автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Особенности сгорания легких газовых топлив в двигателях внутреннего сгорания

Р Г Б ОД

1 О ФЕВ 1998

На правах рукописи

Вардосанидзе Заури Робизонович

Особенности сгорания легких газовых топлив в двигателях внутреннего сгорания

Специальность: 05.04.02-Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997г.

Работа выполнена на кафедре «Автотракторные двигатели» Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета) и в Институте химической физики Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.З. Махов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор И.Л. Варшавский кандидат технических наук доцент :В.Н. Простое

Ведущая организация -Центральный научно - исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ)

Защита состоится" урЗ/юМс! 199Йг.

в_ часов на заседании диссертационного совета К 053.30.09 ВАК РФ при Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу:

125 829,г.Москва,ГСП-47,Ленинградский проспект, 64., аудит.%£.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института .

Автореферат разослан '' ' г9>нво>/)Ш 1998г.

Отзывы просим представлять в двух экземплярах с подписью,заверенной печатью.

Телефон для справок: 155-03-28.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.,профессор

В.М.Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На сегодняшний день актуальной задачей, стоящей перед двигателестроением,является экономия топливо-энергетических ресурсов путем повышения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания, являющихся в настоящее время основными потребителями топлив нефтяного происхождения,и уменшения токсичности отработавших газов(ОГ).Одним из эффективных путей улучшения токсических и экономических характеристик двигателей является использование водорода,как основного топлива и в смеси с другими горючими.

Цель работы. Исследование особенностей горения водорода в ДВС как основного топлива и в смеси с другими горючими с целью расширения предела обеднения смеси.

Научная новизна. Выявлены причины горения крайне бедных составов водорода с воздухом, связанные с влиянием диффузионно-тепловых явлений или с избирательной диффузией недостающего более легкого компонента к зоне пламени.

Показано,что топлива тяжелее кислорода наиболее легко поджигаются и горят в смесях богатых составов,где недостающим более легким является кислород и избирательная диффузия кислорода приводит к локальному обеднению смеси и соответственно к локальному увеличению скорости горения.

Проведены исследования особенностей рабочих процессов двигателей с искровым зажиганием при использовании водорода в качестве основного топлива и как добавки к бензину.

Предложено объяснение изменения турбулентной скорости горения от времени на основе анализа изменения радиуса пламени на начальном участке распространения ламинарного пламени в зависимости от изменения кривизны пламени.

Проведение моделирования условий реального двигателя в бомбе постоянного объема с известным и регулируемым полем турбулентности,что дает возможность изучать особенности горения топлив в условиях конца хода сжатия в ДВС.

Практическая ценность.Разработаны научно-технические принципы применения водорода в бензиновых двигателях с целью решения вопросов снижения токсичности и повышения топливной экономичности путем расширения диапазона используемых смесей бедных составов.

Разработана система подачи водорода под клапан в нескольких точках, что полностью исключает обратные вспышки и обеспечивает достаточное смешение водорода с воздухом.

Добавление водорода к углеводородным топливам позволяет при увеличении литровой мощности значительно расширить диапазон использования бедных смесей и снизить разброс диаграмм давления при работе на околопредельных составах.

Показано,что смеси водорода с окисью углерода как продукты возможного разложения метанола в смесях бедных составов имеют скорости горения, близкие по величине к скорости горения водорода.

Выявлена возможность поджигания смесей водорода крайне бедных составов искровыми разрядами с энергией около 10 мДж при последующем распространении пламени по смеси с достаточно высокими скоростями горения.

Опробация работы.Результаты работы докладывались на совместной конференции Российско-Японской секции горения (Черноголовка,октябрь 1993г.),на 14-м международном симпозиуме по процессам горения (Ченстохов,Полыпа,сентябрь1995г.),на юбилейном научном семинаре по динамике горения, посвященном 80-летию профессора Опенгейма (Варшава,октябрь 1995г.).

Публикации.Основные результаты диссертации опубликованы в материалах совместной конференции Российско-Японской секции горения в Черноголовке,в докладах 14-го международного симпозиума в Польше,в тезисах докладов в семинаре по динамике горения, а так же в научных отчетах по научно-исследовательской тематике в ИХФ АН РФ имени Н.Н.Семенова.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, рекомендаций и приложений, содержит 75 страниц основного текста, иллюстраций 62и1 таблиц.

Список литературы вюпочаетШ наименований, в том числе 40 единиц иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,то есть использования водорода в качестве топлива в ДВС в свете экономических и токсических преимуществ.

В первой главе проведен литературный обзор по применению газовых топлив в автомобильном транспорте.В обзоре рассмотрен также вопрос о токсичности продуктов горения.В рассмотренных литературных источниках даны теоретические и экспериментальные оценки сгорания легких газовых топлив в ДВС, и в первую очередь водорода.Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен его

высокими энергетическими показателями,отсутствием вредных веществ в продуктах сгорания,кроме N0* , и главное-практически неограниченной сырьевой базой.

В предлагаемой работе значительное внимание уделено закономерностям турбулентного горения в условиях, близких к условиям реального двигателя.

Из проведенного анализа литературных источников поставлена задача исследования: изучение ламинарного и турбулентного горения смесей водорода и смесей водорода с окисью углерода,как модельных смесей продуктов разложения метанола.При этом в качестве особой задачи стояло исследование парадокса резкого различия скоростей горения водорода с воздухом на богатом и бедном пределах распространения пламени.

Во второй главе дано описание использованной методики при проведении экспериментов в камере сгорания постоянного объема с турбулизаторами.Приводится описание вспомогательной оснастки для регистрации процесса горения скоростной киносъемкой по шли-рен-методу,диаграмм давления,ионизационного тока во фронте пламени и системы зажигания с различными энергиями разряда.

Ламинарное и турбулентное горение различных газовых и жидких топлив проводилось в камере сгорания сферической формы объемом 2500 см3.Оптические стекла,установленные на торцах камеры сгорания,позволяли одновременно с регистрацией давления и ионизационного тока вести киносъемку процесса горения со скоростью до 1500 кадр/с.Турбулентность в модельной камере сгорания создавалась четырьмя турбулизаторами,установленными друг против друга в двух взаимо перпендикулярных плоскостях.Изменяя напряжение, подаваемое на электромоторчики турбулизато-ров,варьировалась интенсивнрсть турбулентности.Зависимость интенсивности турбулентности от напряжения на электромоторчиках известна и имеет линейный характер.

Часть экспериментов была проведена на одноцилиндровом отсеке двигателя типа"Вокеша" с переменной степенью сжатия,и специальным карбюратором.Измерения одним и тем же прибором интенсивности турбулентности и интегрального масштаба в модельной камере и на одноцилиндровой установке совпадают.

В третьей главе приводятся результаты экспериментов по горению смесей водорода.Хорошо известно,что смеси водорода с воздухом обладают самими широкими пределами поджига-ния.Например,поджигание богатой смеси водорода с воздухом при а=0,189 происходит только лишь при энергии разряда около 1 Дж и межэлектродном зазоре 4-5мм.Бедные смеси водорода вплоть до а=8

поджигаются слабыми искрами при энергии около 10-15 мДж и искровом промежутке менее 1мм.

На нижнем пределе распространения пламени ламинарная скорость горения равна 4 см/с,а на богатом пределе ламинарная скорость, замеренная в потоке методом конуса, превышает 50 см/с.С целью выяснения причины кажущегося парадокса были сопоставлены зависимости радиуса ламинарного пламени от времени для бедных и богатых околопредельных смесей водорода с воздухом. Данные приведены на рис.1.Как видно,эти зависимости для богатых смесей при а=0,189 имеют четкий перелом при достижении радиуса пламени 10-12мм.

Перелом зависимости радиуса от времени для богатой смеси зарегистрирован в диапазоне всех начальных давлений от 50 до 500 кПа.Другая зависимость радиуса от времени характерна для смеси бедного состава .например при <х=3,78,то есть смесь с 10 % водоро-да.Как видно,на начальной стадии распрстранения пламени, сразу после искрового поджигания, скорость имеет максимальную величину,а затем в течение 3-8мс(в зависимости от начального давления) снижается до величины,характерной для смеси этого состава.Можно предположить,что это связано с диффузионно-тепловыми явлениями,то есть с локальным обогащением участков пламени недостающим более легким водородом, при большой кривизне фронта пламени.

В институте химической физики было обнаружено парадоксальное явление,когда добавление пропана к бедной водородо-воздушной смеси а=4 привело к тому,что при большой интенсивности турбулентности турбулентная скорость горения бедной смеси оказалась больше примерно в 1,5 раза ,чем турбулентная скорость сгорания стехиометрической смеси водорода и прпана с воздухом, при молярной доле пропана 2,8 % (2Н2+0.6С3Н8+4(02+3.76К2)) ,для которой ламинарная скорость равна 60 см/с,а температура продуктов сгорания 2250К.

На основании этого было сделано предположение,что при турбулентном горении,когда пламя сильно раздроблено турбулентными пульсациями, турбулентная скорость горения будет определятся участками пламени большой кривизны.Во всех случаях турбулентная скорость сгорания смесей,у которых в зависимости радиуса ламинарного пламени от времени наблюдался перелом, увеличивалась незначительно и при превышении пульсационных скоростей определенной величины становилась меньше, чем турбулентная скорость горения смесей,у которых нет вышеуказанного перелома ,и которые

г, мм

2 1

^^ 1 V ж

X, мс

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Рис. 1 .Изменение радиуса сферы пламени от времени.

Смесь 2Н2+а(02+3.76К2). 1 .-коэффициент избытка воздуха 3,76; 2,- коэффициент избытка воздуха 0,189; Ро=ЮО кПа; Т0=293 К;

характерны большими видимыми скоростями горения после искрового поджигания.Такие явления наиболее характерны для смесей водорода и в меньшей степени метан -а,то есть для топлив легче кислорода.Рис.2.Для смесей пропана и более тяжелых углеводородов наблюдается обратная зависимость,а именно перелом зависимости радиуса от времени обнаружен в бедных смесях.Избирательная диффузия обедняет смесь и уменьшает локальную ламинарную скорость горения и температуру продуктов, а в богатых смесях пропана и бутана с воздухом зависимость радиуса от времени не имеет перелома, при этом недостающим более легким компонентом является кислород.

Определены ламинарные скорости горения в зависимости от коэффициента избытка кислорода смесей водорода и водорода с окисью углерода .В модельной камере сгорания постоянного объема относительно просто исследовать горение при повышенных давле-ниях.Но при этом повысить начальную температуру можно очень не-значительно.Поэтому необходимо было найти способ моделирования условий реального двигателя.За основу такого моделирования было принято равенство ламинарных(и в конечном счете турбулентных )скоростей горения в модельной камере сгорания и в камере сгорания двигателя при начальных давлениях и температурах,соответствующих концу хода сжатия.В качестве окислительной атмосферы вместо воздуха в экспериментах использован окислитель с пониженной концентрацией азота.Занисимость нормальных скоростей горения смеси от ее состава для окислителя (02+2Мг) дана на рис.3.

Выбранный способ моделирования дает возможность при начальной комнатной температуре в модельной камере сгорания получить ламинарные скорости горения,равные ламинарным скоростям горения бензо-воздушной смеси при температуре конца хода сжа-тия.С той же атмосферой с пониженной концентрацией азота определены и турбулентные скорости сгорания при разных коэффициентах избытка кислорода.

В четвертой главе приведены материалы исследования вибрационного горения при работе двигателя на водороде .Имеют место значительные расхождения в оценке детонационной стойкости водо-родо-воздушных смесей.В отдельных работах отмечаются признаки детонации при довольно низких степенях сжатия (е=4.2-5.0).В то же время в работе И.Л.Варшавского и А.Н.Подгорного детонационных явлений даже при очень высоких степенях сжатия (е=10) ре зареги-стрир

локальная скоролсть горения

скорость плоского фронта 2 пламени

реальный

состав локальной смеси \

1а

5а

расчетный а

реальная скорость

при большой кривизне фронта

За

6а

расчетный а

а<1

а=1 а.

а>1

локальная скоролсть горекия реальная скорость при большой 4 кривкзне фронта

■ ^ За 5а

скорость плоского фронта пламени 1а расчетный а / реальный состав локальной ! смеси 6а расчетный реальный состая локальной сисси

а<1

а=1 б.

а>1

Рис.2.Схема локальных изменений скорости горения при различных критериях Льюиса. а)для легкого топлива (легче,чем кислород) водород и метан;б)для топлива,более тяжелого, чем кислород.

4

ип, м/с 6

1

г -

24

i к З4 1 Г—

4 3 2 1 О

а

О

Рис.3.Ламинарные скорости распространения пламени по смеси 02+2И2 с: 1. Водородом; 2. 2Н2+СО; 3. МетайОм.

овано. В наших опытах при степени сжатия до 7,9 и коэффициенте наполнения 0,56 детонационные явления в бедных составах смесей не были обнаружены.

К настоящему времени не сложилась единая точка зрения на механизм возникновения детонационного режима горе-ния.Скоростная киносъемка, проведенная Уитроу и Рассвейле-ром,показала, что при "стуке" происходит самовоспламенение смеси перед фронтом пламени.Работы А.С.Соколика и А.Н.Воинова дают возможность сделать вывод, что при "стуке"в последней части заряда имеет место очень быстрое распространение пламени со скоростью,соответствующей детонационной (около2000 м/с).Отсутствие преддетонационного ускорения при горении в двигателе дает повод отрицать детонационное горение в камерах сгорания ДВС,трактуя его как жесткое горение.

Как показали эксперименты в модельной камере с атмосферой (02+2Ы2) при горении ее бедной смеси с водородом при начальном давлении 200 кПа наблюдаются большие вибрации давления. Максимальные вибрации давления имеют место именно в бедных водородных смесях,при том же давлении бедная смесь пропана горит с гораздо меньшими вибрациями .Богатая смесь пропана( горит также с малыми вибрациями,однако для обеих смесей пропана имеет место разрыв линии зависимости давления от времени,что косвенно может свидетельствовать о переходе вибрационного горения в детонацию.

Результаты исследований У.Шпихера и Г.П.Кольмайера (опыты проводились на одноцилиндровом отсеке с использованием волоконной оптики в1986-1988г.г.)можно связать с данными ,полученными нами на модельной установке,а именно разрывы ос-цилограмм давления в наших опытах могут соответствовать характеру возникновения взрыва в вышеуказанных опытах.

В пятой главе приводятся результаты экспериментов при применении водорода и бензо-водородных смесей в ДВС.

Испытания проводились на одноцилиндровой установке ОП1 (Вокеша) с диаметром цилиндра 82,6мм,ходом поршня 114,Змм,рабочим объемом цилиндра 0,613л и переменной степенью сжатия и со специальным карбюратором.

Была разработана система питания водородом с целью устранения обратных вспышек при карбюраторном питании.На рис.4 изображены последовательные стадии разработки системы питания водородом при подводе под клапан по четырем трубкам или двум сегментным трубопроводам, с целью увеличения сечения для прохода водорода.

б)

Рис.4.а)схема системы питания экспериментальной установки с водородом. 1-редуктор,2-резиновый шар постоянного атмосферного давления,3-балон с водородом,4-вентиль,5-расходомер;б)схема подвода водорода под всасывающий клапан: 1-впускной клапан; 2-выпускной клапан; 3-свеча зажигания; 4-место для подвода водорода.

Сопоставлены диаграммы давления в цилиндре при работе двигателя на бензине ,на водороде и на смеси водорода с бензином при оптимальном угле зажигания (рис.5).

На рис.6 представлены результирующие графики зависимостей индикаторных показателей работы двигателя от коэффициента избытка воздуха,полученные на одноцилиндровой экспериментальной установке при п=900 мин'1,8=7,9 использовании различных комбинаций топлив.Как видно из рисунка, увеличение а на чистом водороде и при добавлении водорода к бензину вызывает рост индикаторного КПД двигателя.Способность бензо-водородно-воздушной смеси гореть в широком диапазоне изменения а позволяет и в этом случае осуществить качественное регулирование работы двигателя .При этом регулирование мощности происходит в основном за счет изменения количества подаваемого в двигатель бензина,так как количество вводимого водорода незначительно.Добавка водорода к бензо-воздушным смесям обеспечивает увеличение эффкгивности цикла и снижение расхода бензина.

Выводы диссертации.

1. Подтверждено,что использование водорода в качестве топлива или добавки к бензину позволяет значительно расширить диапазон бедных смесей,которые могут быть использованы в ДВС.В условиях реального двигателя эта особенность дает возможность использовать только качественную регулировку,при этом горение околопредельных смесей водорода или бензо-водородных смесей происходит практически без разброса диаграмм давления.

2. Выявлена зависимость видимой скорости распространения пламени от локальной кривизны фронта пламени,связанной с диффузионно-тепловыми явлениями.В бедных смесях водорода это привело к локальному обогащению сильно искривленных участков пламени и соответствующему локальному увеличению скорости распространения фронта пламени,что позволяет поджигать искрой малой энергии бедные смеси вплоть до околопредельных составов.

3. При горении смесей водорода и метана богатых составов выявлено два участка зависимости радиуса сферы пламени от вре-мени.На начальном участке при большой кривизне фронта пламени дополнительное локальное диффузионное переобогащение водородом (или метаном) определяет малую величину скорости распространения пламен.При снижении кривизны фронта пламени через некоторое время наблюдается перелом зависимости радиуса пламе

А^!

(а)о*Т26, В -15

.•(Ь)й=ТД8, Э = 35

\

Рис.5.Сопоставление диаграмм давления для различных коэффициентов избытка воздуха а с оптимальным углом опережения зажигания р при условии работы двигателя (а,в)-водород,(с,ф-бензин,(е,£д,Ь)- бензин+водород

Рис.б.Сопоставление индикаторных характеристик двигателя при работе на бензине с водородом и на водороде при п=900 мин"1

ни от времени и скорость распространения пламени достигает величины характерной для данного состава.

4.Использована методика моделирования в камере сгорания условий работы реального двигателя путем замены определенной части азота воздуха на кислород при условии совпадения ламинарных скоростей горения и температуры продуктов горения с соответствующими их значениями для пламен в условиях конца хода сжатия в

две.

5.При степени сжатия 7 и 7,9,(коэффициенты наполнения 0,59 и 0,48) "стук" регистрировался только в смесях богатых составов. В связи с этим можно предположить,что при подаче водорода под клапан времени для полного смешения водорода и воздуха не хватает.В то же время в условиях модельных опытов показано,что при горении бедных смесей водорода наблюдаются большие вибрации давления.

6.Модельные опыты показали возможность использования в двигателях в качестве топлива смесей водорода с окисью углерода, как возможных продуктов распада метанола крайне бедных составов при скоростях горения .близких по величине к скоростям горения водородных смесей.

В заключении автор выражает глубокую благодарность ведущему научному сотруднику ИХФ РАН доктору технических наук Владимиру Петровичу Карпову за участие в планировании ,проведении экспериментов и анализе их результатов ,а так же всему коллективу группы за оказанную всестороннюю помощь при проведении экспериментов и написании диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.A.S.Betev, V.P.Karpov, Z.R.Vardosanidze."Experimental investigation of combustion characteristics or mixtures of H2 with CO in internal combustion engines.Proceedings of the Russian-Japanese Seminar on Combustion Chernogolovka,Moscow Region,2nd to 5th October 1993 p.231-232.

2.A.S.Betev, V.P.Karpov, A.N.Lipatnikov, Z.R.Vardosanidze. "Hydrogen combustion in engines and preferential diffusion effects in

laminar and turbulent flames, "archivum combustionis vol.15 (1995)№3-4 p.187-213.

3. A.S.Betev,V.P.Karpov,Z.R.Vardosanidze. "Hydrogen and Hydrogen-containing Mixtures as fuels for internal combustion engines." 14th international symposium on combustion processes.Czestochowa.26-29 September 1995.Abstracts of papers.p.67

Материалы исследования изложены в следующих отчетах о

НИР:

1 .Исследования термохимических процессов и газодинамики горения смесей метана.УДК.621.61№ госрегистрации 01. 86. 0.126214.Инв.№02. 9. 10 008176 1990г.

2.Исследование горения водорода применительно к ДВС с внутренним смесеобразованием.Отчет по хоздоговорной теме № 166-91 от июля 1991г.УДК 662.61 Инв.№02.9.20 006565.

3.Исследование особенностей ламинарного и турбулентного горения смесей водорода с окисью углерода.УДК 662.61.№ госрегистрации 01. 86. 0126214 Инв.№02.9.30.004369 1992г.