автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием и локальными добавками углеводородных газов в область межэлектродного зазора

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАХАРОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И ЛОКАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ В ОБЛАСТЬ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ЗАЗОРА

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РГБ ОД 2 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

Волгоград - 1998

Работа выполнена на кафедре "Теплотехника и.гидравлика" Волгоградского государственного технического' университета.

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Г.Н.Злотин; кандидат технических наук, доцент Е.А.Федянов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Е.А.Григорьев; кандидат технических наук, доцент Р.А.Григорьянц.

Ведущее предприятие: ОАО "Волгоградский моторный завод".

Защита состоится 13 ноября 1998 г. в 9 часов на заседании диссертационного Совета К 063.76.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400066, г.Волгоград, проспект Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат (два экземпляра, заверенные печатью) просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан "" октября 1998 г.

Ученый секретарь г\

диссертационного Совета (_. ■ у""—1 В.А.Ожогин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение топливной экономичности при соблюдении современных требований по ограничению токсичности отработавших газов остается наиболее актуальной задачей современного двигателестроения.

Одним из путей ее решения для ДВС с искровым зажиганием является организация рабочих процессов, позволяющая расширить пределы эффективного обеднения топливовоздушных смесей. Сжигание в этих ДВС бедных смесей требует создания условий для форсированного развития начального очага (НО) горения.

Актуальность выполненного в диссертации исследования определяется тем, что оно посвящено разработке и изучению нового способа интенсификации развития НО, заключающегося в локальной подаче мик-родоз углеводородных газов в область межзлектродного зазора свечи зажигания непосредственно перед новообразованием.

Свидетельством актуальности работы является также ее поддержка грантом 97-25-7.5-708.

Дели и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование способа форсирования развития КО горения в ДВС с искровым зажиганием за счет локальной подачи микродоз углеводород:гых газов в область межэлектродного зазора свечи непосредственно перед искрообразованием.

Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Математическое описание процесса воспламенения топливовоз-душной смеси при локальных добавках углеводородных газов в область межзлектродного зазора свечи зажигания.

2. Создание математической модели формирования концентрационного поля подаваемого горючего газа вблизи электродов свечи зажигания.

3. Проведение на базе математических моделей теоретических исследований процессов воспламенения топливовоздушных смесей при подаче в зону межэлектродного зазора свечи зажигания углеводородного газа и его смешения с основной топливовоздушной смесью.

4. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований как в модельных условиях, так и в ДВС.

Методы исследования. Теоретические исследования с помощью разработанных математических моделей процессов, протекающих в НО

горения, при локальных микродобавках углеводородных газов в область мсжэлсктродного зазора.

Результаты теоретических исследований проверялись экспериментально как в условиях каморы сгорания постоянного объема, так и в условиях ДВС.

Объекты исследования. Камера сгорания постоянного объема, одноцилиндровый отсек поршневого ДВС ВАЗ (S/D =71/76, с = 8,15).

Научная новизна. Предложен рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием, обеспечивающий повышение предела эффективного обеднения топливовоздушной смеси за счет локальной добавки углеводородных газов в область межэлектродного зазора непосредственно перед иск-рообразованием.

Для предложенного рабочего процесса созданы математические модели смесеобразования и горения в НО, позволившие вскрыть принципиальные особенности протекания этих процессов при локальной подаче в область мсжэлсктродного зазора свечи зажигания различных по своим физико-химическим свойствам горючих газов.

Теоретически и экспериментально установлено влияние давления, плотности и диффузионных свойств локально подаваемых горючих газов на процессы смесеобразования в области мсжэлсктродного зазора.

Практическая ценность. Предложенная организация рабочего процесса может быть использована при разработке высокоэкономичных и малотоксичных ДВС с искровым зажиганием.

Созданные математические модели дают возможность уже на стадии проектирования двигателя с предлагаемым рабочим процессом определять конструктивные и регулировочные параметры систем топливо-подачи и зажигания.

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении курса- "Экология автомобильного транспорта".

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на .межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых Волгоградской области (1996 г.), 10-ом и 11-ом Межгосударственных научно-технических семинарах "Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ" (г.Саратов, 1997г., 1998г.), ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (г.Волгоград, 1996-1998 гг.).

Публикации. По материалам исследования опубликовано четыре статьи.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из сведения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы -166 стр., в том числе 47 иллюстраций. Список литературы составляет 115 наименований, включая 54 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ различных способов форсирования горения при обеднении топливовоздушной смеси в ДВС. Исследованиями в этой области занимались А.Н.Воинов, В. 3. Гибадуллин, Л.А.Гуссак, Г.Н.Злотин, В.П.Карпов, В. В. Малов, Р. И. Мехтисв, А. И. Мищенко, Л. М. Соболев, Ю. Б. Свиридов, Б. Я. Черняк, С. Н. Шумский и др. На основе анализа публикаций выделены основные способы интенсификации горения бедных топливовоздушных смесей. К ним относятся: повышение энергии индуктивной фазы искрового разряда, расслоение смеси в камере сгорания, форкамерно-факельное зажигание, добавление к топливу химически активного вещества с высоким коэффициентом диффузии - водорода.

Значительный интерес в этом отношении представляет разработанный в ВолгГТУ рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием, суть которого заключается в подаче небольшого количества водорода незадолго до искрообразования в область, непосредственно примыкающую к электродам свечи зажигания. Анализ результатов исследований этого процесса позволил предположить, что форсирования воспламенения бедных смесей можно достичь с помощью локального расслоения топливовоздушной смеси, подавая в зону образования начального очага горения малые дозы не водорода, а углеводородных газов, например пропана. Применение подобной схемы организации рабочего процесса позволяет обойти сложные проблемы получения и хранения водорода на борту автомобиля. Особенно привлекательной представляется такая схема для ДВС. работающих на разообразном топливе. Вместе с тем, различия физико-химических свойств водорода и газообразных углеводородов 'вызывают необходимость проведения широких теоретических и экспериментальных исследований для изучения влияния локальных добавок углеводородных газов на динамику развития НО, пределы эффективного обеднения топливовоздушной снеси, а также для определения условий, при которых применение данных горючих газов даст наибольший положительный эффект.

Во второй главе описаны математические' модели процесса восп-

ламенения топливовоздушной смеси при локальной подаче иикродоз горючего газа с область электродов свечи зажигания и расчета его поля концентраций.

При разработке первой модели за основу была взята математическая модель процесса воспламенения топливовоздушной смеси при локальной добавке водорода в область межэлектродного зазора, реализованная ранее С.Н.Шумским, В. 3. Гибадуллиным в ВолгГТУ. Новизной разработанной модели является то, что она применима для любых горючих газов, используемых в качество промотора горения.

Модель базируется на системе дифференциальных уравнений: неразрывности

Зр 1 3, г

— + —у-— г -р-ш

ас г2 Э:д

) - О'; . 0)

сохранения компонентов

ЗУ* 9Уу 3 а , г ЗУ., «Ру

- + у- = -г • — г -Оу-р-- - - ; (2)

Зг Зг р-гс Зг Эг > р

сохранения энергии

ат ат 1 а , ? ат ч

— + к— = —я— • — г - х- — + Эг Эг р-г -Ср Зг 1 Ьх. '

, , м=п ЗУ„ ЭПу

+ - • ( ч, + Чг + С1з ) +--—. (3)

р-Ср ср V—1 Эг Эг

где р - плотность, г - время, г - радиус от начала координат, и -скорость движения точки расчетной области, - массовая доля V -го компонента смеси, - массовая скорость расходования V -го компонента химической реакции, Т - температура, ср - удельная изобарная теплоемкость, X.- теплопроводность, - коэффициент диффузии V -го компонента, 1ц - удельная энтальпия V -го компонента, и чг - соответственно энерговыделение от искры и горения смеси, ч3 - теплота, отведенная в электроды свечи зажигания, п- число компонентов в смеси. •

Для определения скорости расходования основного углеводородного топлива й локально подаваемого горючего газа используются суммарные кинетические уравнения:

для основного углеводородного топлива

. Г Есн! \'( уся •(Зев / Уо2 лЬсн 1 ...

Им - Асв-ехр - —: • (--р| • --р . (4)

1 Р-Т1 и Рея ; ^ Рог ' J

для преютора горения

где Ас, Апр - предэкспоненты в законе Аррениуса соответственно для основного углеводорода и промотора; Ее, Епр - их энергии активации; - универсальная газовая постоянная; д„р - молярная масса соответственно для основного углеводорода и промотора; асн, ьсн- р. Ьпр - их показатели степеней.

Выделение теплоты при горении рассчитызается по скоростям расходования как основного углеводородного топлива, так и промоти-рующей добавки и их теплотам сгорания (Н^, и Нпр):

От - Исн'Нсн + И„р-Нпр - (Ися + »ГПР)-ДН. ' (6)

где АН - потери теплоты на диссоциацию продуктов сгорания.

При определении состава продуктов сгорания смесь основного углеводорода с локально поданным.промотором горения рассматривается 'как сложное топливо.

В модели учитывается различие коэффициентов диффузии основного углеводородного топлива и локально подаваемого горючего газа.

Адекватность модели подтверждается правильным списанием для различных горючих газов зависимостей адиабатической температуры пламени и нормальной скорости горения от состава смеси.

Очевидно, что положительное влияние локальных добавок углеводородных газов в область ¡электродов свечи з&чигания на развитие НО горения в наибольшей степени должно проявиться в том случае, когда концентрация сложного топлива -(например, бензин + горючий газ) в этой зоне будет отвечать максимальной скорости протекания в - ней химических реакций, т.е. при несколько обогащенной смеси. В этой связи принципиальное значение приобретает процесс смешения локально поданного газа с основной топливовоздушной смесью. Для расчета поля концентраций промотора горения, подаваемого в область электродов свечи зажигания, была разработана специальная математическая модель, в основу которой положен метод интегральных соотношений.

Используются следующие интегральные соотношения:

избыточного импульса струи

б. Уг а г

— р-а- (и - и(1)-уйу = 0; (7)

' о

сохранения энергии

/.У, б.У2 йи 3

- (р-<к - Цн)2-^-о!у = 2-1„гГ (-) сЗу; (8)

ах ;; 5 v с1х '

энтальпии в струс б, Уг

- Гр-и- (П - Ьс1)-у<1у = 0; (9)

------------о....................................

эжсктирусной примеси основной топливовоздушной смеси в струс

б, уг

— [р-а- (с - сс1)-у-йу = О, (10) ах

где р, 11 - соответственно плотность и энтальпия смеси, образующейся при смешении струи промотора с основной топливовоздушной смесью, и - скорость на расстоянии у от оси струи, 6 - полуширина струи на основном участке, у2 - ордината наружной границы зоны сношения на начальном участке, 1и - путь турбулентного смешения, ^ и - соответственно скорость и энтальпия спутного потока основной топливовоздушной смеси, с - концентрация основной смеси в заданной точке поперечного сечения струи, с[1 - концентрация основной топливовоздушной смеси в спутном потоке (равна 1).

При известном коэффициенте избытка воздуха а исходной топливовоздушной смеси значение состава сложной смеси в заданной точке поперечного сечения струи определяется из соотношения:

с - 1/(се 1„ + 1)

Ъ, • -:- , (И)

10пр-(1 - с + 1 /(сс-10 + 1))

ч

где 10 - теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлива в основной топливовоздушной смеси_ 10пр - теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг

промотора горения.

Данная модель обеспечивает возможность теоретического анализа процесса смешения любого горючего газа с основной топливовоздушной смесью как для докритического, так и для закритического режима точения промотора.

В третьей главе рассматриваются результаты теоретических исследований процессов, протекающих в НО при локальных добавках пропана в область межэлектродного зазора.

Изучено влияние локальных добавок пропана на структуру Фронта пламени при основной бензовоздушной смеси. Пропан, являясь химически более активным по сравнению с бензином, быстрее вступает в реакцию с кислородом, поэтому смесь активно прогревается энергией, выделяющейся при сгорании пропана. При этом сокращается толщина фронта пламени и, как следствие, увеличивается нормальная скорость сгорания ц, основной топливовоздушной смеси.

Показано, что локальные добавки пропана способствуют интенсификации тепловыделения во фронте пламени как за счет увеличения скорости химических реакций, так и за счет увеличения теплоты сгорания смеси в локальном объеме. Это приводит к росту притока энергии в очаг и ускоряет его развитие (рис.1). В результате существенно повышается вероятность успешного развития НО горения. Об этом свидетельствует тот факт, что при локальных микродобавках пропана значительно сглаживается присущий бензовоздушной смеси "провал" на графиках u„=f(r), горение выходит на стационарный режим быстрее и с большими значениями нормальной скорости сгорания (рис.2).

Установлено, что локальная подача пропана в область межэлектродного зазора является более эффективным способом воздействия на НО, чем форсирование параметров искрового разряда. Указанное преимущество обусловлено тем, что активирующее воздействие пропана на фронт пламени сохраняется при увеличении размеров очага, в то время как подпитка фронта пламени энергией искрового разряда прогрессивно ослабевает с ростом НО (рис.3).

Расчеты, проведенные при теоретическом исследовании процесса смешения промотора горения с основной топливовоздушной смесью, показали (рис.4), что в отличии от водорода, у которого в широком диапазоне отношений давлений среды рср к давлению впрыска рф образование смеси, соответствующей по составу нижнему пределу воспла-

Вт

б 00 400 "200

—^

¡Я*

г, мм 4,5 3

1,5

0 0,5 1 1,5 2 х,мс Рнс.1. Дшамнка изменения суммарной оперши очага <3с и радиуса очага г ( —е— - С)с, —а— • г):

1 - а = 1,4, бетии, емкоспия фаза + индуктивная;

2 - а = 1,4 , бензин + пропан, емкостная фаза

, м/с

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15

2 \ J

1

\

1 2 3 4 г, мм

Рис.2. Динамика изменения нормальной скорости сгорания и „( а =1,4. р 0= 0.4 Мпа, Т0= 500 К): 1 - без подачи пропана; 2-е подачей пропана

I 1,1 1,2 1,3 а Рнс.З. Зависимость времени достижения очагом диаметра 15 мм: 1 - индуктивная фаза N1 = 10 Вт, Т|= 1 мс; 2 - индуктивная фаза № = 30 Вт, Т; = 1,5 ис;

3-е пропаном, емкостная фаза I

X , мм ^

30 20 10

0,588 0,64 0,692 0,744 0,796 0,848 Гср/^ Рис. 4. Зависимость расстояши х от перепада давлении: 1 - водород, 2 - пропан

- И -

мснения, происходит практически сразу по выходе из подводящего канала, образование такого же состава смеси при впрыске пропана происходит на существенно большем расстоянии х от выхода. Это расстояние возрастает по мере уменьшения Рср/Рф, т.е. с приближением к критическому перепаду давлений. Естественно, что это обстоятельство сказывается на концентрации локально подаваемого горючего газа и общем составе сноси в области межэлектродного зазора. В результате с изменением перепада давлений при неизменном расстоянии от среза сопла до межэлектродного зазора меняется эффективность локальной подачи пропана.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментальных установок и методик исследований.

Трудности детальных исследований влияния локальных добавок углеводородных газов на процессы воспламенения и сгорания в условиях ДВС потребовали создания экспериментального стенда с камерой сгорания постоянного объема, оснащенного комплексом регулирующего, регистрирующего и управляющего оборудования. В соответствии с целями исследования стенд позволял следующее: изменять состав топли-вовоздушной смеси в камере сгорания, варьировать характеристиками искрового разряда, независимо измсненять продолжительность и момент подачи горючего газа в межэлектродный зазор и высокого напряжения на свечу зажигания, изменять избыточное давление горючего газа, подаваемого в межэлектродный зазор, регистрировать распространение фронта пламени и нарастание давления, изменять степень турбулизации рабочей смеси.

Для изучения процесса смесеобразования при подаче в область электродов свечи горючего газа, а также для определения оптимальных комбинаций импульсов управления дозирующей форсункой и системой зажигания была создана установка для визуальной регистрации факелов горючего газа, подаваемого в иежэлектродный зазор, на воздухе. . •

Для исследования рабочего процесса с локальной подачей пропана на двигателе использовалась экспериментальная установка с одноцилиндровым отсеком двигателя ВАЗ, оснащенная необходимой контрольно-измерительной аппаратурой и оборудованная системой подачи пропана в область межэлектродного зазора свечи зажигания.

В пятой главе изложены результаты экспериментальных исследований предложенного способа организации рабочего процесса, которые подтвердили справедливость основных результатов теоретических исс-

ледований, проведенных на базе разработанных математических моделей.

Было изучено влияние плотности и диффузионных свойств горючих газов, подаваемых в межэлектродный зазор свечи, на формирование -вблизи электродов свечи концентрационных полей этих газов. Для этого были использованы два различных по своим диффузионным свойствам промотора: водород и пропан. Экспериментально изучалось зажигание струи этих газов на воздухе. Была подтверждена существенная роль диффузионных свойств локально подаваемых горючих газов на процесс приготовления воспламеняемой топливовоздушной смеси в области электродов свечи зажигания. Опыты показали также, что для стабильного воспламенения смеси при росте избыточного давления подачи пропана.необходимо значительное увеличение длительности индуктивной фазы искрового разряда.

Опыты, проведенные в камере сгорания постоянного объема, позволили установить, что подача микродоз пропана в область электродов свечи зажигания существенно расширяет концентрационные пределы воспламенения неподвижной пропановоздушной смеси. Так, при"начальном давлении Ро = 100 кПа, температуре Тс = 293 К, межэлектроднок зазоре й = 1,0 мм воспламенение пропановоздушной смеси без локальных добавок пропана наблюдалось лишь до коэффициента избытка воздуха а = 1,6. Ток индуктивной фазы разряда 1„ в этом случае был равен 400 иА, а ее продолжительность х,, - 4 мс. При подаче микро-доз пропана в область межэлектродного зазора обеспечивалось стабильное воспламенение пропановоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха й = 2,1, причем для успешного воспламенения был достаточен ток индуктивной фазы разряда, равный 100 мА. Одновременно отмечено значительное ускорение развития НО, причем положительное воздействие пропана на формирующийся очаг усиливается по мере обеднения основной топливовоздушной смеси (рис.5).

Опыты подтвердили определяющее влияние на весь ход сгорания процессов, происходящих в период формирования НО горения. Об этом свидетельствует тот факт, что при локальном обогащении пропаном области, примыкающей к межэлектродному зазору, сокращается время достижения максимального давления сгорания т^ и увеличивается видимая скорость сгорания и основной топливовоздушной смеси (рис.6).

Эксперименты доказали правильность теоретического вывода о влиянии отношения Рср/Рф на процессы в НО. Так, минимальная продолжительность начальной фазы сгорания смесей различного состава

наблюдается в докритической области течения при Рср/Рф ~ 0,65.

Для выяснения влияния турбулентности на процессы в НО при локальных подачах пропана была проведена серия экспериментов в турбулентной камере сгорания. Установлено, что характер влияния локальных добавок пропана на процессы воспламенения и сгорания тур-булизированных смесей остается качественно таким же, как и в случае неподвижных смесей: сокращается длительность начальной фазы и общэ продолжительность процесса сгорания.

Для определения влияния локальных микродобавок пропана на топливную экономичность двигателя и предел эффективного обеднения топливевоздушной смеси были проведены испытания на одноцилиндровом отсеке двигателя ВАЗ. Ь качестве примера на рис. 7 приведена регулировочная характеристика по составу смеси, снятая на режиме п = 2500 мин"1 и ф,р = 30 %. Видно, что локальные добавки пропана позволили увеличить предел эффективного обеднения смеси с а = 1,13 до й = 1,23. При одном и том же а локальная подача пропана в область электродов свечи зажигания приводит к увеличению среднего эффективного давления рв и снижению удельного эффективного расхода топлива . Так, на указанном выше режиме подача микродоз пропана в область межэлектродного зазора на пределе эффективного обеднения позволила повысить топливную экономичность, рассчитанную в тепловом эквиваленте, на 12 1.

Следует отметить, что количество пропана, необходимое для подачи в межэлектродный зазор, невелико и составляет, например, при ре =0,15 МПа и п = 2500 мин"' 23 г/ч.

Статистическая обработка последовательных циклов показала, что локальные добавки пропана являются эффективным средством борьбы с межцикловой нестабильностью процесса сгорания. Так, при работе двигателя на режиме п « 2500 мин"1, фдр = 30 % и неизменном а = 1,13 микродобавки пропана в межэлектродный зазор позволяют уменьшить коэффициент вариации максимального давления сгорания бРг на 50 % и более чем в два раза сократить число пропусков воспламенения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан, теоретически и экспериментально изучен рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием, особенностью которого является подача в процессе сжатия в область межэлектродного зазора свечи

давления и шьшмой скорости сгорания : -А--без подачи пропана; ■—П- • с подачей пропана

малых доз углеводородного- газа.

2. Усовершенствована математическая модель процесса искрового воспламенения, новизна которой определяется тем, что она позволяет проводить теоретический анализ развития начального очага горения при локальной подаче в область межэлектродного зазора любого горючего газа.

3. Создана математическая модель для расчета поля концентрации промотора горения, подаваемого в область электродоз свечи зажигания, учитывающая его физические свойства и позволяющая производить теоретический анализ процесса смешения любого локально поданного горючего газа с основной топлнвовоздушной смесью как для докрктического, так и для закрмтического режимов течения струи.

3. Теоретический анализ, проведенный на примере пропана с помощью указанных математических моделей, показал, что локальная подача горючего газа в область межзлектродного зазора свечи является эффективным средством форсирования НО и позволяет расширить пределы эффективного обеднения смеси.

Кроме этого установлен ряд важных закономерностей, имеющих место при предлагаемой организации рабочего процесса.

3.1. Показано, что локальная подача горючего газа в область межэлектродного зазора является более эффективным способом воздействия на НО, чем форсирование параметров искрового разряда, и объяснены причины этого факта.

3.2. Показано, что локально поданный в область межэлектродного зазора пропан уменьшает общую толщину фронта пламени, способствуем интенсификации тепловыделения в нем как за счет увеличения скорости химических реакций, так и за счет увеличения теплоты сгорания смеси в начальном очаге.

3.3. Установлено, что локальные добавки пропана в область электродов свечи зажигания способствуют более быстрому выходу горения основной бензовоздушной смеси на стационарный режим.

3. 4. Установлено, что при неизменной конструкции узла воспламенения эффективность воздействия локальных добавок пропана на развитие НО зависит от перепада между давлением подачи горючего газа и давлением основной топлнвовоздушной смеси. Оптимальное значение этого перепада должно согласовываться с расстоянием между электродами свечи и выходным отверстием.

4. Справедливость результатов теоретических исследований

подтверждена большой серией экспериментов, проведенных на воздухе, в камере сгорания постоянного объема, одноцилиндровом отсеке двигателя ВАЗ. Применение разработанного способа форсирования НО позволило увеличить предел воспламенения пропановоздушной смеси в камере сгорания постоянного объема ота=1,бдо« = 2,1. ав условиях ЛВС - увеличить предел эффективного обеднения бензовоздушной смеси на режиме п = 2500 мин-1, <рдр = 30 % от в = 1.13 до а = 1,23. При этом повышение топливной экономичности, рассчитанное по тепловому эквиваленту, достигло 12 X.

5. Эксперименты на одноцилиндровом отсеке двигателя ВАЗ показали также, что локальные подачи пропана в область межэлектродного зазора являются эффективным средством борьбы с межцикловой нестабильностью.

6. Для осуществления экспериментальных исследований были проведены модернизация к соответствующее аппаратурное оснащение испытательных стендов как с камерой сгорания постоянного объема, так и с одноцилиндровым отсеком двигателя ВАЗ.

Работа выполнялась при поддержке гранта 97-25-7.5-708.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Гибадуллин В.З, Злотин Г.Н., Захаров Е.А. Влияние микродобавок водорода на токсичность бензиновых ДВС // Вестник МАНЭБК. -1998.- të 1.- С. 36-38.

2. Злотин Г.Н., Захаров Е.А., Федянов Е.А. Математическая модель для расчета поля концентраций промотора, подаваемого в область электродов свечи зажигания / Волгоград, гос. техн. ун-т. -Волгоград. 1997. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 31.12.97, të 3862 - В 97.

3. Злотин Г.Н., Захаров Е.А., Шумский С.Н. Экспериментальное исследование влияния локальных подач пропана на развитие начального очага горения / Волгоград, гос. техн. ун-т. - Волгоград, 1998. - 15 с. - Деп. В ВИНИТИ 11.03.98, № 717 - В 98.

4. Шумский С.Н., Захаров Е.А. Экспериментальная установка для исследования зажигания топливовоздушных смесей с микродобавками водорода в область электродов свечи зажигания / Волгоград, гос. техн. ун-т. - Волгоград, 1996. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.05.96, té 1744 - В 96.

Подписано в печать 8.10.98 г. Формат 60Х84 1/16. Печать офсетная.

: Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 608.

Типография "Политехник" Волгоградского государственного технического университета 400066 Волгоград, ул. Советская, 35

т,

V5' /

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И ЛОКАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ В ОБЛАСТЬ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ЗАЗОРА

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ЗАХАРОВ Евгений Александрович

УДК 621.43.05.057

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Злотин Г.Н., кандидат технических наук, доцент Федянов Е.А.

Волгоград, 1998 г.

- г -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................ 7

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.... 11

1.1. Начальная фаза сгорания и ее влияние на возможность обеднения топливовоздушных смесей................................... 11

1.2. Влияние параметров искрового разряда на развитие начального очага горения....... 15

1.3. Расслоение заряда как способ расширения пределов эффективного обеднения смеси.... 20

1.4. Применение добавок водорода для улучшения процесса сгорания бедных смесей.... 26

1.5. Основные задачи. исследования.............. 30

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ВОСПЛАМЕНЕНИЯ Т0ПЛИВ0В03ДУШН0Й СМЕСИ ПРИ ЛОКАЛЬНОЙ ПОДАЧЕ МИКРОДОЗ ГОРЮЧЕГО ГАЗА В ОБЛАСТЬ ЭЛЕКТРОДОВ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ И ЕГО ПОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ...................... 33

2.1. Математическое моделирование процесса воспламенения топливовоздушных смесей при локальной подаче горючих газов

в область электродов свечи зажигания..... 33

2.1.1. Основные допущения и уравнения......... 33

2.1.2. Выбор основных коэффициентов и констант и проверка модели на адекватность.................................. 41

2.2. Математическая модель для расчета поля

концентраций промотора горения, подаваемого в область электродов свечи зажигания, ,................................ 42

2.2.1. Предпосылки к разработке модели........ 42

2.2.2. Описание математической модели......... 45

2.2.3. Алгоритм расчета параметров струи...... 53

2.2.4. Расчет параметров сверхзвуковой струи.. 54

2. 3. Выводы по главе.......................... 57

'лава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВОСПЛАМЕНЕНИИ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ С ЛОКАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ ПРОПАНА В ОБЛАСТЬ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ЗАЗОРА..................... 58

3.1. Теоретические исследования процесса воспламенения топливовоздушных смесей при локальных добавках пропана в область электродов свечи зажигания............... 58

3.1.1. Структура фронта пламени............... 58

3.1.2. Влияние локальных добавок пропана на характер выхода горения на стационарный режим.............................. 63

3.1.3. Влияние локальных добавок пропана на энергетический баланс начального очага горения................................. 65

3.1.4. Влияние характера распределения локальной добавки пропана вблизи электродов свечи зажигания на развитие начального очага горения........................... 70

3.1.5. Влияние локальных добавок пропана на развитие начального очага пламени при изменении состава бензовоздушной смеси.. 73 3.2. Теоретические исследования процесса смешения с основной топливовоздушной смесью горючих газов, подаваемых в локальную об-

ласть электродов свечи зажигания........... 76

3. 3. Выводы по главе............................ 83

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И АППАРАТУРА

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА. ......... 85

4.1. Установка для исследования процессов воспламенения и сгорания топливовоздушных смесей с локальной подачей горючего газа в область межэлектродного зазора........... 85

4.1.1. Общая характеристика экспериментальной установки для модельных исследований..... 85

4.1.2. Камера сгорания постоянного объема....... 86

4.1. 3. Лабораторная система зажигания........... 89

4.1.4. Регистрация процессов воспламенения и горения.................................. 89

4.1.5. Аппаратура для подачи промотора в область межэлектродного зазора. ............ 89

4.1. 6. Блок управления.................................91

4.1.7. Методика работы с установкой...................96

4. 2. Экспериментальная установка для визуаль-

ной регистрации факелов горючего газа, подаваемого в область межэлектродного

стр.

зазора............................................98

4.3. Экспериментальная установка для проведения эксперимента на поршневом ДВС.......... 99

4.3.1. Общее описание экспериментальной уста- 99 новки и объект испытаний.................

4.3.2. Система питания, измерения расхода топлива и частоты вращения..........................101

4.3.3. Система подачи пропана в область межэлектродного зазора свечи зажигания...... 103

4.3.4. Системы зажигания и индицирования........ 104

4.4. Общая методика экспериментов на ДВС........ 105

4. 5. Выводы по главе....................................10?

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ДОБАВОК ГОРЮЧИХ ГАЗОВ В ОБЛАСТЬ ЭЛЕКТРОДОВ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ на ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ..................109

5.1. Исследование влияния диффузионных свойств локально подаваемых горючих газов на формирование топливовоздушной смеси в области электродов свечи зажигания и ее воспламенение. ................................ 109

5.2. Результаты экспериментов в камере сгорания постоянного объема (бомбе)............. 116

5.2.1. Влияние микродобавок пропана на пределы воспламенения неподвижных пропановоз-душных смесей............................ 117

5.2.2. Влияние микродобавок пропана на разви-

стр.

тие процесса сгорания неподвижных пропановоздушных смесей,.........................118

5.2.3. Влияние продолжительности подачи и избыточного давления пропана на процесс сгорания пропановоздушной смеси.......... 126

5.2.4. Результаты экспериментов с турбулизиро-ванными пропановоздушными смесями........ 129

5. 3. Влияние микродобавок пропана на межцикловую нестабильность процесса сгорания пропановоздушных смесей....................... 131

5. 4. Результаты экспериментов на двигателе...... 135

5.4.1. Регулировочные характеристики............ 138

5.4.2. Влияние микродобавок пропана на стабильность рабочего процесса в ДВС..................142

5. 5. Выводы по главе..................................145

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ......................... 148

ЛИТЕРАТУРА. ...................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ. ...................................................165

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях автомобильный транспорт стал одним из основных источников загрязнения окружающей среды. На его долю приходится более половины всех вредных выбросов в атмосферу нашей планеты. Наряду с проблемой снижения токсичности отработавших газов (ОГ) автомобильных двигателей не менее важное значение приобретает проблема снижения расхода нефтяных топлив вследствие ограниченности мировых запасов нефти.

Одним из перспективных направлений улучшения экономических и экологических характеристик бензиновых ДВС является создание двигателя с рабочим процессом на бедных топливовоздушных смесях. Однако практическая реализация этой идеи требует решения ряда проблем, главная из которых - возрастающая по мере обеднения смеси межцикловая нестабильность процесса сгорания, обусловленная растущим количеством циклов с вялым протеканием процесса сгорания и пропусками воспламенения. Это приводит к резкому росту расхода топлива и увеличению содержания токсических компонентов в отработавших газах.

В настоящее время можно считать установленным, что важнейшую роль в формировании всего процесса сгорания играет его начальная фаза. Особенности этой фазы в значительной мере ограничивают степень возможного обеднения топливовоздушной смеси, т.к. именно в пределах начальной фазы формируются межцикловая нестабильность и пропуски воспламенения. Как показывают многочисленные исследования, любые меры, обеспечивающие ускорение развития начального очага (НО) горения, позволяют снизить межцикловую нестабильность и расширить пределы эффективного обед-

нения смеси.

Заметного ускорения развития НО горения в бедных смесях можно достичь путем обогащения смеси в районе свечи зажигания, что повышает скорость протекающих во фронте пламени химических реакций.

В работе предложена такая организация рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием, при которой в область меэлектродного зазора свечи зажигания незадолго до новообразования подается небольшое количество углеводородного газа, в частности пропана, что позволяет локально обогатить смесь в области, непосредственно примыкающей к электродам свечи.

Выяснению возможностей форсирования развития НО и, как следствие, повышения предела эффективного обеднения топливовоз-душной смеси при локальных добавках углеводородного газа посвящена данная диссертационная работа. Отсутствие известных данных о подобном способе огранизации рабочего процесса предопределило широкий диапазон исследований.

Изучение механизма воздействия локальных добавок углеводородного газа на развитие НО горение было проведено с помощью математической модели процесса воспламенения топливовоздушных смесей, учитывающей наличие в области электродов свечи зажигания углеводородного газа. На примере пропана проанализировано влияние локальных подач микродоз углеводородного газа на структуру фронта пламени, нормальную скорость сгорания основной бен-зовоздушной смеси, характер выхода горения на стационарный режим.

Для выяснения возможностей управления составом смеси в области электродов свечи с помощью специально созданной математи-

ческой модели проведены расчеты концентрационного поля промотора горения вблизи межэлектродного зазора. Проанализировано влияние избыточного давления подачи горючего газа и степени турбу-лизации основной топливовоздушной смеси на эффективность приготовления воспламеняемой смеси в области электродов свечи зажигания.

На основе исследования особенностей воспламенения микродобавок пропана на воздухе определены оптимальные комбинации его избыточного давления подачи, управляющих импульсов для дозирующей пропан форсунки и системы зажигания.

Исследовано влияние локальных добавок пропана на воспламенение обедненных топливовоздушных смесей в условиях камеры сгорания постоянного объема. Проанализировано их воздействие на продолжительность начальной фазы, время достижения максимального давления и видимую скорость сгорания.

Выявлено влияние подачи микродоз пропана в межэлектродный зазор свечи зажигания на топливную экономичность и пределы эффективного обеднения в ДВС.

Новизна и специфика исследований потребовало разработки специальных методик и создания экспериментального оборудования.

Работа выполнялась на кафедре "Теплотехника и гидравлика" Волгоградского государственного технического университета в период с 1995 по 1998 гг. Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям - доктору технических наук, профессору Злотину Т.Н., кандидату технических наук, доценту Федянову Е.А,- за неоценимую помощь и поддержку. Автор признателен кан-дитату технических наук, доценту Шуйскому С.Н. за активное содействие в изготовлении, наладке и ремонте электронной экспери-

ментальной аппаратуры, кандитату технических наук, доценту Курганского государственного университета Гибадуллину В.3. за полезные советы и рекомендации, учтенные при разработке математических моделей, а также всем сотрудникам кафедры, содействовавшим выполнению данной работы.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Начальная фаза сгорания и ее влияние на возможность обеднения топливовоздушных смесей

По оценкам специалистов ДВС с искровым зажиганием сохранят свою ведущую позицию в качестве силовых установок для легковых автомобилей в ближайшие десятилетия. Они характеризуются приемлемым компромиссом между расходом топлива и токсичностью отработавших газов (ОГ). Наряду с этим, им свойственен еще значительный потенциал развития, способный удовлетворить постоянно ужесточающиеся требования по снижению расхода топлива и улучшению токсических характеристик.

Одним из главных резервов повышения топливной экономичности и экологической безопасности бензиновых ДВС является создание двигателя нового поколения, способного работать при характерных для городской езды режимах на бедных топливовоздушных смесях. Рабочие процессы, организованные подобным образом, позволяют поднять на частичных нагрузках топливную экономичность на 10-30 % при качественном регулировании мощности [28,40]. Следует отметить, что при эффективной работе двигателя с коэффициентом избытка воздуха а > 1,3 помимо снижения расхода топлива и выбросов несгоревших углеводородов СН достигается также существенное сокращение выбросов одних из наиболее опасных токсичных компонентов отработавших газов - окислов азота М0Х.

В настоящее время в России ведутся работы по созданию комплексной антитоксичной системы автомобилей с двигателями, работающими на переобедненных топливовоздушных смесях, которые

способны обеспечить современные нормативные показатели по токсичности [33]. В этой связи двигатель, работающий на бедных топ-ливовоздушных смесях, представляет собой реальную альтернативу ДВС с трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами.

Однако на пути организации рабочего процесса на бедных топливовоздушных смесях стоят проблемы их надежного воспламенения и быстрого сгорания. Циклы с вялым протеканием сгорания и пропусками воспламенения обусловливают увеличение межцикловой нестабильности процесса сгорания и ухудшают экологические характеристики двигателя [13, 31].

Изучению причин повышения межцикловой неидентичности при использовании бедных рабочих смесей посвящено большое количество работ [81,86, 88,90,104]. Подавляющее большинство исследователей отмечает, что межцикловая нестабильность возрастает при растянутом во времени процессе сгорания. Любые меры, направленные на сокращение длительности сгорания, способствуют уменьшению межцикловой неидентичности.

Существенную часть общей продолжительности сгорания занимает его начальная фаза, протекающая от начала искрового разряда до момента, когда размер сформировавшегося очага превысит интегральный масштаб турбулентности. Анализ исследований, посвященных изучению влияния начальной фазы сгорания на характер протекания основной фазы [68, 73,88,115], позволяет сделать вывод о том, что процессы, происходящие в период формирования начального очага (НО) горения, в значительной мере определяют весь процесс сгорания. По мнению большинства исследователей его межцикловая нестабильность формируется именно в начальной фазе сгорания. На развитие НО горения влияют различные факторы: слу-

чайный характер турбулентных пульсаций в районе свечи зажигания, дисперсия локальных значений коэффициента избытка воздуха в области межэлектродного зазора свечи, нестабильность параметров искрового разряда. Каждый из этих факторов может стать причиной возникновения пропусков воспламенения, вялого сгорания смеси, и, как следствие, увеличения межцикловой неидснтичности процесса сгорания. Поскольку величина межцикловой нестабильности непосредственно связана с длительностью начальной фазы сгорания, постольку обеспечение надежного форсирования и быстрого развития начального очага горения должно являться главным путем повышения межцикловой стабильности и расширения пределов эффективного обеднения смеси.

Энергетический баланс начального очага горения можно представить следующим образом:

Ос = + 0Г - О, - (1.1)

где - энергия, подводимая от системы зажигания;

0,г - энергия, выделяющаяся в ходе химических реакций во

фронте пламени; Од - энергия, отводимая в электроды свечи; Ор - энергия, передаваемая теплопроводностью и диффузией через внешнюю границу очага в свежую рабочую смесь. Величина каждой из перечисленных составляющих меняется с течением времени.

За время действия емкостной фазы искрового разряда небольшой объем газа нагревается до высокой температуры. В этот момент практически не играет роли состав топливовоздушной смеси.

Наиболее критический момент воспламенения наступает через несколько десятков микросекунд после пробоя искры, когда температура плазмы снижается до адиабатной температуры пламени и поступление энергии из плазмы емкостной фазы разряда практически прекращается. С этого момента процесс развития НО подчиняется закономерностям ламинарного горения и для его дальнейшего развития необходимо, чтобы теплота, выделяющаяся при сгорании, и энергия, подводимая в индуктивной фазе разряда, превышали потери энергии Од и Ор. Именно на этом этапе, когда положительный баланс энергии в начальном очаге невелик, его развитие во многом зависит от флуктуаций состава смеси, ее температуры и давления, интенсивности турбулентных пульсаций, количества остаточных газов и ряда других факторов.

Таким образом, формирование начального очага и условий для последующего распространения пламени будет происходить тем интенсивнее, чем сильнее неравенство:

Ос > 0. (1.2)

Исходя из вышесказанного, форсирования развития НО и расширения, тем самым, пределов эффективного обеднени�