Введение к работе
Актуальность теки. Повышение топливной экономичности ДВО и снижение токсичности их ОГ - вакаойшэ задача ДЕигчх'длестроення. Эффективным путем их решения является перевод ДВО на работу нэ обедненных топлввовоздтпнцх смесях, что требует дальнейшего сооэр-гаенствования рабочего процесса с цельы певншепия стабильности и сокращения продолжительеостч процесса сгорания.
Кэ менеэ ваанэя задача - поиск для ДЗС альтернативних топлиз, способных заменить традиционные углеводорода» топлива. Наиболее перспективны»! является водород. Однако использование его в виде осв&вього топлива сдергивается рядом технических проблем, главная из кстопчх - сложность греченая на борту автомобиля достаточного количества водорода. Поэтому на настоящем этане наиболее рациональным путем считзотся применение водорода з виде добазок к углеводородному топливу, что позволяет раеппркть продели эффекткъього обеднения смеси и сократить расход бензина. Однако известкно способы подачи добавок водорода в цилиндр ДВС не являются оптимальними и также требуют наличия значительного его количества на борту автомобиля. Поэтому поиск новых методов введения добавок водорода, позволяющих свести к минимуму его расход при обеспечении возможности эффективного странна обедненных бензовоздупных смесей, является актуальной проблемой.
Цель работа. Разработка и исследование рабочего процесса бензинового ДЕС с локальной подачей микродобавок водорода в область электродов соочи зажигания в кокцо такта сжатия, обеспочкзаицего работу ЛВС нэ обедненной топдиБозоздушнсй смеси.
Методы исследования. Теоретическое исследование процесса воспламенения топлиЕовоздушюй емалі при локальной дсээЕке водорода в зону электродов свечи закипания осуществлялось на базе разработанной математической модели с использованием 3BJd ЕС-1061. Экспериментальное изучение процесса воспламенения проводилось на модельной установке, а доводка разрабатываемого рабочего процесса и его исследование - на двигателяг различных типов в условиях стендовых испытаний.
Объект исследования. Одаоцилкндрсвзя двигатель ВАЗ и роторно-першневой двигатель ВАЗ-311.
Научная новизна, разработана и реализована на ЭШ математвчо-ская модель процесса искрового ес олламоаения тошадаовоздугшой ска-
си, обогащенной водородом вблизи электродов свэчи зазигашя, позволившая вперше рассмотреть процесс поджигания электрической искрой смеси тяжелого к легкого топлив, распределенной неравномерно в зоне электродов свечи. Расчетами по модели в рамках тепловой те-.ории ламинарного пламени вскрыт механизм воздействия добавок водорода на процесс воспламенения углэведородовоздуяшой смэси электрической искрой. Разработана и опробована па безмоторной установке методика измерения цикловых подач мнкропорций газа, дозируемых йлеглроышчштшш клапаном. Разработан и реализован рабочий, процеси бензинового ДВС с локальной добавкой водорода в мзйздектродный зазор свечи закигания, позволяющий обеспечить работу двигателя ка обедненной смеси во «сем диапазоне частичных нагрузок, созданы основы теории таких процессов. Установлена область нагрузочных posoj-мов, в котор^ применение микродобавок водорода позволяем достичь позыаения топливной экономичности. Определена величина получазко-го при атом &ф|окта и закон изменения по нагрузке необходимой величины подачи водорода.
Практическая ценность. На базе серийно выпускаемых узлов разработано к изготовлено устройство для осуществления подачи микродобавок водорода в межэлектродный зазор свэчи еакигагош. Разрзбо-тана и изготовлена двускакальная цифровая электронная система, позволяющая в условиях стендових испытаний ДВС осуществлять нззави-' симо8 управление углом оперевения зажигания и электромагнитной форсункой, В условиях ЛЕС реализован рабочий процесс с подачей микродобавок водорода в зону электродов свечи зажигания. Экспериментальным путем определены необходимые для его осуществления регулировки системы подачи, водорода, а также систем питания и зажигания. Установлена возмоаность сокращения расхода топлива в области средних и малых нагрузок и холостого хода на величину до 33 8.
Практическая реализация. Материалы исследований разработанного рабочего процесса, а такьэ программа расчета на ЭВМ процесса искрового воспламенения передана в ІїТЦ Вольского автомобильного завода.
Апробация работы. Основано полокении работы докладывались и обсувдапась на научных конференциях ВолгШ (1983, 1589, 1992), научной конференции ЫАДИ (1989), Всесоюзных научно-технических семинарах "Проблемы ахокомичности и эксплуатации ДЗС в АШС СССР" (Саратов, 1989), "Рабочий процесс, тел«ообыон в ДВС и теплонапрякзн-ность их деталей" (Ленинград, 1991)а Всесоюзных научно-технических конференциях "Альтернативные топлива в двигателях внутреннего его-
рання" (Киров, 1983), "Водород и экология автомобильного транспорта" (Москва, 1991).
Публикация. По материалам исследований опубликовано 4 научше работы, получено 3 авторских свидетельства на изобретения и 2 решения на выдачу патентов.
Объем диссертации. Диссертация состоят из введения, пятя
глав, общих выеодов, списка литература и приюаониЯ. Общий объем
рзботы - 206 стр., в том числе 143 страшиш основного текста и 63
страницы иллюстраций. Список литература составляет 136 наименова
ний, в том числе 79 на иностранном языке. ;
В первой главе проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвящопкых исследованию причин возникновения мэнцикло-кой нестабильности процесса сгорания при обеднении смеси и способов повышения воспроизводимости последовательных циклов. Работы в этом направленій проводили многие отечественные и зарубежные исследователи (К.И.Генкин, В.К.Кошкин, В.П.Карпов, Б.Я.Черняк, A.Do-uaud, H.Muller, S.Petrovie и др.). Несмотря на шогообразие факторов, являющихся причиной нестабильности, большинство авторов сходятся во мнении о том, что различие в протекании процесса сгорания зарождается в начальной его фазе. В этот период формирующийся очаг пламени имеет малые размеры, и любые локальные флуктуации параметров среда могут способствовать замедлении ого развития й даже гашению. Именно ноидєнтїгпюсть» процесса развития очагэ, занимающего значительную часть общей продолютэлыюсти процесса сгорания, обусловлена межцикловая кэстабильность сгорания в целом, а любые ме-, рц, направленные как на повышение стабильности процесса воспламенения, так и на сокращение его продоллштельности, должны способствовать улучшению работа ДВС.
Из известных способов воздействия на начальную фазу сгорания наибольший интерес представляет добавка водорода в оензовоздушую смесь (работы в этом направлении проводили И.Л.Варшавский, А.И.Ми-ценко, E.Sher и др.). Интерес этот обусловлен высокой эффективностью такого воздействия, а тгкзэ тем, что использование добавок водорода является промекуточннм этапом при горевде ДВС на водород как наиболее перспективное топливо. Стшчается, что ввиду отсутствия компактных бортовых систем хранения водорода необходимо сокращение его расхода при сохранении эйэкта от ого применения. На
основании проведонного анализа сделан вывод о том, что етому мокет способствовать- оозданио рабочего процесса с подачей микродобавок водорода е зону электродов свочи оааигашш в конце такта сжатия.
Ьо второй главе сгысквается разработанная двухзонная математическая шдзль процесса искрового воспламенения топливовоздушой смэси. К первой зоно относится смесь, содержащаяся в канале пробоя, ко второй - вся остальная смесь расчетной области. В первой зоне подвод энергии осуществляется от источника зажигания, а отвод - в электрода свечи и во вторую зону. Подвол энергии во второй золе осуществляется как в результате горения, так и из первой зоны, а тешюотвод в электроды отсутствует. Реагирующая смесь в люоой точке расчетной'области состоит из следующих компонентов: угловодород, водород, воздух и продукты сгорания (С02, СО, HgO, IL, 0„, К). При этом смесь может быть балластирована заданным ко-лгісством остаточних газов, о вблизи элоктродов сзечи - дополнительно обогащена водородом. Поелоднее обстоятельство, а также учет сущестьошого различия коэффициентов диффузии углеводорода, водо-родэ к кислорода являются главными отличителъкчг..: ообонзюстями предложенной постановки задачи. Процесс развития очага нламени рассматривается после нрэхиздения ударной волны от емкостной фаза разряда, когда давлэни-э в расчетной области выравнивается. Результатом действия емкостной фазы является наличие горячего очага с прямоугольным температурном профилем.
Основными уравнениями моделі: кв.-;пются:
- уравне.ле неразрывности
0р 1 б ,
— + -р — (и-р-г2) --- О ; (1)
ді г2 Зг
- уравнения сохранения каждого их композитов смеси
W.
- ; (2)
дт рг2 дс[к дг ,
- уравнение энергии
— + v
дг) с„ hi. к Эг дг
д% дг pi^Cpdr. „, „ркя1 1
+ (q<+qr-q ) . (3)
Для расчета скоростей расходования каждого из горючих компо-
нентов смэси используются брутто-уравнения аррениусовского -шла. Скорость расходования кислорода рассчитывается с учетом текущих массовых долей компонентов и мгновенного локального состава смеси. Исходная топливовоздушная смось в результате реакцій горения сразу превращается в конечные продукты сгорания, состав которнх полагается равновесным. Еыдалешш теплоты при гороіши рассчитывается с учетом потерь на диссоциацию к хішг-юскоо кедогоранио. Полагается, что отвод теплоты в электрода осуществляется конвекцией. Предусмотрена возыокность вариации закона энерговыделекия в канале про-' боя. Дг_ч учета ускорения процессов тепло- и массопереноса в результате действия турбулентности коэффициенты диффузии коьлонентов' и коэффициент температуропроводности смеси полагаются переменными по радиусу и изменяются от величин, характеризующих молекулярные процесса, до значений турбулентных коэффициентов при увеличении координаты расчетной точки соответственно от нуля до интегрального масштаба турбулентности. Решение уравнений (1)-(3) осукествляется в лаграішевих м&ссовых координатах методом прогонки, обеспечивающим необходимую точность и устойчивость решения при невысоких затратах машинного времени. Адекватность модели подтверждается тем, что она с высокой точностью воспроизводит зависимости нормальной скорости сгорания и адиабатичоской температуры пламени от давления, температуры и состава смэси, а такг:о количества в ней остаточных газов как для бензина, так и для водорода.
В третьей глава приводятся результаты исследований процесса искрового воспламенения топливоЕоздушной смеси, проведенных с использованием разработанной и описанной во второй главе математической модели. Анализ полученной расчетным путем структуры ламинарного пламени бензоводородовоздушной смоси показывает, что водород, как наиболее подвизгг,;.': компонент, легко даффундирует из све-аей смеси во фронт пламени и активно вступает в реакцию с кислородом yse в зоне прогрева при достаточно низких температурах. В результате к зоне максимального тепловыделения доля водорода в смеси значительно снижается, а его вклад в тепловыделение, дакз с учетом, его более выиокой теплоты сгорания, не гхш'ет рассматриваться как решающий. Главное воздействие добавок водорода заключается в бистром разогрево смеси теплотой, выделяющейся при ого окисления в зоне прогрева, и форсировании за счет чтого реакций окисления углеводородное топливз. В результате ширина зоны прогрева уменьшается, а интенсивность тепловыделения в сонэ горояия возрастает, причем этот эффект прогрессивно увеличивается с ростом доли водо-
рола в бензоводородаой смеси.
Активирующее действие добавок водорода на пламя бензовоздуп ной смеси наиболее ощутимо при достижении фронтом пламени критв веского радиуса, когда скорость выделения теплоты в результате гс репзя и скорость во отеодэ из фронта пламени в свехую смесь вырав юшаются, а скорость роста размера очага проходит через минимум На етон эташ водород, интенсифицируя тепловыделение при горении способствует смещений энергетического баланса очага в сторону по ложительных значений, устранэншэ характерного для углеводородны топлив "провала" скорости пламени и ускор&шш выхода на стационар ннй роким горения. При втом резко снижается потребная энергия ис крового разряда.
Как показали расчеты, при воспламенении искровым райрадо первоначально происходит быстрое объемное расширение очага, а за тем энергия кскро»ого разряда, способствующая активизации горени во фронте влакеди, передается в зону химических реакций теплопро водностью через слой сгоревшей смеси. Прз удалении фронта пламен от канала пробоя эта энергетическая поддержка становится все болеї слабой, поэтому увеличение длительности разряда уже практически ні повышает воспламеняющей способности искры. Е отличие от применения форсированного разряда, при Еводеюш в смесь добавок водород; активирувдзе воздействие на фронт пламени происходит при любом ег< удаления ої канала пробоя, что определяет неоспоримое преимущестш такого способа ускорения развития очага. Это особенно важно прз воспламенении бедных смесей и смесей, балластированных остаточным газами, которые характеризуются пониженными скоростями протекаию химических реакцій. В результате активизации горения водородом і таких смесях создаются предпосылки успешного увеличения радиусг очага до размеров, прэвшавдгх критический радиус, и расширенш продолов обеднения вплоть до пределов распространения пламони і закигаемой бзнзовоздушяои смесь -заданного состава.
Теоретический анализ показал, что добавка водорода в зо*ц электродов свечи позволяет успешно подаигать и турбулизированные смеси, характеризующиеся повышенными скоростями тепло- и массопе-ранося, т.к. высокая скорость выделения теплоты вэ фронте пламони превышает скорость турбуленгаого теплоотвода в свежую смесь. Это способствует быстрому развитию очага до размеров, превышающих интегральный масштаб турбулентности, и ускорению выхода горения на турбулентный регим.
Четвертая глава посвящена списанию аппаратуры для подачи мик-
родоз газсобразЕого водорода в зону электродов сзэчи зз&пганнл в конце такта скатил. С целья обеспечения такой Bosvosnocra бала разработана и изготовлена специальная свеча закигания \рис.1) с подводящим каналом в корпусе.
В качестве дозирулцего органа использована электромагнитная форсунка Bosch. Предварительно на безмоторной установке били исследованы ее характеристики. Установлено, что стабильное дотирование водорода обеспечивается при длительности управляйте го электрического импульса іол>1 кс. При этом в диапазона і =1...1,3 мс объс;.: цикловой подачи нэ превнаает 300 мл3. Определены расходные характеристики форсунки при различных давлениях rasa и напряхениях источника питания. Установлено, что мзкск/альиоз рабочее давление водорода при отсутствии утечек газа чер^з клапан форсунки составляет 1,і tffla. Разработан узел крепления форсунки (рисі). Для защити ее клапана от воздействия високих давлений и теїїіератур предусмотрена возможность установки в канале,' соединяющем сопло форсунки с камерой сгорания, обратного клапана, препятствующего прорыву в нее газов под высоким давлением.
Для управления электромагнитной форсункой и согласования мо-мента подачи водорода с моментом искрообразовалия разработана и изготовлена электронная система, позволяющая в усгоЕиях стендовых испытаний независимо друг от друга изменять в гшреких пределах угол опережения зажигания, продолжительность и угол начал? подачи водорода и подбирать оптимальное их сочетание для каздого рекзма работы ДВС.
Приводится описание объектов исследования, экспериментальной установки и основной аппаратуры, а таккэ методики проведения экспериментов.
В пятой главе приведены результаты экспериментально! иссле-доваїшя разрабатываемого рабочеі'О процесса. Предварительна,; сценка эффективности исследуемого способа воспламенения была нроводона в опытах по воспламенению гексан"-воздушной смеси в бомбо постоянного объема с использованием разработанной аппаратуры. Эксперименты показали, что при подаче в облпеть электродов свечи около 2 % водорода от масса гекоана продел обеднения мокот бнть увеличен с а=1,32 до а=2.2.
Результат» экспериментов, проведенных на одноцшвшдровом двигателе ВАЗ (S/D=71/76, e=S,15), показывают, что воздействие добавок водорода на эффективные показатели двигателя начинает сказываться при сродних нагрузках {рв'0,4 Ша) и по меро снижения на-
грузки усиливается. Изменение показателей ЛВС заключается в одновременном расширении пределов элективного обеднения смеси и уменьшении удельного эффективного расхода топлива, причем по мере обеднения смеси сокращение ge возрастает (рис.3). Результаты инда-цировэшш показали, что главной причиной улучшения показателей ДВС являетсл сущэственнсэ сокращение количестр.а пропусков зажигания. Так, на режиме глубокого дросселирования (ре=0,065 Ш1а) при работе на пределе эффективного обеднения добавки водорода поззоляот почти в три раза уменьшить число пропусков зажигания при одновременном обеднении смеси до а=1,33 (в отсутствие добавок водорода продел обеднения на этом режиме составлял а=0,98). При глубоком дросселировании экономичность повышается даке при работе на богатых смесях (рис.3,а). Это объясняется тем, что при работе на малых нагрузках с a^const добавка водорода позволяет за счет более эффективного воспламенения смеси обеспечить работу двигателя при меньшем открытии дроссельной заслонки. В результате на поддержание того же крутящего момента при нзизменном а расходуется меньшее количество смеси, что и является причиной сокращения gg.
Анализ нагрузочной характеристики оптимального регулирования (рис.4) показивает, что. в отличие от традиционного рзбочего процесса бензинового ЛВС, требующего обогащения смеси при уменьшении нагрузки, разрабатываемый процесс позволяет во всем диапазоне нагрузок, вплоть до холостого хода, работать на обздненной топлгло-' воздушной емзея (за исключением кещностшх режимов). При этом на холостом ходу предел аффективного обеднения смеси достигает а=1,4. Это позволяет применить элементы качественного регулирования мощности.
Количество водорода, необходимого для ос>щ6стблзш»я исследуемого процесса, чрезвычайно мало: от 1 до 6,5 гргммов в час на один цилиндр в зависимости от нагрузки, что составляет от 0,1 до 1,5 по массе от расхода бензина. Необходимость столь малого количества водорода создает предпосылки для отказа от громоздких водородных резервуаров на борту автомобиля и использования компактной системы получения водорода в непосредственной близости от двигателя, например, электролизом воды.
При работе с добавками водорода была установлена качественно
ИНаЯ, ЧЄМ ПСИ рэбОТе На беЕЗИНе, ЗаВИСИМОСТЬ КруТЯЩеГО Mv.eOHTa от
угла опережения зажигания. На кавдом режиме имеется область углов опережения зажигания, где изменен-» <р3 на 15...20ІЖВ в ту или иную сторону не приводит к ощутимым изменениям крутящего момента.
Это является результатом повышения стабильности воспламенения, что позволяет увеличивать усол опережения зажигания, приближая его к термодинамически оптгмальному.
Ваяпую роль играет момент годачи водорода. Установлено, что наибольший эффект может быть получен, когда угол опережения запитання устанавливается на 10...12ПКВ позне, чем угол подати на форсунку электрического импульса, а водород поступает в мекэлек-троддай зазор непосредственно перед чскровим разрядом или во время него.
Эксперименты показали, что при псдаче добавок водорода пени-, кается чувствительность ДВС к параметрам искрового разряда. При работе с добавками водорода на проделе эффективного обеднения, даже несмотря на значительное обеднение смеси (а=1,33), для надписного воспламенения счес?, достаточно разряда с параметрами 1=50 мА, т=1 мс. Дальнейшее увеличение как силы тока, так и длительности разряда не сопровождается улучшением показателей ДВС.
Экспоряменты, проведенные на РІЩВАЗ-311 (є-9,5, приведенный Vh=1,3 л), подтвердили справедливость результатов, пелученяых на поршнезом ДВС, однако величина полученного зфїшста при зтом сказалась несколько меньше. 1ак, на режиме ро=0,19 МПа и холостом ходу поЕнаекие топливной экономичности составило соотвзтстзенно \В % V. 5 Ж (на поршнбвом ллаагеле - соответственно 33 % к О Я). 'Гакое различие объясняется спецификой рабочего процесса ЛЩ п конструкции его камеры сгорания.