Влияние частоты вращения коленчатого вала на показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом

Специфика организации рабочего процесса в HCCI двигателях предопределяет зависимость процессов воспламенения и сгорания от сочетания различных факторов, таких как вид применяемого топлива, конструкция и тепловое состояние двигателя, скоростной и нагрузочный режим его работы и других. Температура самовоспламенения горючей смеси достигается в результате процесса сжатия в определенный момент времени, т. е. при определенном угле п.к.в. Для различных топлив расчетно-теоретически и экспериментально установлено влияние на этот момент состава, температуры и давления топливно-воздушной смеси в начале сжатия, температуры огневой поверхности цилиндра, геометрической степени сжатия, угла закрытия впускных клапанов [1–4].

Полученные знания позволяют моделировать рабочий процесс HCCI двигателя при заданных конструктивных его параметрах и переменных тепловом и нагрузочном режимах. В то же время абсолютное большинство экспериментальных и расчетно-теоретических исследований выполнено при постоянных частотах вращения коленчатого вала двигателя n [5–9]. Это объясняется особым характером влияния фактора времени на процессы воспламенения и сгорания, которое в распространенных моделях процесса сгорания в явном виде не учитывается.

В реальных условиях работы HCCI двигателя необходимо принимать меры для корректировки момента воспламенения и скорости сгорания с учетом изменения частоты вращения коленчатого вала. Это вызвано тем, что при увеличении n процессы воспламенения и сгорания происходят с запаздыванием, например: экспериментально установлено смещение максимума скорости тепловыделения на ~17 град п.к.в. при увеличении частоты вращения в 2,25 раза [10] (рис. 1). Такое запаздывание сгорания может привести к существенному изменению индикаторных показателей рабочего цикла.

Цель и задачи исследования

Целью данного исследования являлось обоснование возможности корректировки момента воспламенения и скорости сгорания HCCI двигателя с наддувом, конвертированного из дизеля 4Ч13/15 ООО «ЧТЗ-Уралтрак» и работающего на смесевом топливе (природном газе с диметиловым эфиром), для обеспечения максимальной эффективности рабочего цикла при изменении частоты вращения коленчатого вала. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• -    расчетно-теоретически определить изменение параметров процесса сгорания и индикаторных показателей при изменении частоты вращения коленчатого вала по внешней скоростной характеристике;

• -    для каждого скоростного режима расчетно-теоретически подобрать оптимальную температуру в начале сжатия, обеспечивающую наилучшие индикаторные показатели.

Методика исследования

Исследование проводилось с использованием однозональной модели горения топлива [11, 12], разработанной на кафедре «Двигателя внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета, в которой предложено процесс сгорания рассматривать как «длинную»

реакцию окисления, подчиняющуюся закону Аррениуса, но с переменной энергией активации. Особенностью модели является введение нового параметра – условной продолжительности реакции окисления молекулы топлива Т у . Она определяется как период времени, в течение которого полностью прореагируют молекулы топлива с энергией, большей условной энергии активации. При моделировании сгорания двухкомпонентного топлива в HCCI двигателе выгорание каждого из топлив определяется параллельно по законам химической кинетики с различными скоростями в условно отдельных объемах, но с общими давлениями и температурами [1, 12].

Рис. 1. Влияние частоты вращения коленчатого вала HCCI двигателя на скорость тепловыделения при постоянной подаче топлива [10]

Модель учитывает влияние на процесс сгорания основных физико-химических свойств компонентов топливно-воздушной смеси (метана, диметилового эфира, кислорода, азота, аргона, оксида и диоксида углерода, воды), тепловыделения, теплообмена со стенками цилиндра, утечек рабочего тела [13] и изменение молекулярного состава. Основываясь на этой модели, разработаны методика и программа расчета рабочего цикла HCCI двигателя [14].

Поскольку в разработанных моделях в явном виде учитывается фактор времени, то с их помощью можно исследовать влияние температуры в начале сжатия T _a на показатели рабочего цикла двигателя при изменении частоты вращения коленчатого вала в широких пределах. Наибольший интерес представляет определение влияния частоты вращения коленчатого вала на параметры процесса сгорания и рабочего цикла двигателя в целом по внешней скоростной характеристике, а также возможности корректировки характеристики тепловыделения изменением температуры в начале сжатия.

В качестве постоянных исходных данных принимались следующие параметры: геометрическая степень сжатия 14 единиц, давление начала сжатия 0,24 МПа, смесевое топливо на основе природного газа с добавлением диметилового эфира (ДМЭ) в количестве, соответствующем массовой доле Ф дМэ = 0,27. В результате с изменением температуры на впуске автоматически менялся коэффициент избытка воздуха по смесевому топливу а _см в диапазоне 1,85.. .1,98.

Результаты исследования

Для заданных конструктивных параметров HCCI двигателя определена температура в начале сжатия T a = 351K, при которой обеспечиваются наилучшие индикаторные показатели на номинальном режиме (эффективная мощность 183,8 кВт, n = 2100 мин ^{- 1}): среднее индикаторное давление p i = 1,635 МПа , индикаторный к.п.д. n i = 0,478, удельный индикаторный расход топлива gi = 170,3 г / (кВт • ч) . Цикловые подачи природного газа и ДМЭ составили 0,112•10^-3 и 0,042•10^-3 кг, соответственно. Угол максимальной скорости сгорания a W max = 365 градп.к.в. (рис. 2).

С уменьшением частоты вращения коленчатого вала от 2100 до 1000 ми н ^–1 сгорание начинается все раньше. При постоянной температуре T a = 351 K угол максимальной скорости сгорания изменился с 365 град п.к.в. (при n = 2100 мин ^{- 1}) до 3 5 7 град п.к.в. (при n = 1100 мин ^{- 1}), то есть на 8 град п.к.в. (рис. 3). Характер процесса сгорания практически не изменил с я, но максимальное значение скорости тепловыделения dQ с _г [d ф имело тенденцию к увеличению в диапазоне 4500…5200 Дж/град п.к.в. (см. рис. 3). В результате чего максимальные значения давления p max , температуры T _max и скорости нарастания давления W_{p max} в цилиндре увели ч ились на 1,54 МПа, 76К и 1,4 МПа/град п.к.в., соответственно, а индикаторные показатели заметно уху д шились (на ~2 %) (см. рис. 2).

Рис. 2. Зависимость показателей рабочего цикла двигателя с наддувом от частоты вращения коленчатого вала при постоянной T a = 351 K

Подбором оптимальной температуры T _aопт для каждого скоростного режима удалось замедлить развитие процесса сгорания и увеличить угол максимальной скорости сгорания a ^ max до уровня ~365 град п.к.в. (рис. 4). В результате снижения температуры в начале сжатия (от 351 до 328 K) на меньших частотах вращения коленчатог о вала коэффициент и з бытка воздуха а _см увеличился с 1,85 ( n = 2100 мин ^{- 1}) до 1,98 ( n = 1000 мин ^{- 1}), т. е. на ~7 %, а максимал ь ная температура T max снизилась на 149 К до 2110 К (при T _a = 351K T _max = 2259K). Максимальное давление p max и скорость нарастания давления W_p max также уменьшились: 18,2 против 19,16 МПа (на 5 %) и 8,75 против 9,63 МПа/град п.к.в. (на 9 %), соответственно. Это будет способствовать снижению механической нагрузки на кривошипно-шат у нный механизм.

В результате своевременного развития процесса сгорания индикаторные показ а тели по внешней скоростной характеристике заметно улучшились. Наибольший эффект зафиксирован при n = 1000 мин ^{- 1}, улучшение составило 3,8 %. Следует отметить, что при реализации такого регулирования температуры в начале сжатия могут возникнуть проблемы, связанные со сложностью охлаждения наддувочного воздуха (после сжатия в компрессоре до 0,24 МПа) до требуемого уровня.

Рис. 3. Влияние частоты вращения коленчатого вала HCCI двигателя на давление, температуру и скорость тепловыделения в цилиндре при постоянной T a = 351 K :

1 - n = 2100; 2 - n = 1900; 3 - n = 1700; 4 - n = 1500; 5 - n = 1300; 6 - n = 1100 мин ¹

Рис. 4. Зависимость показателей рабочего цикла двигателя с наддувом от частоты вращения коленчатого вала при оптимальной температуре в начале сжатия

Заключение

В результате расчетных исследований влияния частоты вращения коленчатого вала на параметры процесса сгорания и рабочего цикла двигателя 4Ч13/15 с воспламенением от сжатия гомогенной топливно-воздушной смеси на основе природного газа с ДМЭ установлены следующие закономерности.

• 1.    Наилучшие расчетные показатели при степени сжатия 14 единиц, номинальной частоте вращения n = 2100 мин ^{- 1}, давлении начала сжатия 0,24 МПа и суммарном коэффициенте избытка воздуха а _см = 1,85 достигаются в рабочих циклах с температурой начала сжатия около 351 K: П i = 0,478, p i = 1,635 МПа и g i = 170,3г/(кВт • ч).

• 2.    При снижении частоты вращения коленчатого вала от 2100 до 1000 мин^–1 по внешней скоростной характеристике (и постоянстве других параметров) целесообразно понижать температуру начала сжатия T _a от 351 до 328 K (или 6,5 %). Это позволит сохранить угол максимальной скорости сгорания на уровне ~5 град п.к.в. после ВМТ, получить наилучшие индикаторные показатели рабочего цикла для каждой частоты вращения коленчатого вала и снизить механическую нагрузку на кривошипно-шатунный механизм.