CC BY
86
УДК 621.43.05
Францев Сергей Михайлович
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза1 Доцент кафедры Кандидат технических наук E-Mail: fsm8@mail.ru
Кавторев Александр Юрьевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза Студент
E-Mail: Kavtoreva@mail.ru
Повышение предела эффективного обеднения газового двигателя за счет изменения характеристик искрового разряда систем зажигания
Аннотация. Многими ведущими фирмами разработаны двигатели внутреннего сгорания, работающие на природном газе. Специалистами многих стран мира активно ведутся работы по реализации концепции «газового двигателя работающего на бедных метановоздушных смесях».
При реализации данной концепции, серьезной проблемой является то, что у смеси природного газа с воздухом имеет место растянутый во времени процесс сгорания, что приводит к увеличению расхода топлива двигателя и повышению выбросов несгоревших углеводородов. Особенно заметным это становится по мере обеднения метановоздушной смеси на режиме холостого хода.
При воспламенении обедненных метановоздушных смесей, обладающих пониженной скоростью сгорания, энергия индуктивной фазы может стать определяющим фактором.
В работе изучена возможность форсирования сгорания за счет влияния на развитие начального очага индуктивной фазы искрового разряда.
Результаты показывают, что применение экспериментальных систем зажигания позволяет существенно снизить токсичность отработавших газов по сравнению со штатной транзисторной системой зажигания и позволяет существенно повысить пределы обеднения топливоздушной смеси.
Ключевые слова: система зажигания; искровой разряд; искровое зажигание; катушка зажигания; двигатель внутреннего сгорания; электрооборудование; свечи зажигания; токсичность отработавших газов.
Идентификационный номер статьи в журнале 02ТУЫ414
1 440028, Россия, г. Пенза, ул. Беляева, 16, ауд. 5206
Многими ведущими фирмами Америки, Европы и России разработаны двигатели, внутреннего сгорания (ДВС), работающие на природном газе. Эффективная работа таких газовых двигателей достигается, главным образом, за счет повышения степени сжатия, применения системы наддува и системы впрыска топлива под управлением микропроцессорной системы управления двигателя. Однако эти двигатели работают, в основном, на стехиометрических составах смеси. Очевидно, что такой подход не позволяет использовать в полной мере широкие пределы воспламенения смеси природного газа с воздухом. Это является недостатком таких силовых установок. Специалистами многих стран мира, в т. ч. России на ОАО "КАМАЗ", активно ведутся работы по реализации концепции "газового двигателя работающего на бедных метановоздушных смесях". Именно в таких двигателях достигается возможность максимального использования широких пределов воспламенения метановоздушной смеси при высокой степени сжатия в ДВС с турбонаддувом и промежуточным охлаждением [1].
При реализации концепции "газового двигателя с принудительным искровым зажиганием, работающего на бедных газовоздушных смесях", серьезной проблемой является то, что природный газ является относительно малоактивным, т. к. реакция окисления основного компонента природного газа - метана относится к числу слабо разветвленных [2]. Поэтому у смеси природного газа с воздухом имеет место растянутый во времени процесс сгорания, что приводит к увеличению расхода топлива двигателя и повышению выбросов несгоревших углеводородов. Особенно заметным это становится по мере обеднения метановоздушной смеси.
На рис. 1 показана зависимость нормальной скорости распространения ламинарного фронта пламени горючих газов с воздухом от коэффициента избытка воздуха. Видно, что у метановоздушных смесей она заметно ниже, чем у других [3].
ин, см/с
40 30 20 10 0
0
Рис. 1. Нормальная скорость распространения ламинарного фронта пламени ин в зависимости от коэффициента избытка воздуха а (То = 293 К, Ро = 0,1 МПа) [45]: 1 -
метан, 2 - бутан, 3 - пропан, 4 - бензин
Существенную роль в протекании всего процесса сгорания играет длительность формирования начального очага горения, охватывающего период от начала искрового разряда до момента, когда сформируется развитый фронт турбулентного пламени [4, 5, 6]. По мере обеднения метановоздушной смеси длительность формирования начального очага горения быстро возрастает.
В подавляющем большинстве исследований [7, 8, 9] отмечается, что длительность формирования начального очага горения в ДВС может быть сокращена за счет форсирования
токовременных параметров искровых разрядов (амплитуды тока и длительности) и увеличения межэлектродного зазора свечей зажигания.
В работе Г.Н. Злотина [10] обоснована необходимость в оптимизации характеристики выделения энергии в искровом разряде, и показано, что сочетание кратковременных сильноточных и длительных слаботочных индуктивных фаз искрового разряда позволяет форсировать во времени процесс сгорания топливовоздушной смеси в ДВС.
Искровой разряд начинается с пробоя межэлектродного зазора свечи зажигания, который происходит тогда, когда напряжение во вторичной цепи системы зажигания возрастает до определенного значения, называемого пробивным напряжением (6Пр). Согласно закону Пашена
ипр = / (Р • 5 СВ ),
где р - плотность газовой среды в межэлектродном зазоре свечи зажигания;
5св - межэлектродный зазор свечи зажигания.
После емкостной фазы следует индуктивная фаза искрового разряда. В течение индуктивной фазы искрового разряда в межэлектродном зазоре свечи зажигания выделяется электрическая энергия £инд, накопленная заранее в электрическом поле накопительного конденсатора либо магнитном поле катушки зажигания.
Когда энергии емкостной фазы разряда достаточно для дальнейшего успешного развития начального очага горения, а это происходит в основном при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси и полных нагрузках ДВС, энергия, подводимая в индуктивной фазе разряда, расходуется лишь на нагрев уже сгоревшей смеси. В то же время, энергия индуктивной фазы становится определяющим фактором в случае воспламенения обедненных смесей, когда энергия емкостной фазы разряда недостаточна для обеспечения успешного развития начального очага горения. Сказанное свидетельствует о том, что при воспламенении обедненных метановоздушных смесей, обладающих пониженной скоростью сгорания, энергия индуктивной фазы может стать определяющим фактором.
В связи с указанными обстоятельствами в работе изучена возможность форсирования развития начального очага горения метановоздушных смесей за счет влияния на развитие начального очага индуктивной фазы искрового разряда.
В ДВС условия воспламенения в наибольшей степени затрудняются на режимах холостого хода и частичных нагрузок, когда температура и давление заряда в момент формирования искрового разряда малы, коэффициент остаточных газов максимален. Таким образом, наиболее жесткие требования к параметрам искровых разрядов предъявляются на режимах холостого хода и малых нагрузок [11]. Здесь же отмечается наибольшее влияние этих параметров на показатели двигателя. Эти закономерности подтверждены многочисленными экспериментальными исследованиями на ДВС различных типов [12, 13].
Известно много работ, посвященных изучению влияния параметров индуктивной фазы искрового разряда на процесс сгорания [11, 14]. Многими исследователями отмечается, что из-за малой активности природного газа, заметное форсирование воспламенения метановоздушной смеси происходит лишь при применении высокоэнергетических систем зажигания.
В Автомобильно-дорожном институте ПГУАС разработаны схемотехнические решения и изготовлены макетные и опытные образцы экспериментальных конденсаторных систем зажигания высокой энергии (КСЗ), которые использовались в качестве оконечного каскада микропроцессорной системы управления газового ДВС, система зажигания которого
выполнена с отдельной катушкой зажигания на каждый цилиндр. Подробное описание экспериментальных систем зажигания высокой энергии приведено в [15].
Преимущества КСЗ описаны в работах [16-19]. Характерными особенностями конденсаторных систем зажигания являются высокая скорость нарастания вторичного напряжения, большая величина развиваемого вторичного напряжения и большие величины амплитуд токов индуктивной фазы искрового разряда.
Исследования экспериментальных систем зажигания проводились в Научно-техническом центре ОАО "КАМАЗ" на базе 8-ми цилиндрового газового двигателя внутреннего сгорания КАМАЗ мод. 820.52-260, оснащенного турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.
В качестве базовой в исследованиях была принята штатная транзисторная система зажигания (ТрСЗ) с накоплением энергии в магнитном поле катушки зажигания, оснащенная катушкой зажигания 27.3705 и формирующая искровой разряд с амплитудой тока индуктивной фазы экспоненциальной формы ¡1 = 60 мА, при длительности индуктивной фазы 11 не более 2,6 мс.
Экспериментальные КСЗ формируют искровой разряд, состоящий из двух разнополярных искровых разрядов, следующих друг за другом. Амплитудно-временные диаграммы искровых разрядов, формируемого КСЗ-1 и КСЗ-2 приведены на рис. 2. Искровой разряд, формируемый КСЗ-1 включает в себя пробой, сильноточную кратковременную индуктивную фаза первого искрового разряда, затем повторный пробой обратной полярности и сильноточную кратковременную индуктивную фазу второго искрового разряда. Комбинированный искровой разряд, формируемый КСЗ-2 включает в себя пробой и сильноточную кратковременную индуктивную фаза первого искрового разряда, затем следует повторный пробой обратной полярности и длительная индуктивная фаза второго искрового разряда экспоненциальной формы.
1ир, мА_
300
200
100 0
-100
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Рис. 2. Амплитудно-временные диаграммы искровых разрядов, формируемого КСЗ-1 и 2
Регулировочная характеристика по составу смеси ДВС снималась на режиме ХХ (п = 800 мин-1) с ТрСЗ, КСЗ-1 (5св = 0,7 мм) и КСЗ-2 (5св = 0,7 мм). Регулировочная характеристика ДВС приведена на рис. 3. Характеристика получена при штатных регулировках ДВС с ТрСЗ (0оз = 00).
1 1 КСЗ-2
КС ;з-1
№р, мс
СО,
млн-1
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800
сн,
млн-1 5000
4000
3000
2000
1000
0
Ф >
< 0 У *
•
• ЧЛ хл
% 1* V. %
•/\
•ч
м < \ /
/ 0 ' 0 0
• / / 7» Й0 /
/ г
Г
•' 2 *'
ШХ, млн-1 60
50
40
30
20
10
1,0 Ж
ТрСЗ
(5св = 0,4 мм)
1,2
1,4
1,6
КСЗ-1
(5св = 0,7 мм)
1,8 а
'О.
КСЗ-2
(5св = 0,7 мм)
Рис. 3. Регулировочная характеристика по составу смеси газового ДВС на режиме ХХ
(п = 800 мин-1)
Кривые изменения величин токсичных веществ в отработавших газах от коэффициента избытка воздуха а (рис. 3) показывают, что применение экспериментальных систем зажигания позволяет существенно снизить концентрацию CH, CO при повышении NOx в отработавших газах ДВС по сравнению с ТрСЗ (а = 1,4, штатные регулировки двигателя для ТрСЗ).
Бедная метановоздушная смесь по мере приближения к нижнему концентрационному пределу горит медленно, увеличивается количество продуктов неполного сгорания в отработавших газах, в том числе и увеличиваются выбросы оксида углерода [13].
Форсирующее влияние сильноточных кратковременных индуктивных фаз искрового разряда высокой энергии на развитие начального очага горения объясняется увеличенной скоростью выделения энергии в данных фазах.
При значительном обеднении смеси (а = 1,8) применение КСЗ-2 (5св = 0,7 мм) обеспечивает меньшее количество в отработавших газах выбросов CH и CO, по сравнению с применением КСЗ-1 (5св = 0,7 мм) и ТрСЗ (5св = 0,4 мм). При обеднении топливоздушной смеси, когда скорость отдаления фронта пламени от искрового разряда снижается, большая длительность комбинированного разряда обеспечивает увеличенную скорость роста начального очага горения.
Таким образом, формирование комбинированного искрового разряда с повышенной скоростью выделения энергии в кратковременный период длительного искрового разряда обеспечивает более быстрое развитие начального очага горения, что позволяет повысить пределы обеднения топливоздушной смеси до а = 1,8.
ЛИТЕРАТУРА
1. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов [Текст]; учебник для вузов / В. Н. Луканин, К. А. Морозов, А. С. Хачиян [и др.]; под ред. В. Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. -479 с.: ил.
2. Особенности критических условий цепно-теплового взрыва [Текст] / В.В. Азатян, И.А. Болодьян, Ю.Н. Шебеко, С.Н. Копылов // Физика горения и взрыва. - 2001. - том 37. - №5. - С. 12-23.
3. Дубовкин, Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктов сгорания [Текст] / Н.Ф. Дубовкин. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 288 с.
4. Bates Stephen. Flame imaging studies in a spark-ignition four-stroke internal combustion optical engine // SAE Techn. Pap. Ser. - 1989. - № 890154. - 16 pp.
5. Douaud A., de Soete G., Henault C. Experimental Analysis of the Initiation and Development of Part-Load Combustion in Spark Ignition Engines // SAE Techn. Pap. Ser. - 1983. - № 830338. - 16 pp.
6. Kalghatgi G.T. Spark Ignition, Early flame development and cyclic variations in I.C. engine // SAE. Techn. Pap. Ser. - 1987. - № 870163. - 13 pp.
7. Малов, В.В. Исследование характеристик искровых разрядов некоторых типов систем зажигания и их влияния на работу карбюраторного двигателя [Текст] / дис... канд. техн. наук. / В.В. Малов. - Волгоград, 1974. - 230 с.
8. Семенов, Е.С. Характеристики сферических пламен в стадии формирования [Текст] / Е.С. Семенов, А С. Соколик // Доклады АН СССР. - 1962. - № 2. - С. 369-372.
9. Староверов, В.В. Исследование рабочего процесса быстроходного автомобильного двигателя при воспламенении разными типами систем зажигания [Текст]: дис... канд. техн. наук. / В.В. Староверов. - Волгоград: 1978.
- 223 с.
10. Злотин, Г.Н. Оптимизация характеристик разряда системы зажигания [Текст] / Г.Н. Злотин, В.В. Малов // Автомобильная промышленность. - 1987. - №7. - С. 21-24.
11. Шумский, С.Н. Форсирование начальной фазы сгорания в ДВС за счет воздействия на процесс искрового воспламенения топливововоздушных смесей [Текст]: дисс... канд. техн. наук. / С.Н. Шумский. - ВолгПИ. - Волгоград, 1987.
- 254 с.
12. Басс, Б.А. Повышение топливной экономичности бензиновых двигателей увеличением энергии источника искрового зажигания [Текст]: дис... канд. техн. наук. / Б.А. Басс. - М.: 1984. - 24 с.
13. Башев, В.В. Улучшение показателей роторно-поршневого двигателя за счет оптимизации инициирующего искрового разряда [Текст]: дис... канд. техн. наук. / В.В. Башев. - Волгоград: 1986. - 196 с.
14. Злотин, Г.Н. Форсирование воспламенения топливовоздушных смесей электрической искрой [Текст] / Г.Н. Злотин // Двигателестростроение. - 1988. -№ 2. - С. 11-14.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 4 (23), июль - август 2014
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
15. Францев, С.М. Теоретико-экспериментальные исследования параметров систем зажигания высокой энергии для газовых двигателей [Текст]: монография / С.М. Францев, Г.И. Шаронов. - Пенза, ПГУАС, 2012. - 120 с.
16. Францев, С.М. Зависимость длительности индуктивной фазы искрового разряда конденсаторной и транзисторной систем зажигания от режима работы двигателя [Текст] / С.М. Францев // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса: сб. статей междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2008. - С. 129-131.
17. Францев, С.М. Исследование влияния распределенного сопротивления высоковольтного провода на амплитудно-временные параметры инициирующего разряда конденсаторно-тиристорного модуля зажигания [Текст] / С.М. Францев, В.И. Викулов, Г.И. Шаронов // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: Материалы IV международной научно-технической конференции. Ч.2. - Пенза: ПГУАС, 2006. - С. 136-145.
18. Шаронов, Г.И. Интенсификация токовременных параметров искрового инициирующего разряда газового двигателя [Текст] / Г.И. Шаронов, С.М. Францев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - №2. - С. 128-135.
19. Шаронов, Г.И. Свойства искрового инициирующего разряда различных видов систем зажигания [Текст] / Г.И. Шаронов, С.М. Францев, В.И. Викулов // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России: материалы V междунар. науч.-техн. конф. 21-23 мая 2008 г.; отв. ред. Э.Р. Домке. - Пенза, 2008. - Ч.2. -С. 87-94.
Рецензент: Шаманов Роман Сергеевич, старший преподаватель кафедры «Организация и безопасность движения» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», кандидат технических наук.
Sergey Frantsev
«Penza State University of Architecture and Construction»
Russia, Penza E-Mail: fsm8@mail.ru
Aleksandr Kavtorev
«Penza State University of Architecture and Construction»
Russia, Penza E-Mail: Kavtoreva@mail.ru
Improving the gas engine on a lean airfuelmicx by changing the characteristics of spark ignition systems
Abstract. Many leading companies developed internal combustion engines that run on natural gas. Specialists in many countries has been actively working on the implementation of the concept of "gas engine running on methane-air lean mixtures.
"In implementing this concept, a major problem is the fact that a mixture of natural gas and air takes place long process of combustion, which leads to increased fuel consumption of the engine and increase emissions of unburned hydrocarbons. It becomes especially noticeable as depletion methaneair mixture at idle. Upon ignition of lean methane-air mixtures having reduced rate of combustion, energy inductive phase can be a determining factor. In this paper we study the possibility of forcing the combustion due to the influence on the development of the initial phase of the outbreak inductive spark.
The results show that the use of pilot ignition systems can significantly reduce the toxicity of exhaust gases as compared with the standard transistor and the ignition system can significantly increase the lean limit mixture.
Keywords: ignition system; spark; spark ignition; ignition coil; motor; electrical equipment; ignition sparkplugs; exhaust emission.
Identification number of article 02TVN414
REFERENCES
1. Dvigateli vnutrennego sgoranija. V 3 kn. Kn. 1. Teorija rabochih processov [Tekst]; uchebnik dlja vuzov / V. N. Lukanin, K. A. Morozov, A. S. Hachijan [i dr.]; pod red. V. N. Lukanina. - 2-e izd., pererab. i dop. - M.: Vysshaja shkola, 2005. - 479 s.: il.
2. Osobennosti kriticheskih uslovij cepno-teplovogo vzryva [Tekst] / V.V. Azatjan, I.A. Bolod'jan, Ju.N. Shebeko, S.N. Kopylov // Fizika gorenija i vzryva. - 2001. - tom 37.
- №5. - S. 12-23.
3. Dubovkin, N.F. Spravochnik po teplofizicheskim svojstvam uglevodorodnyh topliv i ih produktov sgoranija [Tekst] / N.F. Dubovkin. - M.-L.: Gosjenergoizdat, 1962. -288 s.
4. Bates Stephen. Flame imaging studies in a spark-ignition four-stroke internal combustion optical engine // SAE Techn. Pap. Ser. - 1989. - № 890154. - 16 pp.
5. Douaud A., de Soete G., Henault C. Experimental Analysis of the Initiation and Development of Part-Load Combustion in Spark Ignition Engines // SAE Techn. Pap. Ser. - 1983. - № 830338. - 16 pp.
6. Kalghatgi G.T. Spark Ignition, Early flame development and cyclic variations in I.C. engine // SAE. Techn. Pap. Ser. - 1987. - № 870163. - 13 pp.
7. Malov, V.V. Issledovanie harakteristik iskrovyh razrjadov nekotoryh tipov sistem zazhiganija i ih vlijanija na rabotu karbjuratornogo dvigatelja [Tekst] / dis... kand. tehn. nauk. / V.V. Malov. - Volgograd, 1974. - 230 s.
8. Semenov, E.S. Harakteristiki sfericheskih plamen v stadii formirovanija [Tekst] / E.S. Semenov, A.S. Sokolik // Doklady AN SSSR. - 1962. - № 2. - S. 369-372.
9. Staroverov, V.V. Issledovanie rabochego processa bystrohodnogo avtomobil'nogo dvigatelja pri vosplamenenii raznymi tipami sistem zazhiganija [Tekst]: dis... kand. tehn. nauk. / V.V. Staroverov. - Volgograd: 1978. - 223 s.
10. Zlotin, G.N. Optimizacija harakteristik razrjada sistemy zazhiganija [Tekst] / G.N. Zlotin, V.V. Malov // Avtomobil'naja promyshlennost'. - 1987. - №7. - S. 21-24.
11. Shumskij, S.N. Forsirovanie nachal'noj fazy sgoranija v DVS za schet vozdejstvija na process iskrovogo vosplamenenija toplivovovozdushnyh smesej [Tekst]: diss... kand. tehn. nauk. / S.N. Shumskij. - VolgPI. - Volgograd, 1987. - 254 s.
12. Bass, B.A. Povyshenie toplivnoj jekonomichnosti benzinovyh dvigatelej uvelicheniem jenergii istochnika iskrovogo zazhiganija [Tekst]: dis... kand. tehn. nauk. / B.A. Bass.
- M.: 1984. - 24 s.
13. Bashev, V.V. Uluchshenie pokazatelej rotorno-porshnevogo dvigatelja za schet optimizacii iniciirujushhego iskrovogo razrjada [Tekst]: dis... kand. tehn. nauk. / V.V. Bashev. - Volgograd: 1986. - 196 s.
14. Zlotin, G.N. Forsirovanie vosplamenenija toplivovozdushnyh smesej jelektricheskoj iskroj [Tekst] / G.N. Zlotin // Dvigatelestrostroenie. - 1988. -№ 2. - S. 11-14.
15. Francev, S.M. Teoretiko-jeksperimental'nye issledovanija parametrov sistem zazhiganija vysokoj jenergii dlja gazovyh dvigatelej [Tekst]: monografija / S.M. Francev, G.I. Sharonov. - Penza, PGUAS, 2012. - 120 s.
16. Francev, S.M. Zavisimost' dlitel'nosti induktivnoj fazy iskrovogo razrjada kondensatornoj i tranzistornoj sistem zazhiganija ot rezhima raboty dvigatelja [Tekst]
/ S.M. Francev // Perspektivnye napravlenija razvitija avtotransportnogo kompleksa: sb. statej mezhdunar. nauch.-prakt. konf. - Penza, 2008. - S. 129-131.
17. Francev, S.M. Issledovanie vlijanija raspredelennogo soprotivlenija vysokovol'tnogo provoda na amplitudno-vremennye parametry iniciirujushhego razrjada kondensatorno-tiristornogo modulja zazhiganija [Tekst] / S.M. Francev, V.I. Vikulov, G.I. Sharonov // Problemy kachestva i jekspluatacii avtotransportnyh sredstv: Materialy IV mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. Ch.2. - Penza: PGUAS, 2006. - S. 136-145.
18. Sharonov, G.I. Intensifikacija tokovremennyh parametrov iskrovogo iniciirujushhego razrjada gazovogo dvigatelja [Tekst] / G.I. Sharonov, S.M. Francev // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Tehnicheskie nauki. - 2008. - №2. -S. 128-135.
19. Sharonov, G.I. Svojstva iskrovogo iniciirujushhego razrjada razlichnyh vidov sistem zazhiganija [Tekst] / G.I. Sharonov, S.M. Francev, V.I. Vikulov // Problemy avtomobil'no-dorozhnogo kompleksa Rossii: materialy V mezhdunar. nauch.-tehn. konf. 21-23 maja 2008 g.; otv. red. Je.R. Domke. - Penza, 2008. - Ch.2. - S. 87-94.
