Помощь студентам в учебе
Эмпирическая методика определения концентрации несгоревших углеводородов в ОГ ДВС при добавке водорода в бензовоздушную смесь
|
Введение 4
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 10
1.1 Механизм образования несгоревших углеводородов в цилиндре ДВС с искровым зажиганием 10
1.2 Сравнение результатов расчёта и данных экспериментов по определению объёмной концентрации несгоревших углеводородов 14
1.3 Особенности распространения пламени и его основные параметры в двигателях внутреннего сгорания 16
1.3.1 Основные понятия о скорости распространения пламени в тепловом поршневом двигателе 18
1.3.2 Средняя видимая скорость распространения пламени в промежутке времени основной фазы сгорания 20
1.3.3 Определение видимой средней скорости распространения пламени во II фазе сгорания 23
1.3.4 Средняя скорость распространения пламени в двигателе внутреннего сгорания в III фазе горения 25
1.4 Ширина зоны турбулентного горения 27
1.5 Влияние конструкции камер сгорания на характеристики течения и турбулентности ТВС в двигателе 32
Выводы к главе 1 44
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики проведения испытаний 46
2.1 Экспериментальное оборудование 46
2.2 Описанием методики проведения эксперимента 50
Глава 3. Взаимосвязь максимального давления сгорания и времени его достижения с шириной зоны турбулентного горения 65
3.1 Определение максимального давления сгорания и времени его достижения 65
3.2 Взаимосвязь максимального давления сгорания и времени его достижения с шириной ЗТГ 70
Глава 4. Разработка параметра, обобщающего взаимосвязь концентрации несгоревших углеводородов с максимальным давлением сгорания 78
4.1 Методика для прогнозирования концентрации несгоревших углеводородов, предназначенная для стадий проектирования и доводки поршневых энергетических установок 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 86
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 10
1.1 Механизм образования несгоревших углеводородов в цилиндре ДВС с искровым зажиганием 10
1.2 Сравнение результатов расчёта и данных экспериментов по определению объёмной концентрации несгоревших углеводородов 14
1.3 Особенности распространения пламени и его основные параметры в двигателях внутреннего сгорания 16
1.3.1 Основные понятия о скорости распространения пламени в тепловом поршневом двигателе 18
1.3.2 Средняя видимая скорость распространения пламени в промежутке времени основной фазы сгорания 20
1.3.3 Определение видимой средней скорости распространения пламени во II фазе сгорания 23
1.3.4 Средняя скорость распространения пламени в двигателе внутреннего сгорания в III фазе горения 25
1.4 Ширина зоны турбулентного горения 27
1.5 Влияние конструкции камер сгорания на характеристики течения и турбулентности ТВС в двигателе 32
Выводы к главе 1 44
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики проведения испытаний 46
2.1 Экспериментальное оборудование 46
2.2 Описанием методики проведения эксперимента 50
Глава 3. Взаимосвязь максимального давления сгорания и времени его достижения с шириной зоны турбулентного горения 65
3.1 Определение максимального давления сгорания и времени его достижения 65
3.2 Взаимосвязь максимального давления сгорания и времени его достижения с шириной ЗТГ 70
Глава 4. Разработка параметра, обобщающего взаимосвязь концентрации несгоревших углеводородов с максимальным давлением сгорания 78
4.1 Методика для прогнозирования концентрации несгоревших углеводородов, предназначенная для стадий проектирования и доводки поршневых энергетических установок 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 86
Автомобиль на нынешний день стал неотъемлемой частью жизни практически у каждого человека в мире. Автомобилестроение прогрессирует с каждым годом, улучшая и разрабатывая все возможные системы транспорта и его строение. Но, не смотря на новизну и образование гибридных двигателей и электродвигателей, большая часть человечества так, же пользуются автомобилями на двигателях внутреннего сгорания. Которые в свою очередь тоже достаточно оснащены хорошей конструкцией, компьютерами и «умными» системами. Несмотря на это, эффективный коэффициент полезного действия данных бензиновых двигателей все еще остается около отметки в 30%, у дизельных двигателей близ 50%.
В нынешний момент вопрос защиты окружающей среды от вредных загрязнений волнует практически весь мир. Использование автотранспорта в наше время привело к тому, что основным источником загрязнения кроме химических и промышленных заводов, является автотранспорт. По выбросам вредных химических веществ двигателями внутреннего сгорания Россия лидирует между многими странами мира. Для того чтобы уменьшить количество выбросов вредных для здоровья химических веществ в окружающую среду, вызванного увеличением роста автомобилей, правительства многих стран мира используют законодательные документы и нормативы, которые могут помочь контролировать выбросы токсичных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Отсюда следует, требования к экологическим нормам к каждому выпускаемому автотранспорту с каждым годом становится жестче и труднее соответствовать им.
Экологическая характеристика автотранспорта тесно связана с его топливной экономичностью. Чем автомобиль расходует меньше горючего при эксплуатации, тем значительнее снижается выброс вредных отработавших газов, токсичных выделений, и, следовательно, ущерб, наносимый окружающей среде.
Имеется ряд факторов, которые влияют и на топливную экономичность автомобиля, и на токсичность отработавших газов его двигателя. На экологические характеристики автомобиля оказывают существенное влияние несколько конструктивных и эксплуатационных факторов ДВС: вид, технические характеристики, вентиляция картера, топливо, нейтрализаторы, порядок движения, так же опыт водителя транспортного средства.
Таким образом, основные мероприятия по ограничению токсичных выбросов, загрязняющих окружающую среду при эксплуатации автомобильным транспортом заключаются в совершенствовании тепловой энергетической установки и поддержании соответствующего технического состояния.
Одним из основных важных мероприятий является создание конструкций двигателей внутреннего сгорания (ДВС) нового поколения, использующие топливно-воздушные смеси (ТВС) с добавкой газообразных активаторов горения.
В настоящее время основной упор разработок по снижению токсичности отработавших газов направлен на совершенствование систем питания и зажигания ДВС, так как их рабочие характеристики во многом определяют характеристики процессов воспламенения и сгорания ТВС.
Различными автостроительными фирмами совершенствование ДВС ведётся в следующих основных направлениях:
• улучшение смесеобразования при впрыске топлива во впускную систему;
• совершенствование распыливания топлива при его подаче непосредственно в цилиндры;
• включение при необходимости регулятора принудительного холостого хода;
• обеспечение равномерного распределения топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя на всех режимах эксплуатации автомобиля;
• использование альтернативных видов топлива, при необходимости с газообразными активаторами горения, например, водорода.
Актуальность
Актуальность данной работы заключается в возможности расчетным путем определять количество несгоревших углеводородов при работе двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием при использовании газообразного активатора горения.
Цель работы: разработать методику определения концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах с учётом параметров сгорания и соотношения углерода и водорода в топливно-воздушной смеси.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• Определить взаимосвязь ширины зоны турбулентного горения около стенки камеры сгорания с максимальным индикаторным давлением сгорания для изменяющихся в широком диапазоне составов смеси, скоростных режимов и количества водорода, добавляемого в ТВС.
• Определить закономерности, связывающие ширину зоны турбулентного горения с временем достижения максимального значения индикаторного давления относительно подачи зажигания.
• Определить зависимость концентрации несгоревших углеводородов от характеристик распространения пламени.
• Предложить безразмерный параметр для расчётного определения концентрации несгоревших углеводородов в ОГ по характеристикам сгорания в конце основной фазы сгорания топливно-воздушной смеси.
Объект исследования - процесс сгорания углеводородного топлива в тепловой энергетической установке транспортного средства с искровым зажиганием.
Предмет исследования - эмпирическая методика расчета определения концентрация несгоревших углеводородов в отработавших газах, основанная на использовании параметров сгорания топливно-воздушной смеси.
Научная новизна работы определяется следующими положениями:
1 Определены закономерности, связывающие максимальное давление сгорания с шириной зоны турбулентного горения при изменении коэффициента избытка воздуха, 2-х скоростных режимов работы двигателя и количества газообразного водорода в топливно-воздушной смеси.
2 Разработан параметр, обобщающий концентрацию несгоревших углеводородов с максимальным давлением сгорания и относительным содержанием углерода и водорода в ТВС.
Теоретическое значение работы.
Обоснована и математически показана закономерность, связывающая основные характеристики сгорания ТВС у стенок камеры сгорания (завершение основной фазы сгорания) и концентрацию несгоревших углеводородов в отработавших газах.
Практическое значение работы определяется следующим:
1 Обоснованы и получены закономерности, связывающие максимальное значение давления сгорания и время его достижения с шириной зоны турбулентного горения у стенок камеры сгорания.
2 Предложенная расчётная методика предназначена для определения концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах при использовании в процессе проектирования или доводке поршневых энергетических установках.
Результаты исследований, представленных в диссертации, предназначены для ускорения и удешевления процессов проектирования и доводки ДВС, работающих на углеводородном топливе, в том числе с применением газообразного активатора горения, а также при подготовке бакалавров, магистрантов и аспирантов по направлениям и программам, связанных с проектированием и эксплуатацией поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания.
Методы исследования.
Исследование проводилось с привлечением методов статистической обработки результатов испытаний, аналитической обработкой, анализом и обобщением опубликованных результатов теоретических и экспериментальных исследований из отечественных и зарубежных источников.
На защиту выносится.
1. Закономерности, связывающие максимальное давление сгорания и время его достижения относительно начала зажигания с шириной зоны турбулентного горения в процессе завершения сгорания в зависимости от состава смеси, скоростных режимов работы и впрыскиваемого газообразного водорода, полученные при обработке результатов исследований и их анализе.
2. Параметр, обобщающий концентрацию несгоревших углеводородов с максимальным давлением сгорания и относительным содержанием углерода и водорода в ТВС.
3. Методику для прогнозирования содержания несгоревших углеводородов в процессе разработки, а также доводке тепловых энергетических установок, основанную на использовании изменения максимального давления сгорания и относительного содержания углерода и водорода в ТВС.
Достоверность полученных результатов исследования обусловлена обработкой большого объема опубликованных экспериментальных данных отечественных и зарубежных исследователей, применением методов статистической обработки данных, непротиворечивостью полученных экспериментальных данных и результатов их анализа с основными положениями теории горения.
Реализация результатов работы.
Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 13.04.03 «Энергетическое машиностроение».
Апробация работы.
Результаты исследования докладывались на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинского государственного университета в 2015 - 2017 годах и на следующих конференциях: IV международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» Тольяттинский государственный университет, Тольятти - 2016; Студенческих научных конференциях Тольяттинского университета 2015-2017 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи.
Структура и объем диссертации. Диссертации состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 120 наименований. Работа изложена на 81 страницах машинописного текста, иллюстрированного 1 таблицей и 32 рисунками.
В нынешний момент вопрос защиты окружающей среды от вредных загрязнений волнует практически весь мир. Использование автотранспорта в наше время привело к тому, что основным источником загрязнения кроме химических и промышленных заводов, является автотранспорт. По выбросам вредных химических веществ двигателями внутреннего сгорания Россия лидирует между многими странами мира. Для того чтобы уменьшить количество выбросов вредных для здоровья химических веществ в окружающую среду, вызванного увеличением роста автомобилей, правительства многих стран мира используют законодательные документы и нормативы, которые могут помочь контролировать выбросы токсичных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Отсюда следует, требования к экологическим нормам к каждому выпускаемому автотранспорту с каждым годом становится жестче и труднее соответствовать им.
Экологическая характеристика автотранспорта тесно связана с его топливной экономичностью. Чем автомобиль расходует меньше горючего при эксплуатации, тем значительнее снижается выброс вредных отработавших газов, токсичных выделений, и, следовательно, ущерб, наносимый окружающей среде.
Имеется ряд факторов, которые влияют и на топливную экономичность автомобиля, и на токсичность отработавших газов его двигателя. На экологические характеристики автомобиля оказывают существенное влияние несколько конструктивных и эксплуатационных факторов ДВС: вид, технические характеристики, вентиляция картера, топливо, нейтрализаторы, порядок движения, так же опыт водителя транспортного средства.
Таким образом, основные мероприятия по ограничению токсичных выбросов, загрязняющих окружающую среду при эксплуатации автомобильным транспортом заключаются в совершенствовании тепловой энергетической установки и поддержании соответствующего технического состояния.
Одним из основных важных мероприятий является создание конструкций двигателей внутреннего сгорания (ДВС) нового поколения, использующие топливно-воздушные смеси (ТВС) с добавкой газообразных активаторов горения.
В настоящее время основной упор разработок по снижению токсичности отработавших газов направлен на совершенствование систем питания и зажигания ДВС, так как их рабочие характеристики во многом определяют характеристики процессов воспламенения и сгорания ТВС.
Различными автостроительными фирмами совершенствование ДВС ведётся в следующих основных направлениях:
• улучшение смесеобразования при впрыске топлива во впускную систему;
• совершенствование распыливания топлива при его подаче непосредственно в цилиндры;
• включение при необходимости регулятора принудительного холостого хода;
• обеспечение равномерного распределения топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя на всех режимах эксплуатации автомобиля;
• использование альтернативных видов топлива, при необходимости с газообразными активаторами горения, например, водорода.
Актуальность
Актуальность данной работы заключается в возможности расчетным путем определять количество несгоревших углеводородов при работе двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием при использовании газообразного активатора горения.
Цель работы: разработать методику определения концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах с учётом параметров сгорания и соотношения углерода и водорода в топливно-воздушной смеси.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• Определить взаимосвязь ширины зоны турбулентного горения около стенки камеры сгорания с максимальным индикаторным давлением сгорания для изменяющихся в широком диапазоне составов смеси, скоростных режимов и количества водорода, добавляемого в ТВС.
• Определить закономерности, связывающие ширину зоны турбулентного горения с временем достижения максимального значения индикаторного давления относительно подачи зажигания.
• Определить зависимость концентрации несгоревших углеводородов от характеристик распространения пламени.
• Предложить безразмерный параметр для расчётного определения концентрации несгоревших углеводородов в ОГ по характеристикам сгорания в конце основной фазы сгорания топливно-воздушной смеси.
Объект исследования - процесс сгорания углеводородного топлива в тепловой энергетической установке транспортного средства с искровым зажиганием.
Предмет исследования - эмпирическая методика расчета определения концентрация несгоревших углеводородов в отработавших газах, основанная на использовании параметров сгорания топливно-воздушной смеси.
Научная новизна работы определяется следующими положениями:
1 Определены закономерности, связывающие максимальное давление сгорания с шириной зоны турбулентного горения при изменении коэффициента избытка воздуха, 2-х скоростных режимов работы двигателя и количества газообразного водорода в топливно-воздушной смеси.
2 Разработан параметр, обобщающий концентрацию несгоревших углеводородов с максимальным давлением сгорания и относительным содержанием углерода и водорода в ТВС.
Теоретическое значение работы.
Обоснована и математически показана закономерность, связывающая основные характеристики сгорания ТВС у стенок камеры сгорания (завершение основной фазы сгорания) и концентрацию несгоревших углеводородов в отработавших газах.
Практическое значение работы определяется следующим:
1 Обоснованы и получены закономерности, связывающие максимальное значение давления сгорания и время его достижения с шириной зоны турбулентного горения у стенок камеры сгорания.
2 Предложенная расчётная методика предназначена для определения концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах при использовании в процессе проектирования или доводке поршневых энергетических установках.
Результаты исследований, представленных в диссертации, предназначены для ускорения и удешевления процессов проектирования и доводки ДВС, работающих на углеводородном топливе, в том числе с применением газообразного активатора горения, а также при подготовке бакалавров, магистрантов и аспирантов по направлениям и программам, связанных с проектированием и эксплуатацией поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания.
Методы исследования.
Исследование проводилось с привлечением методов статистической обработки результатов испытаний, аналитической обработкой, анализом и обобщением опубликованных результатов теоретических и экспериментальных исследований из отечественных и зарубежных источников.
На защиту выносится.
1. Закономерности, связывающие максимальное давление сгорания и время его достижения относительно начала зажигания с шириной зоны турбулентного горения в процессе завершения сгорания в зависимости от состава смеси, скоростных режимов работы и впрыскиваемого газообразного водорода, полученные при обработке результатов исследований и их анализе.
2. Параметр, обобщающий концентрацию несгоревших углеводородов с максимальным давлением сгорания и относительным содержанием углерода и водорода в ТВС.
3. Методику для прогнозирования содержания несгоревших углеводородов в процессе разработки, а также доводке тепловых энергетических установок, основанную на использовании изменения максимального давления сгорания и относительного содержания углерода и водорода в ТВС.
Достоверность полученных результатов исследования обусловлена обработкой большого объема опубликованных экспериментальных данных отечественных и зарубежных исследователей, применением методов статистической обработки данных, непротиворечивостью полученных экспериментальных данных и результатов их анализа с основными положениями теории горения.
Реализация результатов работы.
Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 13.04.03 «Энергетическое машиностроение».
Апробация работы.
Результаты исследования докладывались на научно-технических семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинского государственного университета в 2015 - 2017 годах и на следующих конференциях: IV международная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» Тольяттинский государственный университет, Тольятти - 2016; Студенческих научных конференциях Тольяттинского университета 2015-2017 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи.
Структура и объем диссертации. Диссертации состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 120 наименований. Работа изложена на 81 страницах машинописного текста, иллюстрированного 1 таблицей и 32 рисунками.
Проведенные исследования позволили решить актуальную научно-техническую задачу, которая имеет существенное значение при проведении оценки и расчете концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах. При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты и выводы:
1. На основании результатов экспериментального исследования проведён анализ характеристик сгорания для выбора определяющих параметров, влияющих на концентрацию несгоревших углеводородов в том числе и при добавлении водорода в бензовоздушную смесь.
2. Показано, что основную роль в величине концентрации несгоревших углеводородов при сгорании топливно-воздушной смеси в КС переменного объёма играет величина максимального давления сгорания и степень 2,5(дн/ gc) для учёта массового отношения содержания водорода и углерода в ТВС.
3. Предложена эмпирическая модель, оценивающая концентрацию несгоревших углеводородов в тепловых поршневых двигателях при добавках водорода с помощью разработанного обобщающего параметра
фр = Сснб *[ (Ргн - Ai)/ (Pz - At)^g
4. Полученная эмпирическая модель на основе обобщающего параметра Фр: позволяет оценивать концентрацию НСН в ОГ с учётом добавок водорода в ТВС при использовании полученной формулы
Ссн+н= Сснб *[(Pz- Ai)/ (PZH- Л)]'5"" g
Использование в качестве определяющего параметра максимального давления сгорания позволяет рассчитывать концентрацию несгоревших углеводородов при тепловом расчёте, в котором эффективность рабочего процесса оценивается индикаторной диаграммой и, в конечном итоге максимальным давлением сгорания.
Основное преимущество предложенной модели заключается в значительном сокращении как финансовых, так и затрат времени при проектировании и доводке вновь создаваемых и существующих поршневых тепловых двигателей и установок с искровым зажиганием.
5. Предложенная эмпирическая модель позволила разработать методику оценки концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах, предназначенную для проведения расчётов в процессе проектирования и доводки поршневых тепловых двигателей и установок.
1. На основании результатов экспериментального исследования проведён анализ характеристик сгорания для выбора определяющих параметров, влияющих на концентрацию несгоревших углеводородов в том числе и при добавлении водорода в бензовоздушную смесь.
2. Показано, что основную роль в величине концентрации несгоревших углеводородов при сгорании топливно-воздушной смеси в КС переменного объёма играет величина максимального давления сгорания и степень 2,5(дн/ gc) для учёта массового отношения содержания водорода и углерода в ТВС.
3. Предложена эмпирическая модель, оценивающая концентрацию несгоревших углеводородов в тепловых поршневых двигателях при добавках водорода с помощью разработанного обобщающего параметра
фр = Сснб *[ (Ргн - Ai)/ (Pz - At)^g
4. Полученная эмпирическая модель на основе обобщающего параметра Фр: позволяет оценивать концентрацию НСН в ОГ с учётом добавок водорода в ТВС при использовании полученной формулы
Ссн+н= Сснб *[(Pz- Ai)/ (PZH- Л)]'5"" g
Использование в качестве определяющего параметра максимального давления сгорания позволяет рассчитывать концентрацию несгоревших углеводородов при тепловом расчёте, в котором эффективность рабочего процесса оценивается индикаторной диаграммой и, в конечном итоге максимальным давлением сгорания.
Основное преимущество предложенной модели заключается в значительном сокращении как финансовых, так и затрат времени при проектировании и доводке вновь создаваемых и существующих поршневых тепловых двигателей и установок с искровым зажиганием.
5. Предложенная эмпирическая модель позволила разработать методику оценки концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах, предназначенную для проведения расчётов в процессе проектирования и доводки поршневых тепловых двигателей и установок.
