автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Эмпирическая модель оценки концентрации оксидов азота при добавке водорода в ТВС двигателей с искровым зажиганием

На правах рукописи

Дерячев Александр Дмитриевич

ЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ ДОБАВКЕ ВОДОРОДА В TBC ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

05.04.02 «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005571201

5 АВГ 2015

Волгоград-2015

005571201

Работа выполнена на кафедре «Энергетические машины и системы управления» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ШАЙКИН Александр Петрович.

Официальные оппоненты:

Носырев Дмитрий Яковлевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения», кафедра «Локомотивы», профессор;

Приходьков Константин Владимирович, кандидат технических наук, доцент, «Волгоградский государственный технический университет», кафедра теплотехники и гидравлики, доцент.

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (г. Самара).

Защита состоится «25» сентября 2015 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28., ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте www.vstu.ru по ссылке http://www.vstu.ru/nauka/dissertatsionnye-sovety/d-21202803.html

Автореферат разослан «2^» О'?' 2015 г.

Ученый секретарь О _____-

диссертационного совета ^' Ляшенко Михаил Вольфредович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Глобальное развитие промышленного производства привело к существенному увеличению выбросов в окружающую среду продуктов сгорания углеводородных топлив, применяемых в тепловых двигателях и установках, снижение которых представляет в настоящее время важнейшую нерешённую проблему. При этом установлено, что наибольшее количество вредных веществ в атмосферу вносит автомобильный транспорт. Поэтому разработка возможных и перспективных способов снижения данного негативного воздействия на окружающую среду является наиболее актуальной задачей, решению которой посвящены целый ряд как отечественных, так и зарубежных правительственных постановлений.

Как известно, в составе отработавших газов (ОГ) поршневых двигателей содержится более 200 различных веществ, из которых Правилами Европейской экономической комиссии ООН нормируются выбросы СО, СН, N0, С02 и твёрдые частицы. Данные компоненты, как принято, наносят наибольший вред зоо- и биосфере, в частности, окислы азота, наибольшее количество из которых представляют двуокиси азота N02, являются основными реагентами в образовании фотохимического смога.

Стратегией развития автомобильной промышленности до 2020 г., принятой Правительством РФ, предусматривается опережающее развитие альтернативных топлив, наиболее вероятным из которых в настоящее время представляется водород. Учитывая определённые сложности и длительность периода перехода на водородное топливо, который, как считают многие исследователи, будет происходить путём применения возрастающих добавок водорода в углеводородные топлива необходимо опережающее научное обеспечение и проработка всех вопросов, связанных с оценками возможных показателей. В частности, в настоящее время мало исследован вопрос об особенностях образования окислов азота при сгорании то-пливно-воздушных смесей (TBC), насыщенных водородом, отсутствует опытно апробированная методика расчётного анализа.

В связи с этим целью настоящей работы является разработка эмпирической модели для оценки концентрации оксидов азота при добавках водорода в топливно-воздушную смесь поршневого двигателя с искровым зажиганием.

Задачи исследования:

- исследовать характеристики распространения пламени и параметры сгорания при добавках водорода в TBC в зависимости от коэффициента избытка воздуха, частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания;

- провести анализ параметров, определяющих образование оксидов азота в двигателях с добавкой водорода в TBC;

- разработать эмпирическую модель для оценки концентрации NOx в отработавших газах поршневых двигателей с добавками водорода;

- на основе полученной модели разработать методику расчёта концентрации оксидов азота при добавках водорода в TBC на стадии проектирования и доводки двигателей с искровым зажиганием.

Объект исследования - процесс сгорания топливно-воздушной смеси в установке, моделирующей условия сгорания в поршневых двигателях с искровым зажиганием.

Предмет исследования - концентрация оксидов азота в отработавших газах, характеристики распространения пламени и параметры процесса сгорания.

Методы исследования. При выполнении работы проводилось теоретическое обобщение известных литературных данных. Проведены экспериментальные исследования, включающие регистрацию индикаторного давления, концентрации NOx и времени возникновения ионного тока, статистическая обработка данных и их обобщение на основе имеющихся фундаментальных теоретических представлений об особенностях образования NOx. Оценивалось влияние добавок водорода в топливно-воздушную смесь на характеристики пламени, параметры процесса сгорания и концентрацию оксидов азота.

Достоверность результатов исследования. Достоверность подтверждается значительным объёмом экспериментальных данных, статистической обработкой полученных результатов, а также непротиворечивостью полученных данных и зависимостей фундаментальным теоретическим представлениям об образовании NOx при сгорании топливно-воздушных смесей.

Научная новизна исследования.

1 Экспериментально исследована ширина зоны турбулентного горения и представлены зависимости её от коэффициента избытка воздуха, скорости распространения пламени, изменения частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания, добавки водорода в TBC.

2 Определена зависимость продолжительности основной фазы сгорания с характеристиками пламени при добавках водорода в топливно-воздушную смесь.

3 Разработана эмпирическая модель на основе безразмерного комплекса параметров сгорания, позволяющая прогнозировать концентрацию оксидов азота в отработавших газах поршневого двигателя с добавками водорода в TBC с учётом режимных и конструктивных параметров работы двигателя.

Теоретическая значимость исследования.

1 Экспериментально исследована ширина зоны турбулентного горения в удалённой от свечи зажигания зоне камеры сгорания поршневого двигателя.

2 Получена взаимосвязь между продолжительностью основной фазы сгорания и характеристиками распространения пламени.

3 Показана принципиальная возможность оценки выбросов окислов азота в отработавших газах при добавке водорода в TBC для двигателей с искровым зажиганием на основе полученного безразмерного комплекса параметров сгорания.

Практическая значимость исследования.

1 Разработана эмпирическая модель, позволяющая оценивать концентрацию оксидов в двигателях с добавками водорода в топливно-воздушную смесь с учётом режимных и конструктивных параметров работы двигателя.

2 На основе полученной эмпирической модели разработана методика расчёта концентрации оксидов азота при тепловом расчёте двигателей с искровым зажиганием.

3 Зависимости, полученные путём экспериментально исследования, могут быть использованы для выбора рациональных и оптимальных конструктивных и регулировочных решений при проектировании и доводки поршневых двигателей с искровым зажиганием.

Основные результаты работы получены при проведении исследований:

1 ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 -2013 годы ГК № I4.B37.2I.0I52: Повышение эффективности работы и снижение токсичности отработавших газов поршневых двигателей и установок при использовании органических топлив с газообразными активаторами горения.

2 ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК № 14.В37.21.0308: Разработка методов химического регулирования процесса горения углеводородных топлив в энергетических установках для повышения их энергоэффективных и экологических характеристик.

Реализация результатов работы. Результаты экспериментального исследования используются при модернизации ДВС с искровым зажиганием в ОАО «СуперАвто» и учебном процессе для подготовки бакалавров направления 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», магистров направления 13.04.03 «Энергетическое машиностроение - Поршневые и комбинированные двигатели», аспирантов по научной специальности 05.04.02 «Тепловые двигатели», инженеров по специальности «Поршневые и комбинированные двигатели» и смежных специальностей.

Результаты исследования могут применяться при проектировании и доводке поршневых двигателей и энергетических установок.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольят-тинского государственного университета и доложены на следующих конференциях: II Международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов ((Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 24-25 апреля 2012 г.; III Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 15-17 апреля 2014 г., III место; Научно-практическая конференция «Студенческие Дни науки», Тольяттинский государственный университет, Тольятти, апрель 2014, II место; International conference on the methods of aero physical research, Novosibirsk, Russia, 30.06.20146.07.2014 г.; Международная научно-практическая конференция «Транспорт. Экономика. Социальная сфера. (Актуальные проблемы и их решения)», Пенза, 17-19 сентября 2014г.; VIII Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса», Пенза, 19-21 ноября 2014 г.; IV Международная научно-техническая конференция (Резниковские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства», Тольятти, 27-28 мая 2015 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3-й в журналах, рекомендованных ВАК, 2-а научно-технических отчета, зарегистрированных в ЦНИТС.

На защиту выносятся следующие положения:

- зависимости концентрации оксидов азота, времени возникновения ионного тока на электродах ионизационного датчика, продолжительности основной фазы сгорания от коэффициента избытка воздуха при изменении частоты вращения коленчатого вала и доли добавляемого водорода в топливно-воздушную смесь;

- результаты экспериментального исследования ширины зоны турбулентного горения при изменении коэффициента избытка воздуха, частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания и доли добавляемого водорода в топливно-воздушную смесь;

- взаимосвязи параметров сгорания с основными характеристиками распространения пламени;

- эмпирическая модель, позволяющая оценивать выбросы оксидов азота по безразмерному комплексу параметров при добавках водорода в топливно-воздушную смесь двигателей с искровым зажиганием;

- методика для прогнозирования концентрации оксидов азота при тепловом расчёте на стадии проектирования и доводки двигателей с искровым зажиганием, разработанная на основе полученной эмпирической модели.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 195 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, иллюстрированного 2 таблицами и 61 рисунком.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулированы его цели и задачи.

В первой главе диссертации представлен анализ литературных данных по вопросам образования оксидов азота в условиях ДВС и снижения выбросов NOx в двигателях с искровым зажиганием. Исследованием данных процессов занимались такие отечественные учёные и учёные как Я.Б. Зельдович, А.Н. Воинов, В.А. Звонов, H.A. Иващенко, И.Я.Сигал, З.Р. Кав-тарадзе, В.П. Малахов, С.А. Чесноков, зарубежные учёные С. P. Fenimore, С.Т. Bowman, P.C. Malte, N.Peters, J.B. Heywood, J. Warnatz, A. Frank и другие.

В зависимости от происхождения различают три основных механизма образования оксидов азота: «быстрые», термические и топливные. Многочисленными экспериментами доказано, что в двигателях внутреннего сгорания примерно 95% оксидов азота образуются по термическому механизму Я.Б. Зельдовича. Анализ термической теории показал, что основными факторами образования оксидов азота в отработавших газах ДВС с искровым зажиганием являются высокая температура, атомарный кислород и время пребывания азота и кислорода в зоне высоких температур.

Согласно термической теории Я.Б. Зельдовича, окисление азота кислородом происходит по цепному механизму с участием двух основных реакций:

В монографии З.Р.Кавтарадзе приводятся математические зависимости для приближенных оценок скорости образования и концентрации оксидов азота, применяемые для расчётов концентрации N0* в двигателях внутреннего сгорания:

где [О2] — концентрация кислорода; [NJ - концентрация азота; Т—температура смеси.

По мнению автора, такие зависимости позволяют только приближённо оценить концентрацию оксида азота, поскольку значения N0* завышены по сравнению с реальными. Это объясняется тем, что обратные реакции в расширенном механизме Я.Б. Зельдовича, которыми пренебрегают, в реальном случае замедляют процесс образования оксидов азота. Также в таких моделях не учитывается время пребывания азота и кислорода в зоне высоких температур, которое в значительной степени влияет на образование окислов азота, так как в камере сгорания поршневого двигателя изменение давления, объёма и температуры происходит в течение нескольких миллисекунд, поэтому протекают неравновесные реакции горения.

Одним из перспективных направлений снижения оксидов азота в поршневых двигателях является воздействие на рабочий процесс - непосредственно на причины образования N0X, а не воздействие на выхлопные газы.

Согласно исследованиям многих учёных, на температуру и время сгорания существенное влияние оказывают характеристики распространения пламени, основными их которых являются скорость и ширина зоны турбулентного горения (ЗТГ) на завершающей стадии сгорания топливно-воздушной смеси, которые на сегодняшний день изучены недостаточно. Турбулентность заряда и физико-химические свойства смеси определяют развитие начального очага горения при зажигании, скорость распространения пламени и догорание вблизи холодных стенок камеры сгорания. В то же время условия горения топливно-воздушной смеси в различных зонах камеры сгорания определяют ширину ЗТГ. Наиболее актуальным исследование ширины зоны горения является при исследовании влияния химических свойств TBC на химическую кинетику горения, развитии технологии сжигания бедных смесей (расслоение заряда TBC, форкамерные и лазерные источники воспламенения, применение альтернативных видов топлива и т.д.).

Анализ известных работ показал, что основное направление для снижения эмиссии оксидов азота связано с организацией рабочего процесса на бедных смесях. Установлено, что перспективным является использование для этой цели микродобавок водорода в TBC. Однако до сих пор недостаточно изучены механизмы влияния добавок водорода в TBC на процесс сгорания и образование токсичных веществ.

N2 + O++NO + N-316 КДЖ/моль; *1

к,

N + 02 N0 + О -136 кДж/моль.

Современное программное обеспечение позволяет рассчитывать концентрацию оксидов азота в отработавших газах на основе термического механизма Я.Б. Зельдовича с использованием многозонных моделей и схем с большим количеством промежуточных реакций. На рисунке I показан график сравнения расчётных (по модели 1S1S) и экспериментальных значений концентрации оксидов азота при работе двигателя на бензине, природном газе и синтез газе.

Можно видеть, при работе двигателя на синтез газе расчёты NOx не точны по сравнению с экспериментальными значениями. По экспериментальным данным N.N.Mustafi, Y.C. Miraglia и др. при использовании в качестве топлива синтез-газа (52 % СО, 44 % Н2, 4% N2) выброс NO» в ОГ возрос примерно в три раз по сравнению с использованием бен-зовоздушной смеси. А его расчёт по многозонной модели ISIS показал превышение над экспериментальными значениями в шесть раз. Причем максимум сместился в область бедной смеси (а = 1,4). По мнению авторов, подобное увеличение концентрации N0X объясняется большей скоростью распространения пламени и. следовательно, более высокой температурой пламени и меньшим промежутком времени, затрачиваемым на процесс сгорания.

Таким образом, в настоящий момент отсутствует опытно апробированная методика расчётного анализа, позволяющая оценивать концентрацию оксидов азота при работе двигателе на альтернативном виде топлива, в частности добавках водорода в топливно-воздушную смесь, следовательно, необходимо экспериментальное исследование.

Для экспериментального анализа влияния водорода на рабочий процесс необходимо получать информацию о процессе сгорания в различных зонах камеры сгорания. Проведённый анализ многочисленных известных методов изучения и визуализации процессов сгорания в цилиндре ДВС показал, что достаточно эффективным и информативным методом является изучение процессов горения с помощью явления ионизации в пламени углеводородных топ-лив. Изучением процесса сгорания в цилиндре ДВС с применением данного метода занимались такие исследователи, как H.H. Семенов, A.C. Соколик, Г.С. Аравин, Н.В. Иноземцев, А.П. Шайкин, H.F. Calcotte, J.B. Heywood, D.E. Maier, W. Stockhausen, и др. Анализ результатов этих исследований показал перспективность такого направления и возможность применения датчиков ионизации в ДВС без значительных изменений их конструкции.

Во второй главе представлено описание экспериментальной одноцилиндровой установки УИТ-85, моделирующей условия сгорания в поршневом двигателе с искровым зажиганием, на которой получены экспериментальные данные, используемые в данной работе. Излагается методика проведения исследований, а также дается оценка погрешностей результатов проведённых измерений.

УИТ-85 представляет собой одноцилиндровый четырехтактный двигатель с изменяемой степенью сжатия, в котором отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D = 1,35. Частота вращения коленчатого вала поддерживается постоянной электромотором при 600 и 900 мин"1. Особенности конструкции максимально уменьшают неоднородность состава смеси от цикла к циклу, что важно при изучении процесса сгорания.

Камера сгорания УИТ-85 с установленными датчиками представлена на рисунке 2.

синтез газ —---- у

V

/\

/ 6Т \| 1—1

природны >

0.8 1 1.2 1,4 1.6.

Рисунок I - Расчетная и экспериментальная оценка концентрации N0,1 в ОГ при работе ДВС

на различных видах топлива: линии - расчетные данные, столбцы - эксперимент

датчик давления Kistler

Рисунок 2 -

Датчик давления Kistler 6117BFD17, регистрирующий изменение индикаторного давления по времени, устанавливался у свечи зажигания. Для определения характеристик распространения пламени и ширины зоны турбулентного горения использовался 2-х электродный ионизационный датчик (ИД), показанный на рисунке 3. Фронт пламени, омывая поочередно электроды датчика и торцевую поверхность корпуса, замыкает цепь соответствующего изолированного электрода, благодаря чему в цепи возникает ток, обусловленный электропроводностью пламени.

Для регистрации концентрации оксидов азота применялся газоанализатор «Мета» Автотест 02.03П. Регистрация положения коленчатого вала и сохранения данных для индикаторных диаграмм проводилась с помощью оптического датчика Honeywell HOA 0963Т51.

Конструкция УИТ-85 позволяет достаточно точно контролировать параметры работы установки и изменять их независимо друг от друга, что позволяет определять их влияние на процесс сгорания и токсичность отработавших газов.

Эксперимент проводился при различном составе смеси, угле опережения зажигания, частоте вращения коленчатого вала и доле добавляемого водорода в ТВС (3% и 5%).

Для использования ионизационных зондов разработана и изготовлена система возбуждения ионных токов в камере сгорания установки. Структурная схема системы показана на рисунке 4. Основной её элемент - это регулируемый источник постоянного напряжения Mastech DC Power Supply HY3001E. Источник питания оснащён неполярным конденсатором для снижения пульсация на выходе источника питания, так как измеряются малые токи. Кроме того, обеспечивается возможность отключить источник питания от конденсатора, используя его заряд провести измерения, чтобы проверить вносимые источником питания помехи.

Результаты проведённого эксперимента представляются в виде снятых осциллограмм ионного тока. Методика эксперимента заключалась в регистрации осциллограмм ионного тока на каждом режиме в количестве от 100 до 400 циклов горения подряд. Обработка осциллограмм заключалась в определении усреднённых параметров оценки сигнала по всему ансамблю циклов. Усреднение по циклам производилось для снижения ошибки, связанной с межцикловой нестабильностью процесса горения в ДВС. При этом на каждом режиме оценивалось распределение значений ионного тока и времени его появления. Гистограмма распределение параметров оценки ионного тока, полученных при

сгорания УИТ-85 Рисунок 3 - Ионизационный датчик

Рисунок 4 - Структурная схема системы мониторинга ионного тока: 1 - источник питания; 2 - измерительный резистор; 3 - осциллограф; 4 -ионизационный зонд

it, ¿1;

Рисунок 5 - Пример регистрации исследовательских сигналов: / -датчик искры; /С/ и /С^ - сигналы первого и второго тока ионизации; Р, -сигнал индикаторного давления

осреднении последовательно зарегистрированных циклов горения, достаточно хорошо описывается кривой нормального распределения.

Пример регистрации измеряемых параметров представлен на рисунке 5.

Средняя скорость распространения пламени и местная скорость распространения пламени в зоне установки ИД определялись по формулам

' / ; U U =bzL

'I ' 1-2

где ¿/ — расстояние от свечи зажигания до электрода ИД, м; тI - момент времени возникновения ионного тока у первого электрода ИД, с; L/.2 - расстояние между электродами ИД, м; - разница времени возникновения ионного тока у электродов ИД.

Ширина зоны турбулентного горения определялась по формуле

Sm.=U,_2 .-Ar,-О,, где Ar, - продолжительность существования ионного тока на /-том электроде датчика, £>м - диаметр электрода ионизационного датчика. При данном подходе электроды датчика регистрируют проходящий фронт турбулентного пламени с локальной скоростью распространения пламени в зоне установки ионизационного датчика.

Массовая доля добавляемого водорода в топливно-воздушную смесь определялась по формуле

GH,

8H'=GHI+GK'

где Gh2 - расход водорода; Gs- расход бензина.

Коэффициент избытка воздуха при добавке водорода в TBC определялся по формуле

G.

а =--->

GJok + GHJOH

где G„ - масса воздуха, 1об и 1он - стехиометрические коэффициенты для бензина и водорода при горении в воздухе, соответственно.

Максимальные относительные погрешности измерения составляли:

- для регистрации концентрации NOx: Snox=5%\

- для коэффициента избытка воздуха: ¿„=3,2%;

- для измерения момента максимума индикаторного давления: ¿трг=5%;

-для измерения момента возникновения ионного тока у электродов ИД: дто- 16.65%;

- для продолжительности ионного тока у ИД: SAro = 18.39%.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования, проведенного на одноцилиндровой установке УИТ-85. В целях оценки достоверности производилось сравнение полученных результатов с известными зависимостями других исследователей. Для лучшего восприятия графиков экспериментальные точки соединены кривыми.

На рисунке 6а-б показана зависимость концентрации оксидов азота от состава смеси при варьируемых факторах, таких как частота вращения коленчатого вала, добавка водорода в TBC и угол опережения зажигания.

1.3

0,9

Рисунок 6а - Зависимость концентрации NOx от состава TBC (л=600 мин"'): gH2: 0-0%, ш-3%, Д-5%

Рисунок 66- Зависимость концентрации NOx от состава TBC (л=900 мин"'): воз=13 тр., gm: 0-0%, «-3%, Д-5%; в0.,=27 гр,,gH2: d-0%, «-3%, о-5%

Можно видеть, максимум концентрации NOx находится при а=1..1,15, что подтверждается многими отечественными и зарубежными работами. С добавкой водорода в топливно-воздушную смесь увеличивается концентрация оксидов азота в основном в области бедной смеси при а>1. Смещение максимума NOx в сторону обеднения при увеличении добавляемого водорода обусловлено сочетанием двух факторов. Во-первых, достаточным количеством свободного кислорода, который, как известно, ускоряет реакцию окисления азота. Во-вторых, добавка водорода повышает максимальную температуру цикла, что сказывается на выходе термических оксидов азота.

С увеличением частоты вращения КВ с л=600 мин"' до п=900 мин" максимальные выбросы NOx заметно снижается. Такое влияние частоты вращения коленчатого вала на концентрацию NOx обусловлено уменьшением времени, затраченному на процесс сгорания более чем на 30%, следовательно, сокращением времени на образование и разложение NOx, а также снижением максимальной температуры цикла вследствие неоптимального угла опережения зажигания.

С увеличением угла опережения зажигания с 0О., = 13 гр. до 0О.,=22 гр. при л=900 мин' концентрация оксидов азота увеличивается за счёт роста времени на образование оксидов азота. При этом увеличивается максимальная температура цикла, которая увеличивает скорость образования термических оксидов азота.

На рисунках 7 и 8 представлены графики зависимостей времени возникновения ионного тока на первом электроде датчика и времени достижения максимума давления от состава смеси при варьируемых факторах эксперимента.

^ 0

1 " ~ - £

1 1.1 1.2 1.3 1.4

Рисунок 7 - Зависимость времени возникновения сигнала на первом электроде ИД от состава TBC: п=600 мин"', gH2: ♦-0%;и-3%; А-5%; п=900 мин"', gH2: 0-0%;п-3%;Д-5%

о.т 0,8 о.:

1 1,1 1.2 1.3 1.4

Рисунок 8 - Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от состава TBC: п=600 мин"', gH2: ♦-0%;и-3%; А-5%; п=900 мин"', gH2: 0-0%;п-3%;Д-5%

Известно, что скорость распространения пламени достигает свой максимум при составе смеси а=0,8..0,85. По графику, представленному на рисунке 7, видно, что время, за которое пламя достигает электрод датчика, обратно пропорциональное скорости пламени, имеет минимум при составе TBC, близком а=0,8..0,85 независимо от доли водорода в TBC и частоты вращения КВ, что подтверждает адекватность проведённого эксперимента и выбора метода для исследования процесса сгорания.

С добавкой водорода время возникновения ионного тока сокращается во всём диапазоне исследуемого состава TBC. Похожий характер сохраняется и на рисунке 8, где показана зависимость продолжительности основной фазы сгорания от состава смеси.

Таким образом, экспериментально показано, что продолжительность основной фазы сгорания и время возникновения ионного тока на ионизационном зонде отражают изменение химических свойств TBC путём добавок водорода в неё, а также изменение режимных и регулировочных параметров работы экспериментальной установки.

В четвёртой главе приводится анализ и обобщение результатов обработки экспериментальных данных. Приводится анализ изменения объёмной теплотворной способности смеси при добавлении водорода (3% и 5%), который показал незначительное её изменение, что объясняется малой плотностью водорода по сравнению с бензином. Проведено экспериментальное исследование влияния характеристик пламени на параметры сгорания и концентрацию оксидов азота при добавках водорода в TBC и разной частоте вращения коленчатого вала.

Экспериментально получены значения ширины зоны турбулентного горения в удалённой от свечи зажигания зоне камеры сгорания экспериментальной установки. Проведён анализ зависимости ширины ЗТГ от состава смеси при добавках водорода в топливно-воздушную смесь и изменении частоты вращения коленчатого вала, который представлен в виде графика, показанного на рисунке 9.

мм

Рисунок 9 - Зависимость ширины зоны тур- Рисунок 10— Зависимость объёма смеси при булентного горения от состава: завершении основной фазы сгорания от шири-

п=600 мин"', gH2: 0-0%;и-3%;Д-5%; ны зоны турбулентного горения:

п=900 мин"1, gH2: *-0% п=600 мин"', gH2: 0-0%;и-3%;Д-5%;

п=900 мин"', gH2: «-0% С добавлением водорода в TBC наблюдается сокращение ширины зоны турбулентного горения в основном в области бедной смеси. Так, при а=0,8 сокращение ширины ЗТГ при добавке водорода gH2=3% составляет 9%, а при сс=1,3 ширина ЗТГ уменьшилась на 21%. Это объясняется тем, что добавка водорода в TBC приводит к увеличению нормальной скорости распространения пламени и турбулентной диффузии, вследствие чего увеличивается скорость и интенсивность химических реакций горения. С увеличением частоты вращения коленчатого вала ширина зоны горения увеличивается во всём диапазоне исследуемого состава смеси. Это объясняется двумя причинами: во-первых, увеличением поверхности горения TBC за счёт увеличения пульсационной скорости, что происходит с увеличением скорости поршня; во-вторых, сокращением времени, необходимого на процесс сгорания.

Получена качественная и количественная сходимость результатов исследования ширины зоны турбулентного горения, представленного в работе Н.В. Иноземцева при использовании другого экспериментального метода.

На рисунке 10 приведена зависимость объёма смеси при завершении основной фазы сгорания от ширины зоны турбулентного горения, где можно видеть линейную связь VPz от <5зтг-Все экспериментальные точки располагаются на одной прямой линии независимо от добавок водорода в TBC и частоты вращения КВ. При увеличении ширины ЗТГ объём смеси при максимуме давления увеличивается.

На рисунках 11 и 12 представлены графики зависимости продолжительности основной фазы сгорания от средней скорости распространения пламени и ширины зоны турбулентного горения.

Рисунок 11 - Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от средней скорости распространения пламени: п=600 мин"', ♦-0%;ш-3%;А-5%; п=900 мин"1, gн2■ 0-0%;о-3%;Д-5%

Рисунок 12 - Зависимость продолжительности основной фазы сгорания от ширины зоны турбулентного горения: п=600 мин', gн2: 0-0%;ш-3%;Д-5%; п=900 мин"1, gн2: *-0%

Можно видеть, продолжительность основной фазы сгорания линейно зависит от средней скорости распространения пламени. При этом независимо от добавок водорода в TBC и частоты вращения КВ все экспериментальные точки могут быть описаны одной прямой линией.

На рисунке 12 показана линейная взаимосвязь продолжительности основной фазы сгорания и ширины зоны турбулентного горения. В данных координатах продолжительность основной фазы сгорания определяется частотой вращения коленчатого вала и не зависит от доли добавляемого водорода в TBC. Увеличение ширины зоны турбулентного горения приводит к увеличению продолжительности основной фазы сгорания.

Итак, экспериментально показано, скорость распространения пламени и ширина зоны турбулентного горения в значительной степени определяют время на процесс сгорания и объём смеси при завершении основной фазы сгорания. Поэтому данные параметры сгорания учитывают влияние характеристик распространения пламени на концентрацию оксидов азота.

Согласно термическому механизму Я.Б. Зельдовича и исследованиям отечественных и зарубежных учёных, концентрация оксидов азота зависит от концентрации атомарного кислорода, температуры продуктов сгорания и времени пребывания азота и кислорода в зоне высоких температур. Температура продуктов сгорания обратно пропорциональна коэффициенту избытка воздуха в степени к (к —определяется экспериментально):

Тпс~1/ак.

Положение и величина максимальной температуры определяются углом опережения зажигания, объёмом продуктов сгорания и продолжительностью основной фазы сгорания:

Tn.c.max~~"@0.3.i Tnc_max~Va~ Vpz T-Pzi

где Va - полный объём цилиндра, д0,3, - угол опережения зажигания.

Время пребывания в зоне высоких температур определяется временем на процесс сгорания, которое может быть представлено продолжительностью основной фазы сгорания:

Концентрация окислов азота пропорциональна атомарному кислороду в степени 0,5. Концентрация атомарного кислорода определяется коэффициентом избытка воздуха. Следовательно,

[N0J~[0]n,5~a5.

Рассмотрев параметры, влияющие на температуру, количество свободного кислорода и располагаемое время процесса сгорания, получаем

Введём параметр А" как функцию: К = f

а

(K-vJ-yj

На основе экспериментальных данных получен безразмерный комплекс параметров К:

К--

I

180 - в„ ¡8(Г

К-К

где т/so - время, за которое поршень достигает НМТ (от ВМТ), с; грг - время окончания основной фазы сгорания (от ВМТ), с; в0.3. - угол опережения зажигания, град.; а - коэффициент избытка воздуха; V„ - полный объем цилиндра, см ; Vpz - объем при достижении максимального давления цикла, см3.

На рисунке 13 представлен график зависимости концентрации NOx от параметра К. На основе комплекса параметров К концентрация оксидов азота может быть представлена в виде полинома 3-ого порядка:

[NOx] = A-K3 +В-К2 + C-K + D, где [NOx] ~ концентрация оксидов азота, ррт; А, В, С и D - эмпирические коэффициенты.

Для бензиновых двигателей с добавками водорода эмпирические коэффициенты равны: А—783000; В=1191500; С=-573500; D=89100.

Известно, что при добавках водорода в TBC увеличивается максимальная температура сгорания. Температура, в свою очередь, зависит от продолжительности процесса сгорания, время которого учитывается в предложенном выражении. Полный объём цилиндра и объём при завершении основной фазы сгорания учитывают степень сжатия, параметры камеры сгорания и температуру цикла. Экспериментально показано, что продолжительность процесса сгорания в значительной степени определяется частотой вращения коленчатого вала. В данной зависимости она выражена через время достижения НМТ (от ВМТ), где также учтена величина

ррт

4000 -3000 -

1000 -|------- —

д

0.3

Рисунок 13 •

Зависимость концентрации оксидов азота от параметра К:

п=900 мин , 6„.

п=900 мин"', 90.

з=13 гр., gH2: 0-0%, D-3%, Д-5%; ,=22 гр., gH2: +-0%,*-3%,х-5%; п=600 мин"1, 90,3 = 13 гр., gH2: ♦-0%,и-3%, А-5% хода поршня. Температура также учитывается моментом зажигания рабочего заряда, кото рый влияет на выбросы NOx в ОГ. Количество свободного кислорода в TBC отражается в СО' отношении коэффициента избытка воздуха.

Полученная эмпирическая модель на основе комплекса параметров К позволяет оценивать концентрацию NOx в отработавших газах поршневых двигателей с искровым зажиганием с учётом конструктивных, регулировочных параметров двигателя, режима его работы и,

что особенно важно, с учётом добавок водорода в TBC. Использование параметров трг и VPl в качестве основных позволяет прогнозировать концентрацию оксидов азота при тепловом расчёте, где критерием анализа эффективности рабочего процесса служит индикаторная диаграмма.

В работе проведена проверка эмпирической модели для метановодородовоздушной смеси (0%<gH2<15%), для которой получены эмпирические коэффициенты: А=637900; £=-1438700; С=1047600; £>=-243370.

На основе полученной эмпирической модели составлена методика оценки концентрации NOx на стадии проектирования и доводки двигателей с искровым зажиганием.

1 Задаются основные параметры вновь проектируемого ДВС - частота вращения коленчатого вала (л), полный объём двигателя (Va), степень сжатия (е).

2 Предварительно задается величина угла опережения зажигания и состав TBC, исходя из условий наибольшей топливной экономичности.

3 Согласно тепловому расчёту определяются моменты времени и объём, при котором достигается максимальное давление цикла: трг и Vpz.

4 Рассчитывается безразмерный комплекс параметров К по формуле

K=j_ fiüazifi.1 р80~М [к-к,'

I г,80 ){ 180 ){ V.

5Согласно приведенным эмпирическим коэффициентам для топливных композиций определяется концентрация NOx по формуле

[NO,]=A- Ку +В-К2 +C-K + D

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение для оценки и расчета концентрации оксидов азота. В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты и выводы:

1 Экспериментально исследованы характеристики распространения пламени в зависимости от коэффициента избытка воздуха, частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания и добавок водорода в топливно-воздушную смесь. Показано, что 3-5% добавка водорода в TBC значительно увеличивает среднюю и турбулентную скорость распространения пламени и сокращает ширину зоны турбулентного горения.

2 Определена взаимосвязь между продолжительностью основной фазы сгорания, скоростью распространения пламени и шириной зоны турбулентного горения. Показано, что время основной фазы сгорания в значительной степени определяется характеристиками пламени.

3 Проведён анализ значимых факторов, влияющих на температуру, атомарный кислород и время пребывания азота и кислорода в зоне высоких температур.

4 Разработана эмпирическая модель для оценки концентрации NO* в поршневых двигателях с добавками водорода по предложенному безразмерному комплексу параметров К:

1 Г18О-0.А (v.-vn

К V ) К 180

Полученная эмпирическая модель на основе комплекса параметров К позволяет оценивать концентрацию NOx в ОГ с учётом конструктивных, регулировочных параметров двигателя, режима его работы и, что особенно важно, с учётом добавок водорода в TBC. Использование параметров гpz и Vp, в качестве основных позволяет рассчитывать концентрацию оксидов азота при тепловом расчёте, где критерием анализа эффективности рабочего процесса служит индикаторная диаграмма.

Основным преимуществом данной модели является значительное сокращение как финансовых, так и временных затрат на доводку существующих двигателей с искровым зажиганием при использовании добавок водорода в топливно-воздушную смесь.

5 На основе разработанной эмпирической модели предложена методика оценки концентрации оксидов азота при проектировании и доводке двигателей с искровым зажиганием.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК:

1. Шайкин А.П. Взаимосвязь ширины зоны горения с ионным током и скоростью распространения пламени в условиях двигателя с искровым зажиганием / Шайкин А.П., Дерячев А.Д. //Вектор науки ТГУ №3 (29). - 2014. - С.82-86.

2. Шайкин А.П. К вопросу о природе электрических явлений и турбулентной скорости распространения метановодородного пламени / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев, А.Д. Дерячев // Вектор науки ТГУ, Тольятти, №1 -2015. - С.51-54.

3. Шайкин А.П. Эмпирическая модель прогнозирования концентрации оксидов азота при добавках водорода для двигателей с искровым зажиганием / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, А.Д. Дерячев // Вектор науки ТГУ №2 (32-1). - 2015. - С.65-70.

В других изданиях:

4. Дерячев А.Д. Определение ширины зоны и интенсивности реакций горения при сжигании бензовоздушной смеси в ДВС с искровым зажиганием //2 Международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов: Издательство ТГУ, Сборник трудов - Тольятти. - 24-25 апреля 2012. - С.274-277.

5. Дерячев А.Д. Ширина зоны горения, ионный ток и скорость распространения пламени в условиях двигателя с искровым зажиганием. / Дерячев А.Д., Шайкин А.П. // III Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов»: Издательство ТГУ, Сборник трудов -Тольятти. - 15-17 апреля 2014. - C.313-3I6.

6. Дерячев А.Д. Характеристики распространения пламени вблизи стенки цилиндра в условиях двигателей с искровым зажиганием / Дерячев А.Д., Шайкин А.П. // Научно-практическая конференция «Студенческие Дни науки»,ТГУ,Тольятти, -2014.-С.15-17.

7. Ramazanov М.Р. Influence of combustion activation due to hydrogen addition on the flame propagation in gasoline engine / Ramazanov M.P., Ivashin P.V., Shaikin A.P., Tverdokhlebov A.Ya., Deryachev A.D. // International conference on the methods of aerophysical research, Novosibirsk, Russia, 30.06.2014-6.07.2014,- 157 p.

8. Дерячев А.Д. Ширина зоны турбулентного горения и ионный ток в поршневых двигателях с искровым зажиганием / Дерячев А.Д., Шайкин А.П., Ивашин П.В. // Международная научно-практическая конференция «Транспорт. Экономика. Социальная сфера. (Актуальные проблемы и их решения)», Сборник статей, Пенза, 2014. - С. 18-21.

9. Дерячев А.Д. Исследование ширины зоны турбулентного горения в удалённой зоне камеры сгорания поршневых двигателей с искровым зажиганием / Дерячев А.Д., Шайкин А.П., Ивашин П.В // VIII Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса», Сборник статей, Пенза, 19-21 ноября 2014 г.-С. 29-33.

10. Шайкин А.П. Методы и результаты исследования процессов сгорания в поршневых двигателях и энергетических установках / Шайкин А.П., Ивашин П.В., Дерячев А.Д. // Методическое пособие. — Тольятти. - 70 с.

11. Шайкин А.П. Влияние добавок водорода в TBC на ширину зоны турбулентного горения при распространении пламени в камере сгорания поршневого ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, А.Д. Дерячев // IV Международная научно-техническая конференция (Резниковские

чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства», Сборник трудов, Тольятти, - 2015. - С. 272-276.

12. Шайкин А.П. Эмпирическая модель для прогнозирования оксидов азота при добавках водорода в TBC двигателей с искровым зажиганием / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, А.Д. Де-рячев // IV Международная научно-техническая конференция (Резниковские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства», Сборник трудов, Тольятти, - 2015. - С. 276-281.

Научно-технические отчеты:

13. Повышение эффективности работы и снижение токсичности отработавших газов поршневых двигателей и установок при использовании органических топлив с газообразными активаторами горения: отчёт о НИР «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» I4.B37.21.0152 / Шайкин А.П., Ивашин П.В., Русаков М.М., Бортников Л.Н., Павлов Д.А., Смоленский В.В., Галиев И.Р., Дерячев А.Д., Сазонов М.В., Твердохлебов А.Я. // Тольятти: Тольяттинский государственный университет. - Инв. № 02201457431. - 2013. -

14. Разработка методов химического регулирования процесса горения углеводородных топлив в энергетических установках для повышения их энергоэффективных и экологических характеристик: отчёт о НИР «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 14.В37.21.0308 / Шайкин А.П., Ивашин П.В., Русаков М.М., Бортников JI.H., Павлов Д.А., Смоленский В.В., Галиев И.Р., Дерячев А.Д., Рущин Е.И., Твердохлебов А.Я. - Тольятти: Тольяттинский государственный университет. - Инв. № 02201457432. - 2013.- 180 с.

180 с.

Подписано в печать 26.06.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.