автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Стохастическая математическая модель развития начального очага горения в ДВС с искровым зажиганием

[ОДГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СТОХАСТИЧЕСКАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ НАЧАЛЬНОГО ОЧАГА ГОРЕНИЯ В ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РГБ ОД 2 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

СВИТАЧЕВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

Волгоград-3998

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

Научные руководители: эаслуженный 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 12 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 диссертационного Совета

В.А.Ожогин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из перспективных путей улучшения топливной экономичности и экологических характеристик поршневых ЛВС с искровым зажиганием является такая организация рабочего процесса, которая позволила бы на основных эксплуатационных режимах использовать бедные топливовоздушные смеси.

Обеднению толливовоздушной смеси в ЛВС этого типа препятствует, в частности, возрастающая нежцикловая нестабильность (МЦН). Для отыскания путей ее снижения требуется углубленное изучение этого явления. Сказанное определило повышенный интерес двигателистов всего мира к проблеме МЦН.

Можно считать установленным, что в большинство случаев уровень МЦН определяется нестабильностью развития начального очага (НО) горения.

Стремление к комплексному изучению причин МЦН вызывает повышенный интерес к созданию математических моделей, учитывающих влияние случайных факторов на формирование НО. Такими являются стохастические модели, создание которых стало актуальной задачей современной теории ДВС.

Данная работа является составной частью научно-исследовательских работ, финансируемых из средств федерального бюджета (номер гос. регистрации 01.9.80002071).

Цель работы. Разработка стохастической математической модели развития начального очага горения в ДВС с искровым зажиганием, позволяющей исследовать влияние на процесс развития НО и его МЦН таких факторов, как средний состав толливовоздушной смеси и его локальная неоднородность, характеристики турбулентности заряда в камере сгорания, конструкция свечи зажигания, параметры искрового разряда.

Методы исследования. Теоретические исследования влияния различных факторов на процесс* формирования НО и его МЦН с помощью разработанной стохастической математической модели. Экспериментальное изучение МЦН в условиях турбулентной камеры сгорания постоянного объема и на двигателе для проверки результатов теоретического исследования.

Объекты исследования. Турбулентная камера сгорания постоянного объема, одноцилиндровый отсек поршневого ДВС ВАЗ (S/D =

71/76, е = 8, 15).

Научная новизна. Разработана и программно реализована на ЭВМ стохастическая математическая модель развития НО в ДВС с искровым зажиганием, позволившая изучить влияние на процесс развития НО и его МЦН среднего состава топливовоздушной смеси и его локальной неоднородности, характеристик турбулентности заряда в камере сгорания, конструкции свечи зажигания, параметров искрового разряда. С помощью разработанной модели получены новые данные о комплексном влиянии на МЦН ряда основных факторов.

Практическая ценность. Разработанная стохастическая математическая модель является инструментом, с помощью которого на стадии проектирования ДВС можно получить исходные конструктивные и регулировочные параметры, обеспечивающие максимальную стабильность развития НО для заданного состава смеси.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы работы нашли отражение в двух публикациях и докладывались 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, 1997 г., 199& г.), ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (г.Волгоград, 1996-1998 гг.).

Реализация работы. Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении курса Тазовая динамика" для специальности "Двигатели внутреннего сгорания".

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем работы - 142 стр., в том числе 40 иллюстраций. Список литературы составляет 121 наименований, в том числе 77 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ литературных источников по теме диссертации, который позволил установить, что.уменьшение МЦН является необходимым условием повышения предела эффективного обеднения, и, следовательно, улучшения топливной экономия-

ности ЛВС с искровым зажиганием.

Исследованиями проблемы МЦН занимались многие как отечественные, так и зарубежные ученые: А. Н. Воинов, В. Ф. Каменев, М. А.Пешкин, Б.Я.Черняк. M.Dulger, N.Ozdor, B.D.Peters, S. Pet-rovic, E. Sher, M. B. Young, J. В. Heywood и др. По мнению большинства исследователей главную роль в формировании МЦН на большинстве режимов работы двигателя играет процесс развития начального очага горения. Это связывают с тем, что процесс образования НО занимает существенную часть общей . продолжительности сгорания. Согласно экспериментальным данным, в отдельных случаях продолжительность начальной фазы достигает 30 % всей продолжительности сгорания, хотя при этом сгорает всего 1 - 2 % топливовоздуш-ной смеси. В опубликованных работах подчеркивается, что любые моры, направленные на интенсификацию формирования НО и всего процесса сгорания, способствуют снижению межцикловой нестабильности.

Серьезные экспериментальные трудности не позволяют исследовать влияние всех факторов, приводящих к возникновению МЦН, в их совокупности с учетом взаимодействия. В этой связи проявляется интерес к созданию и применению математических моделей для изучения причин МЦН и влияния различных факторов на се уровень.

По нашему мнению, полное представление о характере проявления МЦН и ее взаимосвязи с условиями протекания индикаторного процесса можно получить, только с помощью стохастических математических моделей. Современный уровень развития ЭВМ позволяет реализовать некоторые стохастические модели даже на ПЭВМ, что служит серьезным аргументом в пользу создания и развития таких моделей рабочего процесса ДВС.

Глава завершается формулировкой целей и задач исследования.

Во второй главе описывается разработанная стохастическая математическая модель развития-НО при искровом зажигания топли-вовоздушной смеси.

При описании процесса воспламенения топливовоздушой смеси электрической искрой начальный очаг горения условно разбивается на две зоны (рис. 1). К первой зоне относятся газы, содержащиеся в канале пробоя между электродами свечи зажигания, ко второй -весь оставшийся объем НО, отделенный от несгоревших газов фронтом пламени.

2

Рис.2 Схема взаимодействия турбулентных молей с фронтом пламени: 1 - вытягивание; 2 пересечений; 3 - сглаживание; 4 - отрыв

Модель базируется на следующей системе дифференциальных уравнений:

уравнение сохранения массы

<4 м

(1)

уравнение сохранения энергии

йпк, (10-

р ¿От ' аУь — +-= р--+

+ с*ь' <-г—■ % +

йг а Щ>

м " (11

уравнение состояния

Т„) - с,

ри

(И Ш

(2)

Чр (11

1

¿V,

ь

1

(¡щ, 1

и

1

(3)

р М Уь !ПЬ (И Ть

Кроме того,» система включает уравнение, учитывающее скорость изменения реальной площади поверхности НО:

0Аи

~ Кп' Кг -

(4)

В уравнениях Ш-(4) приняты следующие обозначения: Ь -время; ть - масса; р - давление; - объем; Ть - температура; р^ - плотность; ^ - турбулентная скорость распространения пламени; Аг - площадь условной гладкой сферической поверхности НО; А„г - площадь реальной искривленной поверхности НО; О0 - теплота сгорания топлива без учета диссоциации; - теплота, затраченная на диссоциацию; 0ср - энергия искрового разряда; -теплота, переданная в электроды; суЬ - изохорная теплоемкость; сри - изобарная теплоемкость; Кд - осредненный коэффициент, учитывающий интенсивность вытягивания фронта пламени турбулентными молями, или турбулентными вихрями; В - скорость уменьшения Фронта пламени, учитывающая три механизма отрицательного воздействия турбулентности: отрыв, пересечение и сглаживание (рис.2). Индексы Ь и и относятся соответственно к параметрам продуктов сгорания и несгоревшей смеси.

В модели реальный искривленный фронт пламени, распосграня-ицийся с ламинарной скоростью заменен условной гладкой сферической поверхностью, перемещающейся с турбулентной скоростью, Егачение которой определяется как:

5г - V . (5)

Ь

где Я - ламинарная скорость сгорания.

В данной модели, были учтены две причины, приводящие к возникновению МЦН развития НО - неравномерность распределения топливовоздушной смеси внутри цилиндра двигателя, в особенности в районе межэлектродного зазора, и неустойчивый характер турбулентности.

При моделировании неравномерности распределения смеси принимается, что коэффициент избытка воздуха в районе свечи является случайной величиной, изменяющейся от цикла к циклу по нормальному закону, параметры которого определяются режимом работы двигателя и качеством смесеобразования.

Случайный характер турбулентности приводит к тому, что реальная искривленная поверхность НО изменяется во времени случайным образом. В модели учитывается искривление фронта пламени каждым конкретным турбулентным молем. Непрерывный спектр масштабов турбулентности разбивается на я диапазонов, в каждом из которых моли имеют средний размер 1„.

Неустойчивый характер турбулентности внутри цилиндра двигателя приводит к тому, что скорости молей одного и того же . размера отличаются друг от друга. Случайное значение мгновенной скорости V,, (х) моля размером с координатой я условного центра определяется уравнением, которое позволяет связать неизвестные статистические характеристики распределения скоростей турбулентных молей одного и того масштаба с известными статистическими характеристиками распределения в пространстве значений степени диссипации турбулентной кинетической энергии сп(х):

у„(х) -И^еП®)]1'3. (6)

При описании процесса формирования НО в ДВС с искровым зажиганием принят закон распределения значений степени диссипации

турбулентной кинетической энергии, в котором для каждого заданного масштаба имеют место свои статистические характеристики. Мгновенные значения степени диссипации турбулентной кинетической энергии в заданной точке пространства выражается так:

£,(«) - е.' ■ ( * ' 3 . . (7)

где - средняя степень диссипации турбулентной кинетической энергии; г. - случайная величина, распределенная по нормальному закону со средним значением - 3 + д/2 и дисперсией б£2 -д/[п-1п(2)]:

Г [^-(З+д/2)]2 1 / п-1п(2)

Рп(0 = ехр - п:Ш2)-- /-. (8)

I- 2-м У 2-П-»

где )1 - эмпирическая константа.

В модели значение К^ в (4) определяется путей двухшаговой процедуры. На первом шаге находится средняя величина влияния всех вихрей масштаба 1п, принимающих участие в изменении площади поверхности НО. На втором - проводится осреднение по всем масштабам от Колмогоровского до масштаба, соответствующего радиусу НО.

Моделирование негативного воздействия турбулентности на развитие начального очага, приводящее к затуханию пламени, основано на применении двух критериев:

овЬ

-+-< ^- • ■ (9)

(11 М (И

V АЯГ < К. (10)

Первый (9) учитывает то, что развитие пламени возможно лииь при увеличении во времени запаса энергии в НО, а второй (10) определяет выравнивание, разрыв и самопересечение фронта плакени вследствие действия на него турбулентных молей.

Верификация модели была проведена путем сопоставления ре-

Рис.3 Влияние состава топливовоздушной смеси на длительность начальной фазы горения:1 -ламинарный режим горения; 2 - турбулентный режим горения

Рис.4 Зависимость нестабильности времени формирования НО от интенсивности турбулентности (а = 1,4 )

зультатов расчетов с данными, полученными в турбулентной камере сгорания постоянного объема и на двигателе. Это сопоставление подтвердило адекватность модели, что иллюстрируется, в частности, рис.3 и рис.4. Приведенные на рис. 3 расчетные и экспериментальные зависимости среднего времени формирования начального очага от состава гопливовоздушной смеси, в ламинарных и турбулентных условиях, говорят об адекватной описании моделью динамики развития НО. Рис.4 показывает правильное отражение моделью влияние интенсивности турбулентности на МЦН.

В третьей главе приводится описание объектов исследования, испытательных стендов, контрольно-измерительной аппаратуры и методов экспериментального и теоретического исследования МЦН.

Предварительно был выполнен статистический анализ серий индикаторных диаграмм, в ходе которого обоснован выбор максимального давления цикла в качестве параметра экспериментальной оценки МЦН в ЛВС, а также определены границы, в пределах которых возможно его применение. По результата.« обработки' указанных серий индикаторных диаграмм был выполнен корреляционный анализ, в ходе которого получены уравнения регрессии, связывающие максимальное давление цикла с длительностью начальной фазы, что было необходимо для сопоставления результатов теоретических и экспериментальных исследований МЦН.

Перед расчетными и экспериментальными исследованиями было определено минимальное число повторных наблюдений, необходимое для получения статистических характеристик МЦН с требуемой точностью при заданной надежности.

Статистическая обработка полученных данных выполнялась по общепринятым методикам. Для сопоставления уровня МЦН при различных условиях опыта использовались значения коэффициента вариации 5 параметров, характеризующих МЦН.

В четйертой главе излагаются результаты исследований влияния среднего состава смеси, ее локальной.неоднородности и параметров турбулентности на нестабильность процесса формирования НО при искровом зажигании, выполненных "как с помощью разработанной стохастической математической модели, так и экспериментально в условиях турбулентной камеры сгорания постоянного объема и на ДВС.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования

Рис.5 Зависимости нестабильности времени формирования НО от (I при разной интенсивности турбулентности: 1 - и' = 0,7 м/с; 2 - и' = 2,1 м/с; 3 - и' = 7 м/с

Рис.6. Зависимости нестабильности формирования НО от а при различном среднеквадратичном отклонении сь локального состава смеси от среднего: 1- аа = 0,1 ; 2 - сь = 0,2; 3 - с*, = 0,25

показали (рис.5), что зависимость коэффициента вариации времени формирования начального очага от коэффициента избытка воздуха а нелинейна. Выявлено, что при обеднении топливовоздушной смеси имеют место три характерные зоны: в первой нестабильность по мере обеднения практически не меняется, во второй зоне она резко нарастает вплоть до достижения максимума, а в третьей снижается из-за увеличения доли практически одинаковых циклов с вялым горением. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными показало, что предел эффективного обеднения смеси практически соответствует началу резкого повышения нестабильности, то есть переходу от первой зоны ко второй.

При исследовании влияния на межцикловую нестабильность пространственной неоднородности состава смеси в камере сгорания двигателя установлено, что увеличение последней приводит к возрастанию МЦН, причем характер зависимости б = ЯсО при всех средних значениях коэффициента воздуха (рис. 6) сохраняется.

Исследования влияния интенсивности турбулентности и' на МЦН НО показали, что каждому среднему значению коэффициента избытка воздуха соответствует своя интенсивность турбулентности, при которой достигается максимальная стабильность формирования НО (рис.7). Как видно из рисунка, с обеднением смеси минимум б смещается в сторону меньшей,интенсивности турбулентности. Установлено, что отмеченный характер зависимости б » f (и') является следствием увеличения с ростом интенсивности величины случайных смещений центра очага крупномасштабными молями.

Исследование влияния интегрального масштаба L на нестабильность формирования начального очага позволили сделать вывод о том, что рост интегрального масштаба турбулентности увеличивает межцикловую нестабильность (рис.8). При этом по мере обеднения смеси негативное влияние масштаба турбулентности усиливается. Это ' объяснено, тем, что с изменением интегрального масштаба изменяется весь спектр турбулентных пульсаций.

- и -

Рис.7 Зависимость нестабильности времени формирования НО от интенсивности турбулентности при разных составах толливовоздушной смеси: 1 -а = 1; 2 - а = 1,2; 3 - а = 1,4

Рис.8 Зависимость нестабильности времени формирования НО от интегрального масштаба турбулентности: 1 - и' = 1 м/с; 2 - и' = 3 м/с; 3 - и' = б м/с

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана оригинальная стохастическая математическая модель процесса образования и развития начального очага горения при искровом зажигании, позволяющая проводить углубленные теоретические исследования слияния на межцикловую нестабильность этого процесса основных факторов.

2. Создано программное обеспечение модели, ориентированное на использование современных ПЭВМ.

3. На основе разработанной модели проведен широкий круг теоретических исследований по изучению влияния на МЦН формирования начального очага горения среднего состава топливовоздуш-ной смеси и его локальной неоднородности, параметров турбулентности, позволивший установить ряд важных закономерностей.

3. 1. Коэффициент вариации времени формирования НО зависит от й нелинейно, причем имеют место три характерные зоны с различной степенью влияния состава смеси на нестабильность: в первой зоне нестабильность меняется по мере обеднения незначительно; во второй зс:;з она резко нарастает с увеличением избытка воздуха вплоть до достижения максимума; в третьей зоне, соот-ветстветствующей подходу к пределу воспламенения нестабильность снижается из-за увеличения доли практически одинаковых циклов с вялым горением.

3.2. Установлено, что предел эффективного обеднения смеси практически соответствует переходу от первой зоны ко второй.

3. 3. При одном и том же среднем значении а коэффициент вариации времени формирования НО оказывается тем больше, чем выше локальная неоднородность смеси в области межэлектродного зазора.

3.4. Установлено, что для заданного масштаба турбулентности каждому.составу смеси соответствует свое определенное значение интенсивности турбулентности, при котором коэффициент вариации длительности формирования НО достигает минимума, причем с ростом обеднения смеси этот минимум смещается в сторону меньших интенсивностей турбулентности.

3.5. Вскрыт механизм, объясняющий наблюдаемый характер влияния интенсивности турбулентности на нестабильность процесса образования НО, заключающийся в том. что с ростом интенсивности

турбулентности сильнее проявляется отрицательное воздействие на НО теплоотдачи в электроды свечи зажигания и стенки камеры сгорания.

3.6. Для обеспечения высокой стабильности формирования начального очага при искровом зажигании необходимо иметь в области межэлектродного зазора мелкомасштабную турбулентность с интенсивностью, определяемой средним составом, толливовоздушной смеси и конструкцией электродов свечи зажигания.

4. Эксперименты, проведенные в турбулентной камере сгорания постоянного объема и на одноцилиндровом отсеке двигателя ВАЗ подтвердили основные результаты теоретических исследований. Для выполнения экспериментов проведены модернизация и аппаратурное оснащение испытательных стендов как с турбулентной камерой сгорания постояного объема, так и с одноцилиндровым отсеком двигателя ВАЗ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Злотин Г. Н., Свитачев А. Ю., Федянов Е. А. Новый подход к моделированию межцикловой нестабильности в ДВС с искровым зажиганием. / ВолгГТУ. - Волгоград, 1996. - 12 с. Деп. в ВИНИТИ 09. 12.96, № 3568.

2. Злотин Г. Н., Свитачев А.Ю., Федянов Е. А. Моделирование процессов в начальном очаге горения турбулентных топливовоздуш-ных смесей с учетом стохастичности / ВолгГТУ. - Волгоград, 1998. - 12 с. Деп. в ВИНИТИ 30.03.98, № 896.

Подписано в печать 8.10.98 г. Формат 60*84 1/16. Печать офсетная. Усд.печ.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 608. Типография "Политехник" Волгоградского государственного технического университета 400066 Волгоград, ул. Советская, 35

г

3

V

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СТОХАСТИЧЕСКАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ НАЧАЛЬНОГО ОЧАГА ГОРЕНИЯ В ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

На правах рукописи

СВИТАЧЕВ Александр Юрьевич

УДК 621.434

Волгоград, 1993 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр,

ВВЕДЕНИЕ...................................................4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.............6

1.1. Пути повышения топливной экономичности автомобильных бензиновых ДВС....................6

1.2. Методы оценки МЦН..............................13

1.3. Факторы, влияющие на МЦН.......................16

1.4. Анализ возможностей применения математических моделей для изучения МЦН.......................29

1.5. Цели и задачи исследования.....................32

Глава 2. СТОХАСТИЧЕСКАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ НАЧАЛЬНОГО ОЧАГА ГОРЕНИЯ.34

2.1. Исходные положения.............................34

2.2. Система основных уравнений.....................37

2.3. Начальные и граничные условия..................41

2.4. Моделирование механизма вытягивания поверхности НО турбулентными молями............44

2. 5. Моделирование гашения пламени..................46

2.6. Моделирование стохастичности

формирования НО................................47

2.7. Проверка модели на адекватность................54

2. 8. Результаты и выводы по главе...................56

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА

ИССЛЕДОВАНИЯ МЦН.................................60

3.1. Экспериментальная установка для исследования

нестабильности процессов воспламенения и сгорания обедненных топливовоздушных смесей,. . .60 3,2. Экспериментальная установка для исследования

МЦН в условиях двигателя.......................64

3. 3. Методики экспериментальных исследований........67

3.3.1. Выбор параметра для экспериментальной

оценки МЦН. ..................................67

3. 3. 2. Расчет числа наблюдений......................71

3.3.3. Методика экспериментов в камере сгорания постоянного объема...........................73

3.3.4. Методика экспериментов на ДВС................76

3. 5. Результаты и выводы по главе...................76

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА СМЕСИ И ПАРАМЕТРОВ

ТУРБУЛЕНТНОСТИ НА МЦН............................78

4.1. Исследование влияния состава топливовоздушной смеси на МЦН...................................78

4.2. Влияние параметров турбулентности на нестабильность формирования НО.................94

4.2.1. Влияние интенсивности турбулентности на невоспроизводимость процесса сгорания........94

4.2.2. Влияние интегрального масштаба турбулентности на МЦН........................106

4. 3. Результаты и выводы по главе...................112

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..............................114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................116

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее улучшение топливной экономичности и экологических характеристик поршневых двигателей внутреннего сгорания остается по-прежнему важнейшей научно-технической задачей. Одним из перспективных путей ее решения является создание рабочих процессов, позволяющих на основных эксплуатационных режимах существенно повысить обеднение топливовоздушной смеси.

Рассмотрение факторов, препятствующих нормальной работе двигателей указанного типа с большими значениями коэффициента избытка воздуха в камере сгорания, указывает на необходимость дальнейшего более глубокого изучения природы межцикловой нестабильности рабочего процесса. Сложности экспериментального исследования этого явления обуславливают интерес к его математическому моделированию. Случайный характер действия ряда основных факторов, приводящих к межцикловой нестабильности, может быть в полной мере учтен только с помощью стохастических математических моделей.

Настоящая работа посвящена созданию стохастической математической модели важного для определения уровня межцикловой нестабильности процесса формирования и развития начального очага горения при искровом зажигании.

С помощью модели изучено влияние состава топливовоздушной смеси и его неоднородности, а также параметров турбулентности заряда в камере сгорания на нестабильность воспламенения топливовоздушной смеси электрической искрой. Результаты исследования на модели были подтверждены экспериментальными исследова-

ниями в турбулентной камере сгорания постоянного объема и на двигателе.

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям заслуженному деятелю науки и техники РФ доктору технических наук профессору Злотину Григорию Наумовичу и кандидату технических наук доценту Федянову Евгению Алексеевичу за неоценимую помощь, оказанную при выполнении работы, а также всем сотрудникам кафедры "Теплотехника и гидравлика" за содействие и поддержку.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1,1. Пути повышения топливной экономичности автомобильных бензиновых ДВС

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются в настоящее время основным типом силовых установок транспортных машин, и на их долю приходится большая часть потребления высококачественных топлив нефтяного происхождения. В связи с последним неизменно актуальной остается задача повышения топливной экономичности всех видов транспортных ДВС, особенно наиболее распространенных - автомобильных.

Большую часть автомобильных ДВС составляют бензиновые двигатели с принудительным зажиганием. По статистическим данным их доля среди всех типов силовых установок автомобильного транспорта превышает 70 % [47].

Топливная экономичность ДВС обычно характеризуется величиной удельного эффективного расхода топлива (§е), которая зависит от эффективности индикаторного процесса и уровня механических потерь.

Для двигателей с принудительным зажиганием можно указать три основных возможных пути улучшения индикаторного КПД: повышение степени сжатия, увеличение скорости сгорания заряда и применение обедненных топливовоздушных смесей.

Повышение степени сжатия (е) не только приводит к росту термического КПД цикла, но и способствует, вследствие более высоких давлений и температуры, ускорению химических реакций,

снижению периода задержки воспламенения и общей продолжительности сгорания. Вместе с тем, исследования [81,92] показали, что топливная экономичность повышается с ростом степени сжатия в меньшей мере, чем термический КПД. Особенно это заметно на частичных нагрузках, составляющих большую часть городского цикла. Отмеченное обстоятельство обусловлено, в частности, повышением механических потерь при увеличении е. Как показывает анализ, для каждого конкретного двигателя существует оптимальное значение степени сжатия, при котором достигается максимум топливной экономичности. Для современных автомобильных бензиновых ДВС такой оптимум составляет г = 13-14 [73]. Для двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием величина £ дополнительно ограничивается появлением детонационного сгорания, которое оказывает разрушающее воздействие на поверхности камеры сгорания (КС) и уплотнения газового стыка, увеличивает шум и вибрацию.

Исходя из достигнутых в современных ДВС с принудительным зажиганием значений е, с учетом сказанного выше, можно утверждать, что резервы улучшения топливной экономичности этого типа двигателей за счет повышения степени сжатия весьма ограничены.

Увеличение скорости сгорания заряда, достигаемое за счет применения компактных КС с высокой турбулизацией [49,52], приводит к повышению индикаторного КПД главным образом за счет снижения тепловых потерь в стенки. Однако применение компактных КС приводит к существенному росту скорости повышения давления, увеличению температуры сгорания и, следовательно, повышению жесткости всего рабочего процесса, механической и тепловой наг-

руженности деталей двигателя, уровня шума. Это накладывает ограничение на максимально допустимую скорость сгорания.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения топливной экономичности является создание двигателей, работающих на обедненной топливовоздушной смеси [2, 6, 7, 9,13, 21, 22, 33 и др.]. Как видно из рис.1.1, состав топливовоздушной смеси, используемой в современных двигателях, не совпадает с наиболее экономичным. Это объясняется необходимостью применения, для соблюдения норм токсичности отработавших газов (ОГ), трехкомпо-нентной системы нейтрализации, которая эффективно работает только при стехиометрических составах смеси. Многие исследователи [6,12, 59, 68,114] считают, что за счет организации рабочего процесса на обедненных топливовоздушных смесях возможно успешное решение не только проблемы улучшения топливной экономичности, но и снижения токсичности.

Качественные и количественные оценки влияния обеднения смеси на топливную экономичность двигателя и токсичность отработавших газов представлены в работах многих авторов [2,6,21,33,88,114 и др.]. Отмечается, что при применении в двигателе обедненных топливовоздушных смесей выброс 1\ЮХ снижается в 1, 5 - 3 раза, а экономия топлива доходит до 10 - 15 %. Кроме того, наличие избыточного кислорода способствует большей полноте сгорания, то есть уменьшению выбросов СН и СО [57,61,105]. Для удовлетворения норм по токсичности отработавших газов (ОГ) достаточно установки нейтрализатора окислительного типа.

Работа ДВС на обедненных топливовоздушных смесях позволяет также повысить степень сжатия без возникновения детонации, что,

Рис.1.1.Зависимость экономических и токсических характеристик бензиновых двигателей от состава топливовоздушной смеси [22]:1 - область работы двигателей с каталитическими нейтрализаторами; 2 - область работы двигателей, использующих обедненные топливовоздушные смеси

в свою очередь, способствует увеличению термического КПД [23. Кроме того, более низкая температура сгорания приводит к уменьшению потерь теплоты из-за диссоциации и теплоотдачи в стенки цилиндра [81].

Вместе с тем, практическая реализация рабочих процессов на обедненных топливовоздушных смесях требует решения комплекса проблем, которые связаны с ухудшением условий поджигания заряда и снижением скорости сгорания. По мнению авторов ряда работ [49,51,53,65,98], при создании двигателя, работающего на бедных смесях, необходимо уделять основное внимание следующему:

1) созданию надежной системы зажигания;

2) определению путей интенсификации процесса горения, в особенности его начальной фазы;

3) разработке надежных систем для дозирования, контроля и управления составом смеси.

Примером ДВС, в котором реализуется процесс сгорания обедненной топливовоздушной смеси, является V-образный шестицилиндровый двигатель с рабочим объемом 2, 8 л, разработанный фирмой Шевроле (GENERAL MOTORS) [72.]. В этом ДВС надежное и быстрое сгорание достигается высокой степенью компактности КС, расположением свечи зажигания, близким к центральному, и "открытым" межэлектродным промежутком свечи.

Немецкими конструкторами [49] разработан двигатель, работающий на ультрабедных топливовоздушных смесях (й > 1,65), работа которого обеспечивается образованием в камере сгорания большого количества микротурбулентных зон. Сообщения о создании образцов двигателей, работающих на бедных смесях, опубликованы

также рядом других фирм и научно-исследовательских организаций [22, 57, 34, 49 и др. ].

Вместе с тем, отсутствие таких двигателей в серийном производстве говорит о том, что не для всех из указанных выше проблем найдены решения, в достаточной мере удовлетворяющие во всем диапазоне эксплуатационных режимов комплексу предъявляемых к автомобильным ДВС требований.

Одним из наиболее серьезных недостатков двигателей, использующих обедненные топливовоздушные смеси, является высокая нестабильность работы, проявляющаяся в изменении частоты вращения коленчатого вала на установившихся режимах [33,94].

Известно также [64], что с возрастанием межцикловой нестабильности рабочего процесса (МЦН) непосредственно связывают наличие предела эффективного обеднения. При превышении этого предела начинает быстро нарастать доля циклов с "вялым" сгоранием и пропусками воспламенения и, как следствие, резко ухудшается топливная экономичность и увеличиваются выбросы СО и СН. Индикаторные диаграммы, полученные Пешкиным М.А. на одноцилиндровом экспериментальном двигателе [33] (рис.1.2), наглядно иллюстрируют ухудшение рабочего процесса и повышение МЦН по мере обеднения топливовоздушной смеси. Кроме того, практически все исследователи, занимающиеся проблемой МЦН, констатируют, что критический состав смеси, после которого наблюдается резкое возрастание нестабильности, почти всегда совпадает с пределом эффективного обеднения.

Из сказанного выше следует, что уменьшение МЦН при работе на обедненных топливовоздушных смесях является очень важной за-

Рис. 1.2. Индикаторные диаграммы последовательных циклов при различных составах смеси [33]:

1 - а = 1,0; 2 -а =1,15; 3- а = 1,3

дачей, решение которой позволит повысить предел эффективного обеднения, и улучшить топливную экономичность. Результаты теоретических исследований [103,107] показали, что полное устранение МЦН позволило бы повысить топливную экономичность двигателя приблизительно на 10 %.

1.2. Методы оценки МЦН

Анализ имеющихся публикаций говорит о том, что для оценки МЦН используются различные параметры. Для каждого конкретного исследования их выбор обосновывается целями и методикой эксперимента, видом применяемого оборудования. Использование различных методов оценки МЦН сильно затрудняет сопоставление результатов, полученных разными авторами.

Базируясь на работах [103,321], все используемые для оценки уровня МЦН параметры можно разделить на четыре основные группы.

1. Параметры, связанные с давлением в цилиндре:

- максимальное давление;

- момент достижения максимального давления;

- максимальная скорость повышения давления;

- среднее индикаторное давление.

2. Параметры, связанные с процессом сгорания:

- максимальная скорость тепловыделения;

- максимальная массовая скорость сгорания;

- период задержки воспламенения;

- общая продолжительность сгорания;

- время выгорания определенной доли топлива.

3. Параметры, связанные с распространением фронта пламени:

- положение фронта пламени при определенных углах поворота коленчатого вала;

- время прохождения фронта пламени между двумя точками в цилиндре;

- смещение центра ядра пламени из искрового промежутка при различных углах поворота коленчатого вала.

4. Косвенные параметры:

- концентрация различных компонентов в ОГ;

- давление и температура ОГ;

- неравномерность частоты вращения вала двигателя.

Коротко рассмотрим достоинства и недостатки параметров каждой из групп.

Так, преимуществом параметров, связанных с изменением давления внутри цилиндра, является простота их определения на основе индицирования двигателя. При этом очевидно, что наиболее информативными величинами будут статистические характеристики набора цикловых значений среднего индикаторного давления (р4). С другой стороны, р1 - интегральный параметр, определение которого на основе индикаторных диаграмм связано с известными трудностями [94,103,121]. Поэтому гораздо чаще для характеристики МЦН используют разброс в значениях максимального давления цикла (р2) или времени его достижения (фР2).

Следует отметить, что использовать разброс значений р2 и ФР2 для оценки уровня МЦН можно лишь в тех случаях, когда среди последовательных циклов отсутствуют циклы с очень вялым горени-

ем, в которых максимальное давление не превышает давления конца сжатия С43],

Параметры, связанные с процессом сгорания, получаются в результате обработки индикаторных диаграмм. По этой причине они, в определенной мере, дублируют параметры первой группы. Известные проблемы определения на основе индицирования максимальной массовой скорости сгорания или пропорциональной ей максимальной скорости тепловыделения приводят к тому, что эти величины почти не применяются для оценки МЦН. С другой стороны, задержка воспламенения, продолжительность сгорания и время выгорания определенной доли топлива используются достаточно часто [87,3163. Следует отметить, что нестабильность задержки воспламенения, по мнению большинства исследователей, в значительной степени определяет МЦН в целом, поэтому этот параметр, при хорошей точности измерения, очень информативен.

Значения параметров, связанных с распространением фронта пламени, обычно получают посредством визуальных методов (волоконная оптика, шлирен- или теневые фотографии) или с помощью ионизационных датчиков [55,77,108]. Эти средства дают возможность обнаружить даже небольшие изменения в развитии начального очага горения и оценить влияние р�