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 техникоэкономические 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.

газовый двигатель природный газ

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 (Ne = 191 кВт при n = 2200 об/мин, степень сжатия е = 12), оснащенного КТрСЗ, на режиме частичных нагрузок (Ne = 12,7 кВт при n = 1100 об/мин, угол опережения зажигания И_ОЗ = 20 град. п. к. в., коэффициент избытка воздуха б = 1,7, межэлектродный зазор свечей зажигания д_СВ = 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.

Рис.1. Осциллограммы тока IИР 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 t_ИР, напряжение U_ИР и энергия W_ИР индуктивной фазы искрового разряда связаны известным соотношением

где I_ИР - ток индуктивной фазы искрового разряда.

Так, увеличение длительности t_ИР индуктивной фазы при неизменной величине тока позволяет увеличить энергию искрового разряда W_ИР.

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 (CH) снижаются на 21 %, удельный расход топлива ge снижается на 4 %. Однако, выбросы оксидов азота (NOx) увеличиваются на 21 % и выбросы оксидов углерода (CO) увеличиваются на 9,5 %.

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 CH 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 CO2 при высоких температурах в цилиндре [11]. Увеличение выбросов NOX 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. CH увеличивается на 12,5 %, NOx увеличивается на 14,4 %, CO увеличивается на 5 % и ge увеличивается на 3,5 %, по сравнению с использованием ИР-2 (рис.2).

В данном случае, выбросы NOx 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.

8. Францев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - №2. - С.128-135.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Горбунов, В.В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания [Текст]: учеб.

13. пособие / В.В. Горбунов, Н.Н. Патрахальцев. - М.: Изд-во РУДН, 1998. - 214 с.: ил.

14. 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.

Размещено на Allbest.ru