Помощь студентам в учебе
Выбор и обоснование основных конструктивных параметров форкамеры для форкамерно-факельного зажигания газопоршневого двигателя типа ЧН18,5/21,5
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ НА ОБЕДНЕННОЙ
МЕТАНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 10
1.1 Особенности работы двигателя на обедненной метано¬воздушной смеси 10
1.2 Системы зажигания 12
1.2.1 Электрические искровые и неискровые системы зажигания 14
1.2.2 Лазерная система зажигания 16
1.3 Проблемы и ограничения при работе на обедненных смесях 17
2 ФОРКАМЕРНО-ФАКЕЛЬНОЕ ЗАЖИГАНИЕ 20
2.1 Активная и пассивная системы форкамерно-факельного
зажигания 20
2.2 Строение и принцип работы форкамерно-факельной системы
зажигания активного типа 22
2.3 Краткое рассмотрение конструкционных особенностей
форкамер и их влияние 26
2.4 Применение форкамерно-факельного зажигания в
газопоршневых двигателях GE Jenbacher 31
2.5 Выводы по второму разделу 33
3 АНАЛИЗ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ФОРКАМЕРЫ 35
3.1 Объем форкамеры 36
3.1.1 Влияние объема форкамеры на предел обеднения метано-воздушной смеси 36
3.1.2 Влияние объема форкамеры на тепловыделение и
характеристики теплопередачи 39
3.1.3 Влияние объема форкамеры на эффективность и КПД
двигателя 44
3.2 Форкамерные отверстия 46
3.2.1 Влияние площади отверстий на предел обеднения метано-
воздушной смеси 46
3.2.2 Влияние площади отверстий на тепловыделение и
характеристики теплопередачи 48
3.2.3 Влияние площади отверстий на эффективность и КПД
двигателя 53
3.3 Конфигурация отверстий форкамеры 55
3.3.1 Ориентация отверстий и её влияние на процесс сгорания 57
3.3.2 Количество отверстий и его влияние на процесс сгорания 58
3.4 Выводы по третьему разделу 61
4 РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ЭСКИЗНАЯ РАЗРАБОТКА ФОРКАМЕРЫ ДЛЯ ФОРКАМЕРНО-ФАКЕЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТИПА ЧН18,5/21,5 63
4.1 Конструктивное исполнение форкамеры 63
4.2 Расчет и обоснование оптимальных геометрических
параметров 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 70
ПРИЛОЖЕНИЯ 73
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 74
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ НА ОБЕДНЕННОЙ
МЕТАНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 10
1.1 Особенности работы двигателя на обедненной метано¬воздушной смеси 10
1.2 Системы зажигания 12
1.2.1 Электрические искровые и неискровые системы зажигания 14
1.2.2 Лазерная система зажигания 16
1.3 Проблемы и ограничения при работе на обедненных смесях 17
2 ФОРКАМЕРНО-ФАКЕЛЬНОЕ ЗАЖИГАНИЕ 20
2.1 Активная и пассивная системы форкамерно-факельного
зажигания 20
2.2 Строение и принцип работы форкамерно-факельной системы
зажигания активного типа 22
2.3 Краткое рассмотрение конструкционных особенностей
форкамер и их влияние 26
2.4 Применение форкамерно-факельного зажигания в
газопоршневых двигателях GE Jenbacher 31
2.5 Выводы по второму разделу 33
3 АНАЛИЗ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ФОРКАМЕРЫ 35
3.1 Объем форкамеры 36
3.1.1 Влияние объема форкамеры на предел обеднения метано-воздушной смеси 36
3.1.2 Влияние объема форкамеры на тепловыделение и
характеристики теплопередачи 39
3.1.3 Влияние объема форкамеры на эффективность и КПД
двигателя 44
3.2 Форкамерные отверстия 46
3.2.1 Влияние площади отверстий на предел обеднения метано-
воздушной смеси 46
3.2.2 Влияние площади отверстий на тепловыделение и
характеристики теплопередачи 48
3.2.3 Влияние площади отверстий на эффективность и КПД
двигателя 53
3.3 Конфигурация отверстий форкамеры 55
3.3.1 Ориентация отверстий и её влияние на процесс сгорания 57
3.3.2 Количество отверстий и его влияние на процесс сгорания 58
3.4 Выводы по третьему разделу 61
4 РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ЭСКИЗНАЯ РАЗРАБОТКА ФОРКАМЕРЫ ДЛЯ ФОРКАМЕРНО-ФАКЕЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТИПА ЧН18,5/21,5 63
4.1 Конструктивное исполнение форкамеры 63
4.2 Расчет и обоснование оптимальных геометрических
параметров 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 70
ПРИЛОЖЕНИЯ 73
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 74
На данный момент, для улучшения технико-эксплуатационных характеристик (в том числе снижение выделения углекислого газа) газопоршневых установок (ГПУ) и газовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) используется принцип «сверхбедного горения». Однако, в этом случае происходит ухудшение условий воспламенения топлива, вызванное уменьшением его количества в области первичного очага, что, в свою очередь, влечет за собой снижение стабильности сгорания и недостаточное распространение пламени. В таком случае, для нормальной работы двигателя на бедной смеси, где будет происходить полное её сгорание, и обеспечения высокого КПД необходимо уменьшение цикловой нестабильности процесса сгорания [1]. Определяется это следующими факторами:
• продолжительность процесса сгорания (в градусах ПКВ);
• начальные условия и их постоянство;
• постоянство процесса ввода энергии в локальные области камеры сгорания для развития первичных очагов пламени.
Если первые два фактора зависят от химического состава газового топлива, конструктивом ДВС и его регулировкой, то постоянство ввода и распределение тепловой энергии в очаге воспламенения зависит от работы и конструкции системы зажигания (СЗ) [1]. Поэтому возникает необходимость объективного выбора типа и конструкции СЗ для работы двигателя на обедненной смеси.
В связи с вышеописанными особенностями работы двигателя на обедненной смеси возникают следующие параметры, которым должна соответствовать система зажигания:
• вероятность создания первичного очага пламени;
• количество независимых очагов, созданных одновременно и разнесенных в пространстве основной камеры сгорания.
Система с многоточечным зажиганием позволяет «ускорить» процесс распространения пламени в камере сгорания за счет создания независимых первичных очагов, возникающих одновременно.
Таким образом, одним из способов повышения воспламеняемости в обедненных топливовоздушных смесях является принцип форкамерно-факельного зажигания.
Форкамера — это небольшая камера, которая присоединяется к камере сгорания двигателя совместно с, как правило, одной свечой зажигания. Головка форкамеры имеет сопловые отверстия, выходящие в основную камеру сгорания и позволяющие энергии, выделяемой в процессе горения в объеме форкамеры, успешно воспламенять обедненную смесь в основной камере. Такой принцип зажигания позволяет ускорить распространение фронта пламени в пространстве. Режимы работы форкамеры подразделяются на активные (отдельная подача топлива, в т.ч. более богатой смеси) и пассивные (топливо поступает из основной камеры во время такта сжатия). В целом, пассивные форкамеры проще реализовать, однако они довольно ограничены по своим возможностям. Поэтому наилучшие результаты по работе на обедненной смеси достигаются при использовании активной форкамеры.
Направлением данной работы является выбор и обоснование основных конструктивных параметров форкамеры (активной) для форкамерно-факельного зажигания, поскольку количество выделяемой энергии в форкамере и её геометрические параметры (объем, количество отверстий, диаметр отверстий и т.д.) оказывают большое влияние на воспламенение, распространение пламени и ход сгорания в основной камере. И, как следствие, влияют на общую производительность двигателя.
Актуальность выпускной квалификационной работы.
Актуальность работы обосновывается необходимостью перехода на более экологически чистые и энергоэффективные источники энергии. Газовые двигатели являются одним из способов решения проблем, поскольку эффективность использования метана в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания повышается при сжигании бедных смесей с высокой степенью сжатия.
Особенно актуальна в свете поручений, данных Правительству РФ Президентом Путиным В.В. по итогам совещания 14 мая 2013 года по вопросу расширения использования газа в качестве моторного топлива и требует активизации исследований для достижения существенно новых показателей эффективности наземной транспортной техники, работающей на газомоторном топливе.
Исследование в рамках ВКР способствует развитию новых подходов к модернизации двигателей с целью перевода их на природный газ.
Цель выпускной квалификационной работы.
В связи с актуальностью настоящей темы, целью работы является рассмотрение аспектов работы форкамерно-факельного зажигания, принципы ее функционирования, а также выбор и обоснование основных параметров форкамеры, влияющих на эффективность газового двигателя.
Задачи работы:
- провести анализ систем зажигания газопоршневых двигателей;
- рассмотреть принцип работы форкамерно-факельного зажигания;
- разобрать передовые отечественные и зарубежные решения;
- произвести детальный анализ основных геометрических параметров форкамеры, таких как объем, диаметр сопловых отверстий и их количество;
- произвести выбор оптимальных геометрических параметров для газопоршневого двигателя типа ЧН18,5/21,5;
- представить результаты анализа и выбора виде эскизной разработки форкамеры для форкамерно-факельного зажигания двигателя типа ЧН18,5/21,5.
• продолжительность процесса сгорания (в градусах ПКВ);
• начальные условия и их постоянство;
• постоянство процесса ввода энергии в локальные области камеры сгорания для развития первичных очагов пламени.
Если первые два фактора зависят от химического состава газового топлива, конструктивом ДВС и его регулировкой, то постоянство ввода и распределение тепловой энергии в очаге воспламенения зависит от работы и конструкции системы зажигания (СЗ) [1]. Поэтому возникает необходимость объективного выбора типа и конструкции СЗ для работы двигателя на обедненной смеси.
В связи с вышеописанными особенностями работы двигателя на обедненной смеси возникают следующие параметры, которым должна соответствовать система зажигания:
• вероятность создания первичного очага пламени;
• количество независимых очагов, созданных одновременно и разнесенных в пространстве основной камеры сгорания.
Система с многоточечным зажиганием позволяет «ускорить» процесс распространения пламени в камере сгорания за счет создания независимых первичных очагов, возникающих одновременно.
Таким образом, одним из способов повышения воспламеняемости в обедненных топливовоздушных смесях является принцип форкамерно-факельного зажигания.
Форкамера — это небольшая камера, которая присоединяется к камере сгорания двигателя совместно с, как правило, одной свечой зажигания. Головка форкамеры имеет сопловые отверстия, выходящие в основную камеру сгорания и позволяющие энергии, выделяемой в процессе горения в объеме форкамеры, успешно воспламенять обедненную смесь в основной камере. Такой принцип зажигания позволяет ускорить распространение фронта пламени в пространстве. Режимы работы форкамеры подразделяются на активные (отдельная подача топлива, в т.ч. более богатой смеси) и пассивные (топливо поступает из основной камеры во время такта сжатия). В целом, пассивные форкамеры проще реализовать, однако они довольно ограничены по своим возможностям. Поэтому наилучшие результаты по работе на обедненной смеси достигаются при использовании активной форкамеры.
Направлением данной работы является выбор и обоснование основных конструктивных параметров форкамеры (активной) для форкамерно-факельного зажигания, поскольку количество выделяемой энергии в форкамере и её геометрические параметры (объем, количество отверстий, диаметр отверстий и т.д.) оказывают большое влияние на воспламенение, распространение пламени и ход сгорания в основной камере. И, как следствие, влияют на общую производительность двигателя.
Актуальность выпускной квалификационной работы.
Актуальность работы обосновывается необходимостью перехода на более экологически чистые и энергоэффективные источники энергии. Газовые двигатели являются одним из способов решения проблем, поскольку эффективность использования метана в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания повышается при сжигании бедных смесей с высокой степенью сжатия.
Особенно актуальна в свете поручений, данных Правительству РФ Президентом Путиным В.В. по итогам совещания 14 мая 2013 года по вопросу расширения использования газа в качестве моторного топлива и требует активизации исследований для достижения существенно новых показателей эффективности наземной транспортной техники, работающей на газомоторном топливе.
Исследование в рамках ВКР способствует развитию новых подходов к модернизации двигателей с целью перевода их на природный газ.
Цель выпускной квалификационной работы.
В связи с актуальностью настоящей темы, целью работы является рассмотрение аспектов работы форкамерно-факельного зажигания, принципы ее функционирования, а также выбор и обоснование основных параметров форкамеры, влияющих на эффективность газового двигателя.
Задачи работы:
- провести анализ систем зажигания газопоршневых двигателей;
- рассмотреть принцип работы форкамерно-факельного зажигания;
- разобрать передовые отечественные и зарубежные решения;
- произвести детальный анализ основных геометрических параметров форкамеры, таких как объем, диаметр сопловых отверстий и их количество;
- произвести выбор оптимальных геометрических параметров для газопоршневого двигателя типа ЧН18,5/21,5;
- представить результаты анализа и выбора виде эскизной разработки форкамеры для форкамерно-факельного зажигания двигателя типа ЧН18,5/21,5.
Процесс зажигания в газопоршневых двигателях при работе на бедных смесях природного газа характеризуется ухудшенными условиями воспламенения вследствие уменьшения количества метана в области первичного очага. Поэтому для воспламенения смеси требуется увеличение плотности подводимой энергии. Форкамерно-факельное зажигание отвечает следующему ряду критериев и параметров, таких как большое количество независимых очагов воспламенения, возможность реализации на двигателях с большим диаметром цилиндров, относительная простота реализации и низкая себестоимость, что в совокупности позволяет выбрать ее в качестве основной системы зажигания в газопоршневых двигателях и установках, использующих концепцию «бедного горения».
Проведённый анализ литературных источником показал, что на эффективность работы форкамерно-факельной системы зажигания огромное влияние оказывают основные конструктивные параметры форкамеры, такие как объем форкамеры, диаметр горловины, диаметр и количество сопловых отверстий, угол конуса шатра сопловых отверстий. Существует множество исследований процесса форкамерно-факельного зажигания бедных смесей в газопоршневых двигателях. В настоящей работе использована одна из концепций системы зажигания с узкой длинной горловиной, для которой сформулированы соотношения основных параметров форкамеры.
В соответствии с этой концепцией для работы двигателя типа ЧН18,5/21,5 на бедных смесях выбраны следующие конструктивные параметры:
- внутренний диаметр форкамеры 25 мм;
- диаметр горловины, соединяющий основной объём форкамеры с сопловыми отверстиями, 7 мм;
- диаметр сопловых отверстий 2,4 мм;
- количество сопловых отверстий 10, расположенных в два ряда в шахматном порядке (по 5 в ряду);
- угол конуса обоих шатров сопловых отверстий 150°;
объём форкамеры с горловиной 14,5 см3.
Расчётные соотношения выбранных параметров соответствуют мировому уровню, рекомендованному различными исследователями для работы газопоршневых двигателей на бедных метано-воздушных смесях.
Проведённый анализ литературных источником показал, что на эффективность работы форкамерно-факельной системы зажигания огромное влияние оказывают основные конструктивные параметры форкамеры, такие как объем форкамеры, диаметр горловины, диаметр и количество сопловых отверстий, угол конуса шатра сопловых отверстий. Существует множество исследований процесса форкамерно-факельного зажигания бедных смесей в газопоршневых двигателях. В настоящей работе использована одна из концепций системы зажигания с узкой длинной горловиной, для которой сформулированы соотношения основных параметров форкамеры.
В соответствии с этой концепцией для работы двигателя типа ЧН18,5/21,5 на бедных смесях выбраны следующие конструктивные параметры:
- внутренний диаметр форкамеры 25 мм;
- диаметр горловины, соединяющий основной объём форкамеры с сопловыми отверстиями, 7 мм;
- диаметр сопловых отверстий 2,4 мм;
- количество сопловых отверстий 10, расположенных в два ряда в шахматном порядке (по 5 в ряду);
- угол конуса обоих шатров сопловых отверстий 150°;
объём форкамеры с горловиной 14,5 см3.
Расчётные соотношения выбранных параметров соответствуют мировому уровню, рекомендованному различными исследователями для работы газопоршневых двигателей на бедных метано-воздушных смесях.