Введение к работе
Актуальность исследования. Ресурсы продуктов переработки горючих ископаемых (нефть, природный газ, уголь и пр.), используемых в ДВС в качестве топлив, весьма ограничены. Побочным негативным фактором эксплуатации ДВС являются выбросы вредных веществ. К особо опасным относятся содержащиеся в отработавших газах (ОГ) оксиды азота (NOx) и дисперсные частицы (сажа). Рабочий процесс в поршневых ДВС при самовоспламенении гомогенной смеси от сжатия (HCCI процесс) совмещает высокую топливную экономичность, высокий КПД порядка величины или даже выше дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива и предельно низкие концентрации сажи и NOx в ОГ.
В тоже время HCCI процессу свойственны сложности его организации и от их успешного разрешения зависит, получат ли двигатели этого типа распространение на потребительском рынке. Необходимо в широком диапазоне эксплуатационных режимов управлять моментом начала самовоспламенения (МНС) смеси, который существенно влияет на КПД цикла и вредные выбросы. В HCCI ДВС не используются принудительное искровое зажигание топ-ливно-воздушной смеси (ТВС), способное обеспечивать оптимальный угол воспламенения в град. ПКВ, а также регулирование угла опережения впрыска топлива, свойственное дизелю. Склонность к неустойчивой работе HCCI двигателя есть результат его высокой чувствительности к начальным условиям:, температуре смеси на впуске, химическому составу приготавливаемого топлива и др. Устойчивая работа достигается в относительно узком рабочем диапазоне, ограниченном трудностями получения регулярного воспламенения при малых нагрузках на бедных или разбавленных смесях, а также контроля процесса тепловыделения на больших нагрузках влияющего на динамические нагрузки КШМ и уровень шума. Преодолению последних способствует управление химико-кинетическими (ХК) процессами горения.
Работа посвящена расчетно-теоретическим методам анализа HCCI процесса в ДВС, использующим ХК механизмы горения различных топлив, исследованию влияния различных факторов на характеристики процесса, что позволяет целенаправленно совершенствовать нетрадиционный рабочий процесс, улучшая топливную экономичность и снижая токсичность ОГ.
Целью исследования является определение особенностей организации и методов управления HCCI процессом для различных топлив.
При этом необходимо было решить следующие задачи.
-
Разработать математическую модель и программу расчета на ПЭВМ рабочего процесса HCCI двигателя, учитывающую химическую кинетику для случаев одной и нескольких зон.
-
Используя однозонную модель HCCI процесса и ХК механизм GRI-Mech 3, провести параметрический анализ влияния конструкционных и режимных параметров (степени сжатия є, начальной температуры Тт, коэффициента избытка воздуха а) на характеристики рабочего процесса для пропана в качестве топлива.
-
Оценить, с использованием к-є модели, газодинамической состояние сме-
си пропана с воздухом и распределение температуры по камере сгорания (КС) ДВС типа VW TDI на момент, предшествующий самовоспламенению для разных частот вращения коленчатого вала п с учетом тепломассообмена и турбулентности. Использовать полученные данные в многозонной модели HCCI процесса как начальные.
-
Провести идентификацию расчетной однозонной и многозонной моделей HCCI процесса по результатам обработки экспериментальных данных дизеля VW TDI, работающего на пропане, используя ХК механизм окисления природного газа.
-
Исследовать влияние изменения состава биогаза на МНС, выбросы NOx и другие показатели одноцилиндровой ЯСС/-установки, используя одно-зонную модель с ХК механизмом окисления природного газа.
-
Рассмотреть влияние присадки диметилэфира (ДМЭ) к природному газу (ПГ) на горение в одноцилиндровой ЯСС/-установке при помощи формальной и ХК моделей.
-
Определить период задержки самовоспламенения (ПЗС) и основные стадии воспламенения смеси ДМЭ/ПГ для одноцилиндрового HCCI ДВС.
-
Выявить зависимость ПЗС, экономичности и экологических показателей HCCI процесса для смеси ДМЭ/ПГ от коэффициента избытка воздуха а, начальной температуры и процентного содержания ДМЭ при помощи многопараметрического анализа.
Объект исследования. В работе использовались математические модели HCCI процесса и анализировались экспериментальные данные, полученные на одноцилиндровом двигателе 8,25/11,4, конвертированном для работы по HCCI процессу. Также, в основу численных экспериментов положены конструкционные особенности 4-тактного 4-цилиндрового двигателя VW TDI 79,5/95,5. В работе исследовались влияние на HCCI режим различных топлив: пропана, метана, ДМЭ, биогаза и их комбинаций.
Научная новизна работы:
с использованием алгоритмов ХК определены зависимости величин выбросов NOx, индикаторного КПД и др. показателей HCCI ДВС от температуры окружающей среды, степени сжатия, состава топливно-воздушной смеси и цетанового числа для пропана, биогаза, ДМЭ, ПГ;
исследовано влияние частоты вращения п на состояние смеси в фазе, предшествующей началу HCCI горения, при использовании газодинамической к-е модели;
в допущениях многозонной ХК модели определены концентрации NOx и индикаторная диаграмма HCCI ДВС с учётом распределения топлива и температуры по объёму КС для 10 зон. При этом в качестве начальных условий приняты результаты, полученные на выходе газодинамической к-е модели;
исследовано влияние присадки ДМЭ к ПГ на горение в КС одноцилиндровой HCCI установки. В использованной при этом формальной модели горения входными данными служили результаты однозонных прогонов ХК алгоритма;
определены длительности ПЗС для смеси ДМЭ/ПГ; диаграммы скорости тепловыделения, диаграммы молярных долей ключевых компонентов реакций по углу ПКВ; основные стадии горения в HCCI режиме ДВС. При этом использован включающий образование NOx ХК механизм окисления ДМЭ, отныне объединяющий преимущества двух ранее известных механизмов окисления ПГ и ДМЭ;
посредством многопараметрического анализа исследованы влияния состава топлива и начальной температуры на ПЗС; установлены четыре области ПЗС; определены топливно-экономические и экологические характеристики горения смеси ДМЭ/ПГ в ЯСС/ДВС.
Практическая значимость работы состоит в:
адаптация программы расчёта химической кинетики к исследованию HCCI процесса, которая позволяет: а) получить значения вредных выбросов до эксперимента; б) проводить численные исследования с любым числом зон в КС, что способствует возрастанию достоверности итоговых результатов; в) использовать известные ХК механизмы, позволяющие исследовать горение топлив различного состава и образование вредных выбросов; г) рассмотреть ЯСС/двигатели различных конструкций;
реализации ХК механизма в единый комплекс, учитывающий совместное влияние двух процессов: образования NOx и горения смеси ДМЭ/ПГ;
определении диапазона изменения состава смесевых топлив, в котором достигается максимальное значение КПД ЯСС/двигателя;
определении рабочих диапазонов HCCI двигателя для смесевых топлив с использованием ХК моделирования.
Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре теплотехники и тепловых двигателей и проведении НИР в Российском университете дружбы народов.
Апробация работы. Работа заслушана и одобрена на заседании кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов. Материалы, включенные в диссертацию, были представлены на Научно-технической (НТ) конференции инженерного факультета РУДН, Москва 2006, 2007, 2008 гг.; международной НТ конференции «Двигатели 2008», Хабаровск, ТГУ, 2008 г.; всесоюзном НТ семинаре по автоматическому регулированию и управлению теплоэнергетических установок, МВТУ им.Н.Э.Баумана, 2007, 2008 гг.; международной НТ конференция «Двигатель
- 2007», Москва, МВТУ им.Н.Э.Баумана, 2007 г.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 7 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 102 наименования и приложения. Содержит 139 страниц машинописного текста, включая 82 рисунка, 4 таблицы.
Похожие диссертации на Повышение топливо-экономических и экологических параметров ДВС организацией процесса с самовоспламенением гомогенного заряда
