Помощь студентам в учебе
Анализ влияния форсирования с применением впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс двигателя легкового автомобиля
|
Введение 3
Глава 1 Изучение литературы для выявления влияния впрыска закиси азота и воды на рабочий процесс бензинового двигателя с искровым зажиганием 6
1.1 Выявления влияния впрыска закиси азота на рабочий процесс бензинового двигателя с искровым зажиганием 6
1.2 Выявления влияния впрыска воды на рабочий процесс бензинового двигателя с искровым зажиганием 17
Глава 2 Описание исследуемых моделей двигателя 39
ГЛАВА 3 Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота 43
3.1 Результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота на установке УИТ-85 43
3.2 Анализ и обсуждение результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота на установке УИТ-85 47
Глава 4 Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды 55
4.1 Результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды на установке УИТ-85 55
4.2 Анализ и обсуждение результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды на установке УИТ-85 59
Заключение 66
Список используемых источников 69
Глава 1 Изучение литературы для выявления влияния впрыска закиси азота и воды на рабочий процесс бензинового двигателя с искровым зажиганием 6
1.1 Выявления влияния впрыска закиси азота на рабочий процесс бензинового двигателя с искровым зажиганием 6
1.2 Выявления влияния впрыска воды на рабочий процесс бензинового двигателя с искровым зажиганием 17
Глава 2 Описание исследуемых моделей двигателя 39
ГЛАВА 3 Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота 43
3.1 Результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота на установке УИТ-85 43
3.2 Анализ и обсуждение результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота на установке УИТ-85 47
Глава 4 Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды 55
4.1 Результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды на установке УИТ-85 55
4.2 Анализ и обсуждение результаты моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды на установке УИТ-85 59
Заключение 66
Список используемых источников 69
Актуальность работы и научная значимость настоящего исследования.
Двигатель внутреннего сгорания непрерывно продолжают развиваться и поиск решений позволяющих повысить эффективные, мощностные или экологические показатели работы двигателей. В настоящее время, когда нормы токсичности приближаются к ЕВРО-7, опять начинается поиск решения по снижению токсичности и/или повышению мощности. Активно разрабатываются новые циклы имеющее одно общее направление, а именно низкотемпературное сгорание. Но при этом начинают вспоминать давно известные, но в настоящее время не активно применяемые способы форсирования ДВС, а именно впрыск закиси азота или воды. Эти два способа повышения мощности двигателей известны с 30 годов прошлого века, но в настоящее время, в период развития цифровых технологий и электронного управления, многие старые решения становятся опять привлекательными и имеют свой потенциал для внедрения.
Поэтому исследование воздействия впрыска закиси азота или воды на возможности форсирования поршневого ДВС с искровым зажиганием является актуальной темой магистерской диссертации.
Объект исследования.
ДВС с искровым зажиганием.
Предмет исследования.
Влияние впрыска закиси азота или воды на рабочий процесс бензинового ДВС с искровым зажиганием.
Целью работы является изучение влияния впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС для выявления возможностей форсирования двигателя легкового автомобиля.
Гипотеза исследования состоит в том, что мощность атмосферного ДВС определяется условиями сгорания смеси в цилиндре двигателя.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
1. провести обзор проблемных источников и наработать материал для изучения влияния впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС;
2. выявить возможности форсирования двигателя легкового автомобиля за счет впрыска воды или закиси азота.
Методы исследования.
Метод аналитического исследования, метод моделирования рабочего процесса.
Научная новизна исследования заключается в идее повысить мощность двигателя на режимах с пределом детонации, за счет применения впрыска веществ, расширяющих границы детонации, что должно способствовать повышению мощности двигателя.
Личное участие автора состоит в том, что автор принимал непосредственное участие в формировании аналитического обзора по направлению исследований, а также в разработке модели для исследования и анализе результатов моделирования данных и полученных на основании их анализа практических рекомендаций и выводов.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течении всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах:
• на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» в 2021 и 2022 г.
• международная научно-практическая конференция «Наука, образование, общество», Россия, г. Тамбов, 30 апреля 2022 г.
• опубликована одна научная статья: Аминов, Ш.Т. Анализ токсичности двигателя на сжатом природном газе по результатам моделирования/ Смоленский В.В., Аминов Ш.Т., Финогенов Н.В., Зайнетдинов И.М., Минаев Е.В., Гончаренко П.А. //Научный альманах 2021-N 4-2(90). С.49-55
На защиту выносятся:
1. Анализ влияния впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС;
2. Возможности форсирования двигателя легкового автомобиля за счет впрыска воды или закиси азота
Структура магистерской диссертации.
Диссертации состоит из введения, 4 глав, заключения с основными результатами и выводами, содержит 44 рисунка, 15 таблицы, списка использованных источников (41 источник). Основной текст изложен на 72 страницах.
Двигатель внутреннего сгорания непрерывно продолжают развиваться и поиск решений позволяющих повысить эффективные, мощностные или экологические показатели работы двигателей. В настоящее время, когда нормы токсичности приближаются к ЕВРО-7, опять начинается поиск решения по снижению токсичности и/или повышению мощности. Активно разрабатываются новые циклы имеющее одно общее направление, а именно низкотемпературное сгорание. Но при этом начинают вспоминать давно известные, но в настоящее время не активно применяемые способы форсирования ДВС, а именно впрыск закиси азота или воды. Эти два способа повышения мощности двигателей известны с 30 годов прошлого века, но в настоящее время, в период развития цифровых технологий и электронного управления, многие старые решения становятся опять привлекательными и имеют свой потенциал для внедрения.
Поэтому исследование воздействия впрыска закиси азота или воды на возможности форсирования поршневого ДВС с искровым зажиганием является актуальной темой магистерской диссертации.
Объект исследования.
ДВС с искровым зажиганием.
Предмет исследования.
Влияние впрыска закиси азота или воды на рабочий процесс бензинового ДВС с искровым зажиганием.
Целью работы является изучение влияния впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС для выявления возможностей форсирования двигателя легкового автомобиля.
Гипотеза исследования состоит в том, что мощность атмосферного ДВС определяется условиями сгорания смеси в цилиндре двигателя.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
1. провести обзор проблемных источников и наработать материал для изучения влияния впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС;
2. выявить возможности форсирования двигателя легкового автомобиля за счет впрыска воды или закиси азота.
Методы исследования.
Метод аналитического исследования, метод моделирования рабочего процесса.
Научная новизна исследования заключается в идее повысить мощность двигателя на режимах с пределом детонации, за счет применения впрыска веществ, расширяющих границы детонации, что должно способствовать повышению мощности двигателя.
Личное участие автора состоит в том, что автор принимал непосредственное участие в формировании аналитического обзора по направлению исследований, а также в разработке модели для исследования и анализе результатов моделирования данных и полученных на основании их анализа практических рекомендаций и выводов.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течении всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах:
• на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» в 2021 и 2022 г.
• международная научно-практическая конференция «Наука, образование, общество», Россия, г. Тамбов, 30 апреля 2022 г.
• опубликована одна научная статья: Аминов, Ш.Т. Анализ токсичности двигателя на сжатом природном газе по результатам моделирования/ Смоленский В.В., Аминов Ш.Т., Финогенов Н.В., Зайнетдинов И.М., Минаев Е.В., Гончаренко П.А. //Научный альманах 2021-N 4-2(90). С.49-55
На защиту выносятся:
1. Анализ влияния впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс бензинового ДВС;
2. Возможности форсирования двигателя легкового автомобиля за счет впрыска воды или закиси азота
Структура магистерской диссертации.
Диссертации состоит из введения, 4 глав, заключения с основными результатами и выводами, содержит 44 рисунка, 15 таблицы, списка использованных источников (41 источник). Основной текст изложен на 72 страницах.
Выполнен анализ влияния форсирования с применением впрыска воды или закиси азота на рабочий процесс двигателя легкового автомобиля. Получены следующие основные выводы, а именно:
• Впрыск закиси азота при постоянных регулировочных параметрах двигателя не изменяет условия и характеристики процесса сгорания.
• Впрыск воды несколько снижает температуру и давление в процесс сгорания, но за счет повышения теплоемкости имеются лучшие показания последующего расширения, что приводит к некоторому росту эффективной работы цикла.
• В обоих случаях и при впрыске закиси азота и при впрыске воды расширяются границы детонации, что позволяет повысить мощность за счет работы в более выгодных углах опережения зажигания.
Выводы по главе 1
Обзор научных работ показал, что закись азота имеет неоднозначное влияние на процесс сгорания топлива:
• закись азота под действием высоких температур в камере сгорания расщепляется на азот и кислород, но при этом если интенсивность сгорания не велика, как на пример у сильно обеднённых или обогащенных смесей то его степень участия в процессе сгорания значительно снижается а у границ горения топлива он практически перестает расходоваться, то есть становиться инертным соединением;
• также применение закиси азота на холодном двигателе становиться не эффективна, закись азота необходимо применять только на режимах максимальной нагрузки;
• закись азота способствует охлаждению свежей смеси и за счет содержащегося кислорода снижает стехиометрическое число топлива, что улучшает наполнение, но закись азота — это газ (плотность 1,977) который при впрыске во впускной коллектор вытесняет кислород (плотность 1,293), так что принципиального увеличения наполнения не наблюдается;
• закись азота за счет сокращения содержания свободного кислорода в воздухе расширяет границы без детонационного горения, это и является главной причиной позволяющей говорить об эффективности применения закиси азота для форсирования двигателя.
Анализ добавки воды показал, тоже не столь однозначные результаты по эффективному улучшению процесса сгорания, рассмотрим выявленные особенности:
• впрыск воды снижает общую температуру смеси и продуктов сгорания, в том числе и за счет высокой теплоемкости;
• снижение температуры поступающего воздуха улучшает наполнение, но в тоже время вода при впрыске во впускной коллектор испаряется и вытесняет воздух, и как показал обзор, добавка уже 10% воды от суммарной массы топлива и воды, уже не показывает улучшение наполнения цилиндров, а 20% и более отмечено ухудшение наполнения;
• повышение детонационной стойкости при добавке воды происходит за счет высокой стабильности молекул воды и повышением теплоемкости смеси, это позволяет говорить об эффективности применения впрыска воды именно в двигатели с наддувом, так как там нет проблем с наполнением цилиндров, а расширение пределов детонации значительно повышает эффективность работы таких двигателей.
Обобщая выше сказанное, можно отметить, что для безнаддувного двигателя с ограниченными пропускными возможностями впускных каналов, эффективными следует рассматривать добавки воды и закиси азота до 10% от суммарной массы топлива и добавки. Для закиси азота отмечается, что для стехиометрических смесей метана наибольший прирост эффективности горения наблюдается при добавке 2,5%, а для водорода 5%.
Выводы по главе 2 «Описание исследуемых моделей двигателя»
Показано что модель на базе исследовательской установки УИТ-85 соответствует задачам проводимых исследований. Приведены основные данные для расчета и обоснование необходимости выбора предложенных параметров.
Выводы по главе 3 «Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота»
Анализ результатов представленных результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота, показал, что впрыск закиси азота не приводит к изменению характера сгорания в цилиндре двигателя. Основным механизмом повышения мощности при добавке закиси азота является повышение антидетонационной стойкости, что позволяет работать на более выгодных углах опережения зажигания, что и вызывает прирост мощности и эффективности двигателя.
Выводы по главе 4 «Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды»
Анализ результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды показал наличие повышения плотность и теплоемкости рабочего тела в цилиндре двигателя, что привело к снижению температуры и расширению границ детонации. Это позволяет либо снижать токсичность по оксидам азота, если работать без изменения угла опережения зажигания или повысить эффективность за счет перехода в более выгодные углы опережения зажигания.
• Впрыск закиси азота при постоянных регулировочных параметрах двигателя не изменяет условия и характеристики процесса сгорания.
• Впрыск воды несколько снижает температуру и давление в процесс сгорания, но за счет повышения теплоемкости имеются лучшие показания последующего расширения, что приводит к некоторому росту эффективной работы цикла.
• В обоих случаях и при впрыске закиси азота и при впрыске воды расширяются границы детонации, что позволяет повысить мощность за счет работы в более выгодных углах опережения зажигания.
Выводы по главе 1
Обзор научных работ показал, что закись азота имеет неоднозначное влияние на процесс сгорания топлива:
• закись азота под действием высоких температур в камере сгорания расщепляется на азот и кислород, но при этом если интенсивность сгорания не велика, как на пример у сильно обеднённых или обогащенных смесей то его степень участия в процессе сгорания значительно снижается а у границ горения топлива он практически перестает расходоваться, то есть становиться инертным соединением;
• также применение закиси азота на холодном двигателе становиться не эффективна, закись азота необходимо применять только на режимах максимальной нагрузки;
• закись азота способствует охлаждению свежей смеси и за счет содержащегося кислорода снижает стехиометрическое число топлива, что улучшает наполнение, но закись азота — это газ (плотность 1,977) который при впрыске во впускной коллектор вытесняет кислород (плотность 1,293), так что принципиального увеличения наполнения не наблюдается;
• закись азота за счет сокращения содержания свободного кислорода в воздухе расширяет границы без детонационного горения, это и является главной причиной позволяющей говорить об эффективности применения закиси азота для форсирования двигателя.
Анализ добавки воды показал, тоже не столь однозначные результаты по эффективному улучшению процесса сгорания, рассмотрим выявленные особенности:
• впрыск воды снижает общую температуру смеси и продуктов сгорания, в том числе и за счет высокой теплоемкости;
• снижение температуры поступающего воздуха улучшает наполнение, но в тоже время вода при впрыске во впускной коллектор испаряется и вытесняет воздух, и как показал обзор, добавка уже 10% воды от суммарной массы топлива и воды, уже не показывает улучшение наполнения цилиндров, а 20% и более отмечено ухудшение наполнения;
• повышение детонационной стойкости при добавке воды происходит за счет высокой стабильности молекул воды и повышением теплоемкости смеси, это позволяет говорить об эффективности применения впрыска воды именно в двигатели с наддувом, так как там нет проблем с наполнением цилиндров, а расширение пределов детонации значительно повышает эффективность работы таких двигателей.
Обобщая выше сказанное, можно отметить, что для безнаддувного двигателя с ограниченными пропускными возможностями впускных каналов, эффективными следует рассматривать добавки воды и закиси азота до 10% от суммарной массы топлива и добавки. Для закиси азота отмечается, что для стехиометрических смесей метана наибольший прирост эффективности горения наблюдается при добавке 2,5%, а для водорода 5%.
Выводы по главе 2 «Описание исследуемых моделей двигателя»
Показано что модель на базе исследовательской установки УИТ-85 соответствует задачам проводимых исследований. Приведены основные данные для расчета и обоснование необходимости выбора предложенных параметров.
Выводы по главе 3 «Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота»
Анализ результатов представленных результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском закиси азота, показал, что впрыск закиси азота не приводит к изменению характера сгорания в цилиндре двигателя. Основным механизмом повышения мощности при добавке закиси азота является повышение антидетонационной стойкости, что позволяет работать на более выгодных углах опережения зажигания, что и вызывает прирост мощности и эффективности двигателя.
Выводы по главе 4 «Обзор результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды»
Анализ результатов моделирования процесса сгорания бензина с впрыском воды показал наличие повышения плотность и теплоемкости рабочего тела в цилиндре двигателя, что привело к снижению температуры и расширению границ детонации. Это позволяет либо снижать токсичность по оксидам азота, если работать без изменения угла опережения зажигания или повысить эффективность за счет перехода в более выгодные углы опережения зажигания.
