторов на экологические и топливо-экономические параметры ДВС, анализ причин и методы снижения образования оксидов азота и сажи при сгорании топлива в ДВС, проблемы одновременного улучшения топливо

- экономических и экологических параметров ДВС, повышения КПД и снижения эмиссии вредных веществ при реализации традиционного процесса с самовоспламенением от сжатия и о возможности создания рабочего процесса поршневого двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда.

Современные двигатели внутреннего сгорания по принципу инициализации процесса горения делятся на два типа:

- двигатели с принудительным воспламенением топливо - воздушной смеси (в подавляющем большинстве осуществляемом с помощью высоковольтного электрического разряда - искры зажигания);

- дизели, в которых происходит самовоспламенение топлива в среде с высокой температурой, возникающей вследствие быстрого сжатия воздуха в цилиндре.

Каждый из этих ДВС обладает, по сравнению с другим, преимуществами и недостатками, в результате чего происходит одновременное развитие конструкции и совершенствование параметров двигателей обеих типов. Сравнение двигателей с искровым зажиганием и дизелей показывает, что в области топливной экономичности преимущество за дизелем, в силу более высоких степеней сжатия и качественного способа регулирования. При сжигании гомогенных смесей в двигателях с искровым зажиганием термодинамический КПД офаничен значением предельной степени сжатия, по условию без детонационной работы двигателя. Для такого типа двигателя характерно значительное снижение КПД при переходе на частичные нагрузки, из-за дросселирования на впуске при использовании метода количественного регулирования мощности, применять который вынуждают узкие концентрационные пределы нормального распространения пламени по гомогенной смеси. Для дизеля, лишенного указанных недостатков, характерно ирису! ствие сажи в продуктах сгорания, что обусловлено одновременным протеканием процессов смешения топлива с окислителем и его горения. Гак же, процесс горения в дизеле имеет значительную протяженность по времени в силу того, что вторая стадия сгорания топлива контролируется процессами диффузии на фоне снижающейся интенсивности турбулентности по мере удаления поршня от ВМТ.

Из проведенного обзора литературных источников следует, что традиционным способам организации рабочего процесса в ДВС, несмотря на достигнутый прогресс в совершенствовании их топливо - экономических и экологических показателей, присущи недостатки, связанные напрямую с физической сущностью этих процессов.

Создать рабочий процесс, лишенный недостатков и объединяющий достоинства двух типов ДВС - сложная, но как показывает анализ современных тенденций развития двигателестроения, имеющая свое решение задача.

Среди наиболее современных и эффективных способов снижения дым-ности и токсичности ОГ особое место принадлежит физико-химическому воздействию на рабочий процесс. Успешное решение возникающих при реализации эгого способа задач связано с выявлением характера воздействия на протекание процесса формирования токсичных веществ в дизеле, который, в свою очередь, является составной частью процесса сгорания жидкого распыленного топлива и качественно связан с предшествующими процессами смесеобразования, воспламенения и формирования фронта пламени. Этим можно и объяснить сложность управления рабочим процессом, так как в отдельности каждый из процессов имеет различную физическую природу и подчиняется своим различным физико — химическим закономерностям.

Одним из перспективных методов организации рабочего процесса ДВС является рабочий процесс с воспламенением гомогенного заряда от сжатия -HCCI процесс (от английского: Homogeneous Charge Compression Ignition). Рабочий процесс с воспламенением гомогенного заряда от сжатия является многообещающей альтернативой, как двигателям с искровым зажиганием, так и дизелям. Как и в дизеле, топливо самовоспламеняется при высокой температуре, но при организации HCCI процесса используется гомогенная топливо - воздушная смесь. Гомогенная смесь образуется в системе топли-воподачи, так как и в двигателях с искровым зажиганием, используя систему впрыскивания под низким давлением во впускной коллектор или непосредственным впрыскиванием с очень ранним углом опережения топливоподачи. Чтобы ограничить интенсивность сгорания должны быть использованы бедные смеси. По сравнению с дизелями, за счет использования гомогенной смеси в IICC1 двигателях практически отсутствуют проблемы с выбросами сажи и оксидов азота. В целом, HCCI двигатель показывает более высокую эффективность (сопоставимую с дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива) при меньшей суммарной эмиссии вредных веществ по сравнению с обычными ДВС (ультра низкие концентрации NOx и РМ - дисперсных частиц), что достигается объемным сгоранием всей смеси в цилиндре. Низкая эмиссия NOx, важное преимущество HCCI двигателей перед бензиновыми двигателями, так как для снижения эмиссии NOx двигатели с искровым зажиганием должны оснащаться бифункциональными нейтрализаторами. По сравнению с дизелями, HCCI двигатели имеют более низкую эмиссию как NO„ так и сажи, показателям по которым возникают основные препятствия по выполнению перспективных норм по токсичности для дизелей.

Представляется, что рабочий процесс с самовоспламенением гомоген-

ного заряда может стать альтернативой как процессу с принудительным воспламенением гомогенного заряда, так и традиционному дизельному процессу, сохранив присущие им достоинства при отсутствии характерных недостатков.

В настоящее время проблемы организации рабочего процесса с воспламенением гомогенного заряда в ДВС исспедованы в недостаточной для практики степени, как расчетно - теоретически, так и экспериментально. Не решенными являются вопросы по расчетно-теоретическому анализу применимости ЯСС/ процесса в ДВС и влияния различных факторов на его эффективность, так как не разработаны расчетные модели, учитывающие специфику процесса самовоспламенения и горения гомогенного заряда, от сутс i вует методическое обеспечение по обработке экспериментальных данных, получаемых при индицировании ЯСС/ процесса, нет анализа применимости различных топлив для организации HCCI процесса и стратегии регулирования двигателя, работающего по HCCI процессу.

Во второй главе приводятся теоретические основы организации рабочего процесса с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия, физико -химические параметры смесевого топлива: диметил эфир (ДМЭ) - природный газ, особенности самовоспламенения гомогенных топливо - воздушных смесей, динамика развития реакции горения в НСС/ двигателе и алгоритм синтеза рабочего цикла HCCI двигателя.

В настоящее время HCCI процесс относительно мало изучен, поэтому для понимания влияния различных факторов на его протекание и, как следствие, на результирующие характеристики двигателя, целесообразно создание его математической модели. В основу модели положен алгоритм синтеза индикаторной диаграммы поршневою двигателя, основанный на балансе тепловыделения от сгорающего топлива, тепловых потерь в стенки камеры сгорания, полезной работы и изменения внутренней энергии рабочего тела.

Для создания адекватной реальному процессу математической модели потребовалось рассмотреть ряд вопросов, связанных со спецификой организации ЯСС/ процесса. В модели тепловыделение рассматривается как следствие бимолекулярной реакции между топливом и кислородом воздуха с ар-рениусовской зависимостью скорости от температуры. Тепловые потери учитываются с помощью формулы Вошни для коэффициента теплоотдачи и эмпирических зависимостей для температуры поверхностей (еплообмена. Площадь поверхности теплообмена вычисляется с учетом движения поршня. Совершаемая работа определяется с учетом динамики изменения рабочего объема и получаемой в ходе расчета кривой текущего давления в цилиндре. При вычислении изменения внутренней энергии расчет ведется для воздуха и продуктов сгорания раздельно, соотношение между коюрыми определяет доля выгоревшего топлива х.

Для проверки адекватности математической модели результаты расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными по исследованию НСС1 процесса двигателя работающего на смеси ДМЭ и природного : а ;а.

Для проведения расчетов по программе были получены аналитические зависимости теплоемкости воздуха и продуктов сгорания стехиометрической смеси топлива и воздуха.

При моделировании ЯСС/процесса определялись параметры смесевого топлива, а именно:

- склонность топлива к самовоспламенению;

- его низшая теплота сгорания;

- теоретически необходимое для полного сгорания количество воздуха;

- состав и теплоемкость продуктов сгорания и пр.

Как известно, склонность топлива к самовоспламенению в условиях камеры сгорания поршневых двигателей характеризуется цетановым числом топлива. Применение цетанового числа позволяет отвлечся от химического состава топлива. Действительно, сам метод определения цетановых чисел построен таким образом, что цетановое число смеси зависит только от цетановых чисел компонентов смеси и их долей в смеси, и не зависит от химического состава компонентов смесевого топлива и эталонных топлив. Так в руководстве по применению установки ИДТ допускается вместо первичных эталонных топлив (цетан, а-метилнафталин) применять вторичные эталонные топлива, т.е. важно, только то, чтобы были надежные данные по величине цетанового числа эталонных топлив. Поэтому, рассматривая самовоспламенение смеси ДМЭ и природного газа можно оперировать не индивидуальными свойствами этих веществ (склонностью к самовоспламенению и их содержаним в смеси), а характеристиками смеси: суммарным коэффициентом избытка воздуха, характеризующим использование окислителя в процессе горения и цетановым числом смеси, характеризующим склонность смеси к самовоспламенению. Таким образом, отвлекаясь от химического состава топлива можно утверждать, что двухкомпонентное топливо, состоящее из, например, легких углеводородов парафинового ряда и высокооктанового бензина, имеющее равное цетановое число с топливом: ДМЭ + природный газ, будут себя вести идентично в процессе самовоспламенения их гомогенных смесей с воздухом в НСС1 двигателе.

Таким образом, для моделирования самовоспламенения и горения гомогенного заряда в условиях камеры сгорания поршневого двигателя, необходимы следующие параметры смесевого топлива:

- суммарный коэффициент избытка воздуха;

- теоретическое стехиометрическое соотношение между массой воздуха и массой смесевого топлива;

- низшая теплота сгорания смесевого топлива;

- эффективная энергия активации реакции горения смесевого топлива.

Для получения наивысшего индикаторного КПД ИСС1 процесса требуется обеспечение самовоспламенения смеси в области верхней мертвой точки. Механизм самовоспламенения гомогенной топливо-воздушной смеси носит многостадийный характер и зависит от химических свойств топлива, внешних и режимных параметров, которые существенно меняют условия

самовоспламенения. Поэтому требуется в зависимости от их изменения менять способность топлива к самовоспламенению. Это можно осуществить применив смесевое топливо состоящее из двух компонентов с различными цетановами числами, меняя соотношения между компонентами в зависимости от изменения физических условий самовоспламенения.

В расчетной модели процесс воспламенения и горения гомогенного заряда в ЯСС/ двигателе рассматривается с позиций тепловою взрыва. В этом случае параметром, определяющим скорость тепловыделения, т.е., кинетику химических реакций окисления, является эффективная энергия активации топлива. По своей сути эффективная энергия активации химической реакции горения и цетановое число характеризуют одно и тоже физико-химическое явление: инициализацию процесса горения топлива и динамику его выгорания, поэтому в работе была определена корреляционная связь (рис. 1, кривая 2) между этими двумя параметрами

Е* эф = 175,76 + 2,31 • ЦЧСМ - 0,058 • (ЦЧСМ f.

В двигателе с HCCI процессом применяется внешнее смесеобразование, а топливо и окислитель подаются в камеру сгорания в газообразной фазе. Поэтому тепловыделение в двигателях с таким типом рабочего процесса можно рассматривать, как результат одновременного протекания гомогенной химической реакции окисления топлива по всему объему при условиях его непостоянства и наличия теплоотвода.

Рассматриваемый нами ЯСС/ процесс отличает предельно малая продолжительность его по времени, что во многом определяет исключительно высокий индикаторный КПД двигателя. Продолжительность горения гомогенной смеси в объеме меньше времени сгорания во фронте пламени, которое имеет место в двигателях с искровым зажиганием. Более высокая скорость химических реакций горения в объеме позволяет допустить, что по сравнению с тепловыделением процессы массо-теплопереноса идут со значительно меньшими скоростями, релаксация температурных полей незначительна и допустимым является применение теории H.H. Семенова. При классическом рассмотрении теплового взрыва учитываются два фактора: тепловыделение в ходе химической реакции, идущее на увеличение внутренней энергии смеси (нагрев) и потери тепла в стенки (охлаждение смеси). В условиях ДВС накладывается еще один фактор - воздействие на реагирующую смесь движения поршня (изменения объема), которое в модели учитывалось в энергетическом балансе.

В третьей главе приведено описание методического и аппаратурно -программного обеспечения регистрации и обрабогки индикаторных диаграмм: общие методические подходы к процедуре индицирования, выбор аппаратурного обеспечения индицирования рабочего процесса, особенности алгоритма обработки индикаторных диаграмм ЯСС/ двигателя и noipeuino-сти регистрации и обработки результатов испытаний.

Для идентификации расчетной модели HCCI двигателя по данным экс-

перимента в работе требовалось решить две задачи: обосновать оптимальный состав аппаратурного комплекса для регистрации индикаторных диаграмм в цифровом виде и разработать алгоритм и программы для обработки индикаторных диаграмм в функцию тепловыделения.

На схеме электронно-программного комплекса для индицирования (рис.2) показано, что в качестве базового устройства для сбора, хранения и обработки, данных индицирования может использоваться компьютер IBM PC, оснащенный универсальным 12-ти разрядным аналогово-цифровым преобразователем с временем преобразования 2 мкс, обеспечивающим необходимую точность. В состав комплекса также входят усилители заряда пьезок-варцевых датчиков давления, датчики угловых отметок и ВМТ.

Особенности предложенного в работе алгоритма обработки индикаторных диаграмм НСС1 двигателя состоят в том, что учитывались параметры сгорания смесевого топлива, а именно: показатель адиабаты в течение процессов сжатия-сгорания-расширения; теплоемкость воздуха и продуктов сгорания; газовая постоянная топливо - воздушной смеси, что позволило определять температуру рабочего тела; коэффициент активного тепловыделения и текущую долю сгоревшего топлива.

В четвертой главе приводятся результаты работы по следующим основным направлениям:

1. Результаты обработки по разработанной программе для ПЭВМ в соответствии с изложенной методикой экспериментальных индикаторных диаграмм в функцию теплоиспользования и анализ точности работы программы.

2. Результаты моделирования динамики тепловыделения и синтеза индикаторных диаграмм НСС1 двигателя по разработанной методике и программе для ПЭВМ, сопоставление точности моделирования рабочего процесса HCCI двигателя путем сопоставления с экспериментальными индикаторными диаграммами, настройка модели и ее подготовка к параметрическому анализу процесса.

3. Результаты проведения параметрического анализа влияния различных факторов на показатели рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия с целью выявления параметров, позволяющих проводить оптимизацию характеристик HCCf двигателя и его управление.

4 Законы регулирования НСС1 двигателя путем изменения состава смесевого топлива, обеспечивающие наивысший КПД цикла. 5. Результаты анализа применимости различных типов топлива в двигателях с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия с целью определения возможных сочетаний двухкомпонентных топлив и определения диапазона регулирования при каждом исследуемом сочетании топлив.

Проведенные расчетные исследования позволили сделать практические выводы по оптимальному его регулированию с точки зрения максимального КПД двигателя.

Для настройки модели использовались данные экспериментальных исследований, проведенных в Ибаракском университете (Япония). Для исследований использовался дизель Уаптаг 14 9,2/9,6, конвертированный для работы по ИСС1 - процессу.

При моделировании была выбрана следующая стратегия идентификации модели с реальными процессами, протекающими в камере сгорания. Так как в НСС1 двигателе сложно точно определить момент начала возникновения горячего пламени, то при идентификации математической модели был использован не момент начала активного тепловыделения, а совпадение максимумов скорости тепловыделения.

Результаты моделирования рабочего процесса НСС1 двигателя: характер протекания давления, температуры рабочего тела и скорости тепловыделения в цилиндре двигателя, работающего на смеси природного газа и ДМЭ приведены на рис.3. Кривые построены при постоянной подаче природного газа (аПг - 7,1) и различных значениях индивидуального коэффициента избытка воздуха для ДМЭ (адмэ = 6,5; 8,2; 10,3; 13,0; 14,7 для кривых 1-5, соответственно).

Результатом моделирования скорости тепловыделения в двигателе с самовоспламенением гомогенного заряда, как бимолекулярной реакции окисления топлива (без учета холоднопламенных реакций) явилось резкое нарастание давления после воспламенения топлива. Учитывая сказанное, параметр скорости нарастания давления был исключен из анализа рабочего процесса, а использовались только значения максимального давления цикла.

Учитывая погрешности, связанные с принятыми нами допущениями при описании процесса самовоспламенения и сгорания гомогенного заряда, можно признать, что разработанная модель адекватно описывает эти процессы. Исходя из этого, было проведено численное моделирование режимов отличных от исследованных в эксперименте. При этом использовалась взаимосвязь между цетаноым числом топлива и эффективной энергией активации, установленная нами (рис.1) на основе сравнения экспериментальных (цета-новое число топлива, определяемое составом смесевого топлива) и расчетных (эффективная энергия активации, принимаемая из условия совпадения расположения максимумов тепловыделения) данных.

Как показали расчеты для получения максимальной эффективности рабочего процесса, регулирование НСС1 двигателя следует вести не только изменением суммарного коэффициента избытка воздуха, но и изменением соотношения С1|ц / адМ

Разработанная и идентифицированная модель рабочего процесса НСС1 двигателя была использована для анализа влияния степени сжатия и условий на впуске на характеристики двигателя.

Методика расчета состояла из следующих этапов.

1. Выбор условий работы двигателя: степени сжатия, условий на впуске, нагрузочного режима {а£), значений коэффициента избытка воздуха по природному газу (а,//).

2. Проведение расчетов рабочего цикла при различных значениях коэффи-

циента избытка воздуха по ДМЭ (адкп)-

3. Определение соотношения между ащ- и аДцц, обеспечивающего максимальный индикаторный КПД цикла, при заданных условиях.

Расчетные значения индикаторного КПД в функции нагрузки двигателя приведены на рис.4. Во всех дальнейших расчетах по модели НСС1 двигателя, мы подбирали состав смесевого топлива, обеспечивающий значения максимального индикаторного КПД.

Параметрический анализ влияния начальной температуры заряда на показатели рабочего процесса показал, что значения максимального давления Р„шх мало зависят от начальной температуры в камере сгорания. При увеличении с?г максимальное давление цикла снижается. Увеличение Та на 30° приводит к снижению требуемого цетанового числа с 25...33 единиц до 10... 13, т.е. практически в два раза. Поэтому в НСС1 двигателе появляется возможность применения топлив с большим диапазоном изменения цетано-вых чисел.

Расчетный анализ влияния на НСС1 процесс степени сжатия показал, что повышение степени сжатия приводит к увеличению максимальною давления цикла. Повышение максимального давления цикла при увеличении степени сжатия тем больше, чем меньше Расчеты показали, как должно меняться цетановое число смесевого топлива при изменении нагрузки и степени сжатия е для обеспечения максимального КПД. С увеличением степени сжатия диапазон изменения цетанового числа топлива увеличивается с 25...33 (8 единиц) до 15...28 (13 единиц). Выбранные законы управления цикловой подачей в этом случае таковы, что при изменении степени сжатия в пределах 17,7...20,0 увеличивается разница в цикловых подачах природного газа и ДМЭ от 6... 10 мг до 50 мг, то есть величина цикловой подачи меняется в 5...8 раз.

Численное моделирование показало, что повышение температуры воздуха на впуске приводит к снижению индикаторного КПД, в то время, как при повышении степени сжатия е наблюдается противоположный эффект -повышение индикаторного КПД. Одновременное повышение температуры заряда и степени сжатия до значений Т3 ~ 330 К и £ =18 дает повышение КПД относительно условий Га= 330 К и е= 17,7. Однако при 7'а больше 330 К наблюдается противоположный эффект. Таким образом, температура Тл = 330 К для наших условий моделирования является критической при управлении НСС1 процессом с точки зрения обеспечения максимального КПД.

Полученный оптимизацией рабочего процесса закон изменения цетанового числа топлива в функции нагрузки (а£) при условиях (Тл~ 320 К и е — 17,7) приведен на рис.5. Основываясь на этом законе были рассчитаны локальные коэффициенты избытка воздуха для 4-х двухкомпонентных смесе-вых топлив в зависимости от степени нагрузки двигателя (рис.6). Как видно из приведенного графика в качестве компонентов смесевого топлива в двигателе НСС1 процессом, кроме природного газа и ДМЭ, могут быть использованы сочетания: бензина с ДМЭ, дизельного топлива или парафиновых угле-

водородов с природным газом.

Проведенный анализ особенностей рабочего процесса //СС/двигателей показал высокую чувствительность КПД от параметров окружающих среди и режимных параметров. Поэтому в реальных условиях эксплуатации желательно реализовать обратную связь состава смесевого топлива от параметров, характеризующих рабочий процесс, например скорости нарастания давления и его максимального значения.

В целом по работе можно сделать следующие выводы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе анализа опубликованных работ, посвященных созданию нового рабочего процесса, основанного на самовоспламенении от сжатия гомогенного заряда в цилиндре ДВС, показана его перспективность в силу высокой топливной экономичности и низкого содержания вредных веществ и сажи в отработавших газах.

2. Разработана математическая модель и программа расчета рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия, основанная на описании реализуемых в условиях камеры сгорания поршневого двигателя процессов инициализации и объемного горения, как бимолекулярной химической реакции окисления топлива с учетом того, что выделяющееся тепло идет на изменения внутренней энергии рабочего тела, совершение работы и теплоотвод в стенки камеры сгорания.

3. Проведена идентификация расчетной модели по данным экспериментальных исследований HCCI процесса и определена взаимосвязь эффективной энергии активации с цетановым числом применяемого топпива, обеспечивающая адекватное моделирование реальной динамики тепловыделения.

4. На основании параметрического анализа рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия выявлена зависимость величины его индикаторного КПД от температуры окружающей среды и степени сжатия. Максимальное значения КПД реализованы при изменении температуры начала сжатия 320...350 К и степени сжатия 17,7...20, при этом цетановое число смесевого топлива изменялось в диапазоне 6...55. Показано, что регулирование НСС/ двигателя должно осуществляться не только в зависимости от режимных параметров, но и условий окружающей среды.

5. Синтез индикаторных диатрамм двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжажя выявил существенное влияние цетанового числа топлива на индикаторные показатели цикла. За базовый метод управления рабочим процессом (нагрузкой HCCI двш ателя) принято управление физико-химическим составом топлива: применение смесевого двух компонентного топлива, доля компонентов в котором меняется по заданному закону в зависимости от режимных параметров двигателя.

6. Уровень максимальных давлений цикла при организации рабочего процесса с самовоспламенением гомогенного заряда составляет в зависимости от нагрузки 7,0...9,8 МПа, при степени сжатия к = 17,7 и 8,0... 11,5

МПа при е =- 20. Для сохранения высоких показателей HCCI процесса по топливной экономичности следует совершенствовать конструкции двигателя, для обеспечения его надежности и долговечности при повышенных значениях максимального давления цикла.

7. Показано, что исследуемый двигатель может работать по HCCI процессу нг различных компонентах смесевого топлива: природном газе, ДМЭ, бензинах с различным октановым числом, дизельном топливе, индивидуальных углеводородах, обеспечивающих диапазон изменения цетанового числа смесевого топлива в пределах 24...31 и предложены законы регулирования для них, обеспечивающие максимальный КПД.

8. В связи с высокой чувствительностью HCCI процесса к эксплутационным условиям, индивидуальным конструктивным особенностям двигателя и свойствам топлива в HCCI двигателях следует применять адаптивную обратную связь по параметрам рабочего процесса, для чего предложено использовать сигнал типового датчика детонации.

9. Разработан алгоритм и программа обработки экспериментальных индикаторных диаграмм двигателя с самовоспламенением от сжатия гомогенного заряда, использующего двухкомпонентное смесевое топливо, учитывающая особенности этого процесса.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гусаков C.B., Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Хагар. Модель рабочего процесса ДВС при смешанном смесеобразовании // Материалы IX Международная научно-практическая конференция. - Владимир: Изд-во ВлГУ, 2003.-С. 183-186.

2. Гусаков C.B., Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Хагар. Моделирование рабочего процесса поршневого двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда // Серия Автомобильный транспорт. Известия тульского государственного университета: Изд-во ТулГУ, 2003,- С. 173-179.

3. Гусаков C.B., Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Хагар. Алгоритм обработки индикаторных диаграмм при HCCI процессе на смесевом топливе: ДМЭ - Природный газ // Серия Автомобильный транспорт. Известия тульского государственного университета: Изд-во ТулГУ, 2003.- С. 179-184.

4. Гусаков C.B., Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Хагар. Некоторые результаты моделирования рабочего процесса ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия // Рукопись депонирована в ВИНИТИ РАН, № 2I70-B 2003.

5. Гусаков C.B., Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Xaiap. Перспективы создания дизеля, работающего на гомогенных топливо-воздушных смесях // Вестник РУДН, 2004. (в печати).

6. Гусаков C.B., Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Хагар. Опыт моделирования рабочею процесса ДВС с воспламенением гомо1енного заряда от сжатия // Вестник РУДН, 2004. (в печати).

185

170

£». Й»/(нопь.К)

2 Д

ч

1

\ \

\ V

22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 ЦЧ

Рис. 1. Зависимосгь эффективной энергии активации от цетанового числа 10

Осфлюргф

Рис.2. Схема электронно-программного комплекса для индицирования

1600 X 1600 f 1400

О.

11300 11200

В1100 «1000

? 900 в

а. ООО

| 700 1- 600 S00

1

f 2

1 'T

1 4 V

1 I I5 S! V

1 1

1 t

1 i

l

« -а -и о ю го зо Угол поворот коленчатого вала, град.ГКВ

« да -те о ю » зо Угол поворота коленчатого вала, градПКВ

ta а о

160 135 120 106

is90

о i S

о

75 во

е

« Si 45

а

о о о о ас О

30 15 О -16

1|

2

-- ; 3

« a ■

• j> % t 4

i « Л 5

II

-30 -20 -10 О 10 20 30

Угол поворота коленчатого вала, град.ПКВ

Рис.3. Характер про1екания давления, температуры и скорости тсшюиспользова-ния в цилиндре НСС1 двигателя, полученные в результате моделирования

Рис.4. Расчетные значения индикаторного КПД для НСС1 двигателя и дизеля в функции состава смеси

32

24

22-|--------

3 3 4 3 8 4.2 4.6

Сужмэркый коэффициент а>|иаа мздр»

Рис.5. Закон изменения цетанового числа в функции состава смеси для ЯСС/двигателя.

Рис 6. Законы управления составом рабочей смеси, обеспечивающие наивысший индикаторный КПД дня 4-х смесевых тогшив, состоящих из: ПГ и ДМЭ; А-95 и ДМ О; ДТ и Г1Г; СпН2п+2 и ПГ

Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Хагар (Египет)

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ ДВИГАТЕЛЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОГО ЗАРЯДА

Данная работа посвящена разработке расчегно - теоретических методов анализа путей организации НСС1 процесса в ДВС, исследованию его характеристик, выбору топлив и организации регулирования, решению методических вопросов по экспериментальному исследованию двигателей такого типа, что в целом направлено на создание нового рабочего процесса имеющего высокие показатели по топливной экономичности при низкой эмиссии вредных веществ и сажи с отработавшими газами. Разработана расчетная модель и программа для ЭВМ НСС1 двигателя. Проведенные расчетные исследования позволили сделать практические выводы по оптимальному его регулированию с точки зрения максимального КПД двигателя.

Mahmoud Mohamed El-Ghobashy El-Hagar (Egypt)

DEVELOPMENT OF METHODS TO CONTROL THE WORKING PROCESS OF A HOMOGENEOUS CHARGE AUTO - IGNITION ENGINE

Mathematical and Theoretical Models on the combustion, the engine performance and the exhaust characteristics were conducted to control the ignition timing, combustion and to investigate the possibilities and the problems of the working process of Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine. Homogeneous mixture used in a Compression Ignition Engine to reduce exhaust emissions and improve thermal efficiency. The effects of HCCI using the fuel mixture of Natural - Gas and DME in various proportions were investigated through combustion analyses, engine performance tests and exhaust gas samples. Engine performance and the exhaust characteristics were investigated theoretically by using a Mathematical Model. Parameters of the engine, types of fuels used and its properties are considered. Results show that, regulation of the working process of HCCI engine should be carried out not only depending on regime parameters, but also on environmental conditions.

Отпечатано в ООО «0ргсервис-2000» . ^ Тираж ЮО экз. Заказ № 0%/09 ~ Ч / ^ Подписано в печать 3004г

Москва, 115419, а/я 774, ул. Орджоникидзе, 3

РНБ Русский фонд

2006-4 8993

W ^г rî -?304

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ ПУТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И

ТОПЛИВО - ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВС

1.1. Исследование влияния различных факторов на экологи- 8 ческие и топливо - экономические параметры ДВС

1.2. Анализ причин и методы снижения образования окси- 16 дов азота и сажи при сгорании топлива в дизелях

1.3. Проблемы одновременного улучшения топливо - эко- 29 номических и экологических параметров дизеля

1.4. Пути улучшения топливо - экономических и экологиче- 36 ских параметров традиционного процесса с самовоспламенением от сжатия

1.5. О возможности создания рабочего процесса ДВС с са- 38 мовоспламенением гомогенного заряда

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО 49 ПРОЦЕССА С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОГО ЗАРЯДА ОТ СЖАТИЯ

2.1. Физико - химические параметры смесевого топлива ¿^ ДМЭ - природный газ

2.2. Особенности самовоспламенения гомогенных топлива 56 - воздушных смесей

2.3. Динамика развития реакции горения в НСС1 двигателе

2.4. Алгоритм синтеза рабочего цикла НСС1 двигателя

Глава 3. МЕТОДИЧЕСКОЕ И АППАРАТУРНО - ПРОГРАММНОЕ 79 ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ

3.1. Общие методические подходы к процедуре индициро- 79 вания

3.2. Выбор аппаратурного обеспечения индицирования ра- 82 бочего процесса

3.3. Особенности алгоритма обработки индикаторных диа- 89 грамм НСС1 двигателя

3.4 Погрешности регистрации и обработки результатов ис- 95 пытаний

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ДВС С ВОСПЛА- 101 МЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОГО ЗАРЯДА ОТ СЖАТИ

4.1. Результаты обработки экспериментальных индикатор- 102 ных диаграмм

4.2. Результаты моделирования динамики тепловыделения и 107 синтеза индикаторных диаграмм ЯСС/двигателя

4.3. Параметрический анализ влияния различных факторов 117 на показатели рабочего процесса НСС1 двигателя

4.4. Законы регулирования НСС1 двигателя и применимость 136 различных типов топлива

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является важной составной частью энергетической базы, играет определяющую роль, как основная силовая установка в транспортных и промышленных отраслях народного хозяйства.

В связи с этим повсеместно уделяется неослабленное внимание вопросам дальнейшего развития этих двигателей с целью повышения их технического уровня. При этом, признавая важность совершенствования ДВС по многим направлениям, признаются первостепенными - повышение топливной экономичности и снижение дымности и токсичности отработавших газов (ОГ). Это диктуется необходимостью безотлагательного решения таких крупных социально-экономических проблем, как энергосбережение и охрана окружающей среды.

Успешное решение двуединой и часто противоречивой задачи снижения расхода энергоносителя и вредных выбросов дизеля является важной научной проблемой и имеет большую практическую значимость.

Экологическая обстановка ставит перед правительственными и коммунальными органами управления проблему рациональной эксплуатации ДВС и поддержания их технического уровня. Особое место уделяется вопросам дальнейшего усовершенствования дизелей как наиболее экономичного теплового двигателя, расширению их применения в различных отраслях народного хозяйства. Но одним из отрицательных последствий расширяющегося применения дизелей является увеличение выброса в атмосферу продуктов сгорания, часть из которых обладает токсическими свойствами.

Ускорение перехода на производство легковых автомобилей с дизельными двигателями, непрерывное увеличение парка традиционных дизельных транспортных средств и промышленных дизельных ДВС приводит к необходимости углубления работ по снижению токсичности и дымности их отработавших газов. По сравнению с бензиновыми ДВС, преимущество в экологическом плане у дизелей велико при сгорании топлива здесь выделяется гораздо меньшее количество токсических продуктов СО, СИ и АЮх. Но внутреннее смесеобразование и диффузионное сгорание крайне неоднородной топливовоздушной смеси в дизеле всегда сопровождается интенсивным выделением твердого углерода в виде сажистых частиц, которые является адсорбентом канцерогенных бенз (а)-пирена и других токсических веществ, и сравнительно высоким выходом окислов азота (ЫОх) самого токсичного компонента ОГ. Данные таблицы 1.1 и 1.2 наглядно показывают, что основным токсическим компонентом ОГ дизелей являются окислы азота NО]х. Их доля в общей эквивалентной токсичности ОГ дизелей колеблется от 70 до 92%, как показана на табл. 1.1 или от 2,0 до 9,0 г/(кВт.ч), как видно на табл. 1.2.

Таблица 1.1

Нагрузка Распределение суммарного индекса концентраций по компо- дизеля в % нентам в процентах от номин. со2 СО СН NOx so2 альдегиды сажа холост, ход 2,2 12,8 10,2 69,2 1,2 3,0 1,4

25 2,0 3,8 3,2 86,7 0,7 1,4 2,2

50 1,9 1,8 1,2 90,4 0,9 0,7 зд

75 0,7 1,0 0,7 91,7 1,0 0,5 4,4

100 1,8 2,7 2,1 84,4 1,6 1,2 6,2

Таблица 1.2

Нормы выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей,

АТС с полной массой >3,5 Правила Удельные выбросы

ЕЭК ООН №49-02 вредных веществ, г/(кВт-ч)

NOx СО спнт

Евро - 1 (до 01.10.1995 г.) мощность < 85 кВт 9,0 4,9 1,23 мощность >85 кВт 9,0 4,9 1,23

Евро-2 (с 01.10.1995 г.) 7,0 4,0 1,1

Евро - 3 (с 01.10.2000 г.) цикл ESC (OICA) 5,0 2,1 0,66 цикл ETS (FiGe) 5,0 5,45 0,78

Евро - 4 (с 2005 г.) цикл ESC (OICA) 3,5 1,5 0,46 цикл ETS (FiGe) 3,5 4,0 0,55

Евро-5 (с 2008 г.) цикл ESC (OICA) 2,0 1,5 0,25 цикл ETS (FiGe) 2,0 1,5 0,25

Среди наиболее современных и эффективных способов снижения дым-ности и токсичности ОГ особое место принадлежит физико-химическому воздействию на рабочий процесс. Успешное решение возникающих при реализации этого способа задач связано с выявлением характера воздействия на протекание процесса формирования токсичных веществ в дизеле, который, в свою очередь, является составной частью процесса сгорания жидкого распыленного топлива и качественно связан с предшествующими процессами смесеобразования, воспламенения и формирования фронта пламени. Этим и можно объяснить сложность управления рабочим процессом, так как в отдельности каждый из процессов имеет различную физическую природу и подчиняется своим различным физико - химическим закономерностям.

Одним из перспективных методов организации рабочего процесса ДВС является рабочий процесс с воспламенением гомогенного заряда от сжатия {НСС1 процесс). Гомогенная смесь образуется в системе топливоподачи, так же, как и в двигателях с искровым зажиганием с использованием системы впрыскивания под низким давлением во впускной коллектор или непосредственным впрыскиванием с очень ранним углом опережения топливоподачи. Чтобы ограничить интенсивность сгорания должны быть использованы бедные смеси. По сравнению с дизелями, за счет использования гомогенной смеси в НСС1 двигателях практически отсутствуют проблемы с ограничением выбросов сажи и оксидов азота. В целом, НСС1 двигатель показывает более высокую эффективность (сопоставимую с дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива) при меньшей суммарной эмиссии вредных веществ по сравнению с обычными ДВС (ультра низкие концентрации ЫОх и РМ-твердых частиц), что достигается объемным сгоранием всей смеси в цилиндре.

Низкая эмиссия ИОх важное преимущество НСС1 двигателей перед бензиновыми двигателями с непосредственным впрыскиванием (ОС/), так как для снижения эмиссии ИОх ИО! двигатели должны оснащаться бифункциональными нейтрализаторами. По сравнению с дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива НСС1 двигатели имеют более низкую эмиссию ЫОх и сажи, т.е. показателям, по которым возникают основные препятствия по выполнению перспективных норм по токсичности для дизелей. Рабочий заряд в НСС1 двигателях может быть очень бедным, расслоенным, разбавленным отработавшими газами или может быть применена комбинация этих свойств. Поскольку распространения пламени не требуется, уровень разбавления свежей смеси может быть много выше, чем в двигателях с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия.

Данная работа посвящена разработке расчетно-теоретических методов анализа путей организации НСС1 процесса в ДВС, исследованию его характеристик, выбору топлив и организации регулирования, решению методических вопросов по экспериментальному исследованию двигателей такого типа, что в целом направлено на создание нового рабочего процесса имеющего высокие показатели по топливной экономичности при низкой эмиссии вредных веществ и сажи с отработавшими газами.

1. На основе анализа опубликованных работ, посвященных созданию нового рабочего процесса, основанного на самовоспламенении от сжатия го могенного заряда в цилиндре ДВС, показана его перспективность в силу вы сокой топливной экономичности и низкого содержания вредных веществ и сажи в отработавших газах.2. Разработана математическая модель и программа расчета рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия, основанная на описании реализуемых в условиях камеры сгорания поршне вого двигателя процессов инициализации и объемного горения, как бимоле кулярной химической реакции окисления топлива с учетом того, что выде ляющееся тепло идет на изменения внутренней энергии рабочего тела, со вершение работы и теплоотвод в стенки камеры сгорания.3. Проведена идентификация расчетной модели по данным экспери ментальных исследований HCCI процесса и определена взаимосвязь эффек тивной энергии активации с цетановым числом применяемого топлива, обес печивающая адекватное моделирование реальной динамики тепловыделения.4. На основании параметрического анализа рабочего процесса двига теля с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия выявлена зависи мость величины его индикаторного КПД от температуры окружающей среды и степени сжатия. Максимальное значения КПД реализованы при изменении температуры начала сжатия 320...350 К и степени сжатия 17,7...20, при этом цетановое число смесевого топлива изменялось в диапазоне 6...55. Показано, что регулирование HCCI двигателя должно осуществляться не только в зави симости от режимных параметров, но и условий окружающей среды.5. Синтез индикаторных диаграмм двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия выявил существенное влияние цетанового чис ла топлива на индикаторные показатели цикла. За базовый метод управления рабочим процессом (нагрузкой HCCI двигателя) принято управление физико-химическим составом топлива: применение смесевого двух компонентно го топлива, доля компонентов в котором меняется по заданному закону в за висимости от режимных параметров двигателя.6. Уровень максимальных давлений цикла при организации рабочего процесса с самовоспламенением гомогенного заряда составляет в зависимо сти от нагрузки 7,0...9,8 МПа, при степени сжатия е = 17,7 и 8,0...11,5 МПа при е = 20. Для сохранения высоких показателей HCCI процесса по топлив ной экономичности следует совершенствовать конструкции двигателя, для обеспечения его надежности и долговечности при повышенных значениях максимального давления цикла.7. Показано, что исследуемый двигатель может работать по HCCI про цессу на различных компонентах смесевого топлива: природном газе, ДМЭ, бензинах с различным октановым числом, дизельном топливе, индивидуаль ных углеводородах, обеспечивающих диапазон изменения цетанового числа смесевого топлива в пределах 24...31 и предложены законы регулирования для них, обеспечивающие максимальный КПД.

8. В связи с высокой чувствительностью HCCI процесса к эксплутаци онным условиям, индивидуальным конструктивным особенностям двигателя и свойствам топлива в HCCI двигателях следует применять адаптивную об ратную связь по параметрам рабочего процесса, для чего предложено ис пользовать сигнал типового датчика детонации.9. Разработан алгоритм и программа обработки экспериментальных индикаторных диаграмм двигателя с самовоспламенением от сжатия гомо генного заряда, использующего двухкомпонентное смесевое топливо, учиты вающая особенности этого процесса.

1. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. - Л.: Машиностроение, 1972. - 128 с.

2. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. -М.: Транспорт, 1979. 198 с.

3. Малое Р.В. Снижение токсичности дизельного выпуска воздействием на рабочий процесс / / Автомобильная промышленность. 1972. - № 7. -С. 5-6.

4. Малое Р.В. Влияние пленочного смесеобразования на токсичность дизеля / / Автомобильная промышленность. 1971. - № 9. - С. 9-10. .

5. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды /Р.В. Ма-лов, В.И. Ерохов, В.Б. Беляев. М.: Транспорт, 1982. - 200 с.

6. Смайлис В.И. Рециркуляция отработавших газов как средство сокращения выбросов окислов азота дизелями / Снижение загрязнении воздуха в городах выхлопными газами автомобилей. М.: НИИэвопром. 1971. - С. 118-126.

7. Молчанов К.К., Фомин В.М. Влияние интенсивности вихревого движения заряда в цилиндре дизеля на показатели токсичности и экономичности дизелей размерности 110/125 мм с открытой камерой сгорания. М.: Цнии-тэитракторсельхозмаш, 1977. - Вып. 2. - С. 29-35.

8. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменцкий Д.А. Окисление азота при горении. М. - Л.: АН СССР, 1974. - 148 с.

9. Варшавский И.Л., Малое Р.В. Как обезвредить отработавшие газы автомобиля. -М.: Транспорт, 1968. 127 с.Ю.Вихерт М.М., Филипосянц Т.Р. Дымность и токсичность современных дизелей // Автомобильная промышленность. 1972 . - № 19. - С. 11-14.

10. Филипосянц Т.Р., Кратко А.П. Пути снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей. -М.: НИИНавтопром. 1979. 248 с.

11. Смайлис В.И., Куров В.А. Разработка малотоксичных модификаций дизелей с турбонаддувом / Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств. Харьков: 1977. - Т. 2. С. 280298.

12. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981. - 159 с.

13. Eyzat P., Guibet J. С. A new look at nitrogen oxide formation in internal combustion / / SAE paper. 680124. - 1968. - 17 p.

14. Thompson D., Brown Т., Beer I. NOx formation in combustion // Mechanical Engineering Division. 1975. P. 69-79.

15. Formation and combustion of carbon in a diesel engine. // Lucas engineering review. 1971. - Vol. 5. № 2 - P. 42-47.23 .Landen E. W. Nitrogen oxides and variable in pre-combustion chamber type diesel engines. // SAE paper. 1963. - 714 В. - 11 p.

16. Сименов Б.Н., Смайлис В.И. Исследование дымности и токсичности отработавших газов многотопливного дизеля с камерой сгорания в поршне. -М. : НИИинформтяжмаш, 1975. -№ 1. С. 11-13.

17. Пономарев Е.Г. Снижение токсичности и дымности тракторных дизелей воздействием на процессы смесеобразования и сгорания : Автореф. Дисс. . канд. Техн. Наук. М.: МВТУ, 1982. - 16 с.

18. Weisenberg J.J., Winternitz P.L. Sixth symposium on combustion. // № I. 1987.-P. 813-821.

19. Daniel W.A. Engine variable effect an exhaust hydrocarbon composition // SAE paper. 1967. № 670124. - 22 p.

20. Звонов B.A., Стюарт, Старкман. Клапан с гидравлическим приводом для отбора проб газа из цилиндра двигателя внутреннего сгорания. / Приборы для научных исследований, 1968. Т. 39. - № 12. - С. 34-38.

21. Strakman E.S., Stewart Н.Е., Zvonov A. An Investigation into Formation and Modification of Emission Precursors. // SAE Paper. 1969. № 690020. - 9 p.

22. Воинов A.H., Четти В. Джанардана. Анализ воспламенения в дизеле с учетом влияния химико-кинетических и физических факторов. // Известия вузов СССР. М.: Машиностроение, 1970. - № 4. - С. 77-93.

23. Двигатели внутреннего сгорания. Рабочие процессы в двигателях и их агрегатах. / Под ред. А.С. Орлина. М. : Магиз, 1957. - т. I. - 396 с.

24. Golothan D.W. Air Pollution from Diesel Engines and Gas Turbine in Rood Transportation. // De Ingineer. 1972. № 43. P. 80-85.

25. Taigel P.G. Diesel locomotives in mines. // Trans. Inst, of Min. Eng. -London, 1951. Vol. 111.-P. 2-85.

26. Henein N.A. Combustion and emission formation in fuel sprays injected in swirling air. // SAE. 1971. - Vol. 80. - P. 31-38.

27. Apostolescu N.D. A model to predict the nitric oxide formation // SAE. -1971.-№710009.-P. 56-71.38 .Tessier K.C., Bachmann H.E. Fuel additives for the suppression of diesel exhausts odor and smoke. // ASME public. 1969 - № 6. - P. 34-38.

28. Семенов Б.Н. , Смайлис В.И. Возможность сокращения выбросов окислов азота с отработавшими газами быстроходных форсированного дизеля при сохранении топливной экономичности. // Двигателестроение, 1986. -№9.-С. 18-22.

29. Смайлис В.И. О связи между эффективным К.П.Д. дизеля и выходом окислов азота с ОГ. // Энергомашиностроение. 1976. — № 8. - С. 43-45.

30. Реда Надер Фарид. Снижение токсичности ОГ дизелей воздействием на кинетические параметры воспламенения и сгорания / Автороф. дисс. кандю техн. Наук: 05.04.02. -М.: МГТУ, 1992. -16 с.

31. Саеастенко А.А. Снижение дымности и повышение эффективности дизеля применением металлонеорганических присадок к топливу / Автороф. дисс. кандю техн. Наук: 05.04.02. -М.: МАМИ, 1989. -16 с.

32. Махов В.З., Ховах М.С. Исследование влияние присадок к топливу на процесс образования сажи в цилиндре дизеля. / Сб. Докладов 2-го симпозиума СЭВ М.: НИИНавтопром, 1971. - С. 49-52.

33. Meurer J.S. Evaluation of reaction kinetic eliminates diesel knock. The M-combustion system of MAN. SAE Transactions. 1956. - P. 14-37.

34. Schweitzer P.H. A new concept of diesel combustion. Automotive industries. 1956. -№ 12.-114 s.

35. Соколик A.C. Кинетическая интерпретация М-процесса // Сгорание и смесеобразование в дизелях. М.: 1960. Вып. 5. - С. 23-27.

36. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1977. - 278 с.

37. Толстое А.И. К проблеме смесеобразования в быстроходных дизелях с наддувом // Исследование быстроходных дизелей. М.: 1961. - № 10. -С. 14-17.

38. Гершман И.И., Лебединский А.П. Многотопливные дизели. М.: Машиностроение, 1971.-223 с.

39. Минкин 3.M., Завлин М.Я. Исследование процесса сгорания в цилиндре дизеля с камерой в поршне методом скоростного фотографирования // Двигатели внутреннего сгорания. М. -JL: Машиностроение, 1965. - С. 287301.

40. Alcock J.F., Scott W. M. Some More Light on Diesel Combustion the Institution of Mechanical Engineers. 1963. -№ 5. S. 123-135.5А.Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. M.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

41. Козлов A.B. Применение электронных систем управления дозированием подачи топлива. JL: ЦНИТА, 1988. - 112 с.

42. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. М., Свердловск: Машгиз, 1962. - 272 с.

43. ВанштейдтВ.А. Дизели. Справочник. Л.: Машиностроение, 1977. -479 с.6\.Иноземцев Н.В., Кошкин В.К. Процессы сгорания в двигателях. М.: Машгиз, 1949. - 344 с.

44. Толстое А.И. К теории рабочего процесса быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия // Труды ЦНИДИ ВНИТОЭ. Вып. 18. Машгиз, 1951.-С. 56-98.

45. Кавтарадзе Р.З. Экспериментальные методы определения нестационарных локальных тепловых нагрузок на поверхностях камеры сгорания дизелей: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1995. - 49 с.

46. Гейдон П., Волъфгард X. Пламя, его структура, излучение и температура. М.: Металлургиздат, 1959. - 333 с.

47. Nus seit W. "Der Wärmeübergang in der Verbrennungskraftmaschinen." Z. Verdtsch. Ing. 1923. № 67. - 76 s.

48. Pflaum W. "Der Wärmeübergang bei Dieselmaschinen mit und ohne Aufladung." MTZ. 1960. № 3. - S. 5-7.

49. Иноземцев Н.В. Курс тепловых двигателей. М.: Оборонгиз, 1954.479 с.

50. Eihelberg G. "Some new investigations on old combustion engine Problems." // "Engineering". 1939. № 3850-3853. - 148 s.

51. Sitkei G. "Beitrag zur Theorie des Wärmeüberganges im motor," Konstruktion. 1962.-Heft2. 567-571.

52. Цветкова НИ. Исследование теплопередачи в двухкамерных автотракторных двигателях // Автореферат дисс. канд. техн. JL: 1953. - 18 с.

53. Молчанов К.К. Исследование возможности повышения топливной экономичности тракторного дизеля Д-34. Труды НАТИ М.: Машгиз. 1959, № 19.-С. 7-13.

54. Flowers D., Aceves S.M., Smith R., HCCI Combustion: Analysis and Experiments, SAE Paper 2001-01-2007.

55. Hisashi Akagawa, Takeshi Miyamoto, Akira Harada, Satoru Sasaki, Naoki Shimazaki, Takeshi Hashizume, Analysis and Improvements of Premixed Lean Diesel Combustion, JSAE Paper, № 9931990, 1999.

56. Hiroshi Kuzuyma, A Study on Natural Gas Fueled HCCI Engine, JSAE Paper, № 20045152 (2004).

57. Yasuharu Kawabata, KenjiNakagawa, Fujio Shoji, Operating Characteristics of Natural Gas Fueled Homogeneous Charge Compression Ignition Engine, JSAE Paper, № 9932953, 1999.

58. Ando Т., Kusaka J., Homogeneous Charge Compression Ignition and Combustion Characteristics of Natural Gas Mixtures: the Visualization and Analysis of Combustion, JSAE Review, Vol. 24, pp. 33-40, January 2003

59. Seiichi Shiga, Tsuyoshi Maeshiro, Hiroshi Sekita, Kozo Uchiyama, Takao Karasawa, Hisao Nakamura, Effect of Occurrence of Self-ignition Combustion in a 2-Stroke CNG Engine, Proceedings of 1999 JSME Annual Meeting p 241-242, 1999.

60. Paul E. Yelvington, William H. Green, Prediction of the Knock Limit and Viable Operating Range for a Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine, Society of Automotive Engineering, 2002.

61. Zhili Chen, Mitsuru Konno, Mitsuharu Oguma, Tadanori Yanai, Experimental Study of CI Natural-Gas/DME Homogeneous Charge Engine, SAE Paper, 2000-01-0329.

62. Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 428 с.

63. Кумагаи С. Горение. М.: Химия, 1980. - 256 с.

64. Семенов Н.Н. Цепные реакции. Л.: Госхимиздат, 1934. - 555 с.

65. Гусаков С.В., Пономарев Е.Г., Кривяков С.В. Автоматизированная процедура установления функциональных связей при аппроксимации тепловыделения. Сборник: "Проблемы теории и практики в инженерных расчетах", М.: Изд-во АСВ, 1998, С.218-220.

66. Франк-Каменецкий ДА. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2-е изд. - М.: Наука, 1967. — 491 с.

67. Гусаков С.В., Эфрос В.В., Абаляев А.Ю., Старчак В.К. ИВУ ДВС комплексная автоматизация процесса испытаний двигателей и их агрегатов. Тракторы и сельскохозяйственные машины, № 3, 1999. - С.30-31.

68. Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. Краевая задача в теории теплового взрыва. Док. АН СССР, 1958, т. 120, № 6. - С. 1271.

69. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.: Высшая школа, 1980. 469 с.

70. Гусаков С.В., Юшин А.Е., Пономарев Е.Г., и др. Индицирование двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие. М.: Изд-во РУДН, 1996.

71. Гусаков C.B., Х.Ч. Амбаватте. Электронно-программный комплекс для регистрации быстропротекающих процессов в ДВС. Тракторы и сельскохозяйственные машины -№ 6, 1997, С.18-19.

72. Гусаков C.B., Девянин С.К, Ермолович КВ., Фомин В.М., Пабло Валъехо. Система индицирования ДВС на базе ПЭВМ. Материалы VI н/п. междун. сем.: «Соверш. мощност., эконом, и эколог, показат. ДВС», г. Владимир, 1997, С.213-214.

73. Гусаков C.B., Махов В.З., Гелдиалиев А. О возможности анализа процесса сгорания по индикаторной диаграмме // Труды МАДИ, "Автотракторные ДВС", М.,1980, С.90-97.

74. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, проверка. М.: Энергоатомиздат, 1990. -208с.

75. Гусаков C.B., МаховВ.З. Методика обработки индикаторных диаграмм. Сборник трудов РУДН им. П. Лумумбы, М.:Изд -во РУДН, 1987. -С.33-39.

76. Гусаков C.B., Х.Ч. Амбаватте. Влияние погрешностей эксперимента на точность обработки индикаторных диаграмм. Труды XXXII научной конф. професс. -преподав, состава инжен. факультета РУДН, 1996.

77. Еремин Ю.Т. Расчет скорости тепловыделения в дизелях//Опыт создания турбин и дизелей: Сб. трудов. Свердловск: 1974. - Вып.З. - С .4250.

78. Овинцов В.И. Методика расчета индикаторного цикла двигателя внутреннего сгорания // Тр. Калининград, технол. ин—та рыбн. пр-ти и хозяйства. Калининград: Изд-во КТИРПХ, 1975. - Вып.60. - С.31-36.

79. Гусаков C.B., Девянин С.Н., Ермолович И.В., Фомин В.М., Пабло Валъехо. Методика анализа погрешностей регистрации и обработки индикаторных диаграмм. Материалы международной конференции, М., МГТУ, 1997, С.13.

80. Гусаков C.B., Пономарев Е.Г., Кривяков C.B. Минимизация затрат при создании аппар. -програм. комплекса для индицирования ДВС. Материалы Международной научно-практической конференции, М., МГАУ, 1998, С.161-163.

81. Математическая теория горения и взрыва /Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблат, В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе-М.: Наука, 1980.-478 с.

82. Кавтарадзе Р.З. Решения задач конвективного и сложного теплообмена в камере сгорания дизеля с учетом пристеночного турбулентного течения // АН СССР. Теплофизика высоких температур. 1990. - Т. 28. - № 5.-С. 969-977.

83. Гусаков C.B., Макаров А.П. О влиянии состава газообразного топлива на индикаторный КПД двигателя. Матер, междунар. семин. "Снижение токсичных выбросов ОГ.М.: Изд-во МГАВТ, 1999, С.24-26.

84. Подача и распыливание топлива в дизелях / И.В. Астахов, В.И. Трусов, A.C. Хачиян и др. М.: Машиностроение, 1972. - 395 с.

85. Гусаков C.B., Савастенко A.A. Физико-химические основы процессов смесеобразования и сгорания в ДВС. Основы теории горения: учебное пособие. М.: Изд-во РУДН, 2001.

86. Кнорре В.Л., Минелис Г.В. Кинетика сажеобразования из газообразных углеводородов/ Кинетика химических реакций: Матер. VI Всесоюз. симп. по горению и взрыву. Алма-Ата-М.: ОНХФ АН СССР, 1980. - с. 3541.

87. Голубков Л.Н., Савастенко А. А., Эмиль М. В. Топливные насосы высокого давления распределительного типа. М. : Изд-во "легион - Авто дата", 2003.-191 с.