Расчетное исследование процесса сгорания и характеристик дизельного двигателя и HCCI-двигателя

Расчетное исследование процесса сгорания и характеристик дизельного двигателя и HCCI-двигателя

В.Г. Камалтдинов, доцент Южно-Уральского государственного университета (Челябинск), к.т.н., В.А. Марков, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,

Г. Д. Драгунов, профессор Южно-Уральского государственного университета (Челябинск), д.т.н.

Показаны преимущества рабочего цикла HCCI-двигателя. Представлена математическая модель процессов, протекающих в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Приведены результаты расчетных исследований процесса сгорания смеси 83 % природного газа и 27 % диметилового эфира.

Ключевые слова: дизельный двигатель, компрессионное воспламенение однородной смеси, дизельное топливо, природный газ, диметиловый эфир (ДМЭ).

В последние годы проводятся многочисленные исследования нового типа организации рабочего процесса, который получил название HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition - компрессорное воспламенение гомогенного заряда) [1, 2]. В двигателях с HCCI-процессом, как в дизелях, воспламенение происходит от сжатия смеси в цилиндре. HCCI-процесс подразумевает последовательное протекание реакций, которые приводят к тому, что сгорание охватывает одновременно весь объем заряда или, по крайней мере, значительную его часть, а не распространяется перемещающимся фронтом пламени. Основные положения физико-химической природы такого сгорания изложены в работе [3].

В результате исследований было установлено, что этот подход к организации воспламенения смеси, названный гомогенным сгоранием, вследствие значительно возросших возможностей по его управлению поз-

воляет улучшить стабильность и равномерность процесса. Кроме того, использование принципа гомогенного сгорания позволяет реализовать самовоспламенение топлив с низким цетановым числом (природный газ, метанол и др.) при существенно меньших степенях сжатия, необходимых для топлив с плохой воспламеняемостью. При реализации рабочего цикла НСС1 могут быть существенно уменьшены выбросы с отработавшими газами (ОГ) наиболее значимых токсичных компонентов ОГ - оксидов азота ЫОх [4-7]. В целом можно отметить, что НСС1-двигатели имеют ряд серьезных преимуществ, а именно:

• радикально низкое образование оксидов азота за счет низкотемпературного и полного сгорания топлива;

• значительную энергоэффективность, обеспечиваемую высоким КПД за счет одновременного выделения теплоты по всему объему камеры сгорания;

• использование экологически более чистых и дешевых

газообразных топлив (метан, природный газ, пропан и др.).

Благодаря названным преимуществам сжигание гомогенных смесей в двигателях с воспламенением от сжатия признано во всем мире перспективным направлением развития ДВС. В США, Европе и Азии интенсивно ведутся НИОКР, изготовлены и испытаны опытные образцы автомобилей с такими двигателями. Число публикаций по этой проблематике стремительно растет.

Специфика организации рабочего процесса в НСС1-двигате-лях определяется в зависимости от процессов воспламенения и сгорания сочетанием различных факторов, например, вида применяемого топлива, конструкции и теплового состояния двигателя, скоростного и нагрузочного режимов его работы и др. Температура самовоспламенения горючей смеси в определенный момент времени при определенном угле поворота коленчатого вала (ПКВ) достигается в результате сжатия. Для

Научные разработки и исследования

^^ОЦИКЛ**

300

250 -

Ш 2 и

о «

П

200

130 -

100

330

340

370

380

азо збо ф,°ПКВ

Рис. 1. Зависимость изменения скорости тепловыделения % в цилиндре НСС1-двигателя

от угла поворота коленчатого вала ф при постоянной подаче топлива (продолжительность впрыскивания 1,4 мс), параметрах окружающего воздуха 7"о=305 К и ро=0,1 МПа, различных частотах вращения коленчатого вала п, мин- и коэффициентах X: 1 - пп =800, Х=0,71; 2 - п=1000, Х=0,74; 3 - п =1200, Х=0,79; 4 - п =1400, Х=0,85; 5 - п=1600, Х=0,91; 6 - п =1800, Х=0,96;

фазы газораспределения: открытие впускного клапана - 50 °ПКВ после верхней мертвой точки (ВМТ), закрытие выпускного клапана - 70 °ПКВ до ВМТ

различных топлив расчетно-теоретически и экспериментально установлено влияние на момент самовоспламенения состава смеси (коэффициент избытка воздуха а, подача топлива), температуры Та и давления ра топливно-воздушной смеси в начале сжатия, температуры огневой поверхности цилиндра, геометрической степени сжатия, угла закрытия впускных клапанов [4-7].

Результаты исследований позволяют моделировать рабочий процесс НСС1-двигателя при заданных конструктивных параметрах, различных тепловом и нагрузочном режимах. В то же время абсолютное большинство исследований выполнено при постоянных частотах п вращения коленчатого вала двигателя [8-12]. Это объясняется особым характером влияния фактора времени на воспламенение и сгорание, которое в распространенных моделях процесса

сгорания в явном виде не учитывается.

В реальных условиях работы НСС1-двигателя необходима корректировка момента воспламенения и скорости сгорания с учетом частоты вращения коленчатого вала. Это вызвано тем, что при увеличении п воспламенение и сгорание происходят с запаздыванием. Экспериментально установлено существенное смещение максимума скорости тепловыделения при постоянной подаче топлива и увеличении частоты вращения (рис. 1) [13]. Здесь состав топливно-воз-душной смеси оценивался коэффициентом

Л=1/а (а - коэффициент избытка воздуха). Аналогичные результаты приведены в работе [14] (рис. 2). В соответствии с законами химической кинетики для развития процессов воспламенения необходимо определенное время. Однако при повышении частоты вращения продолжительность сжатия сокращается, и начало сгорания по углу поворота коленчатого вала происходит позже (рис. 3) [14]. Такое запаздывание сгорания может привести к существенному изменению индикаторных показателей рабочего цикла.

Целями данного исследования являлись определение влияния частоты вращения коленчатого вала на параметры сгорания и рабочего цикла в целом, а также обоснование возможности корректировки момента воспламенения и скорости сгорания топлива в НСС1-двигателе, конвертированном из дизеля 4Ч13/15 ООО «ЧТЗ-Уралтрак» и работающем на смесевом топливе (природный газ с диметило-вым эфиром), для обеспечения максимальной эффективности

Рис. 2. Индикаторные диаграммы давления в цилиндре НСС1-двигателя при параметрах воздушного заряда в начале сжатия ра=89±0,1 кПа (избыточное), Га=91±0,5 °С, Х=0,56±0,01 и различных частотах вращения коленчатого вала п, мин-1: 1 - 870; 2 - 920; 3 - 970; 4 - 1015; 5 - 1065; 6 - 1115

Рис. 3. Изменение угла начала сгорания топлива фнач сг относительно ВМТ (фнач сг=0) в цилиндре НСС1-двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала п при различных параметрах топливно-воздушной смеси в начале сжатия:

1 - ра=89±0,1 кПа (избыточное), Га=91±0,5°С, Х=0,56±0,01;

2 - ра=110±0,4 кПа (избыточное), Га=101±0,8 °С, Х=0,42;

3 - ра=112±0,4 кПа (избыточное), Га=104±0,4 °С, Х=0,46;

4- о =91±0,1 кПа (избыточное), Га=103±0,6 °С, Х=0,56±0,01

рабочего цикла при изменении частоты вращения коленчатого вала. Для достижения этих целей решались следующие задачи:

• расчетно-теоретическое определение изменения параметров сгорания и индикаторных показателей при изменении частоты вращения коленчатого вала на режимах внешней скоростной характеристики;

• расчетно-теоретический подбор оптимальной температуры начала сжатия, обеспечивающей наилучшие индикаторные показатели для каждого скоростного режима.

Исследование проводилось с использованием однозонной модели горения топлива [15, 16], разработанной на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета. В этой модели процесс сгорания рассматривается как реакция окисления, подчиняющаяся закону Аррени-уса, но с переменной энергией активации. Особенности модели

заключались в введении нового параметра - условной продолжительности реакции окисления молекулы топлива т. Она

У

определяется как период времени, в течение которого полностью прореагируют молекулы топлива с энергией, превышающей условную энергию активации.

При моделировании сгорания двухкомпонентного топлива в НСС1-двигателе выгорание с различными скоростями каждого компонента определяется параллельно по законам химической кинетики в условно отдельных объемах, но с одинаковыми давлением и температурами [4, 16]. Модель учитывает влияние на сгорание основных физико-химических свойств компонентов топливно-воз-душной смеси (метан, диметиловый эфир, кислород, азот, аргон, оксид и диоксид углерода, вода), тепловыделения, теплообмена со стенками цилиндра, утечек рабочего тела [17] и изменения молекулярного состава. На основе этой

модели разработаны методика и программа расчета рабочего цикла НСС1-двигателя [18].

Поскольку в разработанной модели в явном виде учитывается фактор времени, то с ее помощью можно исследовать влияние температуры начала сжатия Та на показатели рабочего цикла двигателя при изменении частоты вращения коленчатого вала в широких пределах. Наибольший интерес представляет определение влияния частоты вращения коленчатого вала на параметры процесса сгорания и рабочего цикла двигателя в целом на режимах внешней скоростной характеристики, а также корректировка характеристики тепловыделения изменением температуры начала сжатия.

В качестве постоянных исходных данных принимались следующие параметры: геометрическая степень сжатия е=16; давление начала сжатия

Научные разработки и исследования

Ш

^^ОЦИКЛ**

155 Ш .170 (р^ПКН

Рис. 5. Влияние частоты вращения коленчатого вала п (мин-1) НСС1-двигателя на давление, температуру и скорость тепловыделения в цилиндре при постоянной температуре начала сжатия Г =350 К: 1 - п=1100; 2 - п=1300; 3 - п=1500; 4 - п=1700; 5 - п=1900; 6 - п=2100

ра=0,098 МПа; смесевое топливо на основе природного газа с добавлением диметилового эфира в количестве, соответствующем массовой доле фДМЭ=0,27; цикловая подача смесевого топлива 6,0-10-5 кг. В результате с изменением температуры на впуске автоматически менялся коэффициент избытка воздуха смеси асм в диапазоне 2,0...2,17.

Для заданных конструктивных параметров НСС1-двигателя определена температура в начале сжатия Та=350 К, при которой обеспечиваются наилучшие индикаторные показатели при п =2100 мин-1 [19]: среднее индикаторное давление р,=0,615 МПа; индикаторный КПД п,=0,462; удельный индикаторный расход топлива д.=176,3 г/(кВт-ч). Максимальная скорость сгорания достигается при угле а,„ =367 °ПКВ (рис. 4).

М'сг тах '

По мере уменьшения частоты вращения коленчатого вала от

ление р

• гг

2100 до 1000 мин-1 сгорание начинается все раньше. При постоянной температуре Та=350 К угол максимальной скорости сгорания изменился с 367 при п=2100 мин-1 до 357 °ПКВ при п = 1100 мин-1 (рис. 5).

Характер процесса сгорания практически не изменился, но максимальная скорость тепловыделения dQс/dф постепенно увеличивалась в диапазоне 1580...2000 Дж/°ПКВ (рис. 5). В результате максимальные дав-температура Ттах и скорость нарастания давления тах в цилиндре заметно увеличились: на 1,02 МПа (12,7 %), 92 К (4,5 %) и 1,2 МПа/°ПКВ (40 %) соответственно, а индикаторные показатели ухудшились примерно на 3 % (см. рис. 4).

Раннее начало сгорания устранялось снижением температуры начала сжатия. Для каждого скоростного режима расчетом подобрана оптимальная температура Т ,

1 ' 1 а опт

обеспечивающая наилучшие индикаторные показатели рабочего цикла. При этом угол максимальной

скорости сгорания а^сг тах находился на уровне около 367 °ПКВ. Вследствие снижения температуры начала сжатия (от 350 до 324 К) на режимах с меньшими частотами вращения коленчатого вала коэффициент избытка воздуха асм увеличился с 2,0 (п=2100 мин-1) до 2,17 (п=1000 мин-1), то есть примерно на 8,5 %, а максимальная температура Ттах снизилась на 178 К и составила 1979 К. При Та=350 К эта температура была равна 2157 К (рис. 6). При уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя до 1000 мин-1 в результате своевременного развития сгорания индикаторные показатели улучшились примерно на 2,2 %. Так, среднее индикаторное давление р, возросло с 0,615 до 0,629 МПа, индикаторный КПД п, увеличился от 0,462 до 0,472, удельный индикаторный расход топлива д. снизился от 176,3 до

172,5 г/(кВт-ч). Единственным отрицательным эффектом снижения частоты вращения коленчатого вала осталось повышение максимального давления в цилиндре и скорости его нарастания. Однако по сравнению с расчетами при постоянной температуре Та=350 К это повышение стало значительно меньше. Например, при п=1000 мин-1 максимальное давление pmax снизилось от 9,08 до 8,31 МПа (на 8,5 %), а скорость нарастания давления W уменьшилась на

p max

19 % (от 4,2 до 3,4 МПа/°ПКВ). Это способствует снижению механической нагрузки на кривошип-но-шатунный механизм.

Результаты проведенных исследований подтверждают возможность реализации высокоэкономичного рабочего процесса HCCI-двигателей, превышающего эффективность рабочего процесса дизелей, а также радикального (в сотни раз по сравнению с традиционными ДВС)уменьшения выбросов оксидов азота NOx и сажи за счет низкотемпературного и полного сгорания топлива. Известный недостаток HCCI-двигателей, заключающийся в повышенной эмиссии таких токсичных компонентов, как монооксид углерода СО и несгоревшие углеводороды СН, сравнительно легко устраняется, поскольку в этих двигателях могут быть эффективно использованы традиционные для бензиновых двигателей системы очистки отработавших газов. Следует также отметить совместимость HCCI-тех-нологии со всеми имеющимися в продаже сортами бензина, а также с топливом Е85 на базе этанола.

Литература

1. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова.

- М.: Изд-во ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.

2. Ricklin P.U., Kazakov A., Dryer F.L. et al. The Effects of NOx Addition on the Auto Ignition Behavior of Natural Gas under HCCI Conditions // SAE Technical Paper Series.

- 2002. - № 2002-01-1746. - P. 1-11.

3. Blank D.A., Pouring A.A., Lu J. Methanol Combustion in Low Compression Ratio D.I.Engines Enabled by Sonex Piston Design // SAE Technical Paper Series. - 2001. -№ 2001-01-1197. - P. 1-10.

4. Камалтдинов, В.Г. Влияние состава двухкомпонентного топлива на процесс сгорания в двигателе с объемным самовоспламенением от сжатия / В.Г. Камалтдинов, Е.В. Абелиович // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2008. - Вып. 12.

- № 23. - С. 46-53.

5. Камалтдинов, В.Г. Влияние параметров свежего заряда на показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом / В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков // Изв. вузов. Серия «Машиностроение». - 2011. - № 6. - С. 31-37.

6. Камалтдинов, В.Г. Расчетное исследование процесса сгорания и показателей рабочего цикла HCCI двигателя, работающего на смеси природного газа и ди-метилового эфира / В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков // АГЗК+АТ. - 2010. - № 6. - С. 8-15.

7. Камалтдинов, В.Г. Влияние геометрической степени сжатия и угла закрытия впускных клапанов на процесс сгорания и показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом / В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков // АГЗК+АТ. - 2011. - № 2. - С. 9-16.

8. Гусаков, С.В. Оценка влияния ДМЭ в смеси с природным газом на работу ДВС с гомогенным самовоспламенением / С.В. Гусаков, М.М. Эльгобаши Эльхагар, И.В. Епифанов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 2. - С. 10-13.

9. Гусаков, С.В. Опыт моделирования рабочего процесса ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия / С.В. Гусаков, М. М. Эльгобаши Эльхагар // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». - 2004. - № 2. - С. 25-28.

10. Федянов, Е.А. Моделирование основной фазы процесса сгорания в двигателе с самовоспламенением от сжатия гомогенной метановоздушной смеси / Е.А. Федянов, Е.М. Иткис, В.Н. Кузьмин // Известия ВГТУ. - 2008. - Т. 6, № 1. - С. 11-13.

11. Chen, Z. Experimental study of CI natural-gas/DME homogeneous charge engine / Z. Chen, M. Konno, M. Oguma, T. Yanai // SAE Technical Paper Series. - 2000. - № 200001-0329. - 10 рр.

12. Kong, S.C. A study of natural gas/DME combustion in HCCI engines using CFD with detailed chemical kinetics / S.C. Kong // Fuel. - 2007. - 86. - P. 1483-1489.

13. Luszcz, P.M. Combustion Diagnostics in Homogeneous Charge Compression Ignition Optical and Thermal Single Cylinder Engines / P.M. Luszcz // University of Birmingham. - 2009. - 293 pp. - http://etheses.bham.ac.uk/524/VLuszcz09PhD.pdf

14. Mahdi Shahbakhti, М. Modeling and Experimental Study of an HCCI Engine for Combustion Timing Control / М. Shahbakhti // University of Alberta. - 2009. - 282 pp.

- http://www.me.berkeley.edu/~mahdi/PhDThesis_Shahbakhti.pdf

15. Камалтдинов, В.Г. Новая модель процесса горения топлива в ДВС / В.Г. Камалтдинов // Двигателестроение. - 2008. - № 3. - С. 17-20.

16. Kamaltdinov, V. Combustion process modeling in HCCI engine / V. Kamaltdinov // SAE Technical Paper Series. - 2011. - № 2011-01-1789. - 10 pp.

17. Камалтдинов, В.Г. Уточненная методика расчета параметров рабочего тела на пусковых режимах дизеля / В.Г. Камалтдинов // Двигателестроение. - 2008. -№ 2. - С. 31-34.

18. Свидетельство ФГУ ФИПС № 2010617228. Программа расчета рабочего цикла двигателя с воспламенением от сжатия «Рабочий цикл» / Камалтдинов В.Г.; выдано 29.10.2010 г.

19. Камалтдинов, В.Г. Управление рабочим процессом в HCCI двигателе / В.Г. Камалтдинов, С.С. Никифоров // Двигателестроение. - 2010. - № 3. - С. 3-9.