Оценка параметров бензинового двигателя,
работающего на метановой смеси
Магистрант Тугарин Андрей Павлович
ФГБОУ ВО СПбГАУ
Санкт-Петербург, Россия
В современных условиях эксплуатации автомобильных двигателей газовое топливо из альтернативного перешло в самостоятельный вид моторного топлива.
Исследования процессов сгорания и смесеобразования показали, что для оптимизации мощностных, экономических и экологических характеристик при работе на метановой смеси двигателей внутреннего сгорания (ДВС) необходимо осуществить подбор рационального сочетания конструктивных характеристик предкамеры, регулирования топливной и воздушной магистралей системы питания, организации расслоения заряда в ведущей камере [1].
Анализ результатов опубликованных работ, направленных на повышение топливной экономичности за счет сжигания бедных смесей показал, что использование двигателей с факельным зажиганием при эксплуатации бензиновых двигателей является одним из наиболее перспективных методов.
Количественное регулирование нагрузки в автомобильных бензиновых двигателях имеет следующие преимущества:
- сокращение потерь тепловой энергии в охлаждающую жидкость и на диссоциацию в итоге понижения температуры газов, а еще вследствие сокращения теплоемкости продуктов сгорания;
- сокращение насосных потерь в связи с отсутствием необходимости в дросселировании на всасывании.
Бензиновый двигатель более 80 % времени работает с нагрузкой от 10 до 30 % от номинальной на высокоскоростных режимах от 1500 до 4000 мин-1. Для таких режимов необходимо обогащать рабочую смесь, что вызывает увеличение длительности сгорания смеси и неравномерную работу двигателя на бедных смесях. Для устойчивой работы двигателя на частичных нагрузках обогащение смеси ведет к увеличению затрат топлива и увеличению продуктов неполного сгорания, что вызывает загрязнение воздушного пространства городов.
Процессу сгорания в бензиновых двигателях характерно противоречие между первой фазой, требующей наименее завихренного состояния смеси перед сгоранием, и второй фазой, требующей более интенсивного завихрения смеси.
При использовании факельного зажигания воспламенение рабочей смеси в ведущей камере сгорания происходит от мощного факела высокотемпературных продуктов сгорания, выбрасываемых сквозь сопловые отверстия дополнительной камеры сгорания, где осуществляется зажигание смеси запальной свечой. Продукты неполного сгорания, ускоряющие химические реакции в заряде ведущей смеси, что в целом ускоряет ее воспламенение и сгорание в цилиндре двигателя. Турбулизирующее воздействие факела горящих газов вызывает сокращение периода задержки горения [2, 3].
Таким образом, факельное зажигание позволяет ускорить процессы сгорания обедненных смесей, увеличить тепловыделения и, значит, увеличить экономичность двигателя. Уменьшение периодов сгорания при факельном зажигании понижает предрасположенность к детонационному сгоранию, т.к. для образования соединений, вызывающих детонацию, отводится меньше времени. Факельное зажигание гарантирует абсолютное сгорание рабочей смеси при уменьшении температуры выпускных газов.
Исследовательскими работами установлено [4, 5], что использование схемы факельного зажигания заметно снижает токсичность выброса с продуктами сгорания, содержание оксида углерода уменьшается в 4-5,. раз, канцерогенных препаратов (3,4 - бензпирен) в 4-6 раз, оксидов азота в 5-6 раз.
Положительной чертой модернизированной системы является также, что переоборудование серийного двигателя на факельное зажигание возможно с наименьшими расходами, быстро окупающимися за счет экономии топлива.
В связи с этим предлагается применить комбинированную, двухкамерную систему смесеобразования при сжигании метановой смеси для организации рационального процесса сгорания в зависимости от режимов работы бензинового двигателя.
Однако внедрение метановых смесей в качестве альтернативного топлива, связанно с выполнением рядом специфических требований, которые нужно решить при организации рабочего процесса двигателя. Одним из требований является обеспечение устойчивого воспламенения и сжигания обедненной метановой смеси с воздухом на пусковых и частичных режимах работы двигателя. Для этого необходимо изменить конструктивные характеристики предкамеры, которые позволят организовать необходимые значения скорости газовых потоков, давления и температуры газов, коэффициента избытка воздуха в камере с учетом направления протекания рабочего процесса при наименьшей энергии воспламенения запальной части заряда. Устойчивое воспламенение и горение запальной части заряда обеспечит тепловой импульс для воспламенения и ускоренного сгорания главного заряда в цилиндре.
Газообмен между предкамерой и цилиндром значимо воздействует на термодинамические характеристики камеры. На такте впуска метановая смесь поступает в предкамеру за счет разряжения в цилиндре из независящей системы питания, обеспечивая продувку камеры от остаточных газов и заполнения ее газовой смесью. На такте сжатия газовоздушная смесь из цилиндра нагнетается в предкамеру совместно с остаточными газами и увеличивает в ней коэффициент избытка воздуха от нулевой отметки до расчетного значения.
При изменении коэффициента избытка воздуха б от 0,5 до 0,8 для метановой смеси энергия воспламенения аппроксимируется полиномом вида Qв = 26,3317б4 -178,4966б3 + 303,6328б2 -198,6652б + 5,48667, при изменении б от 0,8 до 2 полиномом вида Qв = 10,48694б4-32,24132б3+37,4894б-19,11923б + 3,790225.
Масса газа, находящаяся в цилиндре в конце впуска, представляет собой газовую смесь состава
Мв = б L0Ма/ [(бL0+ 1)(г0+ 1)],
где L0 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания одной массовой или объемной единицы измерения метановой смеси.
Коэффициент избытка воздуха в предкамере к моменту воспламенения выражается зависимостью
бк = Мвк// (L0* Могк) = б Мк / [Мк + Мвг(бL0 + 1)(г0 + 1)].
бензиновый двигатель метановый зажигание
Анализ последнего уравнения показывает, что основное влияние на коэффициент избытка воздуха в предкамере бк оказывают коэффициент избытка воздуха в цилиндре б, количество воздуха, вытесненного из цилиндра в предкамеру, и количество метановой смеси, поступившее в предкамеру на такте впуска, а также теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного кг метановой смеси.
Решение системы уравнений относительно коэффициента избытка воздуха б позволяет определить оптимальные значения этого коэффициента и пределы его изменения, при которых энергия воспламенения метановой смеси с воздухом будет минимальной. Так, для метановой смеси при ? = 0,59 … 0,85 минимальная энергия воспламенения составит Qв = 0,28 … 0,31 мДж.
Список использованных источников
1 Мужиливский П.М., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Золотаревский JI.C. Природный газ в качестве моторного топлива // Газовая промышленность, 1981. - №?12. - С. 47?49.
2 Салова Т.Ю., Т. Корабельников С.К. Исследования условий образования оксидов азота в процессе сгорания топлив //Научно-технические ведомости СПбГТУ, №2. - 2009.- С. 78-90.
3 Салова Т.Ю., Николаенко А.В., Сапожников С.В. Результаты экспериментальных исследований влияния температурного режима работы двигателя с искровым зажиганием на его эксплуатационные показатели //Сб. тр. СПбГАУ "Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей". СПб., 2006. - С.396-408.
4 Михеев В. П. Газовое топливо и его сжигание. - JI.: Недра, 1966. - 327с. 5 Гитлин H.H., Николаенко A.B. О возможности форсирования и повышения экономичности двигателя ГАЗ 21 при впрыске топлива и факельном зажигании // Записки Ленинградского сельскохозяйственного института, 1962. -№?89. -С. 191?197.