авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Характеристики распространения пламени в метановодородовоздушной смеси и концентрация несгоревших углеводородов в отработавших газах газопоршневых двигателей

На правах рукописи

Галиев Ильдар Ринатович ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В МЕТАНОВОДОРОДОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ И КОНЦЕНТРАЦИЯ НЕСГОРЕВШИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ГАЗОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 05.04.02 – Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2013

Работа выполнена на кафедре «Энергетические машины и системы управления» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шайкин Александр Петрович.

Росляков Алексей Дмитриевич,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент, главный специалист отдела камер сгорания ОАО «Кузнецов»;

Захаров Евгений Александрович, кандидат технических наук, доцент, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет».

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (национальный исследовательский университет), г. Самара.

Защита диссертации состоится «11» октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « _ » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ожогин Виктор Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Устойчивый, интенсивный рост ав тотранспорта способствует усилению техногенного прессинга на природу и че ловека. Выявлено, что именно несгоревшие углеводороды (СН), входящие в со став отработавших газов (ОГ), способствуют возникновению у человека респи раторных и онкологических заболеваний. В связи с этим, каждый год, законо дательно ужесточаются требования к концентрации СН в ОГ автомобилей. По скольку бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) достигли предела своего экологического совершенства, то все больше производителей обращают внимание на двигатели, использующие в качестве топлива сжатый природный газ (СПГ) и его смесь с водородом. Несмотря на большое количество исследо ваний в данной области, до сих пор нет данных о связи эмиссии СН с характе ристиками распространения пламени и с его электропроводностью. Это являет ся необходимым условием для дальнейшего улучшения энергетических и эко логических показателей газопоршневых ДВС, а также разработки (совершенст вования) методов контроля СН, основанных на мониторинге ионного тока.

Кроме этого, анализ современных методов расчета СН в ОГ газопоршневых двигателей, в которых не учитываются характеристики распространения пла мени, выявил сильное несоответствие (более 50%) между расчетными и экспе риментальными значениями. Поэтому методы расчета концентрации СН тре буют серьезной доработки. Таким образом, выбранная тема исследований акту альна, как в теоретическом, так и в практическом плане.

Цель работы: снижение выбросов несгоревших углеводородов в отрабо тавших газах газопоршневых двигателей за счет изменения характеристик рас пространения пламени в метановодородовоздушной смеси.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Выявить зависимость между скоростью распространения метановодо родовоздушного пламени и концентрацией СН в ОГ.

2. Определить связь между электропроводностью фронта пламени и кон центрацией СН при добавлении водорода в природный газ;

3. Разработать метод оценки и расчета концентрации СН в газопоршне вом двигателе, учитывающий влияние характеристик распространения пламени на эмиссию СН.

Объектом исследования является процесс сгорания углеводородного топлива с добавкой водорода в поршневом двигателе с искровым зажиганием.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые установлены на основе измерений скорости распространения пламени и ионного тока закономерности влияния состава топливовоздушной смеси (ТВС) и доли в ней водорода на выделение СН в ДВС, работающем на природном газе.

2. Выявлено взаимное влияние концентрации углерода в ТВС и скорости распространения пламени на величину ионного тока.

3. Предложен новый метод оценки и расчета СН в ОГ газопоршневого ДВС. Показано, что предлагаемый метод позволяет определить химический со став ТВС и значения характеристик распространения пламени, обеспечиваю щие снижение выбросов СН.

Теоретическое значение работы.

1. Показано сильное влияние процессов, происходящих в первой фазе сгорания на процессы во второй фазе сгорания топлива.

2. Установлена зависимость ионного тока от доли углерода в ТВС и ско рости распространения пламени.

3. Раскрыт механизм влияния химико-физических свойств ТВС и харак теристик распространения пламени на эмиссию СН в газопоршневом ДВС.

Практическое значение работы.

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и доводке ДВС, использующих в качестве топлива природный газ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Методы исследования. При проведении исследований применялись экс периментальные методы, включающие стендовые испытания, методы эмпири ческого анализа, статистическая обработка данных и компьютерное моделиро вание.



Положения, выносимые на защиту.

1. Зависимость концентрации СН от средней скорости распространения пламени.

2. Результаты экспериментального исследования связи электропроводно сти фронта пламени с выделениями СН.

3. Метод оценки и расчета СН в ОГ двигателя, использующего в качестве топлива СПГ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Достоверность полученных результатов исследования обусловлена большим объемом экспериментов, применением методов статистической обра ботки данных, а также сходимостью результатов экспериментов с данными других авторов.

Реализация результатов работы.

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и педагогиче ские кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы ГК № 14.В37.21. и ГК № 14.В37.21.0308. Расчетные зависимости рекомендованы к внедрению НТЦ ОАО «АВТОВАЗ». Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 141100 «Энергетиче ское машиностроение».

Апробация работы.

Результаты исследования были представлены на научно-технических се минарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольят тинского государственного университета в 2010 – 2013 годах и доложены в следующих конференциях: IV международная научно-техническая конферен ция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» Тольяттинский государственный университет, Тольятти – 2012;

II международ ная научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» Тольяттинский государственный университет, Тольятти – 2012;

международ ный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский универси тет), Самара – 2012;

VIII всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Короле ва (национальный исследовательский университет), Самара – 2012;

XLI научно практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербургский государственный политехнический универси тет, Санкт-Петербург – 2012;

всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Уральский федеральный университет имени первого Пре зидента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург – 2012;

III международная научно техническая конференция «Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении», Карачевский филиал государственного университета «Гос университет-УНПК», Карачев – 2012;

IV международная научно-практическая конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных про цессов в экономике, науке, образовании», Брянский государственный техниче ский университет, Брянск – 2012;





международная, научная конференция «Нау ка, образование, производство в решении экологических проблем», Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа – 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 227 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 146 страницах ма шинописного текста, иллюстрированного 4 таблицами и 83 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию научной новизны и актуальности те мы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, показана её практиче ская и теоретическая ценность.

В первой главе был произведен обзор методов снижения СН, анализ ис следований механизма образования СН в цилиндре поршневого ДВС и его свя зи с характеристиками распространения пламени. В данном направлении из вестны работы В.А. Звонова, П.В. Ивашина, А.П. Шайкина, W.K. Cheng, J.B.

Heywood, I. Saanum, V.M. Salazar и другие. Анализ литературы показал: 1) пер спективность использования двигателем в качестве топлива СПГ и его смесь с водородом для улучшения своих технико-экологических характеристик;

2) на личие у современных методов расчета СН значительного (более 50%) несоот ветствия между расчетными и экспериментальными данными;

3) не учет суще ствующими расчетными моделями СН характеристик распространения пламени (скорости и ширины фронта пламени);

4) отсутствие закономерности, связы вающей между собой концентрацию СН, скорость и ширину фронта пламени в условиях газопоршневого ДВС;

5) перспективность использования метода ио низационных зондов для исследования и прогнозирования выбросов СН;

6) от сутствие данных о влиянии химического состава углеводородного топлива на показания ионизационного датчика (ИД);

7) отсутствие зависимости скорости распространения пламени, ширины зоны химических реакций и ионного тока от состава ТВС и режимных параметров работы газопоршневого ДВС. По ито гам произведенного анализа, были сформулированы цели и задачи диссертаци онного исследования.

Во второй главе описывается конструкция экспериментального стенда, методика проведения испытаний, проводится оценка погрешности результатов экспериментального исследования.

Исследование характеристик распростране ния пламени и их взаимосвязи с концентрацией СН в ОГ, проводилось на экспериментальном стенде, основу которого составляла установка УИТ-85, представляющая собой одноцилиндро вый, четырехтактный ДВС. Стенд был также обо рудован системами подачи водорода и природного газа в двигатель. Определение концентрации СН в ОГ осуществлялось газоанализатором «АВТО ТЕСТ-02 CO-CO2-CH-O2-NOX--T». Для монито ринга ионного тока использовались два ИД, один из которых располагался непосредственно у свечи Рисунок 1 – Расположе- зажигания, а другой на максимальном удалении от неё, рисунок 1. Таким образом, данные получен ние ИД в КС:

1 – цилиндр;

2 – поршень;

ные с ИД, расположенного у свечи зажигания, со 3 – свеча зажигания с ИД;

ответствовали первой фазе сгорания, а информа ция о процессах во второй фазе сгорания была по 4 – ИД лучена ИД, удаленным от свечи зажигания.

Варьируемыми факторами являлись состав ТВС и доля добавляемого во дорода в топливо, составляющая 29, 47 и 58% (по объему). Работа двигателя осуществлялась при угле опережения зажигания равном 130 и на скоростных режимах 600 и 900 об/мин. Методика эксперимента заключалась в параллель ной регистрации сигналов с ИД, искры зажигания, датчика положения коленча того вала и записи осциллограмм с помощью многоканального аналого цифрового преобразователя в память персонального компьютера. В результате испытаний получены серии осциллограмм на каждом режиме испытаний. Ос реднённый сигнал оценивался по следующим параметрам: промежутку времени от начала зажигания до возникновения импульса ионного тока на ИД, располо женном у свечи зажигания (t1) и на ИД удаленном от неё (t2);

амплитуде сигна ла ионного тока на ИД, расположенном у свечи зажигания (I1) и на ИД удален ном от неё (I2);

длительности сигналов импульса ионного тока на ИД, располо женном у свечи зажигания (tc1) и на ИД удаленном от неё (tc2);

промежутку времени от начала зажигания до возникновения в цилиндре ДВС максимума давления (tPmax);

величине максимального давления в цилиндре ДВС (Pz).

Определение погрешностей экспериментальных данных осуществлялось по ГОСТ 8.207-76. Погрешность амплитуды сигнала составляла 6%, времени от искрового разряда до возникновения максимума давления в цилиндре ДВС и сигнала на ИД – 3%, коэффициента избытка воздуха – 3%;

доли добавляемого водорода в ТВС – 4%, а концентрации СН в ОГ – 5%.

Третья глава посвящена обработке результатов испытаний: влиянию скоростного режима двигателя, состава ТВС и доли в ней водорода на характе ристики распространения пламени, его электропроводность и на концентрацию СН в ОГ. Анализ интервалов времен от начала зажигания до появления им пульса ионного тока на ИД (рисунок 2), а также длительности его сигнала (ри сунок 3) выявил, что они имеют четкую зависимость от состава ТВС, доли в ней водорода и скоростного режима двигателя. При этом наиболее ярко данная тенденция проявляется в первой фазе сгорания. Поскольку графические зави симости на обоих скоростных режимах качественно схожи друг с другом, то на рисунках 2 и 3 приведены данные только для nквд=900 об/мин.

Рисунок 2 – Зависимость времени (t1) возникновения сигнала на ИД, располо женном у свечи зажигания, и на ИД, удаленным от нее (t2), от состава ТВС и до ли в ней водорода:, – rH2=0%;

, – rH2=29%;

, – rH2=47%;

, – rH2=58% Рисунок 3 – Зависимость длительности сигнала импульса ионного тока (tс1) на ИД, расположенном у свечи зажигания, и на ИД, удаленным от нее (tс2), от состава ТВС и доли в ней водорода:, – rH2=0%;

, – rH2=29%;

, – rH2=47%;

, – rH2=58% Показано, что при увеличении доли водорода в ТВС время достижения пламенем ИД монотонно снижается, причем с обеднением смеси влияние доба вок водорода усиливается. Также было экспериментально выявлено, что, не смотря на изменение коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого во дорода в ТВС, сохраняется линейная зависимость времени возникновения ион ного тока и продолжительности его сигнала во второй фазе сгорания, от их зна чений в первой фазе сгорания. Таким образом, по ИД, расположенному у свечи зажигания, можно проводить мониторинг исследуемых величин во второй фазе сгорания без использования дополнительного датчика.

В результате проведенных исследований были получены значения ион ных токов, при работе установки на разных скоростных режимах, добавках во дорода и составах ТВС, рисунок 4.

Рисунок 4 – Зависимость ионного тока (I1) на ИД, расположенном у свечи зажигания, и на ИД, удаленном от нее (I2), от состава ТВС и доли в ней водорода:, – rH2=0%;

, – rH2=29%;

, – rH2=47%;

, – rH2=58% Поскольку графические зависимости на обоих скоростных режимах схожи друг с другом, то на рисунке 4 приведены данные только для nквд= об/мин. Характер изменения тока на ИД, расположенных у свечи зажигания и на максимальном удалении от неё, отражает влияние варьируемых параметров на интенсивность протекания химических реакций во фронте пламени. Кроме этого, обнаружено, что для обоих скоростных режимов, наблюдается заметное увеличение ионного тока только при 29% добавке водорода в ТВС.

Изменение концентрации CH в ОГ ДВС в зависимости от состава ТВС и доли водорода в ней пред ставлено на рисунке 5. Результаты испытаний показывают, что концен трация СН в ОГ имеет минимум при =1,14 во время работы установки без добавки водорода в ТВС. Также Рисунок 5 – Зависимость концентрации было обнаружено, что для богатых ТВС добавка водорода в количест CH от состава ТВС и доли в ней вах, изученных в данной работе, не водорода: – rH2=0%;

– rH2=47%;

приводит к заметному снижению – rH2=58% токсичности выхлопа. В свою оче редь, при обеднении ТВС происхо дит убыль концентрации СН в ОГ при тех же концентрациях добав ляемого водорода. Причем умень шение тем интенсивнее, чем беднее ТВС. К подобным результатам пришли исследователи из Гентского университета [Sierens, 2000], уни верситета Цинхуа [Ma, 2009] и Лундского университета [Saanum, 2007] при изучении влияния доба Рисунок 6 – Зависимость величины вок водорода в количестве 10;

20% снижения концентрации CH от состава (n =3800 об/мин), 30;

55% КВД ТВС и доли в ней водорода: (nКВД=800 об/мин) и 25% (nКВД= – rH2=47%, nКВД=900 об/мин;

об/мин) соответственно, на динами – rH2=58%, nКВД=900 об/мин;

ку СН в ОГ ДВС, рисунок 6. Это го зарубежные исследования: ворит о достоверности и универ – rH2=10%;

– rH2=20%;

X – rH2=25%;

сальности найденной закономерно – rH2=30%;

– rH2=55% сти.

Глава четвертая посвящена анализу и обобщению результатов экспери ментального исследования.

Зависимость скорости распространения пламени от состава ТВС, доли в ней водорода и скоростного режима ДВС представлена на рисунке 7. Анализ, которого выявил, что для обоих скоростных режимов, наблюдается увеличение средней скорости распространения пламени при добавке водорода в ТВС. При чиной этому является то, что добавка водорода способствует формированию высокоактивных центров химических реакций и снижению энергии воспламе нения.

а б Рисунок 7 – Зависимость средней скорости распространения пламени от коэффициента избытка воздуха и доли добавляемого в топливо водорода:

а) nКВД = 600 об/мин, б) nКВД = 900 об/мин;

U1:,,, ;

U2:,,, ;

rН2=0%:, ;

rН2=29%:, ;

rН2=47%:, ;

rН2=58%:, Исследование динамики скорости пламени выявило, что, несмотря на из менение скоростного режима, коэффициента избытка воздуха и доли добавляе мого водорода в ТВС, сохраняется линейная зависимость скорости во второй фазе сгорания, от скорости в первой фазе сгорания. Таким образом, учет скоро сти U1 позволит спрогнозировать динамику скорости во второй фазе сгорания.

Анализ осциллограмм импульсов ионного тока показал, что амплитуда сигнала имеет характерную зависимость от состава ТВС. Также было экспери ментально обнаружено, что, несмотря на изменение скоростного режима, ко эффициента избытка воздуха и доли добавляемого водорода в ТВС, сохраняет ся линейная зависимость ионного тока во второй фазе сгорания от ионного тока в первой фазе сгорания. При этом увеличение значения I1 соответствует повы шению I2, т.е. протекание химико-физических процессов вначале сгорания топ лива влияет на I2 и определяет её будущее значение. Таким образом, учет вели чины ионного тока в первой фазе сгорания позволит спрогнозировать развитие ионного тока во второй фазе сгорания, а значит и процессов происходящих в ней.

Также при анализе экспериментальных данных было выявлено сильное снижение роста ионного тока при добавке водорода в ТВС превышающей 29%.

Причина этого, заключается в зависимости ионного тока от концентрации сво бодного радикала СН+, которая зависит от доли углерода в ТВС и скорости рас пространения пламени. Количество углерода в топливе определяет потенци альный резерв образования СН+, а скорость пламени характеризует интенсив ность его образования во время процесса сгорания. При добавке водорода в ТВС одновременно происходит уменьшение концентрации в ней углерода и увеличение скорости распространения пламени.

Согласно этим представлени ям был предложен параметр Sa:

Sa=gC·U, (1) где gC – массовая доля углерода в ТВС;

U – скорость распростране ния пламени, м/с.

На рисунке 8 показана (в от носительных величинах) связь па раметра Sa с ионным током:

I'o = I, (2) I (=1) Sa Sa' o =, (3) Sa( =1) где I(=1) – значение ионного тока, при стехиометрическом составе ТВС, мкА;

Sa(=1) – значение пара метра Sa, при стехиометрическом Рисунок 8 – Связь ионного тока с составе ТВС, м/с.

параметром Sa Анализ рисунка показывает наличие линейной зависимости тока от па раметра Sa, которая сохраняется при изменении скоростного режима двигате ля, коэффициента избытка воздуха, вида топлива (СПГ и бензин) и доли в нем водорода. Данный факт, в дальнейшем, может быть использован для прогно зирования и мониторинга скорости распространения пламени по амплитуде импульса ионного тока, что приведет к упрощению существующей методики исследования процесса сгорания датчиками ионизации.

Пятая глава посвящена анализу связи концентрации СН в ОГ с характе ристиками распространения пламени и с его электропроводностью.

Для определения связи иониза ции пламени с величиной СН был по строен график их зависимости от ко эффициента избытка воздуха, рису нок 9. Изменение тока и СН при по стоянном составе ТВС осуществля лось добавкой водорода в количестве 47%. В результате было обнаружено, что снижение эмиссии соответствует росту амплитуды импульса ионного тока, который говорит об увеличении Рисунок 9 – Связь концентрации CH с интенсивности и полноты сгорания.

На рисунке 10 приведена зави ионным током: – СН;

– I симость концентрации СН от скоро сти распространения пламени, рост значений которой при постоянном со ставе ТВС обеспечивался добавками водорода в количестве 47 и 58%. Чи словые значения на рисунке обозна чают величину коэффициента избыт ка воздуха (), а штриховые линии соединяют одинаковые значения :

0,9;

1,0;

1,1;

1,3. Анализ эксперимен тальных данных показал, что при воз растании скорости происходит сни Рисунок 10 – Влияние скорости рас- жение концентрации СН, причем это справедливо только для бедных сме пространения пламени на эмиссию сей, что объясняется значительной СН: – rН2=0%;

– rН2=47%;

активизацией их сгорания при добав – rН2=58% ках водорода.

Для оценки влияния скоростей пламени на выделение СН был использо ван предложенный П.В. Ивашиным параметр К, который пропорционален от ношению нормальной скорости распространения пламени к турбулентной. С учетом особенностей взаимосвязи скорости распространения фронта пламени и его ионизации модернизированный нами параметр К определялся из условий, что отношение ионного тока к доле углерода в ТВС прямо пропорционально скорости ламинарного горения, а продолжительность основной фазы сгорания обратно пропорциональна турбулентной скорости пламени:

t I K=, (4) gC где t – продолжительность основной фазы сгорания, град. ПКВ;

I2 – ионный ток во второй фазе сгорания, мкА;

gC – массовая доля углерода в ТВС.

В представленном виде концентра ция СН в ОГ имеет характерную зависи мость от параметра К (рисунок 11). Вы явлены значения Копт, соответствующие минимальным концентрациям СН, т.е.

Копт соответствует оптимальному балансу турбулентной и ламинарной скоростей пламени в данных условиях и позволяет оценить их воздействие на выделение СН двигателем. Анализ влияния вида топли Рисунок 11 – Зависимость эмис ва (СПГ и бензин) на параметр К показал, сии СН от параметра К, где чис что он имеет схожие значения для обоих ленными значениями обозначены топлив. Это говорит об универсальности коэффициенты избытка воздуха:

данного параметра, т.е. о возможности – rН2=0%;

– rН2=47%;

его использования в бензиновых и газо – rН2=58% вых двигателях.

Расчетную оценку СН с учетом характеристик распространения пламени было предложено проводить с использованием величины тепловыделения при протекании химических реакций. Поскольку известно, что основной причиной возникновения СН в КС ДВС является локальное гашение пламени, которое, в общем случае, происходит вследствие снижения скорости химических реакций во фронте пламени, способствующее расширению его протяженности и сниже нию скорости распространения пламени, что, в итоге, приводит к убыли тепло выделения. При этом увеличивается объем СН в пристеночных слоях за счет увеличения поверхности КС при завершении процесса сгорания. Таким обра зом, очевидно наличие связи эмиссии СН с величиной тепловыделения: чем она выше, тем интенсивнее протекает процесс горения и тем меньше зон гашения пламени и, следовательно, СН. При этом необходим учет химического состава топлива: доли в нем углерода, водорода и кислорода. Поскольку именно угле род с водородом участвуют во всех процессах образования и развития СН, а ки слород способствует окислению, и как следствие, снижению СН. Таким обра зом, произвести оценку концентрации СН можно по формуле:

g g Fl t с Th1 = C H =, (5) g O Qт.в. t P max Da g g Fl = C H, (6) g O H u см tc = t, (7) Ut U (8) Da = t n, U t n где gС – массовая доля углерода в ТВС;

gН – массовая доля водорода в ТВС;

gО – массовая доля кислорода в ТВС;

Qт.в. – удельное тепловыделение при про текании химических реакций, МДж/кг;

Fl – показатель состава топлива, кг/МДж;

tPmax – интервал времени от начала зажигания до возникновения в ци линдре двигателя максимума давления, с;

tc2 – продолжительность сигнала им пульса ионного тока на ИД, удаленным от свечи зажигания, с;

Da – критерий Дамкёлера (значение принималось равным 100 – величине, определенной уче ными технического университета Эйндховена [Doosje, 2010] для газопоршне вого двигателя, исследуемого в условиях аналогичным нашим).

Учитывая экспериментально найденную связь между tc2 и tc1, а также tPmax с t1 и t2 параметр Th был представлен следующим образом:

Fl tс Th2 =, (9) 1,36 t 2 Da Fl (tс1 0,33 + 0,33) Th3 =. (10) 1,36 (t1 2,94 + 2,94) Da Связь параметров Th1, Th и Th3 с концентрацией СН при разных составах ТВС и добавках в неё водорода пред ставлена на рисунке 12. Ана лиз рисунка показывает нали чие линейной зависимости между параметром Th и кон центрацией CH. Таким обра зом, предложенный параметр, с высокой степенью точности отражает динамику СН и мо Рисунок 12 – Связь концентраци СН с жет быть использован для её параметрами Th1 (,,), Th2 (,,), Th (+,*,х):,,+ – rН2=0%;

,,* – rН2=47%;

оценки при варьировании со ставом ТВС и долей в ней во,,х – rН2=58% дорода.

Определить концентрацию СН в ОГ двигателя, можно по формуле:

CH = Rs Th, (11) где Rs – эмпирический коэффициент, ppm·МДж/кг.

CH (, r ) Rs = H2, (12) Th(, r ) H CH (, r ) где – концентрация несгоревших углеводородов, полученная H экспериментально, ppm;

Th(, r ) – расчетное значение параметра Th, кг/МДж.

H В результате анализа данных, полученных по формуле (12) было выявле но, что коэффициент Rs на всех режимах испытаний изменялся не более чем на 7% и был равен 15·107 ppm·МДж/кг. Это говорит о постоянстве Rs для данного вида топлива и возможности применения одного значения Rs для расчета СН, при различных коэффициентах избытка воздуха и добавках водорода в СПГ.

Концентрации СН, полученные экспериментально и расчетным путем при раз ных коэффициентах избытка воздуха и долях водорода в ТВС представлены на рисунке 13.

а б в Рисунок 13 – Концентрации СН, полученные экспериментально и расчетным путем: а) rН2=0%;

б) rН2=47%;

в) rН2=58% Из рисунков видно, что расчетная концентрация СН практически иден тична концентрации СН, полученной экспериментально, при варьировании ко эффициентом избытка воздуха и долей водорода в ТВС. Следовательно, пред ложенный метод расчета СН, основанный на использовании химико физических свойств ТВС и характеристик распространения пламени, может быть использован для прогнозирования и расчета содержания СН в ОГ газо поршневого двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, результаты экспериментального определения характери стик распространения пламени в первой и второй фазах сгорания и ионного то ка во фронте пламени и анализа их воздействия на концентрацию несгоревших углеводородов в отработавших газах позволяют сделать следующие выводы:

1. Выявлено взаимное влияние концентрации углерода в топливовоздуш ной смеси и скорости распространения пламени на величину ионного тока в метано- и бензовоздушных смесях, что позволит проводить мониторинг скоро сти распространения пламени по амплитуде импульса ионного тока.

2. Выявлена линейная зависимость уменьшения концентрации несгорев ших углеводородов с ростом скорости распространения и ионизации пламени, определяемой по ионному току. При этом, чем сильнее происходит увеличение скорости и ионного тока, тем интенсивнее снижается эмиссия несгоревших уг леводородов.

3. Показана возможность использования модернизированного параметра К, пропорционального отношению нормальной скорости распространения пла мени к турбулентной, для оценки влияния скоростей распространения пламени на выделение несгоревших углеводородов в бензиновых и газовых двигателях.

4. Обнаружено, что добавка водорода приводит к одинаковому снижению концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах вне зависимо сти от конструкции камеры сгорания и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

5. Предложен метод оценки и расчета концентрации несгоревших углево дородов, основанный на использовании характеристик распространения пламе ни. Показано, что предлагаемый метод позволяет определить химико физические свойства топливовоздушной смеси и значения характеристик рас пространения пламени, обеспечивающие снижение выбросов несгоревших уг леводородов в отработавших газах двигателя, использующего в качестве топ лива природный газ и его смесь с водородом (в разных соотношениях).

Список работ опубликованных автором по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Галиев, И.Р. Взаимосвязь характеристик распространения пламени в объемах камеры сгорания у свечи зажигания и в наиболее удаленной от неё зо не в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Вектор науки ТГУ. – 2012. – С. 209 – 215.

2. Галиев, И.Р. Влияние скорости распространения и ионизации пламени на концентрацию несгоревших углеводородов в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – №4. – 2013. – С. 248 – 252.

В прочих изданиях 3. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода в метановоздушную смесь на электропроводность и скорость распространения пламени / И.Р. Галиев, П.В. Ивашин // Материалы II Международной научно-технической конферен ции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энерго безопасность производственных процессов». – 2012. – С. 261 – 264.

4. Галиев, И.Р. Ионный ток и скорость распространения пламени бензо водородовоздушной и метановодородовоздушной смесей в условиях двигателя с искровым зажиганием / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теп лообмена и экология тепловых двигателей». – 2012. – С. 132 – 140.

5. Галиев, И.Р. Влияние скорости распространения пламени на концен трацию несгоревших углеводородов в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ива шин, И.Р. Галиев // Материалы международной научно-практической конфе ренция «Неделя науки СПбГПУ». – 2012. – С. 24 – 25.

6. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода на концентрацию несгоревших углеводородов в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Ма териалы IV международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, об разовании». – 2012. – С. 27 – 28.

7. Галиев, И.Р. Снижение техногенного прессинга на окружающую среду путем введения активирующих добавок в топливо / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы международной, научной конференции «Наука, обра зование, производство в решении экологических проблем». – 2012. – С. 250 – 252.

8. Галиев, И.Р. Использование ионизационного датчика, установленного в свече зажигания, для контроля сгорания в газовом ДВС / А.П. Шайкин, П.В.

Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы международного научно-технического фо рума, посвященного 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ. – 2012. – С. 151 – 152.

9. Галиев, И.Р. Использование метода ионизационных зондов для опреде ления концентрации несгоревших углеводородов в газопоршневых ДВС / И.Р.

Галиев, П.В. Ивашин // Материалы III международной научно-технической конференции «Эффективность и качество в машиностроении и приборострое нии». – 2012. – С. 157 – 160.

10. Галиев, И.Р. Влияние добавки водорода в сжатый природный газ на скорость распространения пламени в первой фазе сгорания / И.Р. Галиев, П.В.

Ивашин // Материалы всероссийской научно-практической конференции сту дентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». – 2012. – С. 83 – 85.

11. Галиев, И.Р. Перспективы снижения токсичности легковых автомоби лей / И.Р. Галиев, А.П. Караченцев / Материалы проектно-аналитической эко логической сессии «Экологическая безопасность в городе». – 2010. – С. 103 – 104.

12. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода в метановоздушную смесь на связь электропроводности со скоростью распространения фронта пламени / А.П. Шайкин, П.В. Ивашин, И.Р. Галиев // Материалы IV Международной на учно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергети ки и электротехнологии». – 2012. – С. 6 – 11.

13. Галиев, И.Р. Определение токсичных компонентов в отработавших га зах газобалонного автомобиля датчиком ионизации / И.Р. Галиев, П.В. Ивашин // Материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, ас пирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсос бережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». – 2012. – С. 41 – 43.

14. Галиев, И.Р. Влияние добавок водорода в топливо на характеристики газопоршневого ДВС / И.Р. Галиев, П.В. Ивашин // Материалы III междуна родной научно-технической конференции «Эффективность и качество в маши ностроении и приборостроении». – 2012. – С. 74 – 77.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.