close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование влияния коэффициента избытка воздуха на характеристики горения водородно-воздушных смесей в условиях камеры сгорания постоянного объема..pdf

код для вставкиСкачать
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
37
УДК 621.43
К. В. Приходьков, А. М. Бастраков, Т. Н. Рязанова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА
НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕНИЯ ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
В УСЛОВИЯХ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПОСТОЯННОГО ОБЪЕМА
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: tig@vstu.ru)
В статье описывается простая установка для изучения сгорания топливовоздушных смесей. Проанализировано влияние коэффициента избытка воздуха на величину нормальной скорости горения водородовоздушной смеси и коэффициент вариации этой скорости. Приводится сравнение скоростей горения различных газовоздушных смесей.
Ключевые слова: ламинарная скорость горения, водородо-воздушная смесь, коэффициент избытка воздуха.
At this paper experimental setup for study on flame propagation has been observed. Influence of equivalent ratio
on the normal burning velocity of a hydrogen-air mixtures and coefficient of a variation of this speed is analyzed.
Comparison of burning velocity for various gas-air mixtures is given.
Keywords: laminar burning velocity, hydrogen-air mixture, air-fuel ratio.
Одним из перспективных способов снижения токсичности и повышения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания
с принудительным зажиганием является применение альтернативного вида топлива, например,
водорода. Но при этом как самостоятельное топливо водород практически не рассматривается,
а только лишь как добавка к основному газообразному или жидкому топливам [3, 7].
Повышенный интерес к водородной тематике обусловлен рядом специфических свойств
газа [1, 2, 6] по сравнению с традиционными
топливами, таких как: относительно высокая
диффузия, низкая температура самовоспламенения, высокая теплотворная способность.
С точки зрения организации рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания существенную роль играет величина нормальной
скорости сгорания и ее статистические характеристики. От величины средней скорости сгорания зависит продолжительность процесса
сгорания, температура и давление цикла, и, соответственно, эффективные показатели двигателя. Случайные отклонения от среднего значения определяют межцикловую неидентичность рабочего процесса, уровень которой ограничивает предел эффективного обеднения
топливовоздушной смеси. При этом именно
обеднение смеси является перспективным способом снижения топливной экономичности
двигателя внутреннего сгорания с искровым
зажиганием [4, 8].
В связи с вышеуказанным, основной целью
исследования было определение зависимости
нормальной скорости сгорания от состава водородовоздушной смеси при случайных вариациях последней.
Исходя из целей исследования экспериментальное изучение сгорания водородовоздушной
смеси целесообразно было провести на модельной установке – в камере сгорания постоянного
объема. Проведение эксперимента в этих условиях позволяет определять скорость сгорания в
независимой последовательности циклов.
Подобная установка была собрана в Волгоградском государственном техническом университете на кафедре теплотехники и гидравлики [5]. Установка представляет собой (рис. 1)
полый стальной цилиндр, заглушенный с торцов фланцами. К цилиндру через запорную
арматуру подводятся шланги подачи топлива
(водорода) и окислителя (воздуха), а также удаления продуктов сгорания. Камера сгорания ос-
Рис. 1. Камера сгорания постоянного объема:
1, 4 – ионизационные датчики; 2 – свеча зажигания; 3 – камера сгорания; 5, 6, 7 – вентили для подачи газа и вакуумирования камеры
38
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
нащена свечой зажигания и двумя ионизационными датчиками, установленными на расстоянии 50 и 100 мм соответственно от межэлектродного зазора свечи зажигания.
Искровой разряд формируется с помощью
лабораторной системы зажигания с регулируемыми параметрами.
Топливная водородовоздушная смесь заданного состава готовилась, исходя из расчетных парциальных давлений воздуха и топлива,
которые определялись из закона Дальтона.
Видимая скорость сгорания определялась
как отношение расстояния до датчика от свечи
зажигания к времени достижения фронтом пла-
мени ионизационного датчика, а нормальная
скорость сгорания принималась меньше видимой на величину коэффициента расширения.
Результаты экспериментов, представленные
на рис. 2, показывают, что скорость сгорания
водорода гораздо выше скоростей сгорания
других газов, используемых в качестве моторных топлив. Так, например максимальная скорость сгорания водорода оказывается почти
в 7 раз выше скоростей сгорания метана и пропана. Следует отметить, что добавки водорода
к основному топливу (пропану или метану)
также способствуют увеличению скорости сгорания.
Нормальная скорость сгорания
350
300
250
200
4*
150
3*
8
100
7
6
5
1
50
2
0
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Коэффициент избытка воздуха
Рис. 2. Нормальная скорость горения водорода и максимальные скорости горения различных газов:
1 – пропан [7]; 2 – метан [7]; 3*.– пропан-бутан [3]; 4*.– пропан-бутан + 3 % водорода [3]; 5 –.природный газ + 20 % водорода [7]; 6 – природный газ + 40 % водорода [7]; 7 – природный газ + 60 % водорода [7]; 8 – природный газ + 80 % водорода [7] (* – видимая скорость сгорания)
Количественно неидентичность процесса
может быть оценена коэффициентом вариации
нормальной скорости сгорания (рис. 3).
Коэффициент вариации
скорости
С точки зрения использования газа в качестве моторного топлива интерес представляет
также коэффициент избытка воздуха, при котором достигаются сопоставимые с другими газами скорости сгорания. Из рис. 2 видно, что
скорости сгорания 40–50 см/с, характерные для
других газов, достигаются при сгорании водорода при гораздо большем обеднении смеси.
Даже при максимальном обеднении, реализованном в эксперименте (α = 1,6), скорость сгорания превышает максимальную скорость сгорания любого из сравниваемых газов.
Стоит отметить, что в отечественных и зарубежных исследованиях наряду с большим
количеством публикаций по изучению скорости горения различных топлив практически отсутствуют сведения о статистических характеристиках этих скоростей. Вместе с тем обеднение водородно-воздушной смеси, как и любой
другой топливовоздушной смеси, ограничивается неидентичностью сгорания.
0,2
0,16
0,12
0,08
0,04
0
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Коэффициент избытка воздуха
Рис. 3. Влияние коэффициента избытка воздуха
на коэффициент вариации скорости горения:
■ – водород; ● – пропан [4]
Сравнение коэффициента вариации скорости сгорания водородовоздушной и пропано-
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
воздушной смесей [4] показывает, что неидентичность процесса сгорания для этих газов находится примерно на одном уровне. Максимальное значение коэффициента вариации достигается при коэффициентах избытка воздуха
около 1,5 и составляет примерно 15 %.
Таким образом, проведенные исследования
показывают, что при сопоставимой неидентичности средние скорости сгорания водородовоздушной смеси существенно превышают аналогичные скорости любых других смесей, что позволяет говорить об актуальности использования водорода в качестве моторного топлива.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гельфанд, Б. Е. Водород. Параметры горения и
взрыва / Б. Е. Гельфанд, О. Е. Попов, Б. Б. Чайванов. –
Москва: Физматлит, 2008. – 288 стр.
2. Дубовкин, Н. Ф. Справочник по теплофизическим
свойствам углеводородных топлив и их продуктов сгорания / Н. Ф. Дубовкин. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 288 с.
39
3. Влияние добавок водорода на скорость сгорания
пропан-бутана / Е. А. Федянов, Е. А. Захаров, Д. Б. Ширшов, Д. С. Гаврилов // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 12(99) / ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – (Серия
«Процессы преобразования энергии и энергетические установки» ; вып. 4). – C. 43–45.
4. Свитачев, А. Ю. Стохастическая математическая
модель развития начального очага горения в ДВС с искровым зажиганием: дис. … канд. техн. наук / А. Ю. Свитачев. – Волгоград, 1998. – 142 с.
5. Экспериментальное определение ламинарной скорости сгорания водородовоздушной смеси в камере сгорания постоянного объема / А. М. Бастраков, К. В. Приходьков, А. В. Крохалев, О. А. Авдеюк, А. Н. Савкин //
Вестник магистратуры. – 2013. – № 3. – C. 13–17.
6. Glassman, I. Combustion / I. Glassman. – 3rd ed. –
Third edition. 1996. – 619 p.
7. Huang Z, Zhang Y, Wang Q, Wang J, Jiang D, Miao H.
Study on flame propagation characteristics of natural gashydrogen-air mixtures. Energy and Fuels 2006;20(6):2385-90.
8. Wang J, Chen H, Liu B, Huang Z. Study of cycle-bycycle variations of a spark ignition engine fueled with natural
gas-hydrogen blends. International journal of hydrogen energy.2008; 33 – p. 4876–4883
УДК 621.431.73
А. В. Васильев, Н. Н. Федоров
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МГР ДВС С ДЕМПФЕРОМ КЛАПАННОЙ ПРУЖИНЫ
Волгоградский государственный технический университет
(atd@vstu.ru, marafed@mail.ru)
В статье изложена методика оценки нагруженности клапанного привода высокооборотного двигателя,
реализованная с помощью разработанной математической модели исследования динамики МГР с учетом
внешнего трения. Также оценена эффективность применения пружинного демпфера, его влияние на нагруженность клапанной пружины и клапанного привода.
Ключевые слова: колебания витков клапанной пружины, демпфер клапанной пружины, нагруженность,
математическая модель, механизм газораспределения, двигатель внутреннего сгорания.
In this paper estimation technique of high-speed internal combustion engine valve train stress loading, obtained
by means of developed simulation model of valve train dynamics research considering external friction force, is set
forth. Valve spring damper efficiency and it’s effect on valve spring & valve train mechanism loaded state has been
estimated as well.
Keywords: valve spring coil oscillations, valve spring damper, stress loading simulation model, valve train, internal combustion engine.
В настоящее время преобладает устойчивая
тенденция форсирования серийных автомобильных двигателей по мощности и частоте
вращения. Увеличение номинальной частоты
вращения коленчатого вала двигателя сопровождается возрастающим уровнем нагруженности МГР, общим ростом вибраций звеньев клапанного привода и увеличением амплитуд их
колебаний. Это ведет к сокращению его рабочего ресурса и снижению долговечности. В связи с этим вопрос работоспособности МГР, которая во многом определяется надежностью
клапанных пружин как наименее жестких и обладающих наименьшей собственной частотой
колебаний звеньев, представляется весьма актуальным.
Для высокооборотных двигателей, при частотах
вращения
коленчатого
вала
до
7000…8000 мин–1, хорошо зарекомендовали себя клапанные пружины с демпфером. Пружинный демпфер представляет собой цилиндрическую пружину, навитую из плоской стальной
ленты или бронированной ленты прямоугольного поперечного сечения и вставляемую с натягом в основную пружину. Диссипация энергии колебаний при этом происходит за счет силы трения между витками основной и вспомогательной пружин (см. рис. 1).
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа