Введение 3
1 Анализ уровня техники и известных исследований 7
2 Экспериментальная установка и методика исследований 12
2.1 Экспериментальная установка 12
2.2 Методика проведения эксперимента 15
2.3 Методика обработки сигналов ионного тока 17
2.4 Методика обработки индикаторных диаграмм 18
3 Результаты эксперимента 25
3.1 Зависимости ионизации и скорости распространения пламени от состава
смеси 25
3.2 Зависимости скорости тепловыделения и работы цикла от состава смеси .... 28
3.3 Взаимосвязь проводимости пламени со скоростью сгорания и
работой цикла 32
3.4 Выводы по результатам эксперимента 38
3 Обсуждение результатов эксперимента 39
Заключение 48
Список используемых источников 49
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) всё ещё являются, и, видимо, в ближайшее время останутся основным источником мощности в транспорте. Их суммарная мощность в несколько раз превышает установленную мощность всех электростанций [1].
Современное развитие ДВС связано с жесткими требованиями к токсичности и топливной экономичности. Эти требования обуславливают необходимость совершенствования процесса сгорания. Совершенствование процесса сгорания ДВС не может быть достигнуто без получения системами управления и диагностики (в том числе в реальном времени) необходимой и достоверной информации о процессе сгорания. Для массово производимых систем управления (СУ) и бортовой диагностики поршневых двигателей основными источниками информации о процессе сгорания являются датчики детонации и содержания кислорода в отработавших газах. Этой информации не всегда достаточно для адекватной диагностики ДВС при постоянном совершенствовании процесса сгорания. Особенно это касается вновь разрабатываемых процессов сгорания, например, таких как самовоспламенение заранее подготовленной гомогенной смеси (HCCI-процесс). Последние достижения в исследовании сгорания в ДВС связаны с применением оптических методов, основанных на взаимодействии лазерного луча и реагирующих молекул и скоростной фотосъёмки [2 - 4]. Но использование дорогих исследовательских методов для целей сервисной диагностики и в системах управления двигателем представляет значительные технические трудности и экономически нецелесообразно. Следовательно, необходимы недорогие дополнительные способы получения информации о процессе сгорания в ДВС.
Кроме применения в СУ ДВС, информативные и недорогие способы получения информации о процессе сгорания необходимы для быстрого экспериментального анализа результатов конструктивных мероприятий, направленных на совершенствование процесса горения, при переводе ДВС на альтернативные топлива. Однако использование оптических методов для экспериментальной диагностики горения в инженерной практике не всегда возможно. Например, при изменении рабочего процесса в серийных камерах сгорания (замена топлива с бензина на природный газ, например) или при исследовании горения в пограничных (пристеночных) слоях (где оптические методы плохо работают). Поэтому для исследования распространения пламени в ДВС и других энергетических установках применяют также неоптические методы, основанные, например, на явлении ионизации пламени углеводородов. Кафедра «Энергетические машины и системы управления» ТГУ регулярно принимает участие в проектах, где необходима адаптация рабочего процесса ДВС к новым смесевым топливам, поэтому развитие новой методики исследования рабочего процесса актуально.
Анализ современных тенденций показал, что перспективным для диагностики сгорания в ДВС является метод ионизационных зондов (ИЗ), основанный на проводимости пламени углеводородных топлив. Явление ионизации пламени было одним из наиболее популярных направлений в фундаментальных исследованиях 1960-1970 гг. [5 - 8]. В дальнейшем ионизация пламени активно использовалась для исследований сгорания и развития СУ ДВС [9 - 15]. Однако данный метод всё ещё находится в стадии исследований [16 - 17]. Это обусловлено значительной сложностью механизмов сгорания. Использование ИЗ для промышленного использования в диагностике ДВС требует исследований и метрологического обоснования.
Таким образом, основные проблемы разработки ДВС, на решение которых направлена настоящая работа:
- жесткие конкурентные ограничения по стоимости и времени вывода новой высокотехнологичной продукции на рынок;
- постоянно ужесточающиеся законодательные и экономические требования к топливной эффективности и токсичности;
- недостаточные возможности диагностики рабочего процесса в каждом цилиндре ДВС.
Исходя из этих проблем, сформулирована цель работы.
Цель работы - повышение эффективности и снижение токсичности ДВС путём совершенствования контроля и диагностики процесса сгорания.
Основная задача работы - развитие метода диагностики сгорания в ДВС и энергетических установках, сжигающих углеводороды, с помощью ионизации пламени для обеспечения их безотказной, экономичной работы и низкой токсичности.
Совершенство рабочего процесса ДВС во многом определяется скоростью сгорания [1]. В турбулентных условиях физическим параметром, оценивающим скорость горения, считается скорость распространения турбулентного пламени (в западной литературе - turbulent burning velocity). В виду сложности её определения в замкнутом объёме, в теории ДВС принято использовать скорость тепловыделения для оценки скорости сгорания [1]. Скорость сгорания является особенно важным параметром при переводе ДВС на альтернативные топлива (например, сжатый природный газ) и разработке рабочего процесса со сжиганием обедненных смесей. Поэтому перспективной задачей исследование скорости сгорания в условиях ДВС.
Анализ исследований природы ионизации пламени позволил выработать гипотезу исследования: проводимость пламени может служить информационным параметром, достаточно просто и адекватно отражающим скорость сгорания. При этом заранее расчетным образом невозможно предсказать характер данной взаимосвязи и его зависимость от основных факторов, определяющих работу ДВС. Кроме того, для метода ионизационного зонда характерна локализация исследуемой зоны в достаточно малом объёме, определяющимся размером ионизационного зонда. Для ДВС это размер электродов свечи зажигания. Поэтому также не ясно насколько информативным параметром будет являться локально измеряемая проводимость пламени для всего цикла сгорания ДВС.
В связи с этим, конкретные задачи исследования - выявление и анализ взаимосвязи электропроводности пламени со следующими характеристиками сгорания:
- скорость тепловыделения;
- средняя скорость распространения пламени;
- работа цикла.
Проводимость пламени взята как физический параметр, определяемый степенью ионизации пламени.
Решение поставленных задач позволит перейти к разработке основанного на измерении проводимости пламени способа диагностики сгорания в ДВС и энергетических установках.
В результате экспериментов на одноцилиндровом исследовательском ДВС с искровым зажиганием показана возможность анализа процессов горения с помощью ионизации пламени. В условиях ДВС показана степенная взаимосвязь проводимости пламени и скорости сгорания, как в момент сигнала ионного тока, так и средней за цикл, что является очень информативным параметром оценки протекания рабочего процесса ДВС.
Полученный экспериментальный результат соответствует известным представлениям о физике горения, что подтверждается теоретическим анализом и сходимостью с результатами известных исследований. При этом новизна обусловлена впервые выявленными для условий ДВС закономерностями, подтверждающими общность механизмов ионизации углеводородного пламени. Кроме того, закономерности сохраняются и при добавке водорода в ТВС.
Возможность анализа процесса в целом с помощью измерения локального свойства фронта пламени в течение достаточно короткого промежутка времени является результатом, полезным для развития систем диагностики сгорания.
Результаты исследования горения с помощью ионизации пламени в ДВС позволяют развивать методологию диагностики энергетических машин и применять в системах управления и в сервисном обслуживании. Однако для достаточного методологического обоснования метода необходимы углубленные эксперименты.
Намечены пути дальнейшего развития работы. В частности это эксперименты на разных типах камер сгорания.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
