Улучшение показателей рабочего процесса в двигателе

Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ДВИГАТЕЛЕ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ ПУТЕМ
ОБЪЕМНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СГОРАНИЯ
д.т.н. Коноплев В.Н., д.т.н, проф. Кузнецов И.В., Конушин А.А.,
Кафедра автомобилей и двигателей
ФГБОУ ВПО «МГИУ»
(495) 675-62-42
Процесс сгорания в ДВС с искровым зажиганием принято условно разделять на три
фазы, которые определяют на индикаторной диаграмме по изменению давления р и
температуры Т в цилиндре от угла φ поворота коленчатого вала (рис. 1) [1].
Рисунок 1 - Индикаторная диаграмма изменения давления
и температуры в цилиндре ДВС в зависимости от угла
поворота коленчатого вала φ:
——— - изменение давления в цилиндре при работе ДВС;
— — — - изменение температуры в цилиндре;
--- - --- - линия давления при отключенном зажигании
При положении в верхней мертвой точке (В.М.Т.) поршень образует с головкой
цилиндра объем камеры сгорания. Зажигание смеси происходит в точке 1, которая отстоит от
В.М.Т. на угол θ, являющийся углом опережения зажигания, а за начало сгорания
принимают точку 2 момент отрыва линии давления при сгорании от линии давления при
отключенном зажигании.
Первая фаза (I) – воспламенение смеси и формирование начального очага пламени.
Длительностью первой фазы сгорания принято называть период от начала момента
зажигания точка 1 до точки 2. Значительную часть продолжительности первой фазы
составляет период воспламенения смеси от электрической искры, т. е. время от момента
искрового разряда до момента образования начального очага пламени. При отклонении
значения коэффициента избытка воздуха α от значений 0,8–0,9 как в сторону уменьшения,
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
135
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
так и увеличения, это время увеличивается и особенно сильно возрастает при обеднении
горючей смеси. Развитие первой фазы сгорания зависит от соотношения между скоростью
тепловыделения от реакции сгорания и скоростью теплоотвода в окружающий свежий заряд
и в стенки камеры сгорания. Для эффективного формирования пламени необходимо, чтобы
скорость выделения тепла превышала скорость его передачи в свежую смесь и в стенки
камеры сгорания. Соотношение между скоростями тепловыделения и теплоотвода зависит в
основном от степени завихрения свежей смеси перед сгоранием. Чем оно больше, тем
больше теплоотвод в стенки и труднее формируется фронт пламени.
Вторая фаза (II) – распространение пламени по всему объему камеры сгорания.
Принято считать, что вторая фаза сгорания завершается через угол φz после В.М.Т. к
моменту достижения в цилиндре максимального давления сгорания рz (точка 3). Переход от
первой ко второй фазе сгорания сопровождается резким увеличением скорости сгорания
(скорости распространения пламени), которая определяется в основном интенсивностью
крупномасштабной турбулентности. При этом, чем больше передача тепла от фронта
пламени в свежую смесь, тем быстрее сгорание. Нормальное (без детонации) сгорание
сопровождается скоростью нарастания давления dp/dφ не более 0,2 МПа/град.
Третья фаза (IIІ) – догорание смеси. После окончания второй фазы смесь догорает в
небольших объемах при расширении. Третья фаза сгорания считается завершенной при
достижении в цилиндре максимальной температуры (точка 4). Протекание второй и третьей
фаз сгорания зависит в основном от интенсивности турбулентности в заряде.
Таким образом, процессу сгорания в ДВС с искровым зажиганием присуще
противоречие между первой фазой, требующей снижения турбулентности, и второй фазой,
требующей интенсивного завихрения смеси. В третьей фазе скорость сгорания зависит,
главным образом, от химической (нормальной) скорости пламени. На сгорание в первой и в
третьей фазах большое значение оказывает состав смеси, обеднение которого увеличивает
продолжительность сгорания. На практике обеднение смеси ограничивается не только
увеличением продолжительности сгорания, но и неустойчивой работой ДВС вследствие
нарушения однообразия процесса сгорания в последовательных циклах. Причиной
нестабильности сгорания является, главным образом, нестабильность первой фазы горения.
Одним из препятствий на пути эффективного сжигания бедных смесей является
детонация, которая представляет собой сложный химический процесс, возникающий и
развивающийся в горючей смеси до подхода фронта пламени нормального горения. В зонах
возникновения детонации в горючей смеси протекают предпламенные реакции с
образованием химически активных промежуточных продуктов сгорания. Сгорание
приобретает взрывной характер с резким локальным повышением температуры и
образованием ударной волны, скорость которой может достигать 2000 м/с. Процесс сгорания
проходит не эффективно при резком снижении мощности и ухудшению экономических
показателей. Исследования показали, что наименьшей склонностью к детонации обладают
смеси с коэффициентом избытка воздуха α = 0,5 - 0,7, имеющие низкую температуру горения
и характеризующиеся наличием охлаждающего эффекта, создаваемого при испарении
топлива. Смесям с α = 0,8 - 0,9 свойственна высокая скорость сгорания, при которой
давление и температура имеют максимальные значения. При работе ДВС на этих смесях
детонация может возникнуть при увеличенных углах θ и высоких степенях сжатия ε.
Наибольшей склонностью к детонации подвержены смеси с α = 1,0 - 1,1, что обусловлено
снижением скорости сгорания, которое проходит при высоких температурах, из-за чего часть
смеси, сгорающая последней, проходит относительно длительный период химической
подготовки. Дальнейшее обеднение смеси сопровождается значительным снижением
давления и температуры, при которых детонация затруднена. Обычно детонация возникает в
конце второй фазы процесса сгорания. В отличие от детонации, нарушение нормального
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
136
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
сгорания может быть и при калильном зажигании, которое происходит в начале второй фазы
сгорания.
Противоречивые требования, предъявляемые к первой и последующим фазам сгорания
в ДВС с искровым зажиганием можно устранить при объемном воспламенении и сгорании
смеси в камере сгорания, которое характерно для ДВС ЗМЗ-4022.10 с продуваемой
форкамерой. Этот двигатель был разработан и освоен в производстве на Заволжском
моторном заводе (АО ЗМЗ) при участии сотрудников Горьковского автомобильного завода
(АО ГАЗ) и ученых Института химической физики РАН.
В цилиндре 1 находится поршень 2, который в положении В.М.Т. образует с головкой 3
камеру сгорания 4, соединенная через сопловой канал 9 с форкамерой 7, в которой
установлена свеча зажигания 8 (рис. 2) [2].
Рисунок 2 - Схема форкамерного ДВС
В головке 3 расположен основной впускной патрубок 5, который соединен с объемом
цилиндра 1 через основной впускной клапан 6, и канал 11 для подвода богатой смеси в
форкамеру через вспомогательный впускной клапан 10.
При работе ДВС через основной впускной клапан 6 в цилиндр 1 поступает бедная
смесь с коэффициентом избытка воздуха α1, а в форкамеру 7 – богатая смесь с
коэффициентом избытка воздуха α2, которая поступает из канала 11 через вспомогательный
впускной клапан 10. При сжатии смесь с α1, будет вытесняться в форкамеру 7, в которой,
соединяясь со смесью с α2, образует к моменту зажигания форкамерную смесь с
коэффициентом избытка воздуха αФ = 0,5 – 0,7. В форкамере 7 свечой 8 зажигается смесь с
αФ и факелом продуктов ее сгорания через сопловой канал 9 осуществляется воспламенение
бедной смеси в камере сгорания 4.
В связи с тем, что форкамера 7 отделена от основной камеры сгорания 4 сопловым
каналом 9 с относительно малым проходным сечением, первая фаза горения происходит в
форкамере 7 исключительно стабильно при малом теплоотводе и низкой турбулизации
смеси. Вторая и третья фазы горения происходят в основной камере сгорания 4, в которую
истекает факел активных частиц из форкамеры, полученных в результате горения смеси αФ.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
137
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
Сгорание быстро охватывает весь объем камеры сгорания 4 и происходит с исключительной
полнотой при высокой турбулизации заряда и малой склонностью к детонации.
Характерные для форкамерного ДВС индикаторные диаграммы были получены на
одноцилиндровом отсеке со степенью сжатия ε = 7,0, на режиме n = 1500 мин-1,
коэффициенте наполнения ηv = 0,7 и θ = 14о (рис. 3).
Рисунок 3 - Индикаторные диаграммы форкамерного ДВС:
------ - изменение давления в цилиндре;
- - - - - изменение давления в форкамере
После зажигания резко увеличивается давление в форкамере, которое через
определенный промежуток (угол φфz) достигает своего максимума рфz, а затем резко
снижается и становится меньше, чем давление в камере сгорания, что указывает на
истечение факела продуктов сгорания из форкамеры в камеру сгорания. В камере сгорания
факелом происходит воспламенение заряда во всем объеме и его сгорание, при котором
давление резко увеличивается и через угол φz достигает максимальной величины рz.
Параллельно с процессом изменения давления в цилиндре, хотя и с некоторым
запаздыванием, происходит изменение давления в форкамере, в которую через сопловой
канал вытесняются газы из цилиндра.
Сравнительные исследования форкамерного ДВС и обычного искрового ДВС с
одинаковыми степенями сжатия ε = 7,0 были проведены на одноцилиндровом отсеке
размерности S/D = 92/92 на режиме работы с частотой вращения коленчатого вала n = 1500
мин-1 и коэффициенте наполнения ηv = 0,7. При исследованиях получали индикаторные
диаграммы и определялось изменение скорости распространения пламени uc в процессе
горения при оптимальных углах опережения зажигания θ в зависимости от состава смеси α1 в
цилиндре. В процессе исследований в форкамеру поступала смесь с α2 = 0,23 – 0,24 не
зависимо от состава смеси с α1, поступающей в цилиндр.
Схема камеры сгорания, точек расположения свечи зажигания и датчика давления в
сравниваемых двигателях показана на рис. 4.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
138
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
Рисунок 4 - Схема камеры сгорания:
1 – камера сгорания; 2 – точка расположения свечи зажигания в искровом ДВС;
3 – форкамера; 4 – точка расположения свечи зажигания в форкамерном ДВС;
5 – точка расположения датчика давления
Скорость сгорания uc определялась по времени τ, затраченному от начала зажигания до
достижения максимального давления рz на индикаторной диаграмме. Путем прохождения
пламени являлось расстояние от свечи зажигания до датчика давления (L ≈ 60 мм – обычное
зажигание, L1 ≈ 70 мм – форкамерное зажигание), а время сгорания рассчитывалось по
формуле:
τ=
θ + ϕ z , с.
6n
Таким образом, скорость сгорания рассчитывалась по формуле:
uc =
L ⋅ 6n , м/с.
θ + ϕz
Результаты исследований показали, что процесс сгорания в форкамерном ДВС
происходит в 2,0 – 2,5 раза быстрее, чем в обычном ДВС с искровым зажиганием (рис. 5).
Рисунок 5 - Изменение скорости сгорания uс и оптимального угла
опережения зажигания θ от состава смеси с α1:
-------- – форкамерный ДВС; - - - - - – искровой ДВС
Кроме того, в диапазоне изменения α1 = 1,0 – 1,3 скорость сгорания в форкамерном
ДВС практически постоянна uc ≈ 40 м/с и снижается до 10 м/с при α1 ≈ 1,9. В обычном ДВС
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
139
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
при α1 = 0,9 uc = 20 м/с, резко снижается до 10 м/с при α1 ≈ 1,2, а при α1 ≈ 1,3 сгорание
прекращается. Необходимо также отметить, что в форкамерном ДВС состав цилиндровой
смеси с α1 мало влияет на оптимальные углы θ и они значительно меньше, чем оптимальные
углы θ в обычном искровом ДВС, которые значительно увеличиваются при обеднении смеси
в цилиндре.
При обработке индикаторных диаграмм на указанном режиме работы ДВС было
получено изменение показателей рабочего процесса в зависимости от состава смеси с α1,
поступающей в цилиндр (рис. 6).
Рисунок 6 - Изменение показателей рабочего процесса
от состава смеси с α1, поступающей в цилиндры
В результате исследований было установлено, что максимальное давление сгорания в
форкамере рфz ≈ 1,4 МПа и величина угла φфz = 6 - 8о, при котором оно получено, были
практически постоянными во всем диапазоне изменения смеси с α1. Это обстоятельство
указывает на то, что при впуске около сопловых каналов форкамеры образуется объем
достаточно обогащенной и, возможно, расслоенной смеси, часть которой при сжатии войдет
в форкамеру.
Среднее индикаторное давление рi, максимальное давление сгорания рz и
соответствующий ему угол φz максимальны при работе форкамерного ДВС на смеси с α1 =
1,0 и снижаются по мере ее обеднения. Максимальная скорость нарастания давления
dр/dφ = 0,2 в форкамерном ДВС несколько больше, чем в обычном ДВС с искровым
зажиганием и снижается по мере обеднения смеси с α1, но значительно меньше, чем у дизеля
(dр/dφ = 0,3 – 0,6 и более). Наиболее эффективному сгоранию, исходя из максимального
индикаторного коэффициента полезного действия ηi ≈ 0,39, соответствует сгорание смеси с
α1 = 1,55–1,65.
Сравнительные испытания по циклу ЕЭК ООН автомобиля «Волга» с форкамерным
ДВС и обычным искровым ДВС одинаковой размерности и степенью сжатия ε = 7,0
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
140
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ»
показали, что автомобиль с форкамерным ДВС имеет на 10 % лучшую топливную
экономичность и меньшее содержание в отработавших газах токсичных веществ: оксида
углерода (СО) в 5,5 раза, углеводородов (СН) на 38 % и оксидов азота (NOх) в 2,8 раза (см.
табл.).
Таблица 1 - Результаты сравнительных испытаний автомобиля «Волга» с различными
моделями ДВС по циклу ЕЭК ООН
Выбросы вредных веществ, Расход топлива,
Модель ДВС
г/испытание
л/100 км
СО
СН
NOX
Без нейтрализатора Форкамерный ДВС 9,3
7,2
3,3
13,8
отработавших газов
Искровой ДВС
52
11,7
9,2
15,3
С нейтрализатором Форкамерный ДВС 1,0
0,76
1,07
15,3
отработавших газов
Искровой ДВС
12,3
2,0
7,3
16,0
При установке каталитического нейтрализатора отработавших газов с объемом 2,5 л в
систему выпуска выбросы автомобиля с форкамерным ДВС снизились по СО в 12,3 раза, по
СН в 2,6 раза и по NOх 6,8 раза, если сравнивать с автомобилем с обычным искровым ДВС
[3].
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования показали, что объемное форкамернофакельное воспламенение заряда в камере сгорания способствует полному сгоранию смесей
даже при очень глубоком обеднении (α1 ≥ 1,8). Факельная система обеспечивает
наименьшую продолжительность первой фазы горения, ускоряет процесс горения во второй
фазе, и, что особенно важно, сокращает продолжительность третьей фазы, т. е. догорание в
процессе расширения. В результате этого тепловая напряженность деталей двигателя
снижается, и затрудняются предпламенные реакции в локальных объемах основной камеры
сгорания, что уменьшает возможность возникновения детонации.
Таким образом, факельная система зажигания является не только средством,
обеспечивающим быстрое и стабильное сгорание бедных смесей, но и мощным средством
подавления детонации.
Литература
1. Двигатели внутреннего сгорания. Под редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 4-е
изд. – М: Машиностроение, 1983. – 372 с., ил.
2. Кузнецов И.В. Увеличение мощности, улучшение топливной экономичности,
экологических показателей и детонационных качеств в двигателе внутреннего сгорания с
искровым зажиганием. – М.: МГИУ, 2008. – 158 с., ил.
3. Кузнецов И.В. Экологические характеристики автомобиля «Волга» // Экология и
промышленность России, 2005. Май. - С. 25 – 27.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
141