автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Характеристики распространения пламени в метановодородовоздушной смеси и концентрация несгоревших углеводородов в отработавших газах газопоршневых двигателей

На правах рукописи

Галиев Ильдар Ринатович

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В МЕТАНОВОДОРОДОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ И КОНЦЕНТРАЦИЯ НЕСГОРЕВШИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ГАЗОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2013

2 6 СЕН 2013

005533372

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

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шайкин Александр Петрович.

Росляков Алексей Дмитриевич,

доктор технических наук, доцент, главный специалист отдела камер сгорания ОАО «Кузнецов»;

Захаров Евгений Александрович,

кандидат технических наук, доцент, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет».

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

Защита диссертации состоится «11» октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Ведущая организация ■

Автореферат разослан,« » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

(¥7

2

Ожогин Виктор Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Устойчивый, интенсивный рост автотранспорта способствует усилению техногенного прессинга на природу и человека. Выявлено, что именно несгоревшие углеводороды (СН), входящие в состав отработавших газов (ОГ), способствуют возникновению у человека респираторных и онкологических заболеваний. В связи с этим, каждый год, законодательно ужесточаются требования к концентрации СН в ОГ автомобилей. Поскольку бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) достигли предела своего экологического совершенства, то все больше производителей обращают внимание на двигатели, использующие в качестве топлива сжатый природный газ (СПГ) и его смесь с водородом. Несмотря на большое количество исследований в данной области, до сих пор нет данных о связи эмиссии СН с характеристиками распространения пламени и с его электропроводностью. Это является необходимым условием для дальнейшего улучшения энергетических и экологических показателей газопоршневых ДВС, а также разработки (совершенствования) методов контроля СН, основанных на мониторинге ионного тока. Кроме этого, анализ современных методов расчета СН в ОГ газопоршневых двигателей, в которых не учитываются характеристики распространения пламени, выявил сильное несоответствие (более 50%) между расчетными и экспериментальными значениями. Поэтому методы расчета концентрации СН требуют серьезной доработки. Таким образом, выбранная тема исследований актуальна, как в теоретическом, так и в практическом плане.

Цель работы: снижение выбросов несгоревших углеводородов в отработавших газах газопоршневых двигателей за счет изменения характеристик распространения пламени в метановодородовоздушной смеси.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Выявить зависимость между скоростью распространения метановодо-родовоздушного пламени и концентрацией СН в ОГ.

2. Определить связь между электропроводностью фронта пламени и концентрацией СН при добавлении водорода в природный газ;

3. Разработать метод оценки и расчета концентрации СН в газопоршневом двигателе, учитывающий влияние характеристик распространения пламени на эмиссию СН. ;

Объектом исследования является процесс сгорания углеводородного топлива с добавкой водорода в поршневом двигателе с искровым зажиганием.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые установлены на основе измерений скорости распространения пламени и ионного тока закономерности влияния состава топливовоздушной смеси (TBC) и доли в ней водорода на выделение СН в ДВС, работающем на природном газе.

2. Выявлено взаимное влияние концентрации углерода в TBC и скорости распространения пламени на величину ионного тока.

3. Предложен новый метод оценки и расчета СН в ОГ газопоршневого ДВС. Показано, что предлагаемый метод позволяет определить химический состав TBC и значения характеристик распространения пламени, обеспечивающие снижение выбросов СН.

Теоретическое значение работы.

1. Показано сильное влияние процессов, происходящих в первой фазе сгорания на процессы во второй фазе сгорания топлива.

2. Установлена зависимость ионного тока от доли углерода в TBC и скорости распространения пламени.

3. Раскрыт механизм влияния химико-физических свойств TBC и характеристик распространения пламени на эмиссию СН в газопоршневом ДВС.

Практическое значение работы.

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и доводке ДВС, использующих в качестве топлива природный газ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Методы исследования. При проведении исследований применялись экспериментальные методы, включающие стендовые испытания, методы эмпирического анализа, статистическая обработка данных и компьютерное моделирование.

Положения, выносимые на защиту.

1. Зависимость концентрации СН от средней скорости распространения пламени.

2. Результаты экспериментального исследования связи электропроводности фронта пламени с выделениями СН.

3. Метод оценки и расчета СН в ОГ двигателя, использующего в качестве топлива СПГ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Достоверность : полученных результатов исследования обусловлена большим объемом экспериментов, применением методов статистической обработки данных, а также сходимостью результатов экспериментов с данными других авторов.

Реализация результатов работы.

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК № 14.В37.21.0152 и ГК № 14.В37.21.0308. Расчетные зависимости рекомендованы к внедрению НТЦ ОАО «АВТОВАЗ». Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 141100 «Энергетическое машиностроение».

Апробация работы.

Результаты исследования были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольят-тинского государственного университета в 2010 - 2013 годах и доложены в следующих конференциях: IV международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» Тольяттинский государственный университет, Тольятти - 2012; П международ-

нал научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» Тольяттинский государственный университет, Тольятти - 2012; международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара - 2012; VIII всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара - 2012; XLI научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПб! НУ», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург - 2012; всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго-и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург - 2012; III международная научно-техническая конференция «Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении», Карачевский филиал государственного университета «Гос-университет-УНПК», Карачев - 2012; IV международная научно-практическая конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянский государственный технический университет, Брянск - 2012; международная, научная конференция «Наука, образование, производство в решении экологических проблем», Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа - 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 227 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, иллюстрированного 4 таблицами и 83 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию научной новизны и актуальности темы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, показана её практическая и теоретическая ценность.

В первой главе был произведен обзор методов снижения СН, анализ исследований механизма образования СН в цилиндре поршневого ДВС и его связи с характеристиками распространения пламени. В данном направлении известны работы В.А. Звонова, П.В. Ивашина, А.П. Шайкина, W.K. Cheng, J.B. Heywood, I. Saanum, V.M. Salazar и другие. Анализ литературы показал: 1) перспективность использования двигателем в качестве топлива СПГ и его смесь с водородом для улучшения своих технико-экологических характеристик; 2) на-

личие у современных методов расчета СН значительного (более 50%) несоответствия между расчетными и экспериментальными данными; 3) не учет существующими расчетными моделями СН характеристик распространения пламени (скорости и ширины фронта пламени); 4) отсутствие закономерности, связывающей между собой концентрацию СН, скорость и ширину фронта пламени в условиях газопоршневого ДВС; 5) перспективность использования метода ионизационных зондов для исследования и прогнозирования выбросов СН; 6) отсутствие данных о влиянии химического состава углеводородного топлива на показания ионизационного датчика (ИД); 7) отсутствие зависимости скорости распространения пламени, ширины зоны химических реакций и ионного тока от состава TBC и режимных параметров работы газопоршневого ДВС. По итогам произведенного анализа, были сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе описывается конструкция экспериментального стенда, методика проведения испытаний, проводится оценка погрешности результатов экспериментального исследования.

Исследование характеристик распространения пламени и их взаимосвязи с концентрацией СН в ОГ, проводилось на экспериментальном стенде, основу которого составляла установка УИТ-85, представляющая собой одноцилиндровый, четырехтактный ДВС. Стенд был также оборудован системами подачи водорода и природного газа в двигатель. Определение концентрации СН в ОГ осуществлялось газоанализатором «АВТО-ТЕСТ-02 C0-C02-CH-02-N0x-a-T». Для мониторинга ионного тока использовались два ИД, один из которых располагался непосредственно у свечи зажигания, а другой на максимальном удалении от неё, рисунок 1. Таким образом, данные полученные с ИД, расположенного у свечи зажигания, соответствовали первой фазе сгорания, а информация о процессах во второй фазе сгорания была получена ИД, удаленным от свечи зажигания.

Варьируемыми факторами являлись состав TBC и доля добавляемого водорода в топливо, составляющая 29, 47 и 58% (по объему). Работа двигателя осуществлялась при угле опережения зажигания равном 13° и на скоростных режимах 600 и 900 об/мин. Методика эксперимента заключалась в параллельной регистрации сигналов с ИД, искры зажигания, датчика положения коленчатого вала и записи осциллограмм с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя в память персонального компьютера. В результате испытаний получены серии осциллограмм на каждом режиме испытаний. Ос-реднённый сигнал оценивался по следующим параметрам: промежутку времени от начала зажигания до возникновения импульса ионного тока на ИД, располо-

ние ИД в КС: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - свеча зажигания с ИД; 4-ИД

женном у свечи зажигания (t\) и на ИД удаленном от неё (72); амплитуде сигнала ионного тока на ИД, расположенном у свечи зажигания (/j) и на ИД удаленном от неё (/2); длительности сигналов импульса ионного тока на ИД, расположенном у свечи зажигания (tcl) и на ИД удаленном от неё (гс2); промежутку времени от начала зажигания до возникновения в цилиндре ДВС максимума давления (ipmax); величине максимального давления в цилиндре ДВС (Pz).

Определение погрешностей экспериментальных данных осуществлялось по ГОСТ 8.207-76. Погрешность амплитуды сигнала составляла 6%, времени от искрового разряда до возникновения максимума давления в цилиндре ДВС и сигнала на ИД - 3%, коэффициента избытка воздуха - 3%; доли добавляемого водорода в TBC - 4%, а концентрации СН в ОГ - 5%.

Третья глава посвящена обработке результатов испытаний: влиянию скоростного режима двигателя, состава TBC и доли в ней водорода на характеристики распространения пламени, его электропроводность и на концентрацию СН в ОГ. Анализ интервалов времен от начала зажигания до появления импульса ионного тока на ИД (рисунок 2), а также длительности его сигнала (рисунок 3) выявил, что они имеют четкую зависимость от состава TBC, доли в ней водорода и скоростного режима двигателя. При этом наиболее ярко данная тенденция проявляется в первой фазе сгорания. Поскольку графические зависимости на обоих скоростных режимах качественно схожи друг с другом, то на рисунках 2 и 3 приведены данные только для иквд=900 об/мин.

3

г,s г

о

«1,5 1

0,5

О,

\ л,О

А

< '•t., Г X, ТГ-; ТСС -о

г

6,5 6 5,5

5

4,5 4

|| •

Ê) Л- ß

Î5 1—-

0,7 0,8 0,9 1 1,1 U 1,3 1,4 1.5 1.6 а.

S 3

У V i f< »

V в .... •о р

и- rft. А «г'-

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1.2 1.3 1,4 1,5 1.6 а Рисунок 2 - Зависимость времени (t{) возникновения сигнала на ИД, расположенном у свечи зажигания, и на ИД, удаленным от нее (f2), от состава TBC и доли в ней водорода: <>,♦ - гН2=0%; - гт=29%; А, ▲ - гН2=47%; о,о - гН2=58%

4

3,5 3 2,5 1 1.5 1 0,5

1,5

0,5

1 К

VII V+9 д ** 1

0.« 0,7 0.8 0.9 1 1,1 1,2 1,3 1.4 1.5 1.6 о 0.6 0,7 0,8 0,9 1 1.1 1,2 1.3 1,4 1,5 1,6 а

Рисунок 3 - Зависимость длительности сигнала импульса ионного тока (ici) на ИД, расположенном у свечи зажигания, и на ИД, удаленным от нее (fo), от состава TBC и доли в ней водорода: О,* - гн2=0%; □,■ - гНг=29%; А,А-гН2=47%;О,#-ГН2=58% . 7

Показано, что при увеличении доли водорода в TBC время достижения пламенем ИД монотонно снижается, причем с обеднением смеси влияние добавок водорода усиливается. Также было экспериментально выявлено, что, несмотря на изменение коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого водорода в TBC, сохраняется линейная зависимость времени возникновения ионного тока и продолжительности его сигнала во второй фазе сгорания, от их значений в первой фазе сгорания. Таким образом, по ИД, расположенному у свечи зажигания, можно проводить мониторинг исследуемых величин во второй фазе сгорания без использования дополнительного датчика.

В результате проведенных исследований были получены значения ионных токов, при работе установки на разных скоростных режимах, добавках водорода и составах TBC, рисунок 4.

500 400 300 200 100 о

ж

< а \

о

250 200 I wo ! 100 ' 50

/

1

1 < <

V

0,7 0.8 0,9 1 1,1 1,2 1,$ 1,4 1,5 1,6

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Рисунок 4 - Зависимость ионного тока (Ii) на ИД, расположенном у свечи зажигания, и на ИД, удаленном от нее (12), от состава TBC и доли в ней водорода: <>,♦ - гн2=0%; □,■ - гн2=29%; А, А - гт=А1%\ о,* - гН2=58%

Поскольку графические зависимости на обоих скоростных режимах схожи друг с другом, то на рисунке 4 приведены данные только для иквд=900 об/мин. Характер изменения тока на ИД, расположенных у свечи зажигания и на максимальном удалении от неё, отражает влияние варьируемых параметров на интенсивность протекания химических реакций во фронте пламени. Кроме этого, обнаружено, что для обоих скоростных режимов, наблюдается заметное увеличение ионного тока только при 29% добавке водорода в TBC.

Изменение концентрации СН в ОГ ДВС в зависимости от состава TBC и доли водорода в ней представлено на рисунке 5. Результаты испытаний показывают, что концентрация СН в ОГ имеет минимум при а=1,14 во время работы установки без добавки водорода в TBC. Также было обнаружено, что для богатых TBC добавка водорода в количествах, изученных в данной работе, не приводит к заметному снижению

■¡it..

• '

0,7 0,8 0,9 1 1,1 : 1,J u 1,4 1,1 1,6 ,

Рисунок 5 - Зависимость концентрации СН от состава TBC и доли в ней водорода: ♦ - гц2=0%; ▲ - гт=Л1%\

• -ГН2=58%

токсичности выхлопа. В свою очередь, при обеднении TBC происходит убыль концентрации СН в ОГ при тех же концентрациях добавляемого водорода. Причем уменьшение тем интенсивнее, чем беднее TBC. К подобным результатам пришли исследователи из Гентского университета [Sierens, 2000], университета Цинхуа [Ма, 2009] и Лундского университета [Saanum, 2007] при изучении влияния добавок водорода в количестве 10; 20% (лКвд=3800 об/мин), 30; 55% (лКвд=800 об/мин) и 25% (лквд=1200 об/мин) соответственно, на динамику СН в ОГ ДВС, рисунок 6. Это говорит о достоверности и универсальности найденной закономерности.

Глава четвертая посвящена анализу и обобщению результатов экспериментального исследования.

Зависимость скорости распространения пламени от состава TBC, доли в ней водорода и скоростного режима ДВС представлена на рисунке 7. Анализ, которого выявил, что для обоих скоростных режимов, наблюдается увеличение средней скорости распространения пламени при добавке, водорода в TBC. Причиной этому является то, что добавка водорода способствует формированию высокоактивных центров химических реакций и снижению энергии воспламе-

а б

Рисунок 7 - Зависимость средней скорости распространения пламени от коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого в топливо водорода: а) Лквд= 600 об/мин, б) «квд= 900 об/мин; II0, □, А, о; {/2: ш, А, •; гш=0%: 0, ♦; гш=29%: ■; гт=47%: А, А; гН2=58%: о, •

1 1 1 t> 1

// // 9/ ' 1

■

1 JФУ

0.9 X 1,1 1,2 1.3 1.4 о

Рисунок 6 - Зависимость величины снижения концентрации СН от состава TBC и доли в ней водорода: □ - гН2=47%, яквд=900 об/мин; ■ - Гн2=58%, иКВд=900 об/мин; зарубежные исследования: 0 - rm=10%; ♦ - r„2=20%; X - г„2=25%; о - /Н2=30%; • - гН2=55%

Исследование динамики скорости пламени выявило, что, несмотря на изменение скоростного режима, коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого водорода в TBC, сохраняется линейная зависимость скорости во второй фазе сгорания, от скорости в первой фазе сгорания. Таким образом, учет скорости Ui позволит спрогнозировать динамику скорости во второй фазе сгорания.

Анализ осциллограмм импульсов ионного тока показал, что амплитуда сигнала имеет характерную зависимость от состава TBC. Также было экспериментально обнаружено, что, несмотря на изменение скоростного режима, коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого водорода в TBC, сохраняется линейная зависимость ионного тока во второй фазе сгорания от ионного тока в первой фазе сгорания. При этом увеличение значения Ii соответствует повышению h, т.е. протекание химико-физических процессов вначале сгорания топлива влияет на /2 и определяет её будущее значение. Таким образом, учет величины ионного тока в первой фазе сгорания позволит спрогнозировать развитие ионного тока во второй фазе сгорания, а значит и процессов происходящих в ней.

Также при анализе экспериментальных данных было выявлено сильное снижение роста ионного тока при добавке водорода в TBC превышающей 29%. Причина этого, заключается в зависимости ионного тока от концентрации свободного радикала СИ*", которая зависит от доли углерода в TBC и скорости распространения пламени. Количество углерода в топливе определяет потенциальный резерв образования СН*", а скорость пламени характеризует интенсивность его образования во время процесса сгорания. При добавке водорода в TBC одновременно происходит уменьшение концентрации в ней углерода и увеличение скорости распространения пламени.

Согласно этим представлениям был предложен параметр Sa:

Sa=gc-U, (1)

где gc - массовая доля углерода в TBC; U - скорость распространения пламени, м/с.

На рисунке 8 показана (в относительных величинах) связь параметра Sa с ионным током:

I'

Sa.=-

J(a=l)

Sa

(2)

(3)

0«00_0%_1фа?а O600_2S>H_l фаза A600_47N 1фа1*

0«00~J8ti_l фаза ♦бОО 0V. ««00 2**~2ф»"

»600 -П'/Ггфам »COOJSti 2фаза ♦воо'о^.гфаи

■900_J9*»_1 фи» А900_47Н~1 фаза »900 58V. 1фаза

»900_01»_2фаза ■900_29<» 1'фиа Л900~47У.~2фаза

• 900_58Н_;фата +«Ю_0>. 2фаза «ЯП * 600~19<a"i фа за «МП хеоо 29«i 2 фаз« вес+900 04 2фма бет

Рисунок 8 - Связь ионного тока с

параметром Sa

Sc\a=i)'

где 7(0=1) - значение ионного тока, при стехиометрическом составе TBC, мкА; &7(а=1) - значение параметра Sa, при стехиометрическом составе TBC; м/с.

50 40

V*

30

<i

Г" 10

т

1 1

п. Г1 il

О?

1

1,1 1,2 12 1,35

Анализ рисунка показывает наличие линейной зависимости тока от параметра Sa, которая сохраняется при изменении скоростного режима двигателя, коэффициента избытка воздуха, вида топлива (СПГ и бензин) и доли в нем водорода. Данный факт, в дальнейшем, может быть использован для прогнозирования и мониторинга скорости распространения пламени по амплитуде импульса ионного тока, что приведет к упрощению существующей методики исследования процесса сгорания датчиками ионизации.

Пятая глава посвящена анализу связи концентрации СН в ОГ с характеристиками распространения пламени и с его электропроводностью.

Для определения связи ионизации пламени с величиной СН был построен график их зависимости от коэффициента избытка воздуха, рисунок 9. Изменение тока и СН при постоянном составе TBC осуществлялось добавкой водорода в количестве 47%. В результате было обнаружено, что снижение эмиссии соответствует росту амплитуды импульса ионного тока, который говорит об увеличении интенсивности ц полноты сгорания.

На рисунке 10 приведена зависимость концентрации СН от скорости распространения пламени, рост значений которой при постоянном составе TBC обеспечивался добавками водорода в количестве 47 и 58%. Числовые значения на рисунке обозначают величину коэффициента избытка воздуха (а), а штриховые линии соединяют одинаковые значения а: 0,9; 1,0; 1,1; 1,3. Анализ экспериментальных данных показал, что при возрастании скорости происходит снижение концентрации СН, причем это справедливо только для бедных смесей, что объясняется значительной активизацией их сгорания при добавках водорода.

Для оценки влияния скоростей пламени на выделение СН был использован предложенный П.В. Ивашиным параметр К, который пропорционален отношению нормальной скорости распространения пламени к турбулентной. С учетом особенностей взаимосвязи скорости распространения фронта пламени и его ионизации модернизированный нами параметр К определялся из условий,

Рисунок 9 - Связь концентрации СН с ионным током: □ - ДСН; ■ — Д/2

9 II 15 И С2.м/с

Рисунок 10 — Влияние скорости распространения пламени на эмиссию СН: о - гш=0%; • - гш=47%; • -ГН2=58%

что отношение ионного тока к доле углерода в TBC прямо пропорционально скорости ламинарного горения, а продолжительность основной фазы сгорания обратно пропорциональна турбулентной скорости пламени:

(4)

где <pt - продолжительность основной фазы сгорания, град. ПКВ; /2 - ионный

170 150 130

но

sf и

1,37 ч 1 f

l

1,47

TT-r * ■i V*

im ! 1 i » Js=—

0 0,5 1 1,5

RIO1,град. ПКВ-А

Рисунок 11 - Зависимость эмиссии СН от параметра К, где численными значениями обозначены коэффициенты избытка воздуха: • - Гн2=0%; ■ - гт=47%; А-ГН2=58%

В представленном виде концентрация СН в ОГ имеет характерную зависимость от параметра К (рисунок 11). Выявлены значения Кат, соответствующие минимальным концентрациям СН, т.е. Кот соответствует оптимальному балансу турбулентной и ламинарной скоростей пламени в данных условиях и позволяет оценить их воздействие на выделение СН двигателем. Анализ влияния вида топлива (СПГ и бензин) на параметр К показал, что он имеет схожие значения для обоих топлив. Это говорит об универсальности данного параметра, т.е. о возможности его использования в бензиновых и газо-

вых двигателях.

Расчетную оценку СН с учетом характеристик распространения пламени было предложено проводить с использованием величины тепловыделения при протекании химических реакций. Поскольку известно, что основной причиной возникновения СН в КС ДВС является локальное гашение пламени, которое, в общем случае, происходит вследствие снижения скорости химических реакций во фронте пламени, способствующее расширению его протяженности и снижению скорости распространения пламени, что, в итоге, приводит к убыли тепловыделения. При этом увеличивается объем СН в пристеночных слоях за счет увеличения поверхности КС при завершении процесса сгорания. Таким образом, очевидно наличие связи эмиссии СН с величиной тепловыделения: чем она выше, тем интенсивнее протекает процесс горения и тем меньше зон гашения пламени и, следовательно, СН. При этом необходим учет химического состава топлива: доли в нем углерода, водорода и кислорода. Поскольку именно углерод с водородом участвуют во всех процессах образования и развития СН, а кислород способствует окислению, и как следствие, снижению СН. Таким образом, произвести оценку концентрации СН можно по формуле:

So'Qt.B. 'ртах

c2

•Da'

Fl- gc-gH

H..

(5)

Г =А. с ut'

S -и Da^-t—в

U-5

(8)

где gc - массовая доля углерода в ТВС; £н - массовая доля водорода в ТВС; go - массовая доля кислорода в ТВС; - удельное тепловыделение при протекании химических реакций, МДж/кг; П - показатель состава топлива, кг/МДж; ;Ршах - интервал времени от начала зажигания до возникновения в цилиндре двигателя максимума давления, с; гс2 - продолжительность сигнала импульса ионного тока на ИД, удаленным от свечи зажигания, с; Ба - критерий Дамкёлера (значение принималось равным 100 - величине, определенной учеными технического университета Эйндховена [Doosje, 2010] для газопоршневого двигателя, исследуемого в условиях аналогичным нашим).

Учитывая экспериментально найденную связь между ¿с2 и ¿сь а также ¿рщах с ¿1 и ?2 параметр Иг был представлен следующим образом:

(9)

Da'

200

160

Fl'(tci -0,33 + 0,33) ■ ^ 1,3 6-(V 2,94+ 2,94)-.Da'

(10)

в &

120

80

40

>

•й h-

Jfi

4 ** Г

4 б 8 10 П1'107,кг/]МДяс

12 14

Рисунок 12 - Связь концентраци СН с параметрами Thx (0„ А,о), Th2 (♦, А,*), Th3 (+,*,х): <>,♦,+ - гш=0%; А, А,* - гН2=47%; о,*,Х - ГИ2=58%

Связь параметров ThuThi и Тйз с концентрацией СН при разных составах ТВС и добавках в неё водорода представлена на рисунке 12. Анализ рисунка показывает наличие линейной зависимости между параметром Th и концентрацией СН. Таким образом, предложенный параметр, с высокой степенью точности отражает динамику СН и может быть использован для её оценки при варьировании составом ТВС и долей в ней водорода.

Определить концентрацию СН в ОГ двигателя, можно по формуле:

ся=АУ т,

где Ду - эмпирический коэффициент, ррт-МДж/кг.

СН,

Rs=-

(a,rm)

Th,

(а.гт)

(П)

(12)

где Gff(a>r ) - концентрация несгоревших углеводородов, полученная экспериментально, ррт;

Ща, гт) _ расчетное значение параметра Th, кг/МДж.

В результате анализа данных, полученных по формуле (12) было выявлено, что коэффициент Rs на всех режимах испытаний изменялся не более чем на 7% и был равен 15-10 ppm-МДж/кг. Это говорит о постоянстве Rs для данного вида топлива и возможности применения одного значения Rs для расчета СН, при различных коэффициентах избытка воздуха и добавках водорода в СПГ. Концентрации СН, полученные экспериментально и расчетным путем при разных коэффициентах избытка воздуха и долях водорода в TBC представлены на рисунке 13.

250 ' Д

. 150 ' 1 Я 100 ■ и 50 ' 0 '

♦ - Эксперимент о - Расчет (СН,) с - Расчет (СН:) Д - Расчет (СН,)

0,8

0,9

1.2

м

вГ и

200 150 100 50 0

250 200 ISO

100

0

£0 0

♦ - Эксперимент о - Расчет (СН,) -о - Расчет (СНг) Д. Расчет (СН.)

Й" л

«¡и в-

0,8 0,9 1 1 б а 1. 3 1 * 1,5

Эхспернмент Расчет (CHJ " Расчет (СН-) Расчет (СН3) ~

0-

& Д-

к*,,,.

0.8 0.9 1 14 1Д U 1,4 1.S 1,6 а В

Рисунок 13 - Концентрации СН, полученные экспериментально и расчетным путем: а) гН2=0%; б) гш=47%; в) rm=58%

Из рисунков видно, что расчетная концентрация СН практически идентична концентрации СН, полученной экспериментально, при варьировании коэффициентом избытка воздуха и долей водорода в TBC. Следовательно, предложенный метод расчета СН, основанный на использовании химико-физических свойств TBC и характеристик распространения пламени, может быть использован для прогнозирования и расчета содержания СН в ОГ газопоршневого двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, результаты экспериментального определения характеристик распространения пламени в первой и второй фазах сгорания и ионного тока во фронте пламени и анализа их воздействия на концентрацию несгоревших углеводородов в отработавших газах позволяют сделать следующие выводы:

1. Выявлено взаимное влияние концентрации углерода в топливовоздуш-ной смеси и скорости распространения пламени на величину ионного тока в метано- и бензовоздушных смесях, что позволит проводить мониторинг скорости распространения пламени по амплитуде импульса ионного тока.

2. Выявлена линейная зависимость уменьшения концентрации несгоревших углеводородов с ростом скорости распространения и ионизации пламени, определяемой по ионному току. При этом, чем сильнее происходит увеличение скорости и ионного тока, тем интенсивнее снижается эмиссия несгоревших углеводородов.

3. Показана возможность использования модернизированного параметра К, пропорционального отношению нормальной скорости распространения пламени к турбулентной, для оценки влияния скоростей распространения пламени на выделение несгоревших углеводородов в бензиновых и газовых двигателях.

4. Обнаружено, что добавка водорода приводит к одинаковому снижению концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах вне зависимости от конструкции камеры сгорания и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

5. Предложен метод оценки и расчета концентрации несгоревших углеводородов, основанный на использовании характеристик распространения пламени. Показано, что предлагаемый метод позволяет определить химико-физические свойства топливовоздушной смеси и значения характеристик распространения пламени, обеспечивающие снижение выбросов несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя, использующего в качестве топлива природный газ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Список работ опубликованных автором по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Галиев, И.Р. Взаимосвязь характеристик распространения пламени в объемах камеры сгорания у свечи зажигания и в наиболее удаленной от неё зоне в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Вектор науки ТГУ.-2012.-С. 209-215.

2. Галиев, И.Р. Влияние скорости распространения и ионизации пламени на концентрацию несгоревших углеводородов в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - №4. - 2013. - С. 248 - 252.

В прочих изданиях

3. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода в метановоздушную смесь на электропроводность и скорость распространения пламени / И.Р. Галиев, П.В. Ивашин // Материалы II Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов». - 2012. - С. 261 - 264.

4. Галиев, И.Р. Ионный ток и скорость распространения пламени бензо-водородовоздушной и-метановодородовоздушной смесей в условиях двигателя с искровым зажиганием / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей». - 2012. - С. 132 - 140.

5. Галиев, И.Р. Влияние скорости распространения пламени на концентрацию несгоревших углеводородов в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы международной научно-практической конференция «Неделя науки СПбГПУ». - 2012. - С. 24 - 25.

6. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода на концентрацию несгоревших углеводородов в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы IV международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании». -2012. - С. 27 - 28.

7. Галиев, И.Р. Снижение техногенного прессинга на окружающую среду путем введения активирующих добавок в топливо / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы международной, научной конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем». - 2012. - С. 250 -252.

8. Галиев, И.Р. Использование ионизационного датчика, установленного в свече зажигания, для контроля сгорания в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы международного научно-технического форума, посвященного 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ. - 2012. -С. 151 -152.

9. Галиев, И.Р. Использование метода ионизационных зондов для определения концентрации несгоревших углеводородов в газопоршневых ДВС / И.Р. Галиев, П.В. Ивашин // Материалы III международной научно-технической конференции «Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении».-2012.-С. 157- 160.

10. Галиев, И.Р.: Влияние добавки водорода в сжатый природный газ на скорость распространения пламени в первой фазе сгорания / И.Р. Галиев, П.В. Ивашин // Материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». - 2012. - С. 83 - 85.

11. Галиев, И.Р. Перспективы снижения токсичности легковых автомобилей / И.Р. Галиев, А.П. Караченцев / Материалы проектно-аналитической экологической сессии «Экологическая безопасность в городе». - 2010. - С. 103 — 104.

12. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода в метановоздушную смесь на связь электропроводности со скоростью распространения фронта пламени / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы IV Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии». - 2012. - С. 6 - 11.

13. Галиев, И.Р. Определение токсичных компонентов в отработавших газах газобалонного автомобиля датчиком ионизации / И.Р: Галиев, П.В. Ивашин // Материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». - 2012. - С. 41 - 43.

14. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода в топливо на характеристики газопоршневого ДВС / И.Р. Галиев, П.В. Ивашин // Материалы III международной научно-технической конференции «Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении». - 2012. - С. 74 - 77.

\

Подписано в печать 30.08.2013. Формат 60x84/16. Печать оперативная. Усл. п. л. 1,05. Тираж 100 экз. Заказ № 3-409-13.

Издательство Тольяттинского государственного университета 445667 г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет»

Галиев Ильдар Ринатович

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

В МЕТАНОВОДОРОДОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ И КОНЦЕНТРАЦИЯ НЕСГОРЕВШИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ГАЗОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор А.П. Шайкин

Тольятти - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................... 5

Глава 1 Влияние характеристик пламени на механизм образования несгоревших углеводородов в двигателе с искровым зажиганием............ 10

1.1 Анализ основных характеристик распространения пламени в

двигателе с искровым зажиганием..................................................... 10

1.2 Современное представление о механизме образования несгоревших углеводородов в цилиндре поршневого ДВС с искровым зажиганием...... 17

1.2.1 Механизм гашения пламени на стенках и в щелях КС................... 17

1.2.2 Процесс погасания пламени в объеме КС..................................... 23

1.3 Методы исследования механизма образования несгоревших углеводородов и определения их концентраций в цилиндре двигателя...... 26

1.3.1 Методы математического моделирования концентрации несгоревших углеводородов............................................................ 26

1.3.2 Эмпирические методы исследования механизма образования несгоревших углеводородов и определения их концентраций в цилиндре двигателя.................................................................................. 28

1.4 Анализ методов снижения несгоревших углеводородов в поршневых двигателях с искровым зажиганием.................................................. 36

1.4.1 Перспективы использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей............................................................. 37

1.4.2 Перспективы использования СПГ в качестве топлива для автомобильных двигателей............................................................. 39

1.4.3 Перспективы использования смеси природного газа с водородом в

качестве топлива для автомобильных двигателей................................ 42

Выводы к главе 1.......................................................................... 48

Глава 2 Экспериментальное оборудование и методика проведения экспериментов............................................................................. 50

2.1 Экспериментальная установка.................................................... 50

2.2 Методика проведения эксперимента............................................. 58

2.3 Статистическая обработка результатов испытаний.......................... 61

Глава 3 Обработка результатов испытаний.......................................... 63

3.1 Зависимость интервала времени от начала зажигания до появления ионного тока от состава топливовоздушной смеси, величины добавляемого в нее водорода и скоростного режима двигателя............... 63

3.2 Зависимость длительности сигнала импульса ионного тока от состава топливовоздушной смеси и величины добавляемого в нее водорода....... 66

3.3 Зависимость времени возникновения в цилиндре двигателя максимума давления от состава топливовоздушной смеси и величины добавляемого в нее водорода........................................................... 70

3.4 Зависимость ионного тока от состава топливовоздушной смеси, величины добавляемого в нее водорода и скоростного режима двигателя... 72

3.5 Зависимость концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах от состава топливовоздушной смеси и величины

добавляемого в нее водорода........................................................... 78

Глава 4 Анализ и обобщение результатов экспериментального исследования............................................................................... 82

4.1 Средняя скорость распространения пламени в первой и основной фазах сгорания и ее зависимость от состава топливовоздушной смеси, величины добавляемого в нее водорода и скоростного режима двигателя... 82

4.2 Электропроводность фронта пламени, как параметр процесса

сгорания в цилиндре поршневого ДВС.............................................. 88

Глава 5. Связь эмиссии несгоревших углеводородов с характеристиками

распространения пламени.............................................................. 96

5.1 Влияние скорости распространения и ионизации пламени на концентрацию несгоревших углеводородов....................................... 96

5.2 Прогнозирование концентрации несгоревших углеводородов

с использованием скорости распространения пламени......................................................100

5.3 Оценка и расчет концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя с использованием характеристик

распространения фронта пламени..........................................................................................................103

Заключение..................................................................................................................................................................114

Список сокращений и условных обозначений........................................................................115

Список литературы............................................................................................................................................116

Приложения................................................................................................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Устойчивый, интенсивный рост автотранспорта способствует усилению техногенного прессинга на природу и человека [26, 32, 52, 126, 201]. В настоящее время на долю автомобилей приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые являются главными источниками загрязнения атмосферы в крупных городах. Выявлено, что именно несгоревшие углеводороды (СН), являющиеся канцерогенами, способствуют возникновению у человека респираторных и онкологических заболеваний [29, 53, 56, 62, 68, 147]. В связи с этим, каждый год, законодательно ужесточаются требования к концентрации СН в отработавших газах (ОГ) автомобилей. Данные меры стимулируют производителей автомобильных двигателей совершенствовать технические характеристики двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Поскольку бензиновые ДВС достигли предела своего экологического совершенства, то все больше производителей обращают внимание на двигатели, использующие в качестве топлива сжатый природный газ (СПГ) и его смесь с водородом [9, 24, 59, 109, 152-155, 166, 174-179, 183, 184]. Несмотря на большое количество исследований в данной области, до сих пор нет данных о связи эмиссии СН с характеристиками распространения пламени и с его электропроводностью. Это является необходимым условием для дальнейшего улучшения энергетических и экологических показателей газопоршневых ДВС, а также разработки (совершенствования) методов контроля СН, основанных на мониторинге ионного тока. Кроме этого, анализ современных методов расчета СН в ОГ газопоршневых двигателей, в которых не учитываются характеристики распространения пламени, выявил сильное несоответствие (более 50%) между расчетными и экспериментальными значениями. Поэтому методы расчета концентрации СН требуют серьезной доработки. Таким образом, выбранная тема исследований актуальна, как в теоретическом, так и в практическом плане.

Цель работы: снижение выбросов несгоревших углеводородов в отработавших газах газопоршневых двигателей за счет изменения характеристик распространения пламени в метановоздушной смеси.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Выявить зависимость между скоростью распространения метановодоро-довоздушного пламени и концентрацией СН.

2. Определить связь между электропроводностью фронта пламени и концентрацией СН при добавлении водорода в природный газ;

3. Разработать метод оценки и расчета концентрации СН в газопоршневом двигателе, учитывающий влияние характеристик распространения пламени на эмиссию СН.

Объектом исследования является процесс сгорания углеводородного топлива с добавкой водорода в поршневом двигателе с искровым зажиганием.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые установлены на основе измерений скорости распространения пламени и ионного тока закономерности влияния состава топливовоздушной смеси (TBC) и доли в ней водорода на выделение СН в ДВС, работающем на природном газе. .

2. Выявлено взаимное влияние концентрации углерода в TBC и скорости распространения пламени на величину ионного тока.

3. Предложен новый метод оценки и расчета СН в ОГ газопоршневого ДВС. Показано, что предлагаемый метод позволяет определить химический состав TBC и значения характеристик распространения пламени, обеспечивающие снижение выбросов СН.

Теоретическое значение работы.

1. Показано сильное влияние процессов, происходящих в первой фазе сгорания на процессы во второй фазе сгорания топлива.

2. Установлена зависимость ионного тока от доли углерода в TBC и скорости распространения пламени.

3. Раскрыт механизм влияния химико-физических свойств TBC и характеристик распространения пламени на эмиссию СН в газопоршневом ДВС.

Практическое значение работы.

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и доводке ДВС, использующих в качестве топлива природный газ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Методы исследования. При проведении исследований применялись экспериментальные методы, включающие стендовые испытания, методы эмпирического анализа, статистическая обработка данных и компьютерное моделирование.

Положения, выносимые на защиту.

1. Зависимость концентрации СН от средней скорости распространения пламени.

2. Результаты экспериментального исследования связи электропроводности фронта пламени с выделениями СН.

3. Метод оценки и расчета СН в ОГ двигателя, использующего в качестве топлива СПГ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Достоверность полученных результатов исследования обусловлена большим объемом экспериментов, применением методов статистической обработки данных, а также сходимостью результатов экспериментов с данными других авторов.

Реализация результатов работы.

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК № 14.В37.21.0152 и ГК № 14.В37.21.0308. Расчетные зависимости рекомендованы к внедрению НТЦ ОАО «АВТОВАЗ». Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 141100 «Энергетическое машиностроение».

Апробация работы.

Результаты исследования были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинского

государственного университета в 2010 - 2013 годах и доложены в следующих конференциях: IV Международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» Тольяттинский государственный университет, Тольятти - 2012; II Международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» Тольяттинский государственный университет, Тольятти - 2012; Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара -2012; VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара - 2012; XLI научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург - 2012; Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург - 2012; III Международная научно-техническая конференция «Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении», Ка-рачевский филиал государственного университета «Госуниверситет-УНПК», Ка-рачев - 2012; IV международная научно-практическая конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянский государственный технический университет, Брянск - 2012; Международная, научная конференция «Наука, образование, производство в решении экологических проблем», Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа - 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК. Структура и объем диссертации.

Диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 227 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, иллюстрированного 4 таблицами и 83 рисунками.

ГЛАВА 1 ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАМЕНИ НА МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ НЕСГОРЕВШИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ДВИГАТЕЛЕ

С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

1.1 Анализ основных характеристик распространения пламени в

двигателе с искровым зажиганием

Распространение пламени в ДВС с искровым зажиганием является суммой процессов, основанных на химико-физическом взаимодействии топлива с воздухом. Основными характеристиками распространения пламени являются: скорость пламени (турбулентная и нормальная) и ширина фронта пламени [8, 14, 34, 51, 65, 74, 146]. Скорость распространения пламени характеризует воздействие турбулентности и физико-химических свойств топливной смеси на развитие начального очага горения при зажигании, длительность процесса сгорания в цикле и процесс догорания TBC у стенок цилиндра [18, 34, 80, 167]. Ширина фронта пламени является величиной, показывающей воздействие турбулентности и физико-химических свойств TBC на скорость распространения и конфигурацию фронта пламени [43, 83, 169, 192, 197]. Влияние тех или иных факторов на скорость и ширину пламени зависит от степени развития процесса сгорания, который условно разбивают на три фазы [2, 11, 18]: первую, вторую и третью (рисунок 1.1.1).

р,хгс/см2

го

Ю

о

Рисунок 1.1.1 - Фазы процесса сгорания, где I, II, III - фазы; А - зажигание смеси; тонкая линия - изменение давления без воспламенения.

А"

/ В ш

_ J- L..............

- «¿7 В.*. Т. <fO ср°

где V' - пульсационная скорость турбулентного потока, м/с; ил - ламинарная скорость, м/с.

Кроме формулы Щелкина, в настоящее время, для расчета турбулентной скорости пламени активно используют формулу Дамкелера [ 180]:

Uf =

с \П

1

Un J

и„, (1.4)

где U - пульсационная скорость, м/с;

Un - ламинарная скорость пламени, м/с;

С - постоянная Дамкелера, зависящая от масштаба турбулентности и толщины фронта пламени (С=2,07);

п - показатель степени, находящийся в пределах от 0,5 до 1.

Таким образом, согласно приведенным формулам, при крупномасштабной турбулентности скорость пламени зависит от ламинарной скорости и изменяется прямо пропорционально степени турбулентности потока.

Недостатком формул Щелкина и Дамкелера является не учет ими коэффициента молекулярного переноса. Так при исследовании влияния состава TBC на скорость распространения турбулентного и ламинарного пламен в бензино- и во-дородо-воздушных смесях выявлено несовпадение максимумов нормальной и турбулентной скоростей (рисунок 1.1.4) [34, 51]. Причина данного явления заключается в том, что из-за различий коэффициентов молекулярного переноса в пламени меняется состав TBC и, следовательно, величина нормальной скорости, определяемая по исходному коэффициенту избытка воздуха, неверно отражает роль химических факторов [51]. Так как в бензино-воздушном пламени коэффициент молекулярной диффузии бензина меньше коэффициента молекулярной диффузии воздуха, то пик турбулентной скорости будет наблюдаться в областях с более богатой смесью, нежели пик нормальной скорости пламени. Т.е. состав в зоне реакции обедняется.

7,5

2,5

i/- ч

1 Г \ ки* Ч., Sf

0,75

1,25

а

а1' о

-...... Г ------ +N

/

0,5 1,5 ocS

б

Рисунок 1.1.4 - Влияние состава TBC (а(0)) на скорость распространения турбулентного (U,) и ламинарного (Un) пламен в бензино-воздушных (а) и

водородо-воздушных (б) смесях.

В водородо-воздушном пламени наблюдается обратная картина: коэффициент молекулярной диффузии водорода больше коэффициента молекулярной диффузии воздуха, следовательно, пик турбулентной скорости будет наблюдаться в областях с более бедной смесью, нежели пик нормальной скорости пламени. Т.е. состав в зоне реакции обогащается.

В условиях сильной турбулентности протяженность зоны горения значительно превышает зону горения ламинарного пламени и соизмерима с размерами системы [2, 11, 83, 167].. Ширина фронта пламени зависит от пульсационной и нормальной скоростей, степени турбулентности (е) и масштаба турбулентности (/0) [83]:

St =B-lö-s~]- In

г

1+

U'

U

(1.5)

л у

где В - постоянный безразмерный коэффициент порядка единицы.

Зависимость ширины фронта пламени от скорости его распространения объясняется зависимостью скорости от турбулент