автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Зависимость концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах бензиновых ДВС от скорости распространения пламени и ионного тока

На правах рукописи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ НЕСГОРЕВШИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ БЕНЗИНОВЫХ ДВС ОТ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ И ИОННОГО ТОКА

Специальность 05.04.02 - "Тепловые двигатели"

Ивашин Павел Валентинович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тольятти - 2004

Работа выполнена на кафедре "Тепловые двигатели" Тольяттинского государственного университета

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Александр Петрович Шайкин

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Валерий Павлович Данильченко, Кандидат технических наук, доцент Александр Григорьевич Егоров

Ведущая организация: ОАО «АвтоВАЗ»

Защита диссертации состоится 25 июня в 14 час на заседании диссертационного совета Д 212.264.01 Тольяттинского государственного университета по адресу: 445667, Самарская обл., Тольятти, ул. Белорусская, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тольяттинского государственного университета по адресу 445667, г Тольятти, ул. Белорусская, 14

Автореферат разослан "2/ " мая 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

д.т.н., профессор

П.Ф. Зибров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Снижение токсичности отработавших газов (ОГ) при улучшении топливной экономичности и сохранении мощ-ностных показателей остается наиболее актуальной проблемой современного двигателестроения Регулярное ужесточение законодательных требований к выделению автомобилями вредных веществ, особенно несгорев-ших углеводородов (СН), служит стимулом для постоянных исследований в этом направлении. Несгоревшие углеводороды обладают значительным токсичным действием, включая канцерогенное Комплекс мер, направленных на снижение выделения СН, как продукта неполного сгорания, совместно с оксидами азота, весьма сложен Кроме того, концентрация СН в ОГ характеризует условия и полноту сгорания заряда в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС), т.е. является показателем совершенства рабочего процесса. Поэтому исследования образования углеводородов в цилиндре ДВС весьма актуальны.

Широко распространенные системы каталитической нейтрализации ОГ с использованием благородных металлов являются дорогостоящими и снижают эффективность работы двигателя. Наиболее перспективные методы снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания заключаются в воздействии на рабочий процесс, т.е. непосредственно на причины образования токсичных веществ. Такие способы связаны с осуществлением рабочего процесса на бедных смесях при различных способах интенсификации сгорания и сохранении эффективности. Для совершенствования этих методов и изучения процессов образования токсичных веществ в ОГ ДВС необходимы исследования процесса сгорания. Недостаточная разработанность теории горения определяет необходимость экспериментальных исследований. Значительная сложность и дороговизна визуализации процесса сгорания в цилиндре ДВС с помощью кварцевых окон в камере сгорания (КС), методов лазерной диагностики и т.д. обуславливает интерес к использованию для изучения процесса сгорания явления ионизации в пламени углеводородных топлив. С помощью датчиков ионизации (ДИ) в КС возможно получение информации о контурах и скорости распространения пламени.

Условия горения в КС, в т.ч. локальные, т.е. условия окисления углеводородов в пристеночных слоях и зазорах, зависят от турбулентности заряда и физико-химических свойств смеси Измерения уровня турбулентности, значений температуры и концентрации топлива в локальных зонах КС весьма сложны, однако, существует показатель влияния этих факторов на сгорание - скорость распространения пламени.

Скорость распространения пламени является параметром, характеризующим влияние турбулентности заряда и физико-химических свойств смеси на развитие начального очага горения при зажигании, общую

РОГ - 'ОЬНАЯ

1 ' КА

/ ,

протяженность процесса сгорания в цикле и на догорание вблизи холодных стенок КС Т.е. скорость пламени является показателем условий сгорания (в т.ч локальных), результирующим влияние турбулентности и физико-химических свойств смеси. В то же время, условия горения топливно-воздушной смеси в различных зонах КС данной конструкции, определяют выделение несгоревших углеводородов двигателем Химическая кинетика окисления углеводородов весьма сложна и в полной мере не разработана, поэтому для дальнейшего совершенствования рабочего процесса необходимы экспериментальные исследования. Существующие представления о выделении СН двигателем получены на основе обширных экспериментальных исследований. Однако недостаточно изучено влияние скорости пламени, как показателя турбулентности заряда и физико-химических свойств TBC. Вышесказанное определяет необходимость изучения зависимости концентрации СН в ОГ от скорости распространения пламени в КС.

Таким образом, актуальность выполненного в диссертации исследования заключается в изучении влияния скорости распространения пламени в цилиндре ДВС на концентрацию несгоревших углеводородов в ОГ, нахождении оптимальных для снижения СН условий сгорания и разработке способов регулирования двигателя по минимальной эмиссии СН с помощью датчиков ионизации.

Кроме того, актуальность подтверждается тем, что работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ТГУ «Определение взаимосвязи электропроводности пламени с токсичностью продуктов сгорания» и программой по приоритетным направлениям науки и техники, утвержденными Министерством образования и науки РФ.

Целью работы является снижение концентрации СН в ОГ бензиновых ДВС на основе исследования влияния физико-химических свойств смеси на процесс сгорания и разработка рекомендаций по контролю сжигания TBC с использованием явления ионизации в пламени углеводородных топлив.

Достижение поставленной цели обеспечивается при решении следующих основных задач:

1) определение и сравнение влияния турбулентности заряда и физико-химических свойств смеси на скорости распространения пламени в цилиндре бензинового ДВС;

2) выявление закономерностей изменений средней скорости распространения пламени в КС, скорости пламени в зоне пристеночного слоя и ионного тока пламени при воздействии на физико-химические свойства смеси;

3) определение зависимости концентрации СН в ОГ от скоростей пламени и ионного тока;

4) установление возможностей снижения выделения углеводородов двигателем и управления рабочим процессом с помощью датчиков ионизации.

Научная новизна заключается в установлении закономерностей влияния физико-химических свойств TBC на выделение углеводородов бензиновым двигателем на основе измерений скорости пламени и ионного тока в КС и включает следующие новые научные результаты:

1) определена взаимосвязь средней скорости пламени в КС, скорости пламени в заключительной фазе сгорания, ионного тока пламени и концентрации несгоревших углеводородов в ОГ;

2) введен и обоснован специальный комплекс переменных К, пропорциональный отношению нормальной и турбулентной скоростей пламени в условиях ДВС и численно равный произведению значений угла поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующего достижению пламенем ионизационного датчика, и амплитуды импульса ионного тока;

3) установлено наличие баланса влияния физико-химических свойств смеси на скорости ламинарного и турбулентного пламени, соответствующего минимальной концентрации СН в ОГ;

4) получены относительные значения средней скорости пламени и величины ионного тока, соответствующие минимальной концентрации СН вОГ;

5) выявлено наличие линейной зависимости величины тока на датчике ионизации от коэффициента избытка воздуха в области составов смеси, близких к стехиометрическому (а = от 0.9 до 1.2).

Практическую ценность представляют:

• наличие значений величин амплитуды импульса ионного тока и его положения по углу ПКВ, однозначного соответствующих минимальной концентрации несгоревших углеводородов в ОГ на данном режиме работы двигателя.

• система для измерения и записи сигналов на датчике ионизации оригинальной конструкции, установленном в наиболее удаленной от свечи зажигания зоне КС;

• линейная зависимость величины тока на датчике ионизации от коэффициента избытка воздуха в области (а = от 0 9 до 1.2);

• Наличие экстремума зависимости величины ионного тока от коэффициента избытка воздуха в области а = 0 8 - 0 9, т.е. возможности адаптивного управления в области мощностного состава смеси.

Методы исследования

При выполнении работы применялись экспериментальные методы, методы эмпирического анализа, статистическая обработка данных и компьютерное моделирование. Объект исследования - процесс горения углеводородных топлив в поршневых ДВС. Предмет исследования - процесс горения TBC в КС одноцилиндровой установки УИТ-85, моделирующей условия транспортного ДВС.

Достоверность полученных результатов обусловлена доверительным объемом экспериментов, применением современных методов статистической обработки опытных данных, а также подтверждается хорошей сходимостью результатов исследования процесса сгорания на модельной установке с результатами отечественных и зарубежных исследований, проведенных на реальных автомобильных ДВС. На защиту выносятся следующие положения.

1. Закономерность изменений концентрации СН в ОГ бензинового ДВС в зависимости от средней скорости распространения пламени в КС, скорости пламени в фазе догорания у стенок и величины ионного тока.

2. Относительные значения скорости пламени и ионного тока, соответствующие минимальной концентрации СН в ОГ.

3. Комплекс переменных К, пропорциональный отношению нормальной и турбулентной скоростей пламени в условиях ДВС и численно равный произведению значений угла поворота коленчатого вала, соответствующего достижению пламенем ионизационного датчика, и амплитуды импульса ионного тока. Наличие величины комплекса К, соответствующей минимуму выделения СН двигателем.

4. Методика использования величины ионного тока для определения состава смеси и регулирования двигателя.

Реализация результатов работы

Результаты исследований внедрены на предприятиях: ОАО «АвтоВАЗ», г.Тольятти, ОАО «Самарское конструкторское бюро машиностроения» и ОАО «Двигатели НК», г.Самара. Апробация работы

Основные положения диссертации обсуждены на научно-технических семинарах кафедры «Тепловые двигатели» ТГУ в 2003-2004 г.г и кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Баумана в 2004 г и доложены на следующих конференциях:

Всероссийская научно-техническая конференция «Технический ВУЗ - наука, образование и производство в регионе» (г. Тольятти, ТГУ, 2001 г);

Международная научно-техническая конференция посвященная памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н Д Кузнецова (г. Самара, СГАУ. 20011 );

XXXIX Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки научных кадров» (г. Москва, МГТУ «МАМИ», 2002 г.);

Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств и систем» (г Волгоград, ВГТУ, 2002 г.),

Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, ТГУ, 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 130 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста иллюстрированного 11 таблицами и 54 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулирована его цель.

В первой главе диссертации проанализированы известные литературные данные по вопросам образования несгоревших углеводородов в условиях ДВС и снижения выделения СН двигателями с искровым зажиганием. Вопросами изучения этих процессов и снижения выделения двигателями СН занимались такие отечественные ученые как А.Н. Воинов, В.А. Звонов, Г.Н Злотин, В.Н. Луканин, Н.А. Иващенко, В.Ф. Кутенёв, Е А Федянов, зарубежные ученые W A. Daniel, D.A. Hamrm, J.B. Hcywood, D.J. Patterson и другие. Анализ многочисленных исследований показал, чго основными источниками несгоревших углеводородов в ОГ ДВС с искровым зажиганием являются пристеночные слои и зазоры в камере сгорания, где прекращаются реакции окисления углеводородов. На образование СН в замороженных слоях и зазорах основное влияние оказывают следующие факторы: скорость сгорания, степень сжатия, конструкция камеры сгорания, состав смеси и рециркуляция ОГ, нагрузка, турбулентность заряда, температура стенок КС, шероховатость поверхности и отложения. В то же время, параметры, определяющие рабочий процесс, такие как момент зажигания, динамика тепловыделения, зависят от скорости сгорания. Физико-химические свойства смеси (состав, степень разбавления остаточными газами, наличие активизирующей добавки) и турбулентность заряда влияют на скорость сгорания Следовательно, скорость сгорания позволяет оценивать влияние выше перечисленных факторов на образование несгоревших углеводородов в замороженных слоях и зазорах КС Скорость распространения пламени для камеры сгорания данной конструкции является показателем условий горения, в т ч локальных и определяет скорость сгорания Таким образом, на основании известных представлений об образо-

вании несгоревших углеводородов в цилиндре ДВС определено, что влияние основных факторов, может быть оценено с помощью скорости распространения пламени.

Для определения направления исследования проведен анализ существующих методов снижения токсичности двигателями с искровым зажиганием. В результате показано, что в ближайшем будущем не предвидится массового перехода на альтернативные топлива. Наиболее перспективным направлением снижения токсичности ОГ ДВС является воздействие на рабочий процесс, т е. непосредственно на причины образования токсичных веществ в ОГ, а не воздействие на выхлопные газы При эффективности систем нейтрализации ОГ, их дороговизна и другие недостатки, а также постоянное ужесточение законодательных норм, позволяют в перспективе рассматривать нейтрализаторы как дополнение к основным мерам, направленным на улучшение непосредственно рабочих процессов ДВС. Анализ известных работ показал, что основное направление воздействия на рабочий процесс с целью снижения эмиссии несгоревших углеводородов связано с организацией рабочего процесса на бедных смесях. Перспективным является использования для этой цели микродобавок водорода в бензиновоздушную смесь. Исследовательские работы, посвященные методам физико-химического воздействия на процессы рабочего цикла двигателей, осуществлены такими учеными, как В.А. Звонов, Г.Н. Злотин, H.A. Иващенко, В.Н. Луканин, Е.А. Федянов, W.A. Daniel, J.B. Heywood и другие. Таким образом, исходя из изученного опыта, определено, что методы воздействия на процесс сгорания, связанные с изменениями физико-химических свойств смеси, являются наиболее перспективными. Однако в исследованиях до сих пор нет стройного единого представления о механизмах влияния физико-химических свойств TBC на процесс сгорания и образование токсичных веществ. Данное обстоятельство определило направление выполненного в диссертации исследования.

Для углубления понимания данного вопроса и для разработки способов влияния на рабочий процесс с целью снижения эмиссии СН, необходимо получать информацию о процессе сгорания в различных зонах камеры сгорания. Проведенный анализ многочисленных известных методов изучения и визуализации процессов сгорания в цилиндре ДВС показал их значительную сложность и дороговизну (скоростная киносъемка с помощью кварцевых окон в цилиндре, лазерные методы и т.д.). Эти проблемы отсутствуют при изучении процессов горения с помощью явления ионизации в пламени углеводородных топлив. Применением данного явления для изучения процесса сгорания в цилиндре ДВС занимались такие ученые, как Г С. Аравин, Н.Н Иноземцев, H.H. Семенов, A.C. Соколик, H.F. Calcotte, J.B Heywood, D.E. Maier, I. Nakamura, W. Stockhausen, и др. Анализ таких исследований показал перспективность этого направления и

возможность применения датчиков ионизации на транспортных ДВС без значительных изменений в их конструкции Данное обстоятельство определило способ экспериментального исследования, выполненного в работе

Анализ исследований процесса сгорания в цилиндре ДВС показал, что для современных представлений, описанных в работах А.Н. Воинова, В.А. Звонова, Г.Н. Злотина, A.C. Соколика, Е.А. Федянова, W.A. Daniel, J В Heywood, S. Curry, характерна разработка различных математических моделей сгорания (двух зонных, многозонных и т.д.), а также разделение процесса на фазы:

первая фаза - начальная, отвечает формированию развитого фронта турбулентного пламени из начального очажка горения, возникшего около электродов свечи;

вторая фаза - основная, состоит в распространении турбулентного фронта пламени по большей части камеры сгорания, в результате чего сгорает основная масса рабочей смеси;

третья фаза - конечная, в ней происходит завершение сгорания и догорание в слоях, прилегающих к стенкам.

По данным известных исследований, сгорание в заключительной фазе подчиняется законам мелкомасштабной турбулентности и ламинарного горения, т.е. определяется в основном физико-химическими свойствами смеси. В этих условиях происходит выгорание смеси в местах, являющихся основными источниками углеводородов, что подчеркивает важность воздействия на физико-химические свойства смеси для снижения токсичности. Однако в доступной литературе не нашло отражения описание влияния на эмиссию СН скоростей сгорания и их изменений, связанных с физико-химическими свойствами смеси, что актуально в свете необходимости снижения токсичности воздействием на рабочий процесс.

Таким образом, обзор состояния вопроса позволяет определить направление и способ экспериментального исследования, а также основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе обосновывается выбор установки УИТ-85 в качестве экспериментальной модели реального транспортного ДВС, приводится описание экспериментальной установки (рис. 1), излагается методика проведения исследований, а также дается оценка погрешностей результатов проведенных измерений.

УИТ-85 представляет собой одноцилиндровый четырехтактный карбюраторный двигатель с изменяемой степенью сжатия, отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D = 1,35. Коленчатый вал приводится во вращение электромотором. Обороты поддерживаются постоянными на двух скоростных режимах: 600 и 900 об/мин. Особенности конструкции максимально уменьшают неоднородность состава смеси от цикла к циклу, что важно при изучении процесса сгорания В камере сгорания (рис. 2)

1 2 3 4 5 6 7 8

1 - баллон, 2 - газовый редуктор первой ступени, 3 - газовый редуктор второй ступени, 4 - манометр, 5 - газовый счетчик барабанный ГСБ • 400, б - система измерения ионного тока, 7 - установка УИТ-85,8 - газоанализатор

Рис 1 Схема экспериментальной установки

имеется штатное место для установки датчика для измерения детонации, что дает возможность замены этого датчика на другой без каких-либо изменений в конструкции цилиндра. Конструкция УИТ-85 позволяет достаточно точно контролировать режимные параметры работы ДВС и изменять их независимо друг от друга. Это позволяет определять влияние на процесс сгорания и токсичность ОГ отдельно того или иного фактора, т.е. установка позволяет воспроизводить режимы испытаний достаточно точно и может быть использована для изучения процесса сгорания.

В качестве ионизационного датчика, устанавливаемого вместо датчика детонации, была использована свеча зажигания типа СД-70-ЗБ, используемая на авиационных поршневых моторах. Выбор данной свечи зажигания обусловлен простотой и надежностью конструкции, стабильностью значений сопротивления изоляции в данном температурном режиме, что определяет достоверность полученных данных. Переходник

I

Рис 2 Схема КС УИТ-85

! - цилиндр, 2 - поршень,

3 свеча зажигания.

4 - датчик ионизации

для установки свечи на посадочное место датчика детонации образует открытую с торца цилиндрическую полость, в которой находятся электроды свечи (рис. 3). Фронт пламени в полости ионизационного датчика, соприкоснувшись с центральным электродом и касаясь боковых электродов или стенок полости, замыкает цепь датчика, т.е в цепи возникает ток, обусловленный электропроводностью пламени. Продолжительность существования тока определяется временем замыкания цепи, т.е временем от первого касания центрального электрода фронтом пламени, касающимся боковых электродов или стенок полости до погасания при соприкосновении со стенками. Сила тока в цепи датчика ионизации определяется по закону Ома: I = U/R, где U - падение напряжения на осциллографе, R - 1 МОм - сопротивление осциллографа.

Запись осциллограмм сигнала с датчика ионизации осуществлялась с помощью цифрового осциллографа АСК-3001. Блок-схема системы измерения ионного тока показана на рис. 4. Между электродами ионизационного датчика создается разность потенциалов с помощью источника постоянного тока ВИП - 010. На первый канал аналогового ввода осциллографа подается сигнал с электромагнитного датчика, установленного на проводе высокого напряжения свечи зажигания. В момент искрового разряда на этом датчике возникает импульс тока, который фиксируется осциллографом и используется для синхронизации развертки осциллограммы Т.е. сигнал с ионизационного датчика синхронизируется на экране осциллографа с оборотами двигателя, что позволяет определять его положение и продолжительность по углу поворота коленчатого вала.

Рис 3 Датчик ионизации в посадочном месте

Рис 4 Блок-схема системы регистрации тока на датчике ионизации 1 - катушка (зжигания, 2 - э/м датчик, 3 - свеча зажигания, 4 - датчик ионизации

Для определения концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах использовался газоанализатор EIR-2105 фирмы Yanaco (Япония).

Методика проведения испытаний заключалась в одновременной записи осциллограмм ионного тока и измерении концентрации СН в ОГ.

В соответствии с задачами, испытания проводились с четырьмя значениями степени сжатия е - 5, 6, 7, 8 на двух скоростных режимах п = 600 и 900 об/мин при изменениях физико-химических свойств смеси. Варьирование фактором физико-химических свойств смеси осуществлялось изменением состава смеси (а изменялось от 0.8 до предела бедного срыва) и ведением в TBC активизирующей добавки в малых количествах. В качестве добавки в TBC был использован водород в количестве не более 6% массы от общего расхода топлива. Массовая доля водорода в топливе определена как:

Н= GH: / (GH2 + Gß, где GH2 и Gf - массовые расходы соответственно водорода и бензина. Активизирующая горение добавка в данной работе использовалась как способ влияния на физико-химические характеристики TBC.

В третьей главе приводятся результаты измерений ионного тока и концентрации несгоревших углеводородов в ОГ при изменениях варьируемых факторов.

Характерный вид осциллограмм импульсов ионного тока представлен на рис. 5. Для 30 осциллограмм, записанных в отдельных циклах на одном режиме, производилось осреднение и оценка по трем характерным параметрам:

1) промежутку времени t от искрового разряда до возникновения импульса, т.е. достижения пламенем ионизационного датчика,

2) продолжительности т импульса тока, т.е. времени существования реакций горения в полости датчика,

3) амплитуде I импульса тока на осциллограмме.

Определено, что характер изменений тока (рис. 6) на датчике ионизации в КС УИТ-85 в зоне, наиболее удаленной от источника воспламенения, отражает влияние состава смеси, ко-

а

Рис 5

а) Характерный вид импульсов на датчике ионизации в серии последовательных циклов,

б) параметры оценки осредневного импульса

в

Рис 6 Изменение сигнала на ионизационном датчике в зависимости от состава смеси при работе со степенью сжатия 7 на разных скоростных режимах (п = 900 (а) и 600 (б) 1/мин) и с добавками водорода в TBC (в)

личества активизирующей добавки и начальной турбулентности заряда (скоростного режима) на характеристики процесса сгорания. В условиях данного эксперимента не выявлено влияние степени сжатия на величину отрезков времени t и т, на амплитуду сигнала выявлено незначительное влияние е. С увеличением степени сжатия уровень I несколько возрастает.

Скоростной режим, наоборот, практически не оказывает влияния на величину импульса ионного тока и на время его продолжительности т и

оказывает значительное влияние на отрезок времени t (рис. 6). При увеличении оборотов, t уменьшается, т е увеличивается средняя скорость пламени.

Установлен характер изменений тока на ионизационном датчике в зависимости от массовой доли водорода, добавляемого в TBC (рис 6(в)) Добавка водорода в изученных количествах приводит к изменению амплитуды, времени возникновения, и продолжительности импульса ионного тока. При а > 1.3 работа установки без добавок водорода не осуществлялась в связи с нестабильностью сгорания и пропусками зажигания. С добавкой Hi в TBC в количестве не более 6% (масс.) стабильная работа установки осуществлялась до значений а = 1.5.

Определено, что для всех значений степени сжатия и скоростного режима значения t, т, I имеют четкую зависимость от состава смеси, причем имеются экстремальные значения этих параметров в области а = 0.8 -0.9 (рис. 7). Одновременно оценено влияние варьируемых факторов на концентрацию СН в ОГ Определено превалирующее влияние состава смеси и добавок водорода.

Четвертая глава посвящена обобщению и анализу результатов экспериментальной части, изучению взаимосвязи концентрации СН в ОГ со средней скоростью распространения пламени в КС УИТ-85, средней скоростью распространения пламени в месте установки датчика ионизации, и величиной ионного тока и при изменениях турбулентности заряда и физико-химических свойств смеси, а также оценке возможностей практического применения результатов экспериментального исследования.

По результатам измерений отрезка времени t от искрового разряда до возникновения импульса ионного тока определено среднее значение V скорости пламени в КС УИТ-85 в период от воспламенения TBC до достижения пламенем наиболее удаленной зоны КС, где установлен ДИ, как-

V = D,

07 08 09

12 13 14 15

♦е=5 Ое=6 Ле=7 ХЕ=8

Рис 7 Зависимость амплитуды ионного тока от состава смеси

I

где D - диаметр цилиндра. Промежуток времени t включает

развитие начального очага пламени и распространение фронта турбулентного пламени по объему КС, поэтому принято определение V как средней скорости распространения в «основной» фазе сгорания.

Наличие тока в цепи ДИ обусловлено протеканием реакций горения в полости, 1де установлен датчик. Путь распространения фронта пламени в этой зоне КС неизвестен, поэтому для определения уровня скорости выгорания использован габаритный размер полости ДИ Средняя скорость пламени в полости датчика определена как' U = ^ , где 1=10 мм - высота

полости, где установлен ДИ (рис. 3) Т. к достижение пламенем ДИ соответствует выгоранию основной массы заряда, то значение U определено как средняя скорость пламени в «заключительной» фазе сгорания. Для анализа и обобщения результатов введены относительные значения величин средних скоростей пламени в «основной» и «заключительной» фазах сгорания и амплитуды сигнала на ионизационном датчике. За единичный уровень приняты значения V, U, I при работе на стехиометрической смеси.

Как показано в исследованиях, сгорание в «заключительной» фазе подчиняется законам мелкомасштабной турбулентности и ламинарного горения. Выгорание смеси в данных условиях в основном определяется значением Un нормальной скорости распространения пламени. Однако Un зависит от комплекса факторов (давление, температура, локальный состав смеси, балластирование) которые непрерывно изменяются в процессе сгорания в условиях ДВС. Известно, что ионизация во фронте углеводородного пламени имеет зависимость от состава смеси, сходную с зависимостью Un(a), причем при изменениях давления и температуры зависимость U„(a) не меняет своего характера. В связи с этим, нормальная скорость распространения пламени должна оказывать влияние на величину ионного тока в условиях ДВС. Действительно, определена корреляция экспериментальных значений величины ионного тока и известных значений U„ для бензи-но-воздушных смесей при изменении состава смеси. В относительных величинах эта взаимосвязь описывается уравнением:

/0 = 2.045 xUno-1.024, (1)

где /о, UhO - относительные значения соответственно ионного тока и нормальной скорости распространения пламени (за единицу приняты значения при а = 1).

Показана значительная сходимость изменений относительных значений амплитуды от состава смеси с данными известных исследований Г.С. Аравина по ионизации в условиях сферической бомбы и ДВС.

На основании вышесказанного, предположено, что величина ионного тока вблизи стенок КС позволяет оценивать изменения нормальной скорости пламени, т.е. условий сгорания вблизи пристенка при воздействии на физико-химические свойства TBC.

Оценено влияние на скорости распространения пламени и величину ионного тока физико-химических свойств смеси при изменениях а и введении добавки водорода в TBC Показано возрастание скоростей пламени

и амплитуды ионного тока при работе с добавками водорода в TBC в изученных количествах (рис. 8,9,10) С помощью метода наименьших квадратов (МНК) получены уравнения зависимостей характеристик сгорания от состава смеси и добавок водорода В относительных величинах данные уравнения представлены полиномами второго порядка:

1о(а,Н) = Ю.49хахН- 0 ЗЗха2- 1 42ха-5 15хН-60хН2 -2.62 (2) Uo(a,HJ = 45 07хах Н-3 17х а2 - 4 84х а- 35 24хН-245.5хН2 -0.66 (3) Vo(a,H) = 3 35хахН + 0 32ха2- 1.92ха-3 14хН- 5 42хН2 + 2 62 (4)

Ь^ТТТ;

0 01 О 02 О 03 О 04 О 05 О 06 Н

а = 0 8 ■ • а = 1.2 а = 1.4

•а = 1 -а = 1.3 а = 1 5

О 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06

н

♦ о = 0.8 а = 1

- -л— а = 1.2 —X—а = 1.3 О а = 1.4 а = 1.5

Рис 9 Зависимость средней скорости пламени в «основной» фазе в КС УИТ-85 от добавки водорода для разных составов смеси

Рис 8 Зависимость амплитуды сигнала на ионизационном датчике от добавки водорода для разных составов смеси

Адекватность полученных в работе математических моделей проверена с помощью критерия Фишера.

Проведено сравнение влияния добавок водорода, т.е. изменения физико-химических свойств смеси с помощью активизирующей добавки, и возрастания оборотов, т.е. увеличения уровня турбулентности заряда. Показано, что рост средней скорости пламени в «основной» фазе при добавке водорода в количестве Н = 0.03 сравним с ростом скорости при увеличении п с 600 до 900 об/мин, а при добавке 0.06 массовых долей водорода

превышает возрастание скорости при увеличении частоты вращения (рис.10).

Для уточнения оценки влияния добавок водорода на скорость сгорания в условиях ДВС введен специальный комплекс переменных:

К =ф[х1, (5)

где <р1 - продолжительность «основной» фазы сгорания, равна углу ПКВ от искрового разряда до возникновения импульса ионного тока, т.е. до достижения пламенем наиболее удаленной зоны КС Т.к. известно, что основная фаза сгорания характеризуется турбулентным сгоранием, то значение <р1 принято обратно пропорциональным скорости распространения турбулентного пламени в основной фазе:

1

Ч>1~ , (б)

СУ у

Амплитуда импульса ионного тока прямо пропорциональна скорости ламинарного горения (уравнение 1), значит, согласно (1,6):

и„

К-

ит

(7)

08 1 12 14 16 Коэффициент избытка воздуха

- Н = 0 00, п = 600 об/мин

..... Н = 0 03, п = 600 об/мин

—О" Н = О 06, п = 600 об/мин еее н = о оо, п = 900 об/мин

Рис 10 Зависимость средней скорости пламени в "основной" фазе сгорания oi состава смеси при добавке водорода в TBC и изменении скоростного режима

Т.е значения комплекса К пропорциональны отношению нормальной скорости пламени к скорости турбулентного пламени По данным известных исследований изменения физико-химических свойств TBC, связанные с изменением состава топлива, могут по разному влиять на скорости ламинарного и турбулентного горения, т.е. на протекание процесса сгорания в цилиндре ДВС в различных фазах. Таким образом, комплекс К может быть использован для выявления закономерностей влияния на скорости ламинарного и турбулентного пламени изменений физико-химических свойств смеси, связанных в введением добавок в TBC. Прове-

ден анализ изменений К при возрастании скорости пламени в «основной» фазе в результате добавки водорода в TBC при сохранении скоростного режима (п=600 1/мин). Показано, что при работе на богатой и стехиометрической смесях значения К уменьшаются, что говорит о большем росте турбулентной скорости пламени, нежели ламинарной. При работе на бедных смесях, наоборот - значения К увеличиваются, т.е. добавки водорода в бедную смесь оказывают более значительное влияние на скорость ламинарного горения (рис 11). Данное обстоятельство позволяет сделать

180

— -А — а = 1 2 К а = 1.3

О 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06

О а =1.4 ♦ а =1.5

♦

♦

а = 0 8 а = 1

Н

вывод об определяющем значении Рис „ зависимость к от массовой

физико-химических СВОЙСТВ TBC водорода для разных составов смеси для сгорания при работе двигателя на бедных смесях.

Комплекс К позволяет уточнить оценку влияния физико-химических свойств смеси на выделение несгоревших углеводородов двигателем, производимую с помощью значений скорости распространения пламени. Концентрация СН в ОГ имеет характерную зависимость от К во всем изученном диапазоне составов смеси и добавок водорода. Данная зависимость (рис. 12) определена в виде полинома-

Анализ этой зависимости показывает, что имеется значение К, соответствующее минимальной концентрации СН в ОГ, причем оно несколько уменьшается при добавках водорода в TBC- Km = 97 - 107 °ПКВ*мкА. Km отражает баланс влияния физико-химических свойств смеси на турбулентную и ламинарную скорости пламени, соответствующий минимуму концентрации СН в ОГ на данном режиме. Условия, соответствующие минимуму СН, определяются оптимальным соотношением толщины и плотности пристеночного слоя. Толщина пристенка, т.е. приближение фронта пламени к холодной стенке в условиях догорания в заключительной фазе сгорания, определяется нормальной скоростью распространения пламени

СН(К,Н)-7 9хНхК + 0 01 х К2 - 2 73хК + + 301 -573 73хН- 10340ХН2

(8)

Плотность пристеночных слоев определяется давлением и температурой смеси в момент замораживания. Давление и температура цикла для конкретной камеры сгорания и топлива с данными теплофизическими характеристиками, определяются скоростью сгорания в основной фазе, т.е. турбулентной скоростью пламени. Исходя из наличия экспериментально определенных значений, определены зависимости концентрации СН в ОГ от скорости пламени в «основной» и «заключительной» фазах и амплитуды импульса ионного тока при изменениях физико-химических свойств смеси. На рис. 13 представлена зависимость концентрации СН в ОГ от скорости пламени в «заключительной» фазе при изменениях U в результате добавок водорода в TBC разных составов. (Зависимости СН от V и I имеют аналогичный характер). Рост средних скоростей пламени, сопровождающийся ростом ионного тока, соответствует снижению СН в ОГ при работе на бедных смесях. Это объясняется интенсификацией реакций горения при добавке водорода, следовательно увеличением нормальной скорости распространения пламени. Возрастание U„ приводит к более полному выгоранию TBC в местах КС, являющихся основными источниками СН в ОГ. Для обобщения результатов определены зависимости СН от относительных значений скорости пламени и величины ионного тока при изменениях состава смеси (для а > 1) и количества добавляемого водорода:

CH(ImН) = 200.81 х /„" - 296 91 х 1„ - 15.46х10хН-- 917 75хН + 894 45хН2 + 25805 (9)

CH(UU,H) = 556 91 х и,,2-- 953 48х U„ 138 04xU„xH-

- 733 285хН-1415ХН2 + 579 56 (10)

CH(V,„H) ~ 683 42х V2- 1126x V„ + 309 66x V„x H-

- HOOxH - 1512xH2 + 630 555 (11)

x о

250

200

150

100

200

50 100 150 К, фал ПКВ'мкА Н = 0 Н = 001

н = ооз Кт = 97.

Н = О 05

Рис 12 Зависимость концентрации СН в Ol' от значений комплекса К при работе с добавками водорода в TBC ( Н - массовая доля расхода водорода в общем расходе топлива)

Данные зависимости (на рис. 14 представлено уравнение (9), остальные выглядят аналогично) характеризуются наличием минимума концентрации

СН при значениях относительных характеристик несколько меньше единицы Вид зависимости и значения характеристик, соответствующие минимуму СН, сохраняются примерно одинаковыми и при добавках водорода в TBC. Наличие в области бедных смесей значений амплитуды сигнала на ионизационном датчике и угла поворота коленчатого вала от зажигания до возникновения импульса ионного тока, соответствующих минимуму концентрации СН в ОГ, позволяет использовать эти параметры тока ионизации для нахождения регулировок двигателя, приближенных к условиям минимальной эмиссии углеводородов. Например, относительное значение амплитуды сигнала соответствующее минимальной концентрации СН в ОГ равно около 0.67. Возможно использование обобщенного параметра, например комплекса К, равного произведению значения угла ПКВ, соответствующего достижению пламенем ионизационного датчика и амплитуды сигнала на датчике. Зависимость концентрации СН в ОГ от данного параметра имеет минимум, единственный во всей области экспериментальных значений а, что позволяет использовать значения К для определения регулировок двигателя, соответствующих минимальному выделению несгоревших углеводородов на каждом режиме работы двигателя.

Таким образом, расширены представления о влиянии на концентрацию СН в ОГ бензинового ДВС изменений физико-химических свойств смеси;

о модели турбулентного сгорания в цилиндре поршневого ДВС с искровым зажиганием, т.е. об особенностях изменений скоростей сгорания, связанных с воздействием на физико-химические свойства смеси.

Обобщение результатов экспериментальных исследований в виде полиномиальных зависимостей позволяет определять: относительные значения ионного гока, скоростей пламени в «основной» и «заключительной» фазах сгорания в зависимости от физико-химических свойств смеси (уравнения 2 - 4);

12 14 5 6 и, м/с

а= 1 ♦ а = 1 1 - -й- а= 1.2

—к—а = 1.3 о а = 14—•—а = 1.5

Рис 13 Зависимость концентрации СН в ОГ от средней скорости пламени в полости датчика ионизации для разных составов смеси Значения скорости пламени изменялись при введении водорода в TBC

концентрацию несгоревших углеводородов в ОГ в зависимости от относительных значений скорости пламени и ионного тока (уравнения 9 - 11);

условия, при которых концентрация СН в ОГ будет минимальной

Предложенная эмпирическая модель зависимости концентрации СН в ОГ от скоростей распространения пламени и ионного тока позволяет осуществлять прогнозирование эмиссии и регулирование по минимальной концентрации СН с помощью относительных значений скорости пламени и ионного тока, характеризующего физико-химические свойства смеси.

Также были оценены возможности практического применения результатов экспериментального исследования. Определено, что в области близких к стехиометрическому (а = 0.9 - 1.2) составов смеси, на всех рассматриваемых режимах работы установки, т.е. при различных степенях сжатия и скоростных режимах, амплитуда сигнала на датчике ионизации практически линейно зависит от коэффициента избытка воздуха (рис. 5). При работе с добавками водорода в TBC, область линейной зависимости 1(а) несколько смещается в сторону более бедных составов смеси. Таким образом, при оснащении каждого цилиндра многоцилиндрового двигателя датчиками ионизации, появляется возможность определения стехиометрического состава смеси в каждом цилиндре, что является преимуществом перед одним датчиком кислорода (Х.-зондом), с помощью которого может быть определено только осреднен-ное для всех цилиндров значение а

Кроме того, наличие максимума зависимости амплитуды импульса ионного тока от состава смеси при а = 0.8 - 0.9, соответствующем мощно-стному составу смеси, позволит осуществлять адаптивное управление по экстремуму функции Такое регулирование может быть использовано для спортивных и специальных моторов.

Разработан способ применения информации с датчика ионизации для нахождения оптимальных регулировок двигателя по минимуму концентрации СН в ОГ.

1о

- н = о

...... Н=00! 1о(|шпСН) = 0.67

..... Н = 0.03

---- Н = 0.0S

Рис 14 Зависимость концентрации СН в ОГ от относительных значений амплитуды сигнала

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально показана взаимосвязь концентрации несгоревших углеводородов в отработавших i азах и средней скорости распространения пламени в КС, средней скорости пламени и величины ионного тока в локальной зоне КС

2 Величина ионного тока пламени в зоне, наиболее удаленной от свечи зажигания, линейно отражает скорость сгорания TBC в данной зоне

3. Небольшие добавки газообразного водорода в TBC приводят к значительному росту скорости пламени в основной и в заключительной фазах сгорания.

4. Специально введенный комплекс переменных К, равный произведению угла поворота коленчатого вала, соответствующего возникновению импульса ионного тока, и величины его амплитуды, отражает отношение нормальной и турбулентной скоростей пламени в условиях две.

5. Выявлено единственное в области бедных и богатых смесей значение К, соответствующее минимальной концентрации СН в ОГ. Т.е. определен баланс влияния физико-химических свойств смеси на скорости ламинарного и турбулентного горения, соответствующий наилучшему выгоранию углеводородов в зонах КС, являющихся основными источниками поступления несгоревших углеводородов в ОГ ДВС.

6. Эмпирические уравнения, полученные на базе экспериментальных данных, позволяют прогнозировать уровень концентрации СН в ОГ в зависимости от средней скорости пламени в КС, средней скорости пламени и ионного тока в локальной зоне КС

7. Найдены относительные значения скоростей пламени и величины ионного тока, соответствующие минимуму концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах.

8. Разработана методика контроля рабочего процесса и выделения СН двигателем с помощью измерения ионного тока

Основное содержание диссертации опубликовано в работах.

1. П.В. Ивашин, А.П. Шайкин Добавка водорода в ДВС с искровым зажиганием. Токсичность, экономичность / Межвузовский сборник научных трудов «Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона», Тольятти 1999, с. 82-84

2 П.В. Ивашин, В.В Семченок, А.П. Шайкин Влияние добавки водорода на токсичность и экономичность ДВС с искровым зажиганием / Инженер Технолог Рабочий №3, 2001, с.22-23

3. А П. Шайкин, П.В Ивашин, В В Семченок, М.М Русаков, П.М. Прусов Механизм снижения концентрации несгоревших углеводородов и

повышение эффективности при добавке водорода в топливно-воздушную смесь ДВС / Наука производству №9, 2001, с. 4-7

4. С.И. Будаев, П.В. Ивашин, А.П. Шайкин, О Возможных причинах снижения концентрации несгоревших углеводородов при добавке водорода в юпливно-воздушную смесь ДВС / Материалы научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» Волгоград, 2002, с. 136-140

5. А.П. Шайкин, В.Н. Гордеев, O.A. Ахремочкин, П.В. Ивашин, Э.Э. Маркаров Особенности сгорания и догорания топливно-воздушной смеси в поршневых ДВС / Материалы XXXIX Международной научно-техническая конференции ААИ «Приоритеты развития отечествен-ного автотракторостроения и подготовки научных кадров» МГТУ «МАМИ», Москва, 2002, с 61-64

6 O.A. Ахремочкин, В.Н. Гордеев, П.В. Ивашин, А П. Шайкин Управление коэффициентом избытка воздуха в ДВС с помощью тока ионизации / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» Тольятти, ТГУ, 2003, с. 158-160

7. Л.В. Ивашин, O.A. Ахремочкин, А.П. Шайкин, Ю.И. Цибизов Скорость сгорания в цилиндре поршневого ДВС и концентрация несгоревших углеводородов в отработавших газах / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» Тольятти, 2003, с. 167-172

8. Ивашин П.В., Коломиец П.В., Шайкин А.П., Строганов В.И. Электропроводность пламени, средняя скорость сгорания и концентрация несгоревших углеводородов в ОГ бензиновых двигателей / Автотракторное электрооборудование № 1-2,2004, с. 38 - 39

9. Будаев С.И., Ивашин П.В., Шайкин А.П. и др. Электропроводность пламени и скорость сгорания TBC в двигателе с искровым зажиганием / Автотракторное электрооборудование № 3, 2004, с. 42 - 44

10. Ивашин П.В., Прокопович ТА., Шайкин А.П., Строганов В.И. Электропроводность пламени и средняя скорость сгорания в заключительной фазе / Наука производству № 4, 2004, с. 5 - 7

OKOf—oe. oe

РНБ Русский фонд

2006-4 8954

А V \

н m ' 2004

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Физико-химические основы образования несгоревших углеводородов в цилиндре поршневых ДВС с искровым зажиганием.

1.2 Анализ методов снижения выделения несгоревших углеводородов бензиновыми двигателями.

1.2.1 Анализ применения систем нейтрализации отработавших газов.

1.2.2 Применение альтернативных топлив.

1.2.3 Воздействие на рабочий процесс.

1.3 Анализ известных представлений о процессе сгорания в цилиндре бензинового ДВС.

1.3.1 Анализ методов изучения процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС.

1.3.2 Применение явления ионизации в пламени углеводородных топлив для изучения процесса сгорания в условиях поршневого ДВС.

1.3.3 Применение методов моделирования для изучения процессов сгорания в условиях ДВС.

1.3.4 Анализ известных исследований процесса сгорания в цилиндре поршневого ДВС с искровым зажиганием.

1.4 Постановка задач исследования.

Глава 2. Экспериментальная установка. Планирование и методика проведения экспериментов.

2.1 Экспериментальная установка.

2.1.1 Обоснование выбора установки УИТ-85 в качестве экспериментальной модели реального транспортного ДВС.

2.1.2 Описание экспериментальной установки.

2.2 Планирование эксперимента.

2.2.1 Варьируемые факторы и диапазон их изменений.

2.2.2 Настройки и регулировки системы, определяющие изменение варьируемых факторов.

2.3 Методика проведения эксперимента.

2.4 Погрешности измерений, производимых при проведении эксперимента.

2.4.1 Погрешности определения коэффициента избытка воздуха а, массовой доли добавляемого водорода в топливе Н и концентрации СН в ОГ.

2.4.2 Погрешности измерения ионного тока.

2.5 Адекватность эмпирических математических моделей, полученных в работе.

Глава 3. Результаты испытаний и их анализ.

3.1 Измерения тока на датчике ионизации в камере сгорания УИТ-85.

3.2 Зависимость тока на ионизационном датчике от состава смеси.

3.2.1 Амплитуда импульса ионного тока в зависимости от состава смеси.

3.2.2 Время возникновения импульса тока на датчике ионизации и его Д продолжительность в зависимости от состава смеси.

3.3 Зависимость ионного тока от степени сжатия и скоростного режима

3.3.1 Зависимость амплитуды сигнала от степени сжатия для разных скоростных режимов.

3.3.2 Изменения времени возникновения сигнала на датчике ионизации и его продолжительности в зависимости от скоростного режима и степени сжатия.

3.4 Характер изменений тока на ионизационном датчике в зависимости от количества водорода, добавляемого в ТВС.

3.4.1 Зависимость амплитуды импульса ионного тока от количества водорода, добавляемого в ТВС разных составов

3.4.2 Время возникновения импульса ионного тока в зависимости от количества добавляемого водорода.

3.4.3 Продолжительность сигнала на датчике ионизации в зависимости от содержания в ТВС добавляемого водорода

3.5 Концентрация несгоревших углеводородов в отработавших газах при изменении варьируемых факторов.

3.5.1 Зависимость концентрации СН в ОГ от состава смеси.

3.5.2 Изменения концентрация СН в ОГ в зависимости от степени сжатия и скоростного режима.

3.5.3 Зависимость концентрации СН в ОГ от количества добавляемого в ТВС водорода.

3.6 Основные результаты измерений ионного тока в КС и концентрации СН в ОГ экспериментальной установки.

Глава 4. Обобщение, анализ и возможность практического применения результатов экспериментального исследования.

4.1 Параметры процесса сгорания в цилиндре ДВС, определяемые с помощью датчика ионизации.

4.1.1 Средняя скорость распространения пламени в цилиндре УИТи средняя скорость пламени в фазе догорания у стенок КС.

4.1.2 Амплитуда импульса тока на датчике ионизации в КС, как характеристика процесса сгорания

4.2 Влияние режимных параметров и физико-химических свойств ТВС на скорость распространения пламени.

4.2.1 Влияние скоростного режима.

4.2.2 Влияние степени сжатия.

4.2.3 Влияние состава смеси.

4.2.4 Влияние добавок водорода

4.3 Закономерности изменений концентрации несгоревших углеводородов в ОГ во взаимосвязи с величинами ионного тока и скоростей распространения пламени в КС.

4.3.1 Выделение интересующего диапазона составов смеси.

4.3.2 Взаимосвязь скоростей сгорания и тока ионизации пламени с концентрацией СН в ОГ при изменениях физико-химических свойств смеси.

4.4 Возможности практического применения результатов исследования.

4.4.1 Возможность использования датчика ионизации для определения состава смеси.

4.4.2 Применение информации с датчика ионизации для регулирования двигателя по минимуму концентрации СН в ОГ.

Снижение токсичности отработавших газов (ОГ) при улучшении топливной экономичности и сохранении мощностных показателей остается наиболее актуальной проблемой современного двигателестроения. Регулярное ужесточение законодательных требований к выделению автомобилями вредных веществ, особенно несгоревших углеводородов (СН), служит стимулом для постоянных исследований в этом направлении. Несгоревшие углеводороды обладают значительным токсичным действием, включая канцерогенное. Комплекс мер, направленных на снижение выделения СН, как продукта неполного сгорания, совместно с оксидами азота, весьма сложен. Кроме того, концентрация СН в ОГ характеризует условия и полноту сгорания заряда, т.е. является показателем совершенства рабочего процесса. Поэтому исследования процессов образования углеводородов в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) весьма актуальны.

В современном автомобилестроении существуют различные тенденции решения проблем экологической безопасности. Разрабатываются автомобили с электроприводом, однако в настоящее время электропривод, как силовой агрегат автомобиля, не заменит традиционный ДВС в силу недостаточного уровня потребительских качеств. Применение альтернативных топ-лив не решает полностью проблем токсичности автомобильных двигателей и сдерживается проблемами, связанными с инфраструктурой и дороговизной этих технологий. Широко распространенные системы каталитической нейтрализации ОГ с использованием благородных металлов являются дорогостоящими и снижают эффективность работы двигателя.

Наиболее эффективные и перспективные методы снижения токсичности ДВС заключаются в воздействии на рабочий процесс, т.е. непосредственно на причины образования токсичных веществ. Такие способы связаны с осуществлением рабочего процесса на бедных смесях при различных способах интенсификации сгорания и сохранении эффективности. Для совершенствования этих методов и изучения механизмов образования токсичных веществ необходимы исследования процесса сгорания в цилиндре ДВС. Недостаточная разработанность теории горения определяет необходимость экспериментальных исследований. Значительная сложность и дороговизна визуализации процесса сгорания в условиях ДВС с помощью кварцевых окон в камере сгорания (КС), методов лазерной диагностики и т.д. обуславливает интерес к использованию для изучения процесса сгорания явления ионизации в пламени углеводородных топлив. С помощью датчиков ионизации в КС возможно получение информации о контурах и скорости распространения пламени.

Скорость распространения пламени является фактором, влияющим на развитие начального очага горения при зажигании, общую протяженность процесса сгорания в цикле и на догорание вблизи холодных стенок КС. На значение скорости пламени оказывают влияние уровень турбулентности заряда и физико-химические свойства смеси. Т.е. скорость пламени является показателем условий сгорания (в т.ч. локальных), результирующим влияние турбулентности и физико-химических свойств топливно-воздушной смеси (ТВС). В то же время, условия горения топливно-воздушной смеси в различных зонах КС данной конструкции, определяют выделение несгоревших углеводородов двигателем. Химическая кинетика окисления углеводородов сложна и в полной мере не разработана, поэтому для дальнейшего совершенствования рабочего процесса необходимы экспериментальные исследования. Существующие представления о выделении СН двигателем получены на основе обширных экспериментальных исследований. Однако недостаточно изучено влияние скорости пламени, как показателя турбулентности заряда и физико-химических свойств ТВС. Вышесказанное определяет необходимость изучения зависимости концентрации СН в ОГ от скорости распространения пламени в КС.

Данная работа посвящена выявлению взаимосвязи скорости распространения пламени в цилиндре бензинового ДВС и выделения несгоревших углеводородов. Выбор данной токсичной составляющей ОГ обусловлен отсутствием развитых представлений о процессах окисления углеводородов в цилиндре ДВС, сложностью мер по снижению выделения СН двигателем в комплексе с другими токсичными составляющими и ужесточением законодательных норм на выделение СН автомобилями. Исследование имеет экспериментальный характер, целью его является снижение концентрации СН в ОГ бензиновых ДВС на основе исследования влияния физико-химических свойств смеси на процесс сгорания и разработка рекомендаций по контролю сжигания ТВС с использованием явления ионизации в пламени углеводородных топлив. Актуальность заключается в изучении влияния скорости распространения пламени в цилиндре ДВС на концентрацию несгоревших углеводородов в ОГ, нахождении оптимальных для снижения СН условий сгорания и разработке способов регулирования двигателя по минимальной эмиссии СН с помощью датчиков ионизации.

Кроме того, актуальность подтверждается тем, что работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ТГУ и программой по приоритетным направлениям науки и техники, утвержденными Министерством образования и науки РФ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, зав. кафедрой д.т.н. проф. А.П. Шайкину, д.т.н. проф. М.М. Русакову, к.т.н. доценту J1.H. Бортникову, старшему преподавателю Е.Д. Кальнею, а также всем сотрудникам кафедры «Тепловые двигатели».

Основные результаты работы могут быть представлены следующими выводами:

1. Экспериментально показана взаимосвязь концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах и средней скорости распространения пламени в КС, средней скорости пламени и величины ионного тока в локальной зоне КС.

2. Величина ионного тока пламени в зоне, наиболее удаленной от свечи зажигания, линейно отражает скорость сгорания ТВС в данной зоне.

3. Небольшие добавки газообразного водорода в ТВС приводят к значительному росту скорости пламени в основной и в заключительной фазах сгорания.

4. Специально введенный комплекс переменных К, равный произведению угла поворота коленчатого вала, соответствующего возникновению импульса ионного тока, и величины его амплитуды, отражает отношение нормальной и турбулентной скоростей пламени в условиях ДВС.

5. Выявлено единственное в области бедных и богатых смесей значение К, соответствующее минимальной концентрации СН в ОГ. Т.е. определен баланс влияния физико-химических свойств смеси на скорости ламинарного и турбулентного горения, соответствующий наилучшему выгоранию углеводородов в зонах КС, являющихся основными источниками поступления несгоревших углеводородов в ОГ ДВС.

6. Эмпирические уравнения, полученные на базе экспериментальных данных, позволяют прогнозировать уровень концентрации СН в ОГ в зависимости от средней скорости пламени в КС, средней скорости пламени и ионного тока в локальной зоне КС.

7. Найдены относительные значения скоростей пламени и величины ионного тока, соответствующие минимуму концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах.

8. Разработана методика контроля рабочего процесса и выделения СН двигателем с помощью измерения ионного тока.

1. А.Г. Рябухин, С.Н. Потоскуев и В.З. Гибадуллин "Двигатель внутреннего сгорания" А.С. СССР №1004663, 1983.

2. А.И. Мищенко. Применение водорода для автомобильных двигателей. Киев, Наукова думка, 1984.

3. Автомобильные двигатели. ДВС / Лурье В.А., Мангушев В.А., Маркова И.В., Черняк Б .Я. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1985, т.4 t 10. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. - М.: Металлургия, 1968.

4. Аравин Г.С. Ионизация пламенных газов в условиях бомбы и двигателя. Дис. ИХФ АН СССР, 1952.

5. Будаев С.И., Ивашин П.В., Шайкин А.П. и др. Электропроводность пламени и скорость сгорания ТВС в двигателе с искровым зажиганием / Автотракторное электрооборудование № 3, 2004, с. 42 — 44.

6. В.А. Винокуров, В.А. Каминский, В.А.Фрост, И.М. Колесников. Моделирование процессов горения в двигателях внутреннего сгорания / Химия и технология топлив и масел №6, 2000, с.26 -31.

7. В.А. Звонов, Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981.

8. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ, изд./ Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. М.: Химия, 1989.

9. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1972.

10. Воинов А.Н., Скороделов Д.И., Соколов Ф.П. Исследование воспламенения улеводородовоздушных смесей при адиабатическом сжатии / Кинетика и катализ, т.5, №3,1964.

11. Вопросы горения. Сборник переводных статей. М.:Металлургиздат, 1963.

12. Г. Месси, Е. Бархоп. Электронные и ионные столкновения. ИЛ. 1958.

13. Г.Н. Злотин и В.З. Гибадуллин "Двигатель внутреннего сгорания" А.С. СССР №1329273, 1987.

14. Г.Н. Злотин и В.З. Гибадуллин "Способ работы двигателя внутреннего сгорания" А.С. СССР №1625088, 1990.

15. Гайдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. -М.: Металлургиздат, 1959.

16. Гардинер У. мл., Диксон-Льюис Г. и др. Химия горения. Под ред. У. Гардинера, мл. / Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

17. Генкин К.И. Анализ и расчеты влияния сгорания на рабочий процесс в двигателе с искровым зажиганием / Поршневые ДВС: Труды конференции. М.: Издательство АН СССР, 1956 - с. 136 -159.

18. Генкин К.И., Хазанов З.С. «Исследование механизма сгорания в двигателе. в кн.: Горение и взрыв. Материалы третьего симпозиума по горению и взрыву. М., «Наука», 1972.

19. Гибадуллин В.В. Организация рабочего процесса ДВС с внешним смесеобразованием и локальной подачей микродобавок водорода в область межэлектродного зазора свечи зажигания. Диссертация канд. техн. наук, ВолгПИ, Волгоград, 1992.

20. Городской автобус MAN с водородным двигателем / Автомобильная промышленность США №12, 1996, с. 6 9.

21. ГОСТ 8.207 76 "Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения", в кн. Основополагающие стандарты в области метрологии. - М.: Изд-во Стандартов, 1986.

22. Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др. ДВС: Теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983.

23. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей. А.С. Орлин, Д.Н. Вырубов, В.И. Ивин и др. М.: Машиностроение, 1970.

24. Дмитриевский А.В., Шатров Е.В. Топливная экономичность бензиновых ДВС. М.: Машиностроение, 1985.

25. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1964.

26. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и продуктам их сгорания. — М.: Госэнергоиздат, 1962.

27. Жегалин О.И., Лукачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985.

28. Завадский Ю.В. Решение задач автомобильного транспорта методом имитационного моделирования. М.: Транспорт, 1977

29. Захаров Е.А. Рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием и локальными добавками углеводородных газов в область межэлектродного зазора. Автореферат дисс. канд. техн. наук, ВолгПИ, Волгоград, 1998.

30. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ, изд.: 4.1: Пер. с англ. / Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М. М.: Металлургия, 1988.

31. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.

32. Злотин Г.Н., Захаров Е.А., Шумский С.Н. Эксперименальное исследование влияния локальных подач пропана на развитие начального очага горения / ВолГТУ. Волгоград, 1998. - 15 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.03.98, №717-В98.

33. Ивашин П.В., Коломиец П.В., Шайкин А.П., Строганов В.И. Электропроводность пламени, средняя скорость сгорания и концентрация несгоревших углеводородов в ОГ бензиновых двигателей / Автотракторное электрооборудование № 1-2, 2004, с. 38 39.

34. Ивашин П.В., Прокопович Т.А., Шайкин А.П., Строганов В.И. Электропроводность пламени и средняя скорость сгорания в заключительной фазе / Наука производству № 4, 2004, с. 5 7.

35. Ивашин П.В., Семченок В.В., Шайкин А.П., Влияние добавки водорода на токсичность и экономичность ДВС с искровым зажиганием / Инженер Технолог Рабочий №3, 2001, с.22-23.

36. Ивашин П.В., Шайкин А.П. Добавка водорода в ДВС с искровым зажиганием. Токсичность, экономичность. Межвузовский сборник научных трудов «Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона», Тольятти 1999, с. 82-84.

37. Иноземцев Н.Н. Ионизация в ламинарных пламенах, в кн. "Стабилизация пламени и развитие процесса сгорания в турбулентном потоке" под ред. Горбунова Г.Н., Оборонгиз, 1961.

38. Инструкция по техническому обслуживаннию и эксплуатации серийного инфракрасного газоанализатора модели EIR 2000, EIR - 2105 Марки "Янако".

39. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива: Справ. Пособие. Л.: Недра, 1987.

40. К.А. Морозов Токсичность автомобильных двигателей. М.: Легион-Автодата, 2001.

41. Каменев В.Ф., Ефремов С.А. Способ управления двигателем, работающим на обедненных ТВС / Автомобильная промышленность № 34, 1995.

42. Колбенев ИЛ. Повышение энергоэкологических показателей автотракторных дизелей / Двигателестроение №12, 1987.

43. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: МАДИ(ТУ), 2000.

44. М.М. Русаков, А.П. Шайкин, В.Н. Пелипенко. Патент "Способ совершенствования процесса сгорания топлива в ДВС и система для его осуществления" №2167317 бюл. №14,2001 г.

45. М.М. Русаков, J1.H. Бортников, В.Н. Пелипенко и др. "Водород и токсичность ДВС". Международный научный семинар "Водородные технологии 21 века", С Петербург, 1997.

46. М.М. Русаков, О.А. Ахремочкин, В.Н. Пелипенко "Токсичность отработавших газов ДВС при добавке водорода". Материалы XI симпозиума по горению и взрыву "Химическая физика процессов горения и взрыва" т.1, ч.2, Черноголовка, 1996.

47. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента (в лабораториях общего физического практикума). Л.Г. Деденко, B.JI. Керженцев; Под ред. Проф. А.Н. Матвеева. М.: Изд-во Московского унта, 1977.

48. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени. Пер. с англ./ Ред. Н.А. Чигир. М.: Машиностроение, 1981.

49. Одноцилиндровая универсальная установка УИТ-85 для определения октановых чисел топлив. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

50. Основы горения углеводородных топлив. Пер. с англ. Под ред. JI.H. Хитрина и В.А. Попова. М.: ИЛ, 1960.

51. О.А. Ахремочкин, В.Н. Гордеев, П.В. Коломиец, П.П. Тофан. Определение средней турбулентной скорости сгорания в цилиндре ДВС.

52. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Технический ВУЗ наука, образование и производство в регионе» ч.2, Тольятти, 2001.

53. П.В. Ивашин, В.В. Семченок, А.П. Шайкин. Влияние добавки водорода на токсичность и экономичность ДВС с искровым зажиганием / Инженер Технолог Рабочий №3, 2001, с.22-23.

54. Покровский Г.П. Электроника в системах топлива автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1990.

55. Р.И. Мехтиев. Снижение концентрации СН в отработавших газах двигателей легкого топлива / Двигателестроение, №3, 1984, с. 4 6.

56. Результаты исследования рабочего процесса бензинового двигателя с повышенной степенью сжатия и обедненной смесью / Автомобилестроение Э-И- 1988 № 7.

57. Русаков М.М., Бортников JI.H., Шайкин А.П., Афанасьев А.Н. Водород и кафедра "Тепловые двигатели" ТГУ. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» Тольятти, 2003, с. 156-158.

58. Семенов Е.С., Соколик А.С. Исследование турбулентности в цилиндре поршневого двигателя. Известия АН СССР, 1958.

59. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра, 1988.

60. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. АН СССР, 1960.

61. Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. М.: Металлургия, 1968.

62. Структура пламени. Фристом P.M., Вестенберг А.А. и др. М., Металлургия, 1969.

63. Хзмалян Д.М. Теория горения и топочные устройства М.: Энергия, 1976.

64. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. Издательство Московского университета, 1957.

65. Шатров Е.В. Альтернативные топлива для двигателей / Автомобильная промышленность, 1982, №2.

66. Шумский С.Н. Форсирование начальной фазы сгорания в ДВС за счет воздействия на процесс искрового воспламенения топливовоздушных смесей. Автореферат дисс. канд. техн. наук, ВолгПИ, Волгоград, 1987.

67. Щелкин К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения. АН СССР, 1963.

68. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965.

69. Электрические измерения: Учеб. пособие для ВУЗов / В.Н. Малиновский, P.M. Демидова-Панферова, Ю.Н. Евланов и др., под ред. В.Н. Малиновского. М.: Энергоатомиздат, 1985.

70. Энгель А. Ионизованные газы. Физматгиз, 1959.

71. Agnew J.T. and Green К.A. Combust. Flame, 1970, 15, 189

72. Alik I.A., Senney L.L., Bull Т.Е., Future Automobile Fuel Economy: Technology and the Marketplace. SAE Tech. Pap. 830983, 1983.

73. Alternative Kraftstoffe, VW Dokumentation, Wolfsburg Deutschland, 1992.

74. Andersen R.W., Asik J.R. Ingitability in a fast burn, lean burn Engine. SAE Techn. Pap. Ser. 1983 № 830477.

75. Ather A. Quader, John E. Kirwan and M. James Grieve. Engine Performance and Emissions Near the Dilute Limit with Hydrogen Enrichment Using an OnBoard Reforming Strategy SAE Tech. Pap. 2003-01-1356.

76. B. Gatellier, J. Trapie, D. Herrier, J.M. Uelien, F. Galliot. Hydrocarbon Emissions of SI Engines as Influenced by Fuel Absorption-Desorption in Oil Films. SAE Paper, 902165, 1990.

77. Bergman H.K. A Highly Efficient Alcohol Vapour Aspirating Spark Ignition Engines: Neat Methanol. SAE Paper 902154,1990.

78. Calcotte H.F., King I.R. 5th Symposium (Int.) on Combustion, N.J., 1955, p. 423.

79. Carter, W. P. L., Atkinson, R. Computer Modelling Study of Incremental Hydrocarbon Reactivity, Environ. Sci. Technol., 23:864-880, 1989.

80. Clerk D. On the limits of Thermal Efficiency in Internal Combustion Motors. Proc. Instn. Civill Engrs. 1987. Vol 169.

81. Curry, S. A. Three-dimensional Study of flame Propagation in a Spark Ignition Engine. SAE Trans. 71, p. 628, 1963.

82. D.A. Hamrin and J.B. Heywood. Modelling of engine-out Hydrocarbon Emissions for Prototype Production Engines. SAE tech. pap. 950984, 1995.

83. Daniel W.A. Engine Variable Effects on Exhaust Hydrocarbon Combustion. -SAE Paper 680124, 1968.

84. Don Law, Dan Kemp, Jeff Allen, Gary Kirkpatrik and Ted Copland. Controlled Combustion in an IC-Engine with a Fully Variable Valve Train. SAE Paper 2000-01-0251,2001.

85. German Geoff J., Wood Carl G., Hess Clay C. Lean Combustion in Spark ignited Internal Combustion Engines Review. SAE Tech. Pap. Ser. - 1983 № 831217.

86. Hadjiconstantinou, N.G. and Hewood, J.B. A Model for Converting SI Engine Flame Arrival Signals into Flame Contours. SAE Paper 950813, 1995.

87. Harrington J.A., Shishu R.C. and Asik J.R. A Study of Ignition System Effects on Power, Emissions, Lean Misfire Limit, and EGR Tolerance of a Single Spark Ignition. SAE Techn. Pap. 1974 № 740188.

88. Jurgen Forster, Achim Gunter, Marcus Ketterer, Klaus Jurgen. Ion Current Sensing for Spark Ignition Engines. SAE Paper 1999-01-0204.

89. K. Kuwahara, K. Ueda, H. Ando, Mixing Control Strategy Engine Performance Improvement in a Gasoline Dir. Injection Engine. SAE 980158

90. Kaiser, E. W., Siegl, W. O., Anderson, R. W. Fuel Structure and the Nature of Engine-Out Emissions. SAE Paper 941960, 1994.

91. Kaiser, E., Adamczyk, A., and Lavoie, G. The Effect of Oil Layers on Hydrocarbon Emissions Generated During Closed Vessel Combustion, 18th International Symposium on Combustion, paper 188, 1980.

92. Lars Eriksson, Lars Nielsen and Mikael Glavenius. Closed Loop Cycle Ignition Control by Ion Current Interpretation. SAE Paper 970854, 1997.

93. Maren Thiele, Stefan Selle, Uwe Riedel, Jurgen Warnatz and Ulrich Maas. NUMERICAL SIMULATION OF SPARK IGNITION INCLUDING IONISATION. Proceedings о f the Combustion Institute, Volume 28, 2000 / pp.1177-1185.

94. Matsumoto Т., Watanabe N., Sugiura H., Ishikawa T. Development of fuel-cell hybrid vehicle / (1) SAE Tech. Paper 2002-01-0096.

95. Nicolae Apostolescu and Radu Chiriac. A Study of Combustion of Hydrogen-Enriched Gasoline in a Spark Ignition Engine. SAE 960603.

96. Nutt В., Dowd J., Holmes J. The Cost of Making Methanol Available to a National Market. SAE Paper 872063.

97. P. J. Anderson, Т. H. Ballinger. Improvements in Pd:Rh and Pt:Rh Three Way Catalysts, SAE 1999-01-0308.

98. Philip Jones, Jack S. Junday. Full Cycle Computational Fluid Dynamics Calculations in a Motored Four Valve Pent Roof Combustion Chamber and Compariso with Experiment. SAE Paper 950286, 1995.

99. R. J. Brisley, N. r. Collins, C. French, D. Morris, M. V. Twigg. Development of Advanced Platinum-Rhjodium Catalyst for Future Emissions Requirements. SAE 1999-01-3627.

100. R. Kemmler, A. Waltner, C. Schon and S. Godwin. Current Status and Prospects for Gasoline Engine Emission Control Technology Paving the Way for Minimal Emissions. SAE Tech. Pap. 2000-01-0856.

101. Raymond Reinmann, Andre Saitzkoff, and Fabian Mauss. Local Air-Fuel Ratio Measurements Using the Spark Plug as an Ionisation Sensor. SAE Paper 970856.

102. S.J. Carey , H. McCann, D.E. Winterbone and E. Clough. Near Infra-Red Absorption Tomography for Measurement of Chemical Species Distribution. 1st World Congress on Industrial Process Tomography, Buxton, Greater Manchester, April 14-17, 1999.

103. Sebastien E. Gay-Desharnais, Jean-Yves Routex, Mark Holtzapple, Mehrdad Ehsani. Investigation of hydrogen carriers for fuel-cell based transportation. SAE Tech. Paper 2002-01-0097.

104. Stephen C. Bates. Flame Imaging Studies of Cycle-by-Cycle Combustion Variation in a SI Four-Stroke Engine. SAE Paper 892086, 1989.

105. Stephen Russ, Gregory Peet, and William Stockhausen. Measurements of the Effect of In-Cylinder Motion on Flame Development and Cycle-to-Cycle Variations Using an ionisation Probe Head Gasket SAE Tech. Pap. 970507.

106. Swabowski, S.J., S. Hasekmy, et al, " Ford Hydrogen Engine Powered P 2000 Vehicle", Society of Automotive Engineers, 2002-01-2043.

107. T.S. Wilson, P.J. Bryanston-Cross, K.S. Chana, P. Dunkley, T.V. Jones, P. Hannah. High Bandwidth Heat Transfer and Optical Measurements in an Instrumented Spark Ignition Internal Combustion Engine. SAE 2002-01-0747.

108. Tabaczynski R.J., Heywood J.B. and Keck J.C. SAE Trans., 1972, 83, paper 72112.

109. Timothy Т. Maxwell, Jesse С. Jones: Alternative Fuels. Society of Automotive Engineers, USA 1995.

110. Timothy V. Johnson Gasoline Vehicle Emissions SAE 1999 In Review SAE Tech Pap 2000-01-0855.

111. U. Spicher. Optical Fibre Technique as a Tool to Improve Combustion Efficiency SAE paper, 902138, 1990.

112. W.K. Cheng, D. Hamrin, J.B. Heywood, S. Hochgreb, K. Min, M. Norris. An Overview of Hydrocarbon Emissions Mechanisms in Spark-Ignition Engines. SAE Paper, 932708,1993.

113. Weimar, H.J., Topfer, G., Spicher, U. Optical Investigations on a Mitsubishi GDI-Engine in the Driving Mode. SAE paper 990504, 1999.

114. Wentworth J.T. SAE Trans., 1972, 81, paper 720939.

115. Witze, P.O. Interpretation of a Head-Gasket Ionization-Probe Measurements Using a Two-Zone Spherical Flame Model. Proceedings of International Symposium COMODIA 94, p. 453-458, 1994.

116. Y. OHYAMA. ENGINE CONTROL USING COMBUSTION MODEL. International Journal of Automotive Technology, Vol. 2, No. 2, pp. 5-62, 2001.

117. Yutaka Ohashi, Mitsuru Koiwa, Koichi Okamura and Atsushi Ueda. The Application of Ionic Current Detection System for the Combustion Control. SAE Paper 1999-01-0550.

118. Zhao, X., Mattehews, R.D. And Ellzeny, J.L. Tree-Dimensional Numerical Simulation of Flame Propagation in Spark Ignition Engines. SAE Paper 932713, 1993.

119. Погрешность определения расхода водорода

120. Погрешность газового счетчика, т.е. ошибка определения контрольного объема водорода Vh, л:1. Vh := 1 Ags := 0.05

121. Коэффициент Стьюдента: Tan := 2.57

122. Объемный расход водорода (л/с): Gvh(V,t) := —t

123. Ошибка определения объемного расхода водорода:

124. Стандартное отклонение для случайной ошибки, зависящей от ошибки определения времени расхода:-Gvh(V,t)->— —Gvh(V,t) —» — S(V,t) := (*)dt t2 dV t

125. Случайная ошибка (л/с): As(V ,t) := Tan • S(V ,t)

126. Систематическая ошибка (л/с), зависящая от ошибки определения контрольного объема:t

127. Для конкретных значений контрольного объема времени расхода:1. As(Vh,th) = 3.836 х 101. Asi(th) = 5.376 х Ю-3

128. Итак, ошибка определения объемного расхода водорода (л/с):

129. AGvh(V ,t) := As(V ,t) + Asi(t)

130. На данном режиме: AGvh(Vh,th) = 9.212 x 10-3

131. В процентном соотношении относительная ошибка: 5Gvh(V ,t) :=100.AGvh(V,t) Gvh(V.t)

132. На данном режиме: 5Gvh(Vh,th) = 8.568

133. Массовый расход водорода: Gmh := Gvh • рн

134. Погрешность определения расхода бензина

135. Ошибка определения контрольного объема бензина, л: Avf := 0.0002 При контрольном объеме Vf = 10мл , это составляет 2%

136. Контрольный объем Vf, л Vf := 0.01

137. Значения времени (с) расхода контрольного объема бензина:1. Tf :=1. Л1-ВЛ31.431.531.6317 V31Vtf := mean(Tf) mean(Tf) = 31.6var(Tf) = 0.017 sf := Vvar(Tf)1. VI

138. Объемный расход бензина (л/с): Gvf (VI ,tl) := —j

139. Ошибка определения объемного расхода бензина: Случайная ошибка (л/с):1. Asf(Vl.tl) := Tan-VI tl2sf

140. Систематическая ошибка (л/с), зависящая от ошибки определения контрольного объема: Avf1. Asif(tl) := —— (***) tl

141. Итак, ошибка определения объемного расхода бензина (л/с): AGvf(VI ,tl) := Asf (VI ,tl) + Asif(tl)

142. На данном режиме: AGvf (Vf, tf) = 9.652 x 10"

143. В процентном соотношении относительная ошибка: f/vi ti\ Ю0 • AGvf(Vl ,tl)1. V Gvf (VI ,tl)

144. На данном режиме: 6Gvf(Vf,tf) = 3.05

145. Массовый расход бензина: Gmf := Gvf • pfpf- плотность бензина постоянна, поэтому ошибка определения массового расхода бензина равна ошибке определения объемного расхода.

146. Ошибка определения массовой доли водорода в топливе:

147. Плотность водорода (г/л) на данном режиме: ph := 0.0846 Плотность бензина (г/л): pf := 7571. Gvh • ph

148. Массовая доля водорода в топливе: H(Gvh, Gvf) :=dHf(Gvh, Gvf) := -Gvh--—--pf1. Gvh • ph + Gvf • pf1. Gvh • ph + Gvf • pf)'dHh(Gvh, Gvf) := 7-—-7 Gvh ph

149. Gvh ■ ph + Gvf • pf) (Qvh. ph + Gyf. pfy

150. AH(V ,t,VI ,tl) := /(dHf(Gvh(V ,t) ,Gvf(VI ,tl)) • AGvf(VI ,tl))2 + (dHh(Gvh(V ,t) ,Gvf (VI

151. Итак, ошибка определения массовой доли водорода в топливе: AH(Vh,th,Vf,tf) = 3.205 х 10"3

152. Ошибка определения коэффициента избытка воздуха а

153. Плотность воздуха для данных условий (г/л): ра := 1.0624

154. Объемный расход воздуха (л/с) в условиях впускного трубопровода: Gva := 2.9

155. Массовый расход воздуха: Ga(V ,t) := (Gva Gvh(V ,t)) • pa

156. Стехиометрические соотношения (масс.) If := 14.96 lh := 34.78для бензина и для водорода:1. Gva — Gvh) • pa

157. Коэффициент избытка воздуха a (Gvf, Gvh) :=определяется: Gvf • pf • If + Gvh • ph • lhdaf(Gvf ,Gvh) := -(Gva Gvh)--—--pf • If

158. Gvf • pf • If + Gvh ■ ph • lh)2dah(Gvf, Gvh) := -—-7 (Gva - Gvh) pa

159. Gvf • pf • If + Gvh • ph • lh) (Gvf . pf. lf + Gvh • ph • lh)2

160. Aa(V,t,Vl,tl) := V(daf(Gvf(Vl,tl),Gvh(V,t))-AGvf(Vl,tl))2 + (dah(Gvf(Vl,tl),GvhC Aa(Vh,th,Vf,tf) = 0.023

161. Таким образом, получены ошибки определения: Коэффициента избытка воздуха: Да = 0.023 массовой доли водорода в топливе: АН = 0.0032