CC BY
90
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
Влияние закона выделения энергии в индуктивной фазе искрового разряда на показатели газового двигателя
1 440028, Россия, г. Пенза, ул. Беляева, 16, ауд. 5206
Аннотация. Газовые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве моторного топлива природный газ (метан), характеризуются пониженной, по сравнению с бензиновыми двигателями скоростью сгорания топливовоздушных смесей в цилиндре.
Пониженная скорость сгорания увеличивает длительность как основной фазы процесса сгорания, так и стадии формирования начального очага горения, возникающего в межэлектродном зазоре свечи зажигания вследствие искрового разряда, формируемого системой зажигания. Динамика расширения начального очага в пространстве за счет выделения тепла в индуктивной фазе искрового разряда определяет продолжительность всего процесса сгорания, что влияет на технико-экономические показатели двигателя и токсичность отработавших газов.
На динамику расширения начального очага горения при воспламенении метановоздушных смесей в цилиндре двигателя преобладающее влияние оказывает индуктивная фаза искрового разряда, в частности, ее характеристика выделения энергии.
Нахождению характеристики выделения энергии, позволяющей улучшить технико-экономические показатели газовых двигателей за счет интенсификации формирования начального очага горения посвящена данная статья.
Для проведения исследований использован макетный образец экспериментальной конденсаторной системы зажигания.
Моторные испытания показывают, что изменение характеристики выделения энергии искрового разряда системы зажигания оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели газового двигателя.
Результаты моторных испытаний позволяют сделать следующие выводы, что: увеличение длительности и соответственно энергии искрового разряда, формируемого экспериментальной конденсаторной системы зажигания сокращает длительность процесса сгорания; в системе зажигания газового двигателя необходимо минимизировать временной интервал между следующими друг за другом искровыми разрядами, например, в случае реализации системой зажигания многоискрового разряда.
Ключевые слова: система зажигания; искровой разряд; искровое зажигание; катушка зажигания; двигатель внутреннего сгорания; электрооборудование; свечи зажигания; токсичность отработавших газов.
Идентификационный номер статьи в журнале 03ТУЫ414
Газовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), использующие в качестве моторного топлива природный газ (метан), характеризуются пониженной, по сравнению с бензиновыми двигателями скоростью сгорания топливовоздушных смесей в цилиндре.
Пониженная скорость сгорания увеличивает длительность как основной фазы процесса сгорания, так и стадии формирования начального очага горения, возникающего в межэлектродном зазоре свечи зажигания вследствие искрового разряда, формируемого системой зажигания. Формирование начального очага горения осуществляется за счет выделения тепла в индуктивной фазе искрового разряда и химической реакции при горении газовоздушной смеси. Динамика расширения начального очага в пространстве определяет продолжительность всего процесса сгорания, что влияет на технико-экономические показатели двигателя и токсичность отработавших газов [1-7].
На динамику расширения начального очага горения при воспламенении метановоздушных смесей в цилиндре ДВС преобладающее влияние оказывает индуктивная фаза искрового разряда, в частности, ее характеристика выделения энергии [8].
Нахождению характеристики выделения энергии, позволяющей улучшить технико-экономические показатели газовых ДВС за счет интенсификации формирования начального очага горения посвящена данная статья.
Результаты экспериментальных исследований [9] показывают, что формирование искрового разряда с длительной индуктивной фазой, обладающей повышенной скоростью выделения энергии в начальный период (после пробоя межэлектродного зазора свечи зажигания высоким напряжением), позволяет существенно улучшить показатели газовых ДВС.
Для реализации искрового разряда, обладающего повышенной скоростью выделения энергии в начальный период индуктивной фазы большой длительности, использован макетный образец экспериментальной конденсаторной системы зажигания (КСЗ), подробно описанной в [10].
КСЗ формирует искровой разряд, состоящий из двух разнополярных искровых разрядов, следующих друг за другом. Первый искровой разряд включает в себя пробой межэлектродного зазора свечи зажигания, емкостную фазу и индуктивную фазу с повышенной скоростью выделения энергии в течение 0,5...0,8 мс и амплитудой тока 230 мА. Второй искровой разряд противоположной полярности включает повторный пробой, емкостную фазу и длительную (0,8.1,5 мс) индуктивную фазу с амплитудой тока 80 - 100 мА.
Особенностью КСЗ является возможность изменения величин энергии первого и второго искровых разрядов.
В Научно-техническом центре ОАО "КАМАЗ" проведены испытания газового ДВС КАМАЗ мод. 820.60-260 с турбонаддувом (Ыв = 191 кВт при п = 2200 об/мин, степень сжатия 8 = 12), оснащенного КТрСЗ, на режиме частичных нагрузок (Ыв = 12,7 кВт при п = 1100 об/мин, угол опережения зажигания 0оз = 20 град. п.к.в., коэффициент избытка воздуха а = 1,7, межэлектродный зазор свечей зажигания 5св = 0,7 мм).
Выбор указанного режима работы ДВС в процессе испытаний обусловлен тем, что наибольший эффект индуктивная фаза искрового разряда оказывает на процесс сгорания на режимах частичных нагрузок и холостого хода и при воспламенении бедных топливовоздушных смесей [8].
Осциллограммы тока искровых разрядов, формируемых КСЗ (ИР-1, ИР-2 и ИР-3) приведены на рис. 1.
1ир, мА
200 100 0 -100
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ^Р, мс
-ИР-1
- ИР-2
......ИР-3
Рис. 1. Осциллограммы тока 1ир индуктивных фаз искровых разрядов с характеристиками
выделения энергии - ИР-1, ИР-2 и ИР-3
Первым этапом исследований стало определение влияния на показатели газового ДВС энергии индуктивной фазы искрового разряда, изменяемой за счет варьирования длительности первого искрового разряда.
Длительность tw, напряжение Цир и энергия Жир индуктивной фазы искрового разряда связаны известным соотношением
%р
^ИР _ ^ИР ^ 1ИР 0-ИР ,
0
где /ир - ток индуктивной фазы искрового разряда.
Так, увеличение длительности ^р индуктивной фазы при неизменной величине тока позволяет увеличить энергию искрового разряда Жир.
Моторные испытания, результаты которых приведены на рис. 2, показывают, что использование искрового разряда ИР-2 энергией 115 мДж, по сравнению с ИР-1 энергией 105 мДж позволяет улучшить показатели ДВС. В качестве показателей ДВС выступают величины выбросов вредных веществ с отработавшими газами (частиц на миллион) и удельный расход топлива. Так, выбросы с отработавшими газами несгоревших углеводородов (СН) снижаются на 21 %, удельный расход топлива ge снижается на 4 %. Однако, выбросы оксидов азота (КОх) увеличиваются на 21 % и выбросы оксидов углерода (СО) увеличиваются на 9,5 %.
—N \
-ъ »• *
Рис. 2. Токсические компоненты отработавших газов и удельный расход топлива ДВС при использовании характеристик выделения энергии искрового разряда ИР-1, ИР-2 и ИР-3
Снижение выбросов СН объясняется ускорением процесса воспламенения и сокращением общей продолжительности сгорания метановоздушной смеси, т.к. сгорание происходит в меньшем объеме камеры сгорания, что уменьшает теплоотдачу из зоны горения, т.е. объем зоны гашения пламени.
Увеличенные выбросы СО с отработавшими газами объясняются диссоциацией СО2 при высоких температурах в цилиндре [11]. Увеличение выбросов КОх позволяет предположить о повышении максимальной температуры цикла [12], что свидетельствует о сокращении продолжительности сгорания метановоздушной смеси в цилиндре двигателя.
Уменьшение расхода топлива можно объяснить сокращением общей длительности процесса сгорания метановоздушных смесей, что связано со снижением продолжительности формирования начального очага горения. Данный положительный эффект достигнут увеличением скорости роста начального очага горения.
Таким образом, использование искрового разряда ИР-2 обусловлено более быстрым процессом сгорания метановоздушной смеси в цилиндре, по сравнению с использованием искрового разряда ИР-1 за счет большей величины энергии искрового разряда ИР-2.
Вторым этапом исследований явилось выявление влияния на показатели испытуемого ДВС величины энергии искрового разряда путем изменения длительности второго искрового разряда. При этом второй искровой разряд формируется после окончания первого разряда с задержкой в 0,3 мс, т.е. выделение энергии индуктивной фазы в этот период не происходит.
При наличии задержки между первым и вторым разрядами (ИР-3 с энергией 164 мДж) показатели двигателя ухудшаются, т.е. СН увеличивается на 12,5 %, КОх увеличивается на
14,4 %, СО увеличивается на 5 % и ge увеличивается на 3,5 %, по сравнению с использованием ИР-2 (рис. 2).
В данном случае, выбросы КОх увеличиваются вследствие роста удельного расхода топлива, приводящего к сгоранию большего количества топлива и повышению максимальной температуры цикла.
За период между окончанием первого разряда и началом второго, когда энергия искрового разряда в межэлектродном зазоре свечи зажигания не выделяется начальный очаг горения расширяется только под действием теплоты, выделяемой во фронте пламени, недостаточной для интенсивного расширения очага.
Можно сделать вывод, что, несмотря на выделение большого количества энергии искровым разрядом, задержка начала второго разряда после окончания первого приводит к более длительному процессу сгорания.
Таким образом, изменение характеристики выделения энергии искрового разряда системы зажигания оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели газового ДВС.
Результаты моторных испытаний позволяют сделать следующие выводы:
• увеличение длительности и соответственно энергии искрового разряда, формируемого КСЗ сокращает длительность процесса сгорания;
• в системе зажигания газового ДВС необходимо минимизировать временной интервал между следующими друг за другом искровыми разрядами, например, в случае реализации системой зажигания многоискрового разряда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Злотин, Г.Н. Оптимизация характеристик разряда системы зажигания [Текст] / Г.Н. Злотин, В.В. Малов // Автомобильная промышленность. - 1987. - №7. - С. 21-24.
2. Карпов, В.П. Влияние оптимизации характеристик комбинированного разряда на форсирование начального очага горения и развитие горения в околопредельных смесях [Текст] / В.П. Карпов, В.В. Малов, Е.С. Северин // Физика горения и взрыва. - 1986. - №6. - С. 72-78.
3. Карпов, В.П. Исследование критических условий воспламенения околопредельных метано-воздушных смесей комбинированным искровым разрядом с варьируемыми характеристиками [Текст] / В.П. Карпов, В.В. Малов, Е.С. Северин // Физика горения и взрыва. - 1986. - № 2. - С. 3-9.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Злотин, Г.Н. Начальный очаг горения при искровом зажигании гомогенных топливовоздушных смесей в замкнутых объемах [Текст]: монография / Г.Н. Злотин, Е.А. Федянов; ВолГТУ. - Волгоград, 2008. - 152 с.
9. Влияние форсированных токовременных параметров искрового инициирующего разряда на показатели газового двигателя [Текст] / Г.И. Шаронов, С.М. Францев, В.И. Викулов, Э.Р. Домке // Вестник МАДИ (ГТУ). -2009. - №4. - С. 30-34.
10. 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.
11. Горбунов, В.В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания [Текст]: учеб. пособие / В.В. Горбунов, Н.Н. Патрахальцев. - М.: Изд-во РУДН, 1998. - 214 с.: ил.
12. Кульчицкий, А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей [Текст] : учеб. пособие для вузов / А.Р. Кульчицкий; Владим. гос. ун-т. - [2-е изд., испр. и доп.]. - М.: Акад. Проект, 2004. - 398 с.
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
Influence of the law of energy in the inductive phase of the spark discharge on the performance of the gas engine
Abstract. Gas combustion engines that use as a motor fuel natural gas (methane), characterized by a reduced, compared with gasoline engines combustion speed fuel mixture into the cylinder. Reduced rate of combustion increases as the duration of the main phase of the combustion process, and the initial stage of formation of the combustion chamber, appearing in the spark plug electrode gap due to the spark generated ignition system.
Expansion dynamics of the initial focus in space due to heat generation in the inductive phase of the spark discharge determines the duration of the whole process of combustion, which affects the technical and economic performance of the engine and exhaust emissions. The dynamics of expanded primary combustion chamber when ignited methane-air mixtures in the cylinder dominant influence phase inductive spark discharge, in particular, its characteristic energy release.
Finding the characteristics of energy that would improve the technical and economic performance of gas engines due to the intensification of the initial formation of the combustion chamber is devoted to this article.
For research used an experimental model capacitor ignition system.
The results of motor tests suggest the following conclusions that: increase the duration and energy of the spark discharge, respectively, formed the experimental condenser ignition system shortens the combustion process; a gas engine ignition system is necessary to minimize the time interval between successive spark discharges, for example in case of realization of an ignition system of multispark discharge.
Keywords: ignition system; spark; spark ignition; ignition coil; motor; electrical equipment; ignition sparkplugs; exhaust emission.
Identification number of article 03TVN414
REFERENCES
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11. 12.
Zlotin, G.N. Optimizacija harakteristik razrjada sistemy zazhiganija [Tekst] / G.N. Zlotin, V.V. Malov // Avtomobil'naja promyshlennost'. - 1987. - №7. - S. 21-24.
Karpov, V.P. Vlijanie optimizacii harakteristik kombinirovannogo razrjada na forsirovanie nachal'nogo ochaga gorenija i razvitie gorenija v okolopredel'nyh smesjah [Tekst] / V.P. Karpov, V.V. Malov, E.S. Severin // Fizika gorenija i vzryva. -1986. - №6. - S. 72-78.
Karpov, V.P. Issledovanie kriticheskih uslovij vosplamenenija okolopredel'nyh metano-vozdushnyh smesej kombinirovannym iskrovym razrjadom s var'iruemymi harakteristikami [Tekst] / V.P. Karpov, V.V. Malov, E.S. Severin // Fizika gorenija i vzryva. - 1986. - № 2. - S. 3-9.
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.
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.
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.
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.
Zlotin, G.N. Nachal'nyj ochag gorenija pri iskrovom zazhiganii gomogennyh toplivovozdushnyh smesej v zamknutyh ob#emah [Tekst]: monografija / G.N. Zlotin, E.A. Fedjanov; VolGTU. - Volgograd, 2008. - 152 s.
Vlijanie forsirovannyh tokovremennyh parametrov iskrovogo iniciirujushhego razrjada na pokazateli gazovogo dvigatelja [Tekst] / G.I. Sharonov, S.M. Francev, V.I. Vikulov, Je.R. Domke // Vestnik MADI (GTU). - 2009. - №4. - S. 30-34.
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.
Gorbunov, V.V. Toksichnost' dvigatelej vnutrennego sgoranija [Tekst]: ucheb. posobie / V.V. Gorbunov, N.N. Patrahal'cev. - M.: Izd-vo RUDN, 1998. - 214 s.: il.
Kul'chickij, A.R. Toksichnost' avtomobil'nyh i traktornyh dvigatelej [Tekst] : ucheb. posobie dlja vuzov / A.R. Kul'chickij; Vladim. gos. un-t. - [2-e izd., ispr. i dop.]. -M.: Akad. Proekt, 2004. - 398 s.
