Лекция 7. ARC и HCCI (Лекции), страница 2

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДПервые исследования в области гомогенного сгорания были выполненыН.Н.

Семеновым и Л.А. Гусаком (1998).Цель работы: совершенствование процессов двигателя с разделенной камеройсгорания, предложенной еще H.C. Ricardo (1922).Результаты: создание двигателя с LAG-процессом.LAG-процесс предполагает искровое воспламенение богатой ТВС (α = 0,4…0,7) впредкамере малого объема и последующее сгорание обедненной смеси в основнойкамере, обладающей гораздо большим объемом. В отличие от двигателя H.C.Ricardo, канал, соединяющий предкамеру с основной камерой, имеет существенноменьшую площадь поперечного сечения, что приводит к разрыву и гашениюпламени, истекающий из предкамеры (т.е.

в основную камеру пламя не попадает).При этом температура погашенных продуктов сгорания – на 500-800 °С нижетемпературы сгорания стехиометрической смеси.Кроме того, канал малого поперечного сечения вследствие большого перепададавлений по его длине способствует формированию интенсивной турбулентнойструи.21Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДОсобенности LAG-процесса: Обеспечение устойчивого горения обедненной смеси при сокращениипериода задержки ее воспламенения в 5-7 раз по сравнению с процессомсгорания по H.C.

Ricardo Уменьшение общей продолжительности сгорания смеси в 3-4 раза Увеличение полноты сгорания на 10%, и обеспечение высокой точностивоспроизводимости процесса В LAG-процессе сгорание начинает развиваться во всем объеме зарядаблагодаря малым очагам воспламенения, состоящих из продуктов неполногоокисления (радикалов CH3, H2O2, CH2OH, C2, CH и H). При этом высокийуровень турбулизации заряда также играет значительную роль Заряд в основной камере в LAG-процессе не является гомогенным.Однородность процесса воспламенения здесь объясняется равномернымраспределением очагов воспламенения по объему камеры Таким образом, LAG-процесс можно считать первым процессом,воспламенение в котором определяется механизмами химической кинетики22Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДSCS (Sonex Combustion System) процесс (разработка U.S. Naval Academy, 1981)Особенность: использование управляемых акустических колебаний дляповышения уровня турбулентности в цилиндре ПД.Реализация: поршень с особой кольцеобразной формой КС, конструкциякоторого основана на принципе акустического резонанса и взаимодействиямежду двумя камерами (основной и дополнительной в поршне).Результаты: Модифицированный двигатель работал на обедненных смесях (топливо –бензин, отношение воздух/топливо = 24:1 вместо 16:1 у базового варианта) Улучшение рабочих показателей двигателя При определенных условиях модифицированный двигатель мог работать безСЗ, работа в данном режиме характеризовалась значительной устойчивостьюс малыми изменениями от цикла к циклу Была установлена возможность работы на метаноле с малыми степенямисжатия (ε = 4) без СЗ (запуск со свечами)23Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДПреимущества SCS-процесса:Возможность снижения токсичности ОГ серийного дизеля с Евро-2 до Евро-3путем изменения лишь геометрии поршня, момента и продолжительностивпрыскивания топлива.Конструкция поршня, используемого в системе SCS (1999)(в отличие от первоначальной системы, здесь полностью подавляютсяакустические колебания, однако развиваются те же химические процессы)24Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДЭволюцияизменениякомпонентовчастичногоокисленияметанола вмикрокамереSCS-процесса25Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДПределы самовоспламенения метаноловоздушной смеси при добавлении H2O226Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДГлавная функция микрокамеры в SCS-процессе: образование активныхпромежуточных компонентов и радикалов, необходимых для последующейинициации ARC-сгорания в основной камере.Это осуществляется путем гашения пламени в соединительных каналах междуосновной камерой и микрокамерой, что приводит к локализации процессанеполного сгорания в объеме микрокамеры.Продукты неполного окисления затем перемешиваются с находящимся восновной камере зарядом как в текущем, так и в следующем цикле, что приводитк изменению свойств смеси и инициирует процесс ARC-воспламенения.Характерное увеличение полноты сгорания в этом случае усиливается за счеттурбулентных струй, вытекающих с большой скоростью из микрокамеры.Двигатель с SCS-процессом также характеризуется низким уровнем выбросоввредных веществ.27Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДОбщие принципы работы двигателя с SCS-системой сгорания: Сгорание в первом цикле работы двигателя начинается с помощью СЗ илисвечи накаливания, установленной во впускном трубопроводе. Пламя, возникающее в первичной (основной) камере, гасится вследствиетепловых потерь в узких каналах, ведущих в микрокамеру. На ранней стадии процесса расширения несгоревшая ТВС, заключенная ввторичной камере (микрокамере), участвует в последовательности реакцийнеполного окисления при значениях температуры, существенно меньших техвеличин, которые определяют границу самовоспламенения.

В ходе этогопроцесса образуются промежуточные компоненты и активные радикалы. Интенсивная турбулентность способствует более полному сгоранию топлива,а также догоранию частиц сажи в дизелях и окислению CO и несгоревшихуглеводородов в бензиновых двигателях. Ограничение перетоков газа из микрокамеры в основную КС приводит к тому,что в объеме микрокамеры сохраняется достаточное количество активныхрадикалов (CH2O, H2O2, HO2 и др.).28Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДСпособы организациигомогенного сгоранияВ присутствии активныхпромежуточных веществ ирадикаловТепловым воспламенением врезультате предварительногоподогрева СЗПеред поступлением СЗ в цилиндрдвигателя (самовоспламенениепроисходит при температурах, на 100-200 Книже стандартной для данного топлива)За счет теплоты рециркулируемых ОГ(воспламенение от сжатия происходит притемпературах, которые могут быть больше,меньше или равными стандартной)29Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДОбщие принципы работы двигателя с термическим воспламенением смеси: Химическая природа воспламенения в ARC и HCCI-процессах сходная: в обоихслучаях важнейшими компонентами, определяющими процесс воспламенения,являются перекись водорода H2O2 и радикалы H, OH и HO2. Воспламенение в HCCI двигателе происходит тогда, когда H2O2,накапливающаяся в реагирующей смеси, начинает разлагаться со значительнойскоростью (при Т = 1050-1100 К), образуя гидроксильные радикалы OH,большая часть которых затем вступает в реакцию с молекулами топлива. В результате образуются молекулы воды с выделением теплоты, идущей наразогрев смеси и приведение в действие большой разветвленной реакции.Концентрация H2O2 быстро убывает с образованием радикалов. Активные радикалы, существующие в продуктах сгорания, поступающих вцилиндр и перепускаемых на впуск, практически полностью исчезают в течениепроцессов впуска и выпуска и их роль в процессе воспламенения при HCCIсгорании незначительна. Процессы в HCCI-двигателе сходы с теми, что происходят в двигателе с ВЭИпри детонации.30Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаСовершенствование технологий использованияальтернативных топлив в поршневых двигателяхКафедра поршневых двигателей (Э2)Перспективные способы инициациивоспламенения топливовоздушных смесей в ГДОсобенности работы двигателя с термическим воспламенением смеси: В отличие от SCS-технологии, требуется минимальное изменение конструкциидвигателя (фазы ГР, настройки топливной аппаратуры). В HCCI-двигателе имеет место чрезвычайно активное тепловыделение с малымпериодом задержки воспламенения (теплоты выделяется в течение 10-15° ПКВ). В следствие этого для снижения скорости сгорания необходимо работать намаксимально бедных смесях, выбирая оптимум коэффициента избытка воздуха сучетом надежного самовоспламенения свежего заряда (для ГД α от 6 при малыхpe до 2 на номинальном режиме работы). Самовоспламенение от сжатия возможно при подогреве на впуске до 350-400 К(для безнаддувных ПД – установка подогревателя на впуске, для ПД с наддувомдостижение необходимой температуры возможно при определенном πk). Снижение максимальной температуры цикла (до порядка 1800 К), низкие NОx.Тип топливаПериод задержки воспламенения, мс100% СН40,8290% СН4 + 10% Н2О20,5331Московский государственный технический университет им.