CC BY
52Свечи зажигания для газовых ДВС
В.А. Шишков,
начальник технического отдела ООО «Рекар»,
доцент Самарского Государственного Аэрокосмического Университета
им. С.П. Королева, к.т.н.
Рассмотрены теоретические аспекты при выборе свечей зажигания как для двухтопливных, так и однотопливных газовых двигателей внутреннего сгорания с учетом требований законодательства. Показаны основные факторы, которые влияют на параметры ДВС при выборе свечей зажигания для работы на газовом топливе.
Ключевые слова: свеча зажигания, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), скорость горения, температура горения, газовое топливо, состав отработавших газов, электронная система управления, критерий экологической опасности.
Candles of ignition for gas engine of internal combustion
блока управления двигателем необходимо скорректировать таблицы топливоподачи для выполнения вышеназванного условия, иначе газовоздушная смесь может оказаться богатой или слишком бедной. На старых карбюраторных ДВС для снижения расхода газа обычно настройку выполняют на обедненную газовоздушную смесь с а = 1,05-1,2, что приводит к возрастанию температуры горения и соответственно к увеличению NOx в отработавших газах, повышению вероятности прогара выпускных клапанов и к калильному зажиганию. В настоящее время все производители автомобилей выпускают их с электронной системой управления ДВС, и поэтому говорить о двигателях с карбюратором не имеет смысла, так как они не выполняют современные законодательные требования по токсичности отработавших газов.
V.A. Shishkov
The theoretical aspects are considered at a choice candle of ignition as for two-fuel, and one-fuel gas engines of internal combustion in view of the requirements of the legislation. The major factors are shown which influence parameters engine at a choice candle of ignition for work on gas fuel.
Keywords: a candle of ignition, engine of internal combustion, speed of burning, temperature of burning, gas fuel, structure of the fulfilled gases, electronic control system, criterion of ecological danger.
При выборе свечей зажигания для ДВС необходимо исходить из условия выполнения законодательных норм, а именно - по токсичности отработавших газов, электромагнитной совместимости и в перспективе выбросам СО2, пропорциональным расходу углеводородного моторного топлива. Остальные параметры ДВС, такие как мощность, крутящий момент и др., не являются определяющими, но существенны для потребительских качеств автомобиля. Для их увеличения обычно проводят оптимизацию углов опережения зажигания на всех режимах работы ДВС. На карбюраторных двигателях это можно было выполнить на станции технического
обслуживания, имеющей соответствующее оборудование. На двигателях с электронной системой управления это можно сделать только в условиях завода, являющегося изготовителем автомобиля или двигателя.
При замене топлива с бензина на газовое для корректного сравнения ДВС испытания необходимо проводить в одинаковых условиях по составу топливовоздушной смеси, то есть для норм токсичности, например, «Евро-3» или «Евро-4» состав а должен быть равным 1 с отклонениями ±1% практически на всех контролируемых по циклу токсичности режимах его работы. При переходе на газовое топливо в программе электронного
Скорость горения
Скорость горения изменяется по закону Аррениуса в виде экспоненциальной зависимости. Скорость горения топливных смесей с воздухом зависит от многих параметров [1]: начальных и текущих по времени температуры и давления смеси, концентраций горючего и окислителя (состава смеси а), энергии активации, масштабного фактора (объема и площади поверхности горения), турбулентной составляющей скорости. Фактически скорость горения является переменной во времени функцией этих параметров. Для понимания проще говорить о какой-то средней величине этой скорости в разовом процессе сгорания, то есть в рабочем такте ДВС. В таком случае необходимо упомянуть о полном времени сгорания топливо-воздушной смеси.
С учетом того факта, что скорость горения изменяется по известному закону, увеличение времени полного сгорания в большей степени происходит в начальный период реакции, когда скорость горения еще мала. Чем больший объем топливовоздушной смеси будет воспламенен около
Газобаллонное оборудование автомобилей
электродов зажигания свечи, тем меньше будет время полного сгорания. Так как скорость сгорания топли-вовоздушной смеси зависит от начальной температуры смеси, то и средние скорости сгорания на холодном и прогретом ДВС будут отличаться. На холодном двигателе углы опережения зажигания при работе на газе будут максимально отличаться от режимов при работе на бензине. На прогретом ДВС скорость сгорания сжиженного углеводородного газа (СУГ) практически приближается к скорости сгорания паров бензина, соответственно угол опережения зажигания также приближается к углу при работе на бензине [1]. На компримированном природном газе (КПГ) этот эффект также наблюдается [1], но различие в средней скорости сгорания немного больше, поэтому и угол опережения больше, чем при работе на СУГ или бензине. Испытания автомобиля ВАЗ-21102 на КПГ это подтвердили (определялись максимальная мощность и крутящий момент ДВС при оптимизации углов опережения зажигания при различных температурах двигателя).
На температуру двигателя и элементов системы выпуска отработавших газов (выпускные клапаны и выпускной коллектор) большое влияние оказывает угол опережения зажигания. Для компенсации увеличения
времени сгорания при работе на газовых видах топлива необходимо увеличивать угол опережения зажигания в соответствии с рекомендациями [1]. Для корректного сравнения ДВС при работе на бензине и газовом топливе эту работу по корректировке угла опережения зажигания выполняют из условия получения максимальной мощности и крутящего момента.
Температура горения углеводородных смесей с воздухом
СУГ и КПГ являются углеводородными газовыми топливами, как и пары бензина, поэтому функция изменения их температуры сгорания в зависимости от состава топливовоздушной смеси а будет идентична, отличаясь только уровнем. Уровень температур горения СУГ практически одинаков с уровнем температур горения паров бензина. Уровень температур горения КПГ на 60-150°С ниже уровня температур горения паров бензина практически во всем диапазоне составов газовоздушной смеси. Необходимо помнить при этом, что функция температуры горения как паров бензина в воздухе, так и газовоздушных смесей изменяется примерно следующим образом (см. рисунок ниже).
Максимальная температура горения обычно наблюдается при составе
к^оции»*
топливовоздушной смеси а = 1,1-1,3. Ее рост связан с тем, что вероятность встречи атомов окислителя с атомами горючего увеличивается. При каждой такой встрече выделяется соответствующее количество тепловой энергии, которое и приводит к росту температуры. Дальнейшее снижение средней температуры горения связано с отбором теплоты на нагрев избытка воздуха. Смещение максимума температур в сторону бедных смесей связано с балансом выделившейся теплоты при химической реакции окисления, теплоты, рассеянной в окружающую среду, и теплоты, использованной на нагрев избытка воздуха.
С учетом законодательных норм по токсичности отработавших газов сравнение ДВС с различными свечами зажигания необходимо выполнять при составе топливовоздушной смеси а = 1 или на сверхбедных смесях а = 2-2,5. Необходимо помнить и о качестве приготовления смеси топлива с воздухом, которое зависит от многих конструктивных параметров системы впуска, камеры сгорания, элементов системы впрыска топлива, перепада давлений на элементах впрыска топлива, алгоритма управления фазами впрыска топлива (бензин, СУГ или КПГ) и зажигания, турбулентной составляющей скорости вихря в камере сгорания, а также от расположения центрального электрода свечи зажигания в камере сгорания и по отношению к вихрю топливовоздушной смеси и в дальнейшем к фронту пламени и т.д. Смешение газообразного топлива с воздухом при высокой турбулентной составляющей скорости движения вихря в камере сгорания приводит к качественному распределению по концентрации топлива и окислителя во всем ее объеме. Для ДВС, работающих на бензине, часть топлива в камере сгорания находится в виде капелек жидкой фазы, которые и создают флуктуации различного состава смеси во всем ее объеме. Это и является одним из факторов, повышающих токсичность отработавших газов.
щ
Газобаллонное оборудование автомобиле
Состав отработавших газов
Состав отработавших газов в первую очередь зависит от типа углеводородного топлива и, во-вторых, от состава топливовоздушной смеси. Количество выбросов СО и СО2 зависит от содержания углерода в том или ином топливе, то есть от водородно-углеродного числа - это отношение количества атомов водорода к количеству атомов углерода в молекуле. Для бензина (который состоит из нескольких углеводородных соединений) водородно-углеродное число составляет примерно 2, для СУГ - 2,6, для метана - 4. Отношение водорода к оксиду углерода в продуктах сгорания для бензина составляет 0,450,5, для СУГ - 0,615, для метана - 0,75 (см. таблицу). То есть снижение выбросов СО и СО2 при переходе с бензина на СУГ при одинаковых составах топ-ливовоздушной смеси не превысит 11,5-16,5%, а для метана это снижение может составить не более 25-30% (реально не более 25-28% из-за компенсации потери мощности за счет увеличения угла положения дроссельной заслонки, что в свою очередь приводит к возрастанию массового расхода воздуха и природного газа). Эти проценты указывают на то, что количество твердых отложений в виде углерода (сажи) на стенках камеры сгорания будет меньше на такое же количество.
Снижения выбросов СО и СО2 более этих значений может говорить только о некорректном сравнении ДВС при работе на бензине и газовом топливе.
Оценку экологической опасности вредных веществ в отработавших газах необходимо выполнять с помощью критерия экологической опасности Ка [2]. Класс опасности СО и СН - IV, класс опасности N0 - II. Соответственно
X
токсичность ПДК (максимально-разовая предельно допустимая концентрация, г/м3) для СО, СН и N0x составляет 0,003; 0,0015 и 0,000085. Оксид углерода не является приоритетной примесью в отработавших газах, так как его вклад в критериальный показатель составляет не более 10%, в редких случаях он доходит до 25%. Углеводороды в отработавших газах также не превышают 10% от критериального показателя. Самой опасной примесью в отработавших газах считается N0^ количество которого в критериальном показателе находится в пределах 75-93% [3]. С учетом вышеизложенного выбор критерия оценки любого из элементов ДВС (в том числе и свечей зажигания), влияющего на токсичность отработавших газов, необходимо выполнять с помощью критерия экологической опасности.
Выбор калильного числа
Выбор калильного числа для свечей зажигания зависит от
температуры воспламенения топли-вовоздушной смеси. Так как температуры воспламенения и сгорания паров бензина и СУГ близки по значениям, то и калильное число свечей зажигания для этих видов топлива примерно одинаково. Для природного газа температура воспламенения значительно выше, и соответственно калильное число свечей должно быть отличным от количества свечей для бензина, то есть свечи должны быть более горячими. Все это касается двухтопливных ДВС, работающих без увеличения степени сжатия при переключении с бензина на газ, при условии, что свечи должны обеспечивать работу на обоих видах моторного топлива.
Детонационное число газовых моторных топлив выше, чем бензина. Для СУГ детонационное число составляет примерно 105, а для КПГ примерно 120. Соответственно при большей степени сжатия газовых видов топлива получим более высокую температуру смеси перед воспламенением, то есть потребуется меньшее количество энергии для активации химической реакции окисления топлива. В этом случае для однотопливных газовых ДВС с повышенной степенью сжатия калильное число свечей зажигания при работе на СУГ и бензине может быть примерно одинаково. У однотоп-ливного ДВС с повышенной степенью сжатия до 11,5-12,5 при работе на КПГ
Таблица
Топливо Химическая формула n actual (Н / C) (отношение числа атомов водорода к числу атомов углерода) К (отношение водорода к оксиду углерода в продуктах сгорания)
Метан СН4 4,0 0,75
Этан С2Н6 3,0 0,667
Пропан С3Н8 2,7 0,63
Бутан С4Н10 2,5 0,60
Пентан С5Н12 2,4 0,586
Бензин C H m n 2,0 0,45-0,50
Спирт, синтез-газ, светильный газ C H O mn 2,0 0,45-0,50
Керосин CmHn mn 1,9 0,44-0,48
Дизельное топливо,этанол CmHn 1,8 0,42-0,45
Мазут CmHn 1,7 0,40-0,43
Газобаллонное оборудование автомобилей
ы
калильное число свечей зажигания должно отличаться от числа свечей, предназначенных для бензина, так как низшая теплота сгорания природного газа (Ни = 48,5 МДж/кг) примерно на 20% выше, чем у бензина (Ни = 44 МДж/кг). Суммарное количество теплоты от высокой степени сжатия и выделившейся теплоты при сгорании метана будет выше, чем для паров бензина, и соответственно необходимо будет выбрать более холодные свечи для исключения вероятности калильного зажигания.
Свечи зажигания
Назначение свечи зажигания - это подвод энергии к топливовоз-душной смеси для ее воспламенения. Воспламенение произойдет, если подведенная свечой энергия, необходимая для ионизации молекул в разрядной дуге, и теплота, выделившаяся в искровом промежутке, будут выше суммарной энергии активации минимального объема смеси для начала химической реакции. Практически на воспламенение расходуется не более 3-10% энергии, накопленной в обмотке катушки зажигания. Остальная энергия расходуется на ее рассеивание при коротком замыкании через искровой разряд на массу автомобиля.
Разница в назначении свечей зажигания заключается в том, чтобы как можно эффективней использовать энергию искры на ионизацию молекул и ее преобразование в тепловую энергию в максимальном объеме смеси около электродов. За счет этого повышается начальная температура топливовоздушной смеси, от которой зависит начальная скорость горения. Кроме этого, чем больше ионизация молекул топлива и окислителя около электродов свечи зажигания, тем выше уровень давления в ударной волне, создаваемой искрой, и тем выше скорость ее передвижения от электродов свечи к стенкам камеры сгорания. Ударная волна приводит к увеличению температуры смеси во фронте пламени.
Наибольшая скорость горения топливовоздушной смеси будет при равенстве скорости движения ударной волны и скорости передвижения фронта пламени - это явление называют детонацией, при этом скорость горения будет равна скорости звука в топливовоздушной смеси. Можно предположить, что этот процесс больше реализуется при горении паров бензина в воздухе, чем при горении СУГ или КПГ. Так как бензин состоит из более тяжелых фракций углеводородов, то при его ионизации в искровом промежутке образуется большее количество молей ионизированных атомов углерода, водорода и радикалов (СО, СН, ОН и т.д.). Большее количество молей увеличивает суммарное давление в ударной волне, так как оно складывается из парциальных давлений составляющих молей атомов и радикалов. А при разложении метана на ионизированные атомы и радикалы получается меньшее количество молей С, Н, СН. В этом случае суммарное давление в ударной волне значительно ниже, чем для бензина, поэтому и повышение начальной температуры смеси за счет ударной волны будет незначительным.
Чем больше расстояние искрового промежутка и чем больше количество искровых дуг, тем больше получается ионов при разложении молекул и тем больше количество выделившейся теплоты для подогрева большего объема топливовоздушной смеси
для преодоления энергии активации и начала химической реакции процесса окисления в объеме искрового промежутка. Эти факторы оказывают существенное влияние на суммарную эффективность свечей зажигания, и этим могут объясняться различия свечей зажигания даже для одного вида углеводородного топлива (бензина или газа) [4].
Выводы и предложения
1. Выбор свечей зажигания как для двухтопливных, так и однотоп-ливных газовых ДВС необходимо производить согласно требованиям законодательных норм по токсичности отработавших газов и электромагнитной совместимости, а в перспективе согласно условиям снижения выбросов СО2, пропорциональных расходу углеводородного топлива.
2. При работе ДВС на стехиометри-ческом составе смеси для газовых видов моторного топлива необходимо выбирать более горячие свечи. При этом для КПГ свечи должны быть горячее, чем для СУГ и бензина.
3. Для прогретого до рабочей температуры ДВС разница в калильном числе свечей зажигания для бензина и газовых углеводородных топлив снижается в сравнении с холодным двигателем.
4. При увеличении степени сжатия при переходе с бензина на газ разница в калильном числе свечей зажигания для этих топлив снижается.
Литература
1. Шишков В.А. Определение величины увеличения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газ в зависимости от скорости горения топливной смеси. Транспорт на альтернативном топливе, № 3, 2008. - С. 20-23.
2. Коротков М.В. Управление техническим состоянием автомобилей по критериям экологической безопасности (на примере автомобиля ВАЗ). Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Оренбург, ИПК ОГУ, 2003 г.
3. Ямолов Ю.И., Коротков М.В. Оценка влияния пробега на экологическую безопасность автомобиля ВАЗ-21102. - Вестник Оренбургского государственного университета. - 2003, № 1. - С. 17-20.
4. Колодочкин М., Шабанов А. Газовые зажигалки. Журнал «За рулем» 04/2010. - С. 180-183.
