Влияние частоты вращения коленчатого вала на показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом
Автор: Камалтдинов Вячеслав Гилимянович, Никифоров Сергей Степанович
Рубрика: Контроль и испытания
Статья в выпуске: 1 т.13, 2013 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрены закономерности влияния частоты вращения коленчатого вала на показатели процесса сгорания и индикаторные показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом. Обоснована возможность корректировки момента воспламенения и скорости сгорания подбором оптимальной температуры в начале сжатия для каждого скоростного режима.
Hcci двигатель, воспламенение, сгорание, частота вращения коленчатого вала, индикаторные показатели, рабочий цикл
Короткий адрес: https://sciup.org/147151621
IDR: 147151621
Текст научной статьи 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 Wp 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 Wp 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.
Список литературы Влияние частоты вращения коленчатого вала на показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом
- Камалтдинов, В.Г. Влияние состава двухкомпонентного топлива на процесс сгорания в двигателе с объемным самовоспламенением от сжатия/В.Г. Камалтдинов, Е.В. Абелиович//Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». -2008. -Вып. 12 -№ 23(123). -С. 46-53.
- Камалтдинов, В.Г. Влияние параметров свежего заряда на показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом/В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков//Изв. вузов. Серия «Машиностроение». -2011. -№ 6. -С. 31-37.
- Камалтдинов, В.Г. Расчетное исследование процесса сгорания и показателей рабочего цикла HCCI двигателя, работающего на смеси природного газа и диметилового эфира/В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков//Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. -2010. -№ 6 (54). -С. 8-15.
- Камалтдинов, В.Г. Влияние геометрической степени сжатия и угла закрытия впускных клапанов на процесс сгорания и показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом/В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков//Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. -2011. -№ 2 (56). -С. 9-16.
- Гусаков, С.В. Оценка влияния ДМЭ в смеси с природным газом на работу ДВС с гомогенным самовоспламенением/С.В. Гусаков, М. М. Эльго-баши Эльхагар, И.В. Епифанов//Транспорт на альтернативном топливе. -2010. -№ 2 (14). -С. 10-13.
- Гусаков, С.В. Опыт моделирования рабочего процесса ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия/С.В. Гусаков, М.М. Эльгобаши Эльхагар//Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». -2004. -№ 2 (9). -С. 25-28.
- Федянов, Е.А. Моделирование основной фазы процесса сгорания в двигателе с самовоспламенением от сжатия гомогенной метановоздушной смеси/Е.А. Федянов, Е.М. Иткис, В.Н. Кузьмин//Изв. ВГТУ. -2008. -Т. 6, № 1. -С. 11-13.
- Experimental study of CI natural-gas/DME homogeneous charge engine/Z. Chen, M. Konno, M. Oguma, T. Yanai//SAE Technical Paper Series. -2000. -№ 2000-01-0329. -10 р.
- Kong, S.C. A study of natural gas/DME combustion in HCCI engines using CFD with detailed chemical kinetics/S.C. Kong//Fuel. -2007. -Vol. 86. -P. 1483-1489.
- Luszcz, P.M. Combustion Diagnostics in Homogeneous Charge Compression Ignition Optical and Thermal Single Cylinder Engines/P.M. Luszcz//University of Birmingham, 2009. -293 p. -http://etheses.bham.ac.uk/524/1/Luszcz09PhD.pdf
- Камалтдинов, В.Г. Новая модель процесса горения топлива в ДВС/В.Г. Камалтдинов//Двигателестроение. -2008. -№ 3 (233). -С. 17-20.
- Kamaltdinov, V. Combustion process modeling in HCCI engine/V. Kamaltdinov//SAE Technical Paper Series. -2011. -№ 2011-01-1789. -10 p.
- Камалтдинов, В.Г. Уточненная методика расчета параметров рабочего тела на пусковых режимах дизеля/В.Г. Камалтдинов//Двигателестроение. -2008. -№ 2 (232). -С. 31-34.
- Камалтдинов, В.Г. Программа расчета рабочего цикла двигателя с воспламенением от сжатия «Рабочий цикл»: программа для ЭВМ, рег. № 2010617228/В.Г. Камалтдинов//Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: офиц. бюл./Фед. служба по интеллект. собств., патентам и товарным знакам. -М.: ФГУ ФИПС. -2011. -№ 1 (74). -С. 173.