ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 Анализ состояние вопроса, цель и задачи исследования. Процесс сгорания в поршневых двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием 9
1.1 Процесс сгорания в поршневых двигателях с искровым зажиганием 9
1.2 Обзор методов исследования процесса сгорания в поршневых
двигателях с искровым зажиганием 21
1.3 Метод изучения процесса сгорания в поршневых двигателях с
искровым зажиганием с помощью электропроводности пламени 22
1.4 Перспектива применения водорода в топливо-воздушных смесях. 27
1.5 Влияние добавки водорода на турбулентное горение 30
Глава 2 Описание экспериментальной одноцилиндровой установки УИТ
- 85, методика обработки результатов проведённых измерений 33
2.1 Описание экспериментальной одноцилиндровой установки УИТ -
85 33
2.2 Методика проведения эксперимента 39
2.3 Методика обработки результатов полученных измерений 41
Глава 3 Обработка результатов испытаний 43
3.1 Результаты испытаний по ионному току второго зонда датчика 43
3.2 Результаты испытаний по ионному току третьего зонда датчика.... 46
3.3 Результаты испытаний по скоростям и ионному току при разных
степенях сжатия 48
Глава 4 Анализ результатов испытаний 51
4.1 Анализ результатов ионного тока второго зонда ионного датчика.. 51
4.2 Анализ результатов ионного тока третьего зонда ионного датчика... 56
4.3 Анализ скоростей распространения пламени 60
Заключение 71
Список используемых источников 73
Приложение А 82
Приложение Б
Актуальность. На данный момент транспортные двигатели являются одними из основных потребителей углеводородного топлива в мире [6]. В связи с прогнозами уменьшения нефтяных месторождений [7] и роста заболеваний, которые вызваны загрязнением воздушной среды выхлопными газами [48, 49], принуждает органы управления различных стран к ужесточению требований по экологическим качествам автомобилей. Различные конструктивные улучшения двигателя, использование современных методов каталитической нейтрализации выхлопных газов и промышленное производство неэтилированных бензинов не дает решения всех проблем в области двигателестроения. Поэтому производители в области двигателестроения в поисках наиболее эффективных способов по улучшению экономических и экологических характеристик двигателя. Одно из многообещающих направлений по улучшению экономических и экологических характеристик является улучшение процесса сгорания с помощью изменения физико-химических свойств топливо-воздушной смеси, которое можно достичь добавив в топливо активатор. В соответствии прогнозам международного энергетического агентства бензин будет основным топливом для транспорта примерно до 2040 года [4]. Также из-за растущей популярности водородной энергетики, различные ученые [3, 33, 36, 39] рассматривают использование топливной смеси, которая состоит из бензина и водорода. Этот способ улучшения экологических и экономических характеристик поршневого двигателя внутреннего сгорания можно считать наиболее разумным с точки зрения эффективности и капиталоёмкости. Чтобы определять оптимального состава топливо-воздушной смеси на различных режимах работы двигателя требуется понимать влияние на процесс сгорания. Традиционные представлениям физики горения описывают процесс сгорания как, сгорание топлива обосновывается турбулентной скоростью распространения пламени, которая в свою очередь определяет воздействие турбулентности и физико-химических свойств топливо-воздушной смеси на развитие начального очага пламени при зажигании, а также на сколько долго будет проходить процесс сгорания в цикле и на процесс догорания топлива у стенок цилиндра двигателя [20, 41, 44]. Установлено, что скорость пламени, которая характеризует интенсивность процесса сгорания, может определять пределы устойчивого сгорания топливо-воздушной смеси [66]. Данная тенденция довольно актуальна в настоящее для достижения цели снижения токсичности отработавших газов и расхода топлива [10]. К тому же есть экспериментальные подтверждения влияния скорости распространения пламени на выделения оксидов азота [58] и несгоревших углеводородов [54, 70] во время сгорания смеси топливо-воздушной смеси с водородом в поршневых двигателях. Турбулентная скорость распространения пламени определяется с помощью скорости турбулентных пульсаций движения топливо-воздушной смеси в камере сгорания и нормальной скоростью распространения пламени. В наше время нет возможности довольно точно с помощью расчетов путем определять турбулентную и нормальную скорость распространения пламени в камере сгорания поршневых двигателей, особенно если использовать химические добавки для горения. Все это говорит о том, что имеется актуальность определения ее и учёте при конструировании и доводке новых моделей двигателей, которые соответствуют современным требованиям.
Из многообразия различных способов определения видимой скорости распространения пламени наиболее распространённым и экономически выгодным является метод, который основывается на явлении ионизации пламени, то есть метод ионизационных зондов. Во фронте углеводородного пламени основным механизмом образования заряженных частиц является хемоионизация, протекающая как побочная реакция между компонентами участвующими в основных реакциях горения. Так как хемоионизация прочно имеет связь с процессом сгорания топлива, тогда можно считать, что изменение ионного тока показывает изменения кинетики химических реакций во фронте пламени, а также, скорее всего, определяет динамику видимой скорости распространения пламени. В научной работе было обнаружено то, что с помощью массовой долей углерода в топливо-воздушной смеси и видимой скорости распространения пламени можно определить величину ионного тока. Количество углерода в топливо-воздушной смеси определяет потенциальный резерв образования радикалов С2, СН и СНО+, когда концентрация этих радикалов характеризует степень ионизации фронта пламени. Еще скорость распространения пламени характеризует интенсивность их образования во время сгорания топлива, другими словами если использовать отношение амплитуды ионного тока, который регистрируется с помощью ионизационного датчика, к доле углерода в топливо-воздушной смеси можно определить видимую скорость распространения пламени, что намного упростит и удешевит существующую методику.
Цель работы: Определение характеристик ионного тока и скоростей распространения пламени вблизи стенки камеры сгорания переменного объема при добавке водорода в топливо-воздушной смеси.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:
1 Провести анализ изменения скорости турбулентных пульсаций и местной скорости перемещения топливо-воздушной смеси в камере сгорания.
2 Определить в зависимости от состава смеси, скоростного режима и доли добавляемого водорода турбулентной скорости распространения и ионного тока пламени в зоне, наиболее удаленной от свечи зажигания зоны камеры сгорания и скорости распространения пламени в объеме полости 3- х ионизационного датчика.
3 Определить турбулентную и нормальную составляющую скорости распространения пламени основываясь на взаимосвязи ионного тока пламени и скоростей распространения пламени.
Объектом исследования является процесс сгорания углеводородного топлива с добавкой водорода в поршневом двигателе с искровым зажиганием.
Предметом исследования является характеристики распространения пламени углеводородного топлива с добавкой водорода в поршневом двигателе с искровым зажиганием.
Научная новизна данной работы состоит в следующем:
1 Определены турбулентные скорости распространения пламени, скорости распространения пламени в полости ионизационного датчика, а так же ионные токи в зависимости от состава смеси, скоростного режима и доли добавляемого водорода, в области наиболее удаленной от свечи зажигания зоны камеры сгорания.
2 Выделены разности турбулентной скорости и скорости распространения пламени в полости ионного датчика на основе значений ионного тока пламени и скоростей распространения пламени.
Теоретическое значение работы.
Показана возможность выделения турбулентных и нормальных составляющих скорости распространения пламени на основе взаимосвязи значений ионного тока пламени со скоростями распространения пламени.
Практическое значение работы.
Результаты исследования можно использовать при проектировании и доводке двигателя внутреннего сгорания, которые используют углеводородное топливо и его смесь с водородом в различных соотношениях.
Методы исследования. В процессе исследований использовались такие методы как: экспериментальные, которые включали стендовые испытания; эмпирический анализ; статистическая обработка данных; а так же компьютерное моделирование.
Положения, выносимые на защиту.
1. Анализ изменения скорости турбулентных пульсаций и местной скорости перемещения ТВС в камерах сгорания различных конструкций в диапазонах угла поворота клеенчатого вала от начала воспламенения смеси до выделения 90% тепла.
2. Зависимости от состава смеси, скоростного режима и доли добавляемого водорода средней скорости распространения пламени до наиболее удаленной от свечи зажигания зоны камеры сгорания и скорости распространения пламени в объеме полости ионизационного датчика - свечи зажигания.
3. Зависимости от состава смеси, скоростного режима и доли добавляемого водорода турбулентной скорости распространения и ионного тока пламени в зоне, наиболее удаленной от свечи зажигания зоны камеры сгорания и скорости распространения пламени в объеме полости 3 - х ионизационного датчика.
4. Определение турбулентной и нормальной составляющей скорости распространения пламени на основе взаимосвязи значений ионного тока пламени со скоростями распространения пламени.
Достоверность результатов исследования характеризована большим количеством экспериментов, применением методов статистической обработки данных, непротиворечивостью полученных экспериментальных данных и результатов их анализа с основными положениями теории распространения пламени и с результатами экспериментов других авторов.
Реализация результатов работы.
Работа выполнялась в рамках проведения исследований, проводимых в НОЦ ТГУ «Энергоэффективные и малотоксичные ДВС и тепловые установки». Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 13.04.03 «Энергетическое машиностроение».
Апробация работы.
Результаты исследования были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинского государственного университета в 2018 году и доложены в следующих конференциях: научно-практическая конференция «Студенческие дни науки в ТГУ» Тольяттинский государственный университет, Тольятти - 2018.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 1 печатная работа.
Структура и объем диссертации.
Магистерская диссертации состоит из таких частей как: введение, четырех глав, заключения, списка литературы, который состоит из 76 наименований и 2 приложений. Работа описана на 85 страницах машинописного текста, иллюстрированного 11 таблицами и 15 рисунками.
Полученные результаты, представленные в работе по анализу и обобщению современных экспериментальных и теоретических исследований дают возможность сформулировать следующие выводы:
1. С добавкой водорода в топливо-воздушной смеси как в основной, так и в конце этапа сгорания идет увеличение интенсивности турбулентной скорости распространения пламени.
2. Анализ различных характеристик скоростей распространения пламени, а так же ионного тока в полости ионизационного датчика говорит о том, что в конце этапа сгорания с добавкой водорода имеет место увеличения нормальной скорости распространения пламени.
3. Увеличение степени сжатия, то есть уменьшении камеры сгорания и как следствие увеличение давления положительно сказывается на росте турбулентного распространения пламени.
4. Увеличение степени сжатия, так же увеличивает ионный ток равномерно на всех изменениях коэффициента избытка воздуха.
5. Анализ данных по ионному тока и скорости распространения пламени показал, что в камере сгорания интенсивность протекания химических реакций в полости ионизационного датчика зависит от степени сжатия и состава смеси и не зависит от изменения турбулентности, то есть от оборотов коленчатого вала.
6. Добавка водорода в 5% дает р ост турбулентного распространения пламени, а так же скорости в полости ионного датчика, в среднем на 5 м/с, что положительно сказывается на протекании процесса горения. Это говорит о том, что использование углеводородной смеси имеет перспективы для применения в автомобильных двигателях.
Для более точного и глубокого исследования характеристик турбулентной и нормальной скоростей распространения пламени требуются проведения изучений и к тому же необходимо производство более точных специальных датчиков.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
