Пути повышения надежности воспламенения топливовоздушной смеси газовых двигателей от искры электрического разряда

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

УДК 621.43.052

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ИСКРЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.Н. Кабанов, доцент, к.т.н.,

А.П. Кузьменко, аспирант, Э.Р. Муртазаев, студент, ХНАДУ

Аннотация. Приведены результаты расчётной оценки энергии воспламенения топливовоздушных смесей газовых двигателей. Выполнено исследование влияния добавок водорода в различных пропорциях на процесс воспламенения топливовоздушной смеси в газовом двигателе.

Ключевые слова: газовый двигатель, энергия воспламенения, топливо, сжатый природный газ, водород.

ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ ЗАПАЛЮВАННЯ ПАЛИВОПОВІТРЯНОЇ СУМІШІ ГАЗОВИХ ДВИГУНІВ ВІД ІСКРИ

ЕЛЕКТРИЧНОГО РОЗРЯДУ

Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., О.М. Кабанов, доцент, к.т.н.,

А.П. Кузьменко, аспірант, Е.Р. Муртазаєв, студент, ХНАДУ

Анотація. Наведено результати розрахункової оцінки енергії запалювання паливоповітряних сумішей газових двигунів. Виконано дослідження впливу добавок водню в різних пропорціях на процес запалювання паливоповітряної суміші в газовому двигуні.

Ключові слова: газовий двигун, енергія запалювання, паливо, стиснутий природний газ, водень.

WAYS OF INCREASING AIR-FUEL MIXTURE IGNITION RELIABILITY OF GAS ENGINES FROM ELECTRIC DISCHARGE

F. Abramchuk, Professor, Doctor of Technical Science, A. Kabanov, Associate Professor, Candidate of Technical Science, A. Kuzmenko, graduate,

E. Murtazaev, student, KhNAHU

Abstract. The results of the rated estimation of the air-fuel mixture ignition energy of gas engines has been shown. The research of influence of hydrogen additions in different proportion on fuel-air mixture ignition process in the gas engine has been carried out.

Key words: gas engine, ignition energy, fuel, compressed natural gas, hydrogen.

Введение

Традиционные моторные топлива, используемые на транспорте, производятся из нефти, природные ресурсы которой быстро иссякают, а её добыча непрерывно дорожает. Наряду с этой проблемой стоит проблема экологии, связанная с высоким уровнем токсичности отработавших газов транспортных двигателей. По всему миру развёрнута про-

грамма конвертирования бензиновых двигателей для работы на сжатом природном газе (СПГ). Это даёт возможность снизить уровень токсичных выбросов двигателя, увеличить ресурс деталей и существенно снизить затраты на топливо. Но этот тип двигателей имеет и ряд недостатков, одним из которых является низкая надёжность воспламенения топливовоздушной смеси, что приводит к затруднённому запуску холодного двигателя,

нестабильной работе двигателя на бедных смесях и т.д.

Одним из возможных путей решения этой проблемы является использование высокоэнергетической системы зажигания, что влечёт за собой значительные экономические затраты. Но есть и другое решение данной проблемы - использование водорода в качестве добавки к топливовоздушной смеси, дающее возможность понизить требуемую энергию зажигания.

Анализ публикаций

Процессы, происходящие в газе при искровом разряде, были проанализированы такими советскими учёными как К. С. Вульфсон [5],

Н. Н. Соболев [4] еще в первой половине ХХ века.

Я. Б. Зельдович и Н. Н. Симонов в 1949 году вывели теоретическую зависимость минимальной энергии, необходимой для воспламенения газообразной горючей смеси, от физических свойств смеси, продуктов горения и скорости распространения пламени [2].

Впервые использование водорода в качестве моторного топлива для подводных лодок было отмечено в конце 20-х - начале 30-х годов XX века в Германии и Англии. Также в годы Великой отечественной войны в блокадном Ленинграде проводились испытания грузовых автомобилей, работающих на водороде из отработавших аэростатов [3]. И в тех, и в других случаях учёные сталкивались с трудностями при организации рабочего процесса двигателя. Со временем, в семидесятые годы ХХ века, на просторах бывшего СССР, в США, Японии и других высокоразвитых странах проводились масштабные научноисследовательские работы, связанные с использованием водорода в качестве моторного топлива [3].

Возможность использования водорода в качестве добавки к топливовоздушной смеси обсуждается уже долгое время. В НАМИ под руководством Е. В. Шатрова был создан опытный автомобиль РАФ 22034, работающий на бензоводородных смесях, который прошёл комплекс стендовых и дорожнолабораторных испытаний [6]. В Тольяттин-ском государственном университете под руководством А. А. Брызгалова были проведены исследования влияния добавок водорода к метановоздушной смеси на мощностные, экологические и экономические показатели

двигателя. Опыты проводились на газовом двигателе КамАЗ-820.53-260 [7].

Цель и постановка задачи

Целью исследования является повышение надёжности воспламенения топливовоздушной смеси газовых двигателей. Для этого в работе решаются следующие задачи: разработка методики расчёта энергии зажигания смесей топлив с воздухом; выполнение расчётной оценки энергии воспламенения различных топлив; разработка рекомендаций по увеличению надёжности воспламенения топливовоздушной смеси в газовом двигателе с искровым зажиганием.

Методика расчётного исследования

Рассмотрим искровой разряд как мгновенный точечный источник тепла. За довольно малый промежуток времени электрический разряд нагревает небольшой сферический объём. Разряд затухает, и накопленная в этом начальном объеме теплота передаётся за счёт теплопроводности в окружающие концентрические слои. Температура в начальном объёме снижается, а в прилежащих слоях -увеличивается.

На рис.1 изображён характер изменения температуры в инертном газе после прекращения разряда, по истечении ряда последовательных интервалов времени Ть т2, ..., тп.

Рис. 1. Изменение температуры в зоне электрического разряда

В нашем случае газ горючий, поэтому снижение температуры замедлится, за счёт выделения тепла химических реакций горения. Когда температура в некотором шарообразном объёме снизится до значения, близкого температуре пламени Тпл в данной смеси, причём радиус нагретой сферы гкр будет больше критического, дальнейшее снижение температуры прекратится, т.к. отвод тепла из зоны очага воспламенения полностью компенсируется теплотой экзотермических химических реакций в этом очаге, т. е. создадутся условия, аналогичные горению во фронте пламени [1].

Критические условия воспламенения искрой сводятся к нагреву до температуры пламени за счёт энергии разряда газовой сферы, радиус которой приблизительно втрое больший, чем толщина фронта ламинарного пламени для данной смеси при данных условиях

5 ~ —

ин Ср-р-ин’

г = 3 -5

кр п

где х - коэффициент температуропроводности; X - коэффициент теплопроводности; Ср -изобарная теплоёмкость смеси; р - плотность смеси; ин - нормальная скорость распространения пламени.

Минимальная энергия, необходимая для воспламенения смеси Qкр, при неизменном давлении должна быть обратно пропорциональна кубу нормальной скорости распространения пламени, а температуропроводности углеводородов близки к температуропроводности воздуха и мало зависят от состава и природы смеси [2].

В общем случае мы имеем выражение

Qкp *з-п-

где 5пл - толщина фронта ламинарного пламени.

где Тг - температура воспламенения смеси; Т0 - температура окружающей среды.

При значениях г > гкр сферический фронт пламени способен к самостоятельному распространению в несгоревшей смеси, но при г < Гкр пламя гаснет, т.к. отдача теплоты в окружающие слои смеси превышает теплоту, выделяющуюся в процессе химических реакций [2].

В свою очередь, толщина фронта ламинарного пламени пропорциональна коэффициенту теплопроводности горючей смеси и обратно пропорциональна нормальной скорости распространения пламени

Подставив в это уравнение значения соответствующих параметров для тех или иных составов топливовоздушных смесей, можно сравнить значения критических тепловых мощностей для тех или иных смесей, чтобы понять - на какую величину следует изменить эти значения для получения желаемого результата.

Смесь природного газа с воздухом имеет большую температуру и энергию воспламенения, чем бензовоздушная смесь (табл. 1).

Таблица 1 Физико-химические свойства топлив

Единицы измерения Бензин Сжатый природный газ Водород

Низшая теплота сгорания МДж/кг 44 52,8 120

МДж/м2 192,3 38,02 10,8

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива кг/кг 14,95 16,65 34,23

м3/м3 50,06 10,10 2,38

Молярная масса кг/кмоль 115 17,23 2,016

Плотность при н. у. кг/м3 4,37 0,7455 0,09

Коэффициент теплопроводности при н. у. Вт/(м-К) 0,014 0,0304 0,169

Коэффициент температуропроводности при н. у. м2/(с-106) 10,0 19,7 24,4

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/(кг-К) 0,322 2,071 14,189

Температура воспламенения С 530 660 630

Коэфициент диффузии при н. у. м2/(с-106) 8 19,6 63

Октановое число - 8 9 5 9 0 О 3 о 0 7 5 4

Характеристическая газовая постоянная Дж/(кг-К) 72,3 482,5 4124,0

В комплексе с низкой теплопроводностью и низкой нормальной скоростью распространения пламени это способствует тому, что возникает проблема надёжного воспламенения газовоздушной смеси при её обеднении. Одним из путей решения этой проблемы является использование высокоэнергетической системы зажигания, способной обеспечить разряд достаточной мощности. Однако если использовать водород в качестве добавок к газовоздушной смеси, то можно увеличить теплопроводность, нормальную скорость распространения пламени, понизить энергию воспламенения газовоздушной смеси и, таким образом, решить проблему надёжного воспламенения газовоздушной смеси при её обеднении.

Рассмотрим случай горения смеси природного газа и воздуха при нормальных условиях (н. у.), т.е. при Т0 = 273 К и р0 = 0,1 МПа.

Плотность смеси рсмеси определим по формуле

Рсмеси =Е

где р. - плотность .-го компонента; . - объемная доля .-го компонента.

Теплопроводность смеси Хспг+возд определим по формуле

1

спг+возд

где гвозд, гспг - массовые доли соответствующих компонентов смеси.

Скорость распространения пламени в стехиометрической смеси сжатого природного газа с воздухом при нормальных условиях равна испг = 0,34 м/с.

Толщина фронта ламинарного пламени определяется по формуле

=-

X

Ср-р-ин

Теплоёмкость смеси определяется по формуле

СР = КСр, - г,),

где Ср, - изобарная теплоёмкость ,-го элемента; г, - массовая доля ,-го элемента смеси.

В результате расчётов был получен результат 2кр = 0,28 мДж, который хорошо согласуется со справочными данными [3].

Подобный расчёт проведем для бензовоз-душной и водородовоздушной смесей, при коэффициентах избытка воздуха а = 1 (стехиометрическая смесь), а = 1,1, а = 1,2, а = 1,3. При расчёте процесса горения водородовоздушной смеси в процессе теплопередачи преобладающую роль играет процесс диффузии, поэтому при расчёте толщины фронта ламинарного пламени будем руководствоваться коэффициентом диффузии (в случае углеводородных топлив мы руководствуемся коэффициентом температуропроводности). Результаты расчётов приведены в табл. 2. Свойства воздуха для н. у. при расчётах принимаем: рв = 1,293 кг/м3; Хв = 0,0244 Вт/(мК); Д = 287 Дж/(кг-К); х = 18,79-Ю-6 м2/с; Ср = 1004 Дж/(кг-К).

С целью исследования влияния добавки водовода на физико-химические свойства топливовоздушной смеси и энергию зажигания с применением полученной модели выполнен расчёт энергии воспламенения смеси природного газа и воздуха с добавками водорода в количестве 2 %, 4 %, 6 %, 8 % и 10 % от объёма смеси.

Скорость распространения пламени в смеси с добавкой водовода определяется по эмпирической зависимости

и = 0,33 + 0,0189 - С - 6,5 -10-4 - С2 +...

... + 6,834 -10-6 - С3,

где Сн - содержание водовода в смеси, %.

Результаты расчётов с использованием предложенной модели представлены в табл. 3.

Влияние коэффициента избытка воздуха и добавки водорода на энергию воспламенения топливовоздушных смесей приведено на рисунках 2 и 3.

Как видно на рис. 2, для смеси природного газа и воздуха с увеличением коэффициента избытка воздуха от 1 до 1,3 энергия зажигания увеличивается в 8,6 раза. Добавка водорода к природному газу, как видно из рис. 3, уменьшает энергию воспламенения в 5,7 раза.

г

спг

Таблица 2 Физико-химические свойства топливовоздушных смесей

Единицы измере- ния Бензин Сжатый природный газ Водород

II а Объёмная доля топлива в смеси % 1,958 9,057 29,58

Плотность кг/ м3 1,3677 1,245 0,9367

Норм. скорость распростр. пламени в смеси при н.у. м/с 0,3 0,34 1,7

Теплота сгорания МДж/м3 3,78 3,43 3,19

Коэффициент теплопроводности при н. у. Вт/м-К 0,023314 0,02468 0,025

Коэффициент температуропроводности при н. у. м2/с-106 17,72 18,618 19,36

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/кг-К 0,9619 1,0647 1,3788

Энергия воспламенения мДж 0,249 0,2808 0,0207

а = 1,1 Объёмная доля топлива в смеси % 1,783 8,3021 27,64

Плотность кг/м3 1,361 1,24905 0,9601

Норм. скорость распростр. пламени в смеси при н.у. м/с 0,272 0,28 1,43

Теплота сгорания МДж/м3 3,42 3,12 2,98

Коэффициент теплопроводности при н. у. Вт/м-К 0,0234 0,02465 0,0249

Коэффициент температуропроводности при н. у. м2/с-106 17,81 18,6312 19,31

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/кг-К 0,9656 1,0595 1,3457

Энергия воспламенения мДж 0,3316 0,4979 0,0319

а = 1,2 Объёмная доля топлива в смеси % 1,637 7,6633 25,934

Плотность кг/м3 1,3554 1,25239 0,98065

Норм. скорость распростр. пламени в смеси при н.у. м/с 0,251 0,22 1,3

Теплота сгорания МДж/м3 3,13 2,89 2,79

Коэффициент теплопроводности при н. у. Вт/м-К 0,02348 0,0246 0,0249

Коэффициент температуропроводности при н. у. м2/с-106 17,88 18,6424 19,27

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/кг-К 0,9687 1,0552 1,318

Энергия воспламенения мДж 0,41034 1,0108 0,04005

а = 1,3 Объёмная доля топлива в смеси % 1,5133 7,1158 24,426

Плотность кг/м3 1,35063 1,25526 0,9987

Норм. скорость распростр. пламени в смеси при н.у. м/с 0,235 0,165 1,1

Теплота сгорания МДж/м3 2,90 2,89 2,83

Коэффициент теплопроводности при н. у. Вт/м-К 0,02354 0,02461 0,02486

Коэффициент температуропроводности при н. у. м2/с-106 17,95 18,6521 19,23

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/кг-К 0,97137 1,0515 1,2944

Энергия воспламенения мДж 0,48456 2,4099 0,06208

Таблица 3 Физико-химические свойства смесей сжатого природного газа с водородом (С ПГ + Н2) и воздуха при различных значениях коэффициента избытка воздуха а

Свойства смеси Единицы измере- ния ПГ + 2 % Н2 ПГ + 4 % Н2 ПГ + 6 % Н2 ПГ + 8 % Н2 + % ох 0-1 ПГ 10 Н

Теоретически необходимое кг/кг 16,86 16,85 16,84 16,83 16,82

количество воздуха для сгорания топлива м3/м3 9,89 9,75 9,60 9,47 9,34

Плотность кг/м3 1,242 1,239 1,236 1,233 1,230

Норм. скор. распр. плам. при н. у. м/с 0,375 0,405 0,431 0,453 0,47

II а Коэффициент теплопров. при н. у. Вт/(м-К) 0,024680 0,024681 0,024682 0,024683 0,024684

Коэффициент температуро-пров. при н. у. м2/(с-106)- 18,8121 18,8126 18,8131 18,8136 18,8141

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/(кг-К) 1,06487 1,06536 1,06585 1,066346 1,066839

Энергия воспламенения мДж 0,2149 0,1698 0,1409 0,12144 0,10802

Окончание табл. 3

Свойства смеси Единицы измере- ния ПГ + 2 % Н2 ПГ + 4 % Н2 ПГ + 6 % Н2 ПГ + 8 % Н2 ПГ + 10 % Н2

а = 1,1 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива кг/кг 18,5521 18,5398 18,5275 18,5153 18,5030

м3/м3 10,8752 10,7118 10,5546 10,4032 10,2574

Плотность кг/м3 1,2464 1,2436 1,2409 1,2381 1,2353

Норм. скор. распр. плам. при н. у. м/с 0,315 0,345 0,371 0,393 0,41

Коэффициент теплопров. при н. у. Вт/(м-К) 0,024656 0,024657 0,024658 0,024658 0,024659

Коэффициент температуропров. при н. у. м2/(с-106)- 18,8100 18,8105 18,81097 18,8114 18,8118

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/(кг-К) 1,0597 1,0601 1,0606 1,06105 1,061505

Энергия воспламенения мДж 0,3582 0,2713 0,2182 0,1838 0,1607

а = 1,2 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива кг/кг 20.2385 20,225 20,2114 20,1979 20,1848

м3/м3 11,859 11,6773 11,5019 11,3329 11,1702

Плотность кг/м3 1,2499 1,2474 1,2448 1,2422 1,2395

Норм. скор. распр. плам. при н. у. м/с 0,255 0,285 0,311 0,333 0,35

Коэффициент теплопров. при н. у. Вт/(м-К) 0,024635 0,024636 0,024637 0,024637 0,024638

Коэффициент температуропров. при н. у. м2/(с-106)- 18,8083 18,8087 18,8091 18,8096 18,81

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/(кг-К) 1,05533 1,05576 1,05618 1,0566 1,057026

Энергия воспламенения мДж 0,663 0,4725 0,3638 0,2969 0,2537

а = 1,3 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива кг/кг 21,925 21,91 21,896 21,8813 21,8667

м3/м3 12,844 12,64278 12,4491 12,2626 12,083

Плотность кг/м3 1,2529 1,2505 1,2481 1,2457 1,2432

Норм. скор. распр. плам. при н. у. м/с 0,2 0,231 0,257 0,279 0,296

Коэффициент теплопров. при н. у. Вт/(м-К) 0,024618 0,024618 0,024619 0,02462 0,024621

Коэффициент температуропров. при н. у. м2/(с-106)- 18,8068 18,8072 18,8076 18,8079 18,8083

Изобарная теплоёмкость при н. у. кДж/(кг-К) 1,05161 1,052 1,05239 1,05278 1,053176

Энергия воспламенения мДж 1,369 0,8958 0,65087 0,51 0,42314

Рис. 2. Влияние коэффициента избытка воз- Рис. 3. Влияние добавки водовода на энер-

духа на энергию воспламенения смесей гию воспламенения смеси природного

различных топлив газа и воздуха при различных коэффи-

циентах избытка воздуха

Выводы

1. В работе предложена методика расчёта энергии воспламенения топливовоздушных смесей.

2. Исследованы основные топлива, которые используются в двигателе с искровым зажиганием.

3. Обеспечить надёжность воспламенения бедной смеси возможно применением добавок водорода к смеси. Добавка водорода к природному газу в количестве 10 % позволяет уменьшить энергию воспламенения в 5,7 раза.

Литература

1. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных

двигателях внутреннего сгорания / А.Н. Воинов. - 2-е изд, перераб. и доп. -М. : Машиностроение, 1977. - 277 с.

2. Зельдович Я.Б. К теории искрового вос-

пламенения газовых взрывчатых смесей / Я.Б. Зельдович, Н.Н. Симонов // Журнал физической химии. - 1949. - № 11. -С. 1361-1374.

3. Мищенко А.И. Применение водорода для

автомобильных двигателей / А. И. Мищенко. - К. : Наукова думка, 1984. - 143 с.

4. Соболев Н.Н. Исследование возбуждения

спектра атомов в конденсированной

искре / Н. Н. Соболев // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1943.- № 13. - С. 137-141.

5. Вульфсон К.С. Об импульсном разряде в

инертных газах / К. С. Вульфсон // Изв. АН СССР. Серия физическая. - 1945. -№ 3.- С. 239-246.

6. Шатров Е.В. Исследование мощностных,

экономических и токсических характеристик двигателя, работающего на бен-зоводородных смесях / Е. В. Шатров, А. Ю. Раменский, В. М. Кузнецов // Автомобильная промышленность. - №11. -1979.- С. 3-5.

7. Брызгалов А.А. Добавка водорода в ме-

талловоздушную смесь газового двигателя / А.А. Брызгалов, А.П. Шайнин // мат. Междунар. науч. симпоз. «Автотракторостроение-2009», 17 ноября

2009 г. - М. : МГТУ «МАМИ», 2009. -С. 25-33.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по тепло-физи-

ческим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. - М. : Наука, 1972. -720 с.

Рецензент: А. Н. Пойда, профессор, д. т. н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 октября

2010 г.