ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В СОВРЕМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
Authors: Жбанов Н.С. , Попков Н.Е. , Чернышев А.Д. , Официн С.И. , Кирьяков О.В. 
Published: January 2025

Проблема и цель. Двигатель является основообразующим компонентом любой машины. Широкое применение двигатели получили в автомобилестроении, а также в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности. Особое внимание стоит уделить высокопроизводительным двигателям, используемым в современных тракторах и комбайнах. Наряду с этим интерес представляют используемые в машиностроении высокопроизводительные двигатели Д49. Уменьшение эксплуатационных затрат является одной из главных задач, стоящих перед учеными. Не менее значимым является вопрос повышения мощностных характеристик двигателей. Поставленные задачи возможно решить путем модернизации форкамерного зажигания. Целью исследования было изучение процесса воспламенения топливно-воздушной смеси в современных двигателях. Методология. В эксплуатируемых в настоящий момент двигателях имеет место плохое воспламенение топливно-воздушной смеси; одной из причин этого является не лучшее смесеобразование. Данное обстоятельство приводит к тому, что для взятия мощности, в том числе на переходных режимах работы, в рабочую камеру двигателя подается избыточное количество топлива для получения переобогащенной смеси, чтобы обеспечить наилучшее воспламенение. Это ведет к повышенному расходу топлива при взятии мощности, при этом большая часть топливной смеси выбрасывается вместе с выхлопными газами так и не сгорев. Рассматривая энергию инициации воспламенения топливно-воздушной смеси, стоит отметить ограниченность диапазона, который варьируются в пределах от 0,6 до 1,3 Дж. Для уточнения характеристик современных форкамер, способствующих решению данных проблем, были проведены исследования, направленные на определение скоростных показателей распространения воспламененного газа, а также динамику распределения температурного фронта. Результаты. Установлено, что среднее значение давления в момент воспламенения в исследуемых форкмерах составляет 30 бар, при этом распределение давления по рабочей камере цилиндра происходит по смоделированным векторным траекториям, создающим вихревое воспламенение топливно-воздушной смеси. За счет внутренней геометрии спроектированных форкамер воспламенение происходит наилучшим образом. Конфигурация форкамеры влияет не только на скорость воспламенения топливно-воздушной смеси, но и на скорость перемещения воспламененного газа. У исследуемых форкамер в момент воспламенения были зафиксированы разные показатели скорости движения газа, что обусловлено разницей геометрий спроектированных форкамер. Скорость воспламенения у форкамеры первой конфигурации менялась от 2500 до 3000 м/с. У форкамеры второй конфигурации значение аналогичного параметра находилось в пределах от 600 до 1700 м/с. Особое внимание стоит уделить также скорости на выходе из соплового канала. Можно отметить, что истечение газа, происходящее вследствие перепада давлений по длине патрубка, может характеризоваться как дозвуковой, так и сверхзвуковой скоростью истечения. В выходном сечении соплового канала форкамеры первой конфигурации значение скорости составило 800 м/с; впоследствии она стала постоянной.. Скорость истечения газа из соплового канала форкамеры второй конфигурации составила 1800 м/с и являлась сверхзвуковой. Исходя из данных, полученных в результате исследований и расчетов, было установлено, что современные двигатели имеют высокие значения воспламенения газовоздушной смеси и значительно превосходят по данному параметру предшествующие аналоги. Данное превосходство стало возможным благодаря конструкции форкамерного зажигания современных двигателей. Модернизация форкамеры, а именно изменение ее геометрической формы, способна качественно улучшить смесеобразование, что, в свою очередь, позволит обеспечить наилучшее воспламенение газовоздушной смеси, увеличить мощность, повысить полноту сжигания газовоздушной смеси, уменьшить выбросы в атмосферу не отработавших газов.
Problem and purpose. The engine is the main component of any machine. Engines have been widely used in the automotive industry, as well as in the agricultural and processing industries. Special attention should be paid to high-performance engines used in modern tractors and combines. Along with that, high-performance D49 engines used in mechanical engineering are of interest. Reducing operating costs is one of the main tasks facing scientists. Equally important is the issue of increasing the power characteristics of engines. The tasks set can be solved by upgrading the pre-chamber ignition. The purpose of the study was to study the ignition process of the fuel-air mixture in modern engines. Methodology. In the engines currently in operation, there is a poor ignition of the fuel-air mixture, one of the reasons for this is not the best mixing. This circumstance leads to the fact that in order to take power, including during transient operating modes, an excessive amount of fuel is supplied to the engine's working chamber to obtain a re-enriched mixture to ensure the best ignition. This leads to increased fuel consumption when taking power, despite the fact that most of the fuel mixture is emitted along with the exhaust gases without burning. Considering the ignition energy of the fuel-air mixture, it is worth noting the limited range, which ranges from 0.6 to 1.3 J. To clarify the characteristics of modern pre-chambers contributing to the solution of these problems, studies were conducted aimed at determining the velocity parameters of the spread of ignited gas, as well as the dynamics of the distribution of the temperature front. Results. It was found that the average pressure at the moment of ignition in the studied forkmeres is 30 bar, while the pressure distribution in the working chamber of the cylinder occurs along modeled vector trajectories that create a vortex ignition of the fuel-air mixture. Due to the internal geometry of the designed pre-chambers, ignition occurs in the best possible way. The confguration of the pre-chamber afects not only the ignition rate of the fuel-air mixture, but also the speed of movement of the ignited gas. At the time of ignition, diferent gas velocity indicators were recorded for the studied pre-chambers, which is due to the diference in the geometries of the designed pre-chambers. The ignition rate of the pre-chamber of the frst confguration varied from 2500 to 3000 m/s. In the pre-chamber of the second confguration, the value of a similar parameter was in the range from 600 to 1700 m/s. Special attention should also be paid to the velocity at the outlet of the nozzle channel. It is worth noting that the gas outfow occurring as a result of the pressure diference along the length of the branch pipe can be characterized by both subsonic and supersonic outfow speeds. In the outlet section of the nozzle channel of the prechamber of the frst confguration, the velocity value was 800 m / s, which subsequently became constant and did not change in the process. The gas outfow speed from the nozzle channel of the prechamber of the second confguration was 1800 m / s and was supersonic. Based on the data obtained as a result of research and calculations, it was found that modern engines have high values of ignition of the gas-air mixture and signifcantly exceed their previous analogues in this parameter. This superiority was made possible by the design of the prechamber ignition of modern engines. Modernization of the pre-chamber, namely, changing its geometric shape, can qualitatively improve mixing, which in turn will ensure the best ignition of the gas-air mixture, increase power, increase the completeness of combustion of the gas-air mixture, reduce emissions of non-exhaust gases into the atmosphere.