CC BY
97
УДК 621.43.05
Францев Сергей Михайлович
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза1 Доцент кафедры Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Кавторев Александр Юрьевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза Студент
E-Mail: [email protected]
Влияние характеристик искрового разряда конденсаторных систем зажигания на показатели газового двигателя на режиме холостого хода
1 440028, Россия, г. Пенза, ул. Беляева, 16, ауд. 5206 1
Аннотация. В качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания все шире используют природный газ, основным компонентом которого является метан, что позволяет существенно снизить выбросы оксида углерода и диоксида углерода. Однако, отрицательной стороной использования природного газа является повышенный уровень выбросов несгоревших углеводородов.
Существенную роль в протекании всего процесса сгорания играет длительность формирования начального очага горения. Форсирование токовременных параметров искрового разряда и увеличение межэлектродного зазора свечей зажигания является наиболее простым и достаточно эффективным способом ускорения развития начального очага горения, что позволяет улучшить топливную экономичность и снизить токсичность отработавших газов.
Вследствие малой активности природного газа, заметное форсирование воспламенения метановоздушной смеси происходит лишь при применении высокоэнергетических систем зажигания.
Разработаны образцы экспериментальных конденсаторных систем зажигания высокой энергии, характерными особенностями которых являются высокая скорость нарастания вторичного напряжения, большая величина развиваемого вторичного напряжения и большие величины амплитуд токов индуктивной фазы искрового разряда.
В качестве базовой в исследованиях была принята штатная транзисторная система зажигания.
Испытания показали снижение количества несгоревших углеводородов на 69 %, оксида углерода на 12 % при испытаниях экспериментальных систем зажигания по сравнению с штатной системой зажигания.
Улучшение показателей газового двигателя при применении экспериментальных систем зажигания объясняется сокращением общей длительности процесса сгорания за счет форсирующего воздействия на очаг воспламенения высокоэнергетических индуктивных фаз искрового разряда.
Полученные экспериментальные данные показывают, что на режиме холостого хода, применение экспериментальных систем зажигания позволило существенно снизить выбросы несгоревших углеводородов, оксидов углерода при увеличении выбросов оксидов азота, по сравнению с штатной системой.
Ключевые слова: система зажигания; искровой разряд; искровое зажигание; катушка зажигания; двигатель внутреннего сгорания; электрооборудование; свечи зажигания; токсичность отработавших газов.
Идентификационный номер статьи в журнале 01ТУЫ414
В последнее время в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) все шире используют природный газ, основным компонентом которого является метан (92-99 % [1]). Это связано с высокой стоимостью топлив получаемых из нефти, уменьшением ее запасов и негативным воздействием автомобильного транспорта на окружающую среду [2].
Применение природного газа в качестве моторного топлива транспортных средств позволяет существенно снизить выбросы оксида углерода CO и диоксида углерода СО2 при относительно небольшой стоимости газа [2]. В таблице приведены удельные выбросы вредных веществ одним и тем же автомобилем при использовании ДВС различных типов, снабженных системой нейтрализации отработавших газов [3].
Таблица
Удельные выбросы вредных веществ
Тип двигателя г/км
NOx SO2 ТО Ш ТО2
Бензиновый 0,6 0,32 3,27 0,04 238
Дизель 0,56 0,31 0,69 0,02 217
Газовый двигатель 0,69 0,34 0,32 1,49 177
Из таблицы видно, что отрицательной стороной использования природного газа является повышенный уровень выбросов несгоревших углеводородов СН.
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]. Воспламенение медленно горящей метановоздушной смеси требует увеличения угла опережения зажигания (0оз) [7]. Однако, увеличение 0оз приводит к тому, что давление и температура заряда в цилиндре в момент начала искрового разряда уменьшаются, что ухудшает условия воспламенения. В результате, в ряде случаев становится проблематичным не сгорание, а воспламенение обедненных смесей.
Форсирование токовременных параметров искрового разряда и увеличение межэлектродного зазора свечей зажигания является наиболее простым и достаточно эффективным способом ускорения развития начального очага горения, что позволяет улучшить топливную экономичность и снизить токсичность отработавших газов ДВС.
Введение в конце 60-х - начале 70-х годов в ряде стран жестких норм на предельные значения выбросов вредных веществ и интенсивные поиски способов повышения топливной экономичности ДВС дали толчок работам в области систем зажигания.
Все системы зажигания разделяются на две группы, отличающиеся способами накопления энергии (в индуктивности или емкости) и способами коммутации первичной цепи катушки зажигания (типом ключевого элемента) [8]. На автомобильных двигателях наиболее широкое применение нашли системы зажигания с накоплением электромагнитной энергии в магнитном поле катушки зажигания и емкостные (конденсаторные) системы зажигания, в которых энергия накапливается в электрическом поле накопительного конденсатора, а в качестве электронного ключа применяется обычно тринистор.
Известно много работ, посвященных изучению влияния параметров индуктивной фазы искрового разряда на процесс сгорания [9, 10]. Многими исследователями отмечается, что из-за малой активности природного газа, заметное форсирование воспламенения
метановоздушной смеси происходит лишь при применении высокоэнергетических систем зажигания.
Важно подчеркнуть, что большинство приведенных результатов исследований по влиянию искровых разрядов на показатели двигателей были выполнены при использовании лабораторных систем зажигания [11].
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 [12].
Преимущества КСЗ описаны в работах [13-16]. 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. Первый и второй искровые разряды включает в себя пробой межэлектродного зазора свечи зажигания, емкостную и индуктивную фазы.
После пробоя искрового зазора свечи зажигания и емкостной фазы разряда, образуется начальный очаг горения определенного радиуса, величина которого определяется величиной пробивного напряжения и параметрами системы зажигания (емкость вторичной цепи катушки зажигания). После емкостной фазы, очаг горения продолжает развиваться под действием тепла индуктивной фазы разряда и тепла, выделяемого во фронте пламени.
Параметры искровых разрядов КСЗ-1 следующие: сильноточная кратковременная индуктивная фаза первого искрового разряда с параметрами тока ¡1 = 280 мА и длительности и = 0,25 мс; сильноточная кратковременная индуктивная фаза второго искрового разряда с ¡2 = 150 мА, 12 = 0,45 мс. Параметры искровых разрядов КСЗ-2 следующие: сильноточная кратковременная индуктивная фаза первого искрового разряда с параметрами: ¡1 = 380 мА, Ь = 0,18 мс; индуктивная фаза второго искрового разряда экспоненциальной формы с ¡2 = 110 мА, Ь = 1,82 мс.
Диаграммы значений выбросов CO, CH, NOx газового ДВС КАМАЗ мод. 820.52-260 на режиме ХХ (п = 800 мин-1) при испытаниях ТрСЗ и КСЗ-2 показаны на рис. 1. При испытаниях угол опережения зажигания 0оз равнялся 00, коэффициент избытка воздуха а = 1,4.
ТО
-1
млн 1000 980 960 940 920 900 880 860
Ш -1
млн
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
-1
млн 36
32
28
24
20
Gт, кг/ч
3,8 3,6 3,4 3,2 3,0
998
974
879
4131
1931
1289
38
28
22
3,4
3,3
3,2
ТрСЗ КСЗ-2 КСЗ-2
8св=0,4 8СВ=0,7 5СВ=1,0 мм мм мм
Рис. 1. Диаграммы значений выбросов СН, СО, ЫОх на режиме ХХ (п = 800 мин'1) при
испытаниях газового ДВС с ТрСЗ и КСЗ-2
Испытания показали снижение количества СН на 69 %, СО на 12 % и увеличение количества NOx на 42 % при испытаниях КСЗ-2 (5св = 1 мм) (рис. 1) по сравнению с ТрСЗ (5св = 0,4 мм).
Улучшение показателей газового двигателя при применении экспериментальных систем зажигания объясняется сокращением временного промежутка формирования начального очага горения и соответственно общей длительности процесса сгорания за счет форсирующего воздействия на очаг воспламенения высокоэнергетических индуктивных фаз искрового разряда.
Снижение выбросов СН объясняется 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. Снижение выбросов СО можно объяснить уменьшением зон гашения пламени у стенок камеры сгорания.
На рис. 2 показаны диаграммы значений выбросов СО, СН, NOx, значений часового расхода топлива От и температуры выхлопных газов Твг газового ДВС при испытаниях КСЗ-1 со свечами зажигания с 5св = 0,7 мм на режиме ХХ (п = 800 мин-1) при значениях 0оз = 00 и 50 п.к.в., а = 1,4.
Gt, кг/ч 3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
3,7
CH
млн
2800[ 2600 2400
2992
NOx
-i
млн
3,5
05 ©оз, град
2200 2000
2121
291 28 27 26 26 25
29
0
©оз,
5
град
05 ©оз, град
CO
-i
млн 1060 1020 980 940 900
Твг, oC
1065
927
0
©оз, град
411
397
383 жжф
369
. 350
414
355
5
©оз, град
Рис. 2. Диаграммы показателей газового ДВС на режиме ХХ (n = 800 мин'1) при испытаниях с КСЗ-1 (дев = 0,7 мм) при значениях &оэ = 00 и &оэ = 50 п.к.в
Из рис. 2 видно, что уменьшение ©оз с 5 до 0 град. п.к.в. приводит к уменьшению выбросов CH на 30 %, т.к. температура выхлопных газов при этом увеличивается с 355 до 414 ОС (на 59 ОС). Эффективность процесса сгорания при этом ухудшается, т.к. Gt увеличивается на 5 % и уменьшаются выбросы NOx на 10 % (большее количество тепла выносится с отработавшими газами и в систему охлаждения).
Полученные экспериментальные данные показывают, что на режиме холостого хода, применение экспериментальных систем зажигания позволило существенно снизить выбросы несгоревших углеводородов, оксидов углерода при увеличении выбросов оксидов азота, по сравнению с ТрСЗ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Генкин, К.И. Газовые двигатели [Текст] / К.И. Генкин. - М.: Машиностроение, 1977. -193 с.
2. 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.
3. Хачиян, А.С. Использование природного газа в качестве топлива для автомобильного транспорта [Текст] / А.С. Хачиян // Двигателестроение. - 2002.
- №1.- С. 34-36.
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. Воинов, А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях [Текст] / А.Н. Воинов; 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.
8. Ютт, В.Е. Электрооборудование автомобилей [Текст]: учеб. для студентов вузов / В.Е. Ютт. - 2-е изд. - М.: Транспорт, 1995. - 304 с.
9. Злотин, Г.Н. Форсирование воспламенения топливовоздушных смесей электрической искрой [Текст] / Г.Н. Злотин // Двигателестростроение. - 1988. -№ 2. - С. 11-14.
10. 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.
11. А. с. 1124650 СССР, МКИ3 F 02 P 17/00. Система зажигания с регулируемыми параметрами искрового разряда [Текст] / В. В. Башев, К. Н. Николаев (СССР). -№ 3429154/18-21; заявл. 15.04.82; опубл. 10.03.2000, Бюл. № 7.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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 [email protected]
Aleksandr Kavtorev
«Penza State University of Architecture and Construction»
Russia, Penza [email protected]
Effect of spark ignition by condenser ignition system on gas motor parameters under idling
Abstract. In a motor fuel for internal combustion engines are increasingly using natural gas whose principal ingredient is methane, which can significantly reduce emissions of carbon monoxide and carbon dioxide. However, the negative side of the use of natural gas is increased emissions of unburned hydrocarbons. Significant role in the flow of the entire combustion process plays duration of the formation of primary combustion chamber. Forcing parameters spark and increase the electrode gap of the spark plugs is the most simple and fairly effective way to accelerate the development of primary combustion chamber, which improves fuel efficiency and reduces emissions.
Due to the low activity of natural gas, a significant boost methane-air mixture ignition occurs only when using high-energy ignition systems.
Developed experimental samples condenser ignition systems of high energy, which are the characteristic features of a high slew rate of the secondary voltage, developed by the large value of the secondary voltage and large amplitudes of currents inductive phase of the spark discharge. As a basic research was adopted transistor ignition. Tests showed reduction of unburned hydrocarbons of 69 % carbon monoxide by 12 % during the experimental testing of ignition in comparison with the standard ignition system.
Improved performance of the gas engine when applying experimental ignition systems due to reduced total duration of the combustion process by forcing impact on the hearth of high inductive ignition spark phases. The experimental data show that at idle, the use of pilot ignition system could substantially reduce the emissions of unburned hydrocarbons and oxides of carbon by increasing the emission of nitrogen oxides compared with the native system.
Keywords: ignition system; spark; spark ignition; ignition coil; motor; electrical equipment; ignition sparkplugs; exhaust emission.
Identification number of article 01TVN414
REFERENCES
1. Genkin, K.I. Gazovye dvigateli [Tekst] / K.I. Genkin. - M.: Mashinostroenie, 1977. -193 s.
2. 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.
3. Hachijan, A.S. Ispol'zovanie prirodnogo gaza v kachestve topliva dlja avtomobil'nogo transporta [Tekst] / A.S. Hachijan // Dvigatelestroenie. - 2002. - №1.- S. 34-36.
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. Voinov, A.N. Sgoranie v bystrohodnyh porshnevyh dvigateljah [Tekst] / A.N. Voinov; 2-e izd., pererab. i dop. - M.: Mashinostroenie, 1977. - 277 s.
8. Jutt, V.E. Jelektrooborudovanie avtomobilej [Tekst]: ucheb. dlja studentov vuzov / V.E. Jutt. - 2-e izd. - M.: Transport, 1995. - 304 s.
9. Zlotin, G.N. Forsirovanie vosplamenenija toplivovozdushnyh smesej jelektricheskoj iskroj [Tekst] / G.N. Zlotin // Dvigatelestrostroenie. - 1988. -№ 2. - S. 11-14.
10. 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.
11. A. s. 1124650 SSSR, MKI3 F 02 P 17/00. Sistema zazhiganija s reguliruemymi parametrami iskrovogo razrjada [Tekst] / V. V. Bashev, K. N. Nikolaev (SSSR). - № 3429154/18-21; zajavl. 15.04.82; opubl. 10.03.2000, Bjul. № 7.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
