Investigation of the main factors of the process of ignition of a homogeneous mixture from compression in an ICE

Full Text

Введение Перспективным направлением развития двигателестроения является разработка двигателей с воспламенением обедненной гомогенной смеси от сжатия во всем объеме без турбулентного распространения пламени (HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition). Процесс сгорания в данном двигателе осуществляется за минимальный период времени. Экспериментальные исследования показали, что в большинстве режимов работы двигателя продолжительность тепловыделения составляет 6-12° ПКВ и только на некоторых режимах увеличивается до 20-25° ПКВ. Именно столь интенсивное тепловыделение при высокой полноте сгорания и минимальных потерях определяет высокий КПД процесса и экономичность двигателя. Кроме того, в данных двигателях регулирование мощности осуществляется за счет изменения количества подаваемого топлива через форсунку, тем самым уменьшаются насосные потери. Поэтому КПД у двигателя с HCCI-процессом больше, чем у двигателей с искровым зажиганием, у которых продолжительность сгорания больше (до 50° поворота коленчатого вала), регулирование, как правило, количественное, и имеются ограничения степени сжатия и выше КПД дизелей, продолжительность процесса сгорания, у которых наибольшая (до 100° поворота коленчатого вала) из-за одновременного протекания процессов смесеобразования и сгорания [1, 2]. Основное требование к топливу при осуществлении HCCI-процесса - возможность образования гомогенной смеси. Следовательно, такой двигатель может работать на большинстве традиционных и альтернативных видов топлива: дизельном, бензине, природном и сжиженном газе, спиртах, диметиловом эфире и т.д. В условиях жестких требований снижения токсичности отработавших газов двигатели с HCCI-процессом имеют несомненное преимущество. Сгорание бедных смесей приводит к уменьшению уровня температур цикла без образования высокотемпературных зон [4] и, следовательно, позволяет достичь ультранизких концентраций NOx. Полное сгорание бедных смесей гарантирует отсутствие сажи. А высокая экономичность приводит к уменьшению выбросов CO2, влияющих на парниковый эффект. Основными проблемами HCCI-процесса, ограничивающими широкое распространение данных двигателей в промышленности, являются [2-4]: 1. Сложность обеспечения в камере сгорания условий для самовоспламенения рабочей гомогенной смеси вблизи ВМТ во всем диапазоне режимов работы двигателя. 2. На больших нагрузках при увеличении подачи топлива и уменьшении обедненности смеси самовоспламенение во всем объеме приводит к значительным ударным нагрузкам, что в свою очередь ведет к увеличению уровня шума и, что самое опасное, к возможности разрушения всего поршня. 3. При запуске холодного двигателя, особенно в зимнее время, и при эксплуатации на режимах холостого хода возникают определенные сложности с самовоспламенением смеси [3]. Приготовление гомогенной смеси и управление моментом воспламенения составляет основную проблему создания серийных двигателей с HCC-процессом, от решения которой зависит, станут ли двигатели этого класса доминировать на потребительском рынке. Частично проблема гомогенизации топливовоздушной смеси может быть решена путем многостадийного впрыска топлива во время процесса впуска [5]. В работах [1, 3] предложены следующие методы решения задачи управления моментом воспламенения: · изменение подогрева рабочей смеси на впуске в двигатель; · рециркуляция ОГ; · внутренняя рециркуляция ОГ с использованием механизма изменения фаз газораспределения; · оперативное изменение степени сжатия; · регулирование химического состава топлива; · плазменная активация свежего заряда в камере сгорания; · торможение реакций самовоспламенения за счет воздействия на термохимическое состояние заряда. Одним из эффективных способов регулирования момента воспламенения является организация внутренней рециркуляции отработавших газов [1, 8]. Экспериментальные исследования показывают, что на момент воспламенения определяющее влияние оказывает количество и температура остаточных газов в цилиндре от предшествующего рабочего цикла. Чем больше в цилиндре остаточных газов, имеющих высокую температуру и в своем составе активные химические соединения, тем выше температура сжимаемой смеси и вероятность ее воспламенения. Для увеличения количества остаточных газов выпускные клапаны закрываются до прихода поршня в ВМТ и тем самым значительная часть остаточных газов остается в цилиндре. Данное направление неразрывно связано с реализацией сложного газораспределительного механизма с микропроцессорным управлением фазами газораспределения в широких пределах и с высокой точностью, чутко реагирующая на все изменения режима. Предварительно необходимо провести широкомасштабные расчетные и экспериментальные исследования разрабатываемого двигателя, которые позволят определить для всего диапазона режимов работы двигателя зависимости момента воспламенения от количества остаточных газов. Менее эффективно, но также возможно использование внешней рециркуляции ОГ. Важным направлением является использование на режимах пуска, холостого хода и больших нагрузках традиционной системы с искровым зажиганием. На остальных режимах используется HCCI-процесс. Для компенсации потери мощности при использовании обедненных смесей, при работе на которых HCC-процесс наиболее эффективен, используется наддув - турбонаддув (имеется сложность применения во всем диапазоне), механический наддув (возрастают потери мощности) или их сочетание. Другим вариантом компенсации потери мощности может быть использование двухтактного процесса. Перечисленные способы могут использоваться в сочетании, если это будет экономически целесообразно. Увеличение использования электродвигателей на транспорте делает перспективным применение гибридных силовых установок. Как известно, двигатель внутреннего сгорания в гибридной силовой установке работает в узком диапазоне режимов. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на обедненных смесях, позволит увеличить эффективность гибридной силовой установки на отдельных режимах, где использование HCCI-процесса неэффективно или затруднено, работать силовая установка будет от электричества. В работе [4] рассматривается еще один метод управления самовоспламенением посредством совместного использования регулируемого турбонаддува и рециркуляции отработавших газов. Еще одним методом влияния на момент самовоспламенения и динамику развития процесса сгорания является изменение интенсивности теплообмена и динамики роста температуры в цилиндре [6-11]. В результате момент воспламенения, который определяется уровнем температуры топливовоздушной смеси, изменяется соответственно в ту или иную сторону при одновременном изменении закона выгорания топлива. Цель и объект исследования Основной целью данного исследования являлось исследование влияния различных факторов на процесс гомогенизации смеси, который является определяющим в обеспечении эффективного протекания HCCI-процесса. В качестве объекта расчетного исследования использовался одноцилиндровый поршневой двигатель, имеющий: · номинальную частоту вращения - 2000 мин-1; · объем цилиндра - 1300 см3; · степень сжатия - 20. Исходные данные: · частота вращения варьировалась (1000 мин-1 и 2000 мин-1); · температуры стенки цилиндра, клапана и камеры сгорания брались равными соответственно 160°С, 400°С и 250°С в соответствии с типичным тепловым состоянием элементов поршневых двигателей [10]; · температура поршня варьировалась от 280°С до 500°С; · температура компонентов топливовоздушной смеси на входе в клапан варьировалась от 30°С до 60°С; · относительные объемы воздуха и жидкого топлива, входящих в цилиндр, брались приблизительно равными 0,99985 и 0,00015 соответственно; · средний диаметр капель топлива на входе в цилиндр брался равным 0,1 и 0,03 мм. Расчетные исследования Для организации процесса сгорания HCCI-процесса необходимо сначала проанализировать состояние топливовоздушной смеси к моменту самовоспламенения. В данном исследовании для решения задачи гомогенизации топливовоздушной смеси в качестве физической модели была взята объемная модель цилиндра двигателя с движущимся поршнем. На такте впуска через клапан поступает воздух с каплями распыленного топлива. Входящая в цилиндр смесь нагревается и топливо начинает испаряться. На такте сжатия процесс испарения топлива продолжается, но уже в основном за счет теплоты, выделяющейся при сжатии рабочего тела. Значения взятых в расчетах диаметров капель топлива соответствуют давлению перед форсункой 60 Бар и 600 Бар. То есть диаметр капли 0,03 мм может быть получен при использовании насоса высокого давления используемого в дизельных двигателях, в то время как капли диаметром 0,1 мм вполне соответствуют топливной аппаратуре бензинового двигателя. Из результатов данного исследования следует, что наибольшее влияние на процесс гомогенизации топливовоздушной смеси оказывает увеличение температуры поверхности поршня. Проведенные вариантные расчеты процесса смесеобразования на тактах впуска и сжатия в цилиндре поршневого двигателя, работающего по циклуHCCI-процесса, также показали, что мелкость распыла топлива и температура входящей в цилиндр топливовоздушной смеси оказывают существенное влияние на процесс гомогенизации топливовоздушной смеси, причем основной вклад в процесс гомогенизации смеси происходит на такте впуска. Уменьшение диаметра капель с 0,1 мм до 0,03 мм приводит к росту относительной массы испарившегося топлива в 2 раза. Увеличение температуры топлива на входе в цилиндр в отличие от увеличения температуры воздуха не будет приводить к существенному снижению мощности и эффективности двигателя. Поэтому интенсификация процесса гомогенизации топливовоздушной смеси посредством подогрева топлива перед его подачей в цилиндр представляется весьма перспективной. Подогрев топлива будет эффективным и безопасным, если его осуществлять, например, горячим теплоносителем, взятым из системы охлаждения двигателя. Количество испарившегося топлива на такте впуска вполне соизмеримо с величиной испарившегося топлива на такте сжатия. На графиках, представленных на рис. 1 и 2 хорошо видно влияние температуры входящей смеси. Рис.1. Увеличение относительной массы паровой фракции топлива на такте впуска при температуре входящих в цилиндр воздуха равного 30°С и топлива 60°С. Рис. 2. Увеличение относительной массы паровой фракции топлива на такте впуска при температуре входящих в цилиндр воздуха и топлива равных 50°С. Наиболее сильное влияние оказывает увеличение температуры входящего в цилиндр жидкого топлива. Так, в случае, когда входящие в цилиндр воздух и топливо имеют температуру 50°С, относительная масса испарившегося топлива на такте впуска равна 0,0035, а при температурах воздуха 30°С и топлива 60°С относительная масса испарившегося топлива достигает величины 0,00415. Как показали расчеты на такте сжатия относительная масса испарившегося топлива увеличивается. При температуре смеси 50°С относительная масса испарившегося топлива равна 0,05, а при температурах воздуха 30°С и топлива 60°С - 0,11 (сравнение на такте сжатия производится в момент времени 0,051 с). Данные выводы подтверждаются исследованиями [11], где показано, что HCCI-процесс может быть достигнут в двигателе с принудительным воспламенением смеси от свечи зажигания, который имеет низкую степень сжатия с повышенными температурами всасывания (300-500°C). В общем, температура всасываемого заряда оказывает сильное влияние на время сгорания HCCI. На рис. 3 показана развернутая индикаторная диаграмма (зависимость давления в камере сгорания от угла поворота коленчатого вала) для 2-тактного двигателя с частотой вращения 6000 об/мин. При увеличении общей температуры газа значительно ускоряется синхронизация сгорания HCCI-процесса. При температуре 575°К момент самовоспламенения максимально приближен в ВМТ. Кроме того, при уменьшении температуры всасывания максимальное давление цилиндра уменьшается, но при температуре на входе 525°К момент самовоспламенения настолько задерживается, что возможны некоторые пропуски зажигания. Рис. 3. Давление цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала при различных температурах всасывания Однако, как показали выполненные исследования, наибольшее влияние на процесс гомогенизации топливовоздушной смеси оказывает увеличение температуры поверхности поршня. Рис. 4. Увеличение относительной массы паровой фракции топлива на такте сжатия при температуре поршня равной 280°С. Рис. 5. Увеличение относительной массы паровой фракции топлива на такте сжатия при температуре поршня равной 500°С. Влияние температуры поршня на процесс испарения топлива и гомогенность свежего заряда весьма существенна (рис. 4 и 5): так при увеличении температуры поршня с 280°С до 500°С относительная масса испарившегося топлива на такте впуска растет с 0,0043 до 0,119, а на такте сжатия с 0,00132 до 0,0035. Увеличение температуры поршня до 500°С и выше может быть получено за счет установки на поршень накладки из жаропрочной стали с низким коэффициентом теплопроводности или посредством нанесения на поршень керамического покрытия. Этот вывод был подтвержден результатами экспериментальных исследований на одноцилиндровом ДВС установки ИТ9-2 при его работе по циклу HCCI-процесса. Устойчивое самовоспламенение топливовоздушной смеси на двигателе было получено только после установки на поршень накладки из жаропрочной стали. Таким образом, как видно из приведенных выше графиков, наибольшее влияние на процесс гомогенизации топливовоздушной смеси оказывает увеличение температуры поверхности поршня. На увеличение температуры смеси и, следовательно, на эффективность самовоспламенения можно повлиять также с помощью конструирования поршня. Например, использование составного поршня с головкой из стали или чугуна, а в перспективе из композитного материала, или цельнометаллического поршня со специальным покрытием на огневой поверхности, обеспечивающее уменьшение теплоотвода от газов в надпоршневом объеме цилиндра и, тем самым, увеличение температуры газов в цилиндре. Заключение 1. В статье определены основные направления развития двигателей с HCCI-процессом, позволяющие решить вопросы управления моментом самовоспламенения смеси и расширения диапозона режимов работы двигателя, а именно: · использование HCCI-процесса в сочетании с процессом с принудительным воспламенением от свечи зажигания на высоких нагрузках и при запуске холодного двигателя; · сочетание распределенного и непосредственного впрыска с использованием изменяемых фаз газораспределения и рециркуляции отработавших газов; · совместное использование регулируемого турбонаддува и рециркуляции отработавших газов; · использование HCCI-процесса в гибридных силовых установках; · изменение подогрева рабочей смеси на впуске в двигатель; · рециркуляция ОГ; · внутренняя рециркуляция ОГ с использованием механизма изменения фаз газораспределения; · регулирование химического состава топлива; · торможение реакций самовоспламенения за счет воздействия на термохимическое состояние заряда; · изменение интенсивности теплообмена и динамики роста температуры в цилиндре, в первую очередь, за счет изменения температуры днища поршня. 2. Проведены расчетные исследования процесса с воспламенением гомогенной смеси от сжатия. Установлено, что наибольшее влияние на процесс гомогенизации топливовоздушной смеси оказывает увеличение температуры поверхности днища поршня. При увеличении температуры днища поршня с 280°С до 500°С относительная масса испарившегося топлива увеличивается в 3 раза. Уменьшение диаметра капель с 0,1 мм до 0,03 мм приводит к росту относительной массы испарившегося топлива в 2 раза. Влияние температуры смеси и топлива рассчитывалась для двух вариантов (температуре смеси 50°С и при температурах воздуха 30°С и топлива 60°С). Как показали расчеты на такте сжатия разница в испарившемся топливе увеличивается. На такте сжатия для варианта смеси с температурой топлива 60°С относительная масса испарившегося топлива увеличивается в 2 раз.

About the authors

A. R Makarov

Peoples' Friendship University of Russia

Email: a-r-makarov@yandex.ru
Ph.D.

S. V Smirnov

Peoples' Friendship University of Russia

Ph.D.

A. V Kostyukov

Moscow Polytechnic University

Ph.D.

K. A Ponomareva

Peoples' Friendship University of Russia

References

Supplementary files