Выбор способа управления рабочим процессом в двигателях с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси (1025104), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Кроме того, модель длялюбых тепловоздушных смесей не позволяет адекватно описать индикаторную диаграмму на основном участке горения, показывая взрывной характерпроцесса после самовоспламенения. На рисунке 2, в качестве подтвержденияпоследнего вывода, представлены экспериментальные и расчетные индикаторные диаграммы четырехтактного двигателя Volvo TD100 с HCCIпроцессом на природном газе, полученные при n =1400 мин-1, DT =215 К итрех различных значениях коэффициента избытка воздуха ( a =2,43; a =2,61;a =2,87).
Результаты моделирования образования оксидов азота в двигателеVolvo TD100 при тех же условиях работы также имеют значительные расхождения с экспериментально полученными значениями.9В третьей главе приводится описание конструкции и аппаратурногооснащения установки для экспериментальных исследований процесса самовоспламенения гомогенных топливовоздушных смесей. Установка создана набазе малоразмерного двухтактного двигателя с изменяемой степенью сжатия.Для регистрации изменения давления в цилиндре двигателя установкаоснащена системой индицирования, в которой давление на измерительнуютензобалку передается через контрпоршень. Контрпоршень одновременнослужит для изменения степени сжатия. Угловое положение вала двигателя ичастота вращения определялись с помощью индукционного датчика.
Для регулирования температуры заряда на впуске установка снабжена электрическим нагревателем воздуха.Информация от всех датчиков установки передавалась в ЭВМ черезцифровой осциллограф ОЦЗС-02 (100PCI). Сигналы обрабатывались и записывались на ЭВМ с помощью программы ADCLab.В четвертой главе изложены результаты экспериментального изучения влияния состава топливовоздушной смеси на развитие процессов самовоспламенения и обоснован способ, позволяющий учитывать при расчете кинетики реакций горения влияние состава топливовоздушной смеси на динамику тепловыделения.На основе анализа математического выражения закона действующихмасс, записанного для брутто-реакции горения углеводородного топлива:æ E ö nnCHWхим = AT n expç - a ÷ × y CH× y OO2 ,(10)ç RmT ÷2èøгде y CH , y O2 – мольные концентрации топлива и окислителя, nCH , nO2 –порядок реакции по углеводороду и окислителю, показано, что в области знаnnCHчений a > 2,0, характерных для HCCI-процесса, произведение y CH× y OO2 в2формуле (10) слабо зависит от величины коэффициента воздуха.
В диапазоне2,0 < a < 3,0 не превышает 10%.Аргумент экспоненциальной функции в выражении (10) для скоростихимических реакций также не зависит явным образом от a. Значения энергииактивации для всех элементарных реакций, входящих в кинетическую схему,также как энергия активации для брутто-реакции в целом, заданы однозначнои в процессе расчета их величина не меняется. Температура, достигаемая пригорении, от избытка воздуха зависит, однако в начальной стадии процессагорения эта зависимость себя не проявляет.
В результате при всех значенияхкоэффициента избытка воздуха расчет по формуле (10) дает примерно одинаковый взрывной характер реакции горения.Эксперименты по самовоспламенению от сжатия смесей диэтиловогоэфира с воздухом показали, что задержка самовоспламенения и скорость тепловыделения на начальном участке основной фазы горения существенноизменяются в зависимости от величины коэффициента избытка воздуха. Нарисунке 3 представлена полученная на основе обработки экспериментальных10данных зависимость от a относительной скорости тепловыделения на начальном участке основной фазы сгорания. Определялась средняя скоростьтепловыделения в пределах первых 10 °ПКВ от момента отрыва линии давления от линии сжатия.
Как видно на рисунке 3, скорость тепловыделения наначальном участке основной фазы сгорания снижается по мере обедненияпрактически линейно. Еще одним фактором, который влияет на скоростьсгорания в двигателях с HCCI-процессом, является доля остаточных газов втопливовоздушной смеси.dc/dj, %/°пкв3,532,521,510,5a01,41,51,61,71,81,92Рисунок 3 – Зависимость относительной скороститепловыделения от aПредложено учитывать влияние избытка воздуха и содержания продуктов полного сгорания при моделировании HCCI-процесса введением врасчет кинетики двух корректирующих функций, вид которых отражает экспериментально наблюдаемый характер влияния указанных двух факторов надинамику развития самовоспламенения и сгорания.Влияние избытка воздуха на скорость химических реакций горенияпредлагается учитывать функцией ka = f (a ) , которая корректирует величину аргумента экспоненциальной функции в законе Аррениуса.
Выражениедля ka принято логарифмическим:ka = Aa ln(a ) + 1,(11)где Aa – числовой коэффициент. По мере обеднения смеси значение ka увеличивается. При a =1 ka =1.Коэффициент ky , учитывающий концентрацию продуктов сгорания,представлен дополнительным множителем в законе действующих масс иимеет физический смысл концентрации. Так как темп накопления продуктовсгорания сказывается в большей степени на начальных стадиях процесса сгорания, для выражения ky принята степенная функция вида:ky = 1 - y nb b ,(12)11где y b – относительное количество продуктов сгорания, n b – числовой коэффициент.
Величина y b представляет собой отношение текущего количествапродуктов сгорания к их количеству после полного завершения сгорания:y b = mb mbend .(13)Верификация усовершенствованной модели была проведена на экспериментальных данных, полученных различными исследователями для разных видов топлива. При этом установлено, что числовые коэффициенты ввыражениях (11) и (12) зависят от вида применяемого топлива. На рисунке 4в качестве примера показано соответствие расчетных и экспериментальныхданных для того же двигателя, для которого приведены индикаторные диаграммы на рисунке 2.
Расхождения между расчетными и экспериментальными данными для двигателя, работающего на природном газе в диапазоне частот вращения от 800 до 2000 мин-1, не превысили 5%, а на других видах топлива – 10%.p , МПа81763524321j, °пкв0-30-20-100102030¾·¾ – экспериментальные индикаторные диаграммы¾¾ – расчетные индикаторные диаграммы1 – a=2,43; 2 – a=2,61; 3 – a=2,87Рисунок 4 – Сопоставление экспериментальных и расчетных(по уточненной модели) индикаторных диаграммдвигателя Volvo TD 100 (n=1400 мин-1)В пятой главе проведено теоретическое исследование влияния регулировочных, режимных и конструктивных факторов на протекание процессов самовоспламенения и горения в HCCI-двигателе.В качестве регулировочных факторов выбраны подогрев заряда навпуске и доля остаточных газов. Влияние подогрева заряда на впуске оценивалось в условиях четырехтактного двигателя с отношением хода поршня кдиаметру цилиндра S/D=140/120 и степенью сжатия e=17, влияние доли остаточных газов – в условиях двухтактного двигателя с S/D=50/50 и e=6,5.
Впервом случае в качестве топлива был принят метан, во втором – метанол.12Исследования подтвердили существенное влияние обоих факторов на развитие процессов самовоспламенения и горения гомогенной топливовоздушнойсмеси. На основе опытных данных, полученных на рассмотренной в главе 3установке, отмечено, что подогрев заряда на впуске, как фактор управления,обладает значительной инерционностью. Это затрудняет его применение надвигателях, работающих на резко переменных режимах.В результате исследования влияния режимных факторов установлено,что частота вращения в существенно меньшей степени влияет на величинузадержки самовоспламенения и динамику тепловыделения в основной фазесгорания, чем величина коэффициента избытка воздуха.ehe опт212019181722,12,22,32,42,52,62,72,82,9aРисунок 5 – Зависимость оптимальной степени сжатияот состава топливовоздушной смесиВ качестве конструктивного фактора, который может быть использовандля управления процессом HCCI, рассмотрена степень сжатия.
Было изученовлияние степени сжатия на положение точки начала активного тепловыделения, индикаторный и эффективный КПД цикла при различных значениях a.Установлено, что каждому значению a соответствует свое значение степенисжатия e h e опт , при котором he достигает максимума (рисунок 5). На величину e h e опт заметное влияние оказывает частота вращения. Показано, что набедных топливовоздушных смесях экстремум зависимостей he = f (e) выражен слабо, что позволяет при управлении процессом изменением степенисжатия ограничивать в некоторых пределах максимальное давление циклабез существенного снижения he.13ЗАКЛЮЧЕНИЕ1.
Предложена модель рабочего процесса двигателей с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси от сжатия, обеспечивающаявоспроизведение момента начала основной фазы горения и адекватное описание динамики тепловыделения в этой фазе путем введения двух обоснованных функций, учитывающих влияние на кинетику реакций горения избытка воздуха и роста концентрации конечных продуктов сгорания.2. На основе анализа экспериментальных данных, полученных на установке с компрессионным двигателем, а также структуры уравнений химической кинетики предложены математические выражения для функций, учитывающих влияние на кинетику реакций горения избытка воздуха и ростаконцентрации конечных продуктов сгорания. Установлено, что значения коэффициентов в математических выражениях указанных функций зависят отвида применяемого топлива.3.
Применение предложенной математической модели рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смесиот сжатия позволяет в широком диапазоне изменения величины избытка воздуха предсказывать момент начала основной фазы сгорания, определять значения максимального давления цикла и индикаторной работы с погрешностью в пределах 10 %.4.
Результаты исследований влияния режимных, регулировочных иконструктивных факторов на развитие процессов самовоспламенения и горения в HCCI-двигателях, проведенных с помощью созданной математическоймодели, позволяют сделать следующие выводы:1) основным режимным фактором, в зависимости от которого необходимо управление процессом самовоспламенения и сгорания гомогенной топливовоздушной смеси, является величина избытка воздуха, определяющаямощность двигателя на заданной частоте вращения;2) при неизменной степени сжатия частота вращения в диапазоне от800 до 2000 мин-1 слабо влияет на положение индикаторной диаграммы относительно ВМТ и по этому режимному параметру управление развитием процессов самовоспламенения и сгорания не требуется;3) температура подогрева заряда на впуске оказывает существенноевлияние на процессы самовоспламенения и горения, однако инерционностьтеплового режима делает этот фактор неприемлемым для управления HCCIпроцессом в двигателях, работающих на переменных режимах;4) эффективным способом управления HCCI-процессом в двигателях,работающих на переменных режимах, может быть изменение степени сжатия; при использовании этого способа управления значения степени сжатия,обеспечивающие максимальный эффективный КПД цикла, следует выбиратьс учетом как величины коэффициента избытка воздуха, так и частоты вращения коленчатого вала двигателя.14Основные положения диссертации опубликованыв следующих работах:В изданиях, рекомендованных ВАК РФ1.
Федянов, Е. А. Математическое моделирование самовоспламенениягомогенных метановоздушных смесей в ДВС / Е. А. Федянов, Е. М. Иткис,В. Н. Кузьмин // Двигателестроение. – 2007. – №2. – C. 3-5.2. Федянов, Е. А. Исследование возможности управления процессомсгорания HCCI с помощью изменения степени сжатия / Е. А. Федянов,Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // Известия ВолгГТУ. Серия "Процессыпреобразования энергии и энергетические установки". Вып. 3: межвуз. сб.науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2011.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
