Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности систем управления ДВС подвижных объектов на альтернативных видах топлива. Монография
.pdf
91
Кроме того, анализ свойств результирующей смеси был проведен с
позиции теории цепных реакций [71, 111], которая гласит, что при
повышении температуры количество активных центров реакции
увеличивается. В начальный момент времени они интенсивно образуются в
зоне действия электрического разряда. В дальнейшем должно происходить
быстрое развитие реакционной цепи, но непрерывного увеличения скорости
реакции может и не наблюдаться. Это объясняется тем, что одновременно с
развитием и разветвлением реакционных цепей происходят и обратные
явления, т.е. их обрывы.
Будем полагать, что добавление газов, пропана и бутана к бензину
способствует образованию более гомогенной смеси, по сравнению с чистым
бензином, особенно учитывая, что бензин в начальный период содержится в
виде мелких капель [72]. Таким образом, в топливовоздушной смеси
присутствует 3 типа активных центров и общая гомогенность выше, чем у
бензиновой ТВС. Вследствие этого происходит увеличение интенсивности
образования активных центров по сравнению с газовоздушной смесью и
удлинения цепей реакции по сравнению с бензовоздушной смесью, что
приводит к возрастанию общей скорости процесса окисления.
Можно предположить, что первыми вступать в химическую реакцию и
образовывать цепи будут молекулы бензина, находящиеся между
электродами свечи, поскольку они обладают более низкой температурой
воспламенения в воздухе. Полученный рост температуры позволит принять
участие в образовании центров цепных реакций молекулам пропана и бутана,
а кроме того, уменьшить вероятность обрыва цепи в дальнейшем.
По всей видимости, при использовании бинарного топлива имеет место
ситуация, когда количество возникающих активных центров превышает
количество распадающихся. При этом скорость реакции по сравнению с
бензином несколько возрастает из-за роста вероятности появления активных
92
молекул и удлинения цепочек реакций, но, в связи с высоким октановым
числом пропан-бутановой смеси, горение не переходит в детонационное.
При рассмотрении процесса горения бинарного топлива следует
обратить внимание на пределы воспламенения компонентов топлива.
Известно, что для пропана и бутана они значительно шире, чем для бензина,
что улучшает процесс горения в области бедных смесей и позволяет
применять элементы качественного регулирования.
Помимо всего вышеперечисленного, к преимуществам бинарного
топлива следует отнести: более равномерное распределение углеводородов
по объему цилиндра в связи с отсутствием необходимости предварительного
испарения капель бензина; достаточное количество легких фракций бензина,
обладающих более низкой температурой возгорания, чем газ, для
образования первичных активных центров реакции, предварительный
подогрев бензина от газа и дополнительное дробление бензиновой струи
потоком из газовой форсунки.
Исходя из вышесказанного и приведенных в табл. 3.3 свойств, для
составов топлива L=90/10, 80/20, L=70/30 и L=60/40 были приняты
следующие гипотезы:
− при постепенном снижении доли бензина в топливе и увеличении
доли сжиженного газа увеличивается гомогенность топливно-воздушной
смеси вследствие лучшей смешиваемости двух компонентов, находящихся в
газовой фазе;
− для бинарного топлива характерно более равномерное распределение
по объему цилиндра и отсутствует необходимость предварительного
испарения части капель бензина;
− более низкая по сравнению со сжиженным газом температура
воспламенения бензина способствует интенсификации образования
первичных активных центров реакций;
93
− увеличение доли сжиженного газа вплоть до 40 % приводит к
увеличению скорости реакции, а следовательно, и к повышению мощности
двигателя.
При построении графиков использовались следующие длительности
горения:
− при L=90/10 длительность составляет φ
− при L=80/20 длительность составляет φ
− при L=70/30 длительность составляет φ
− при L=60/40 длительность составляет φ
(90/10)
z0
(80/20)
z0
(70/30)
z0
(60/40)
z0
60°;
55°;
50°;
45°.
Результаты моделирования представлены на рис. 3.12.
Рис. 3.12. Моделирование ВСХ при использовании бинарного топлива
составов 90/10, 80/20, 70/30, 60/40
На графиках видно, что крутящий момент увеличивается
соответственно росту доли сжиженного газа в бинарном топливе и достигает
максимального значение при L=60/40, где скорость реакции минимальна.
Для моделирования ВСХ двигателя при работе на бинарном топливе
составов L=50/50, L=40/60, L=30/70, L=20/80 и L=10/90 была принята
94
гипотеза о том, что при уменьшении доли бензина в бинарном топливе более
чем 60/40, молекул бензина становится недостаточно для интенсивного
образования активных центров и новых цепей реакций, что приводит к
постепенному увеличению длительности горения топлива и снижению
мощности двигателя вплоть до показателей ДВС при работе только на
сжиженном газе.
Увеличение длительности горения отражалось следующими
значениями длительности горения на опорном режиме:
− при L=50/50 длительность составляет φ
− при L=40/60 длительность составляет φ
− при L=30/70 длительность составляет φ
− при L=20/80 длительность составляет φ
− при L=90/10 длительность составляет φ
(50/50)
z0
(40/60)
z0
(30/70)
z0
(20/80)
z0
(10/90)
z0
50°;
55°;
60°;
65°;
70.
Результаты моделирования представлены на рисунках 3.13 и 3.14. На
рис. 3.13 дополнительно приведен график для состава 40/60, чтобы
подчеркнуть точку перегиба в изменении крутящего момента, а зависимости
от состава топлива.
95
Рис. 3.13. Моделирование ВСХ при использовании
бинарного топлива составов 50/50 и 40/60
Рис. 3.14. Моделирование ВСХ при использовании
бинарного топлива составов 30/70, 20/80 и 10/90
На графиках видно, что крутящий момент уменьшается совместно
уменьшению доли бензина в бинарном топливе и достигает минимального
значения при L=10/90, где скорость реакции минимальна.
3.5.2. Моделирование рассчитанных по предложенному методу УОЗ
Результаты математического моделирования крутящего момента для
двигателя ВАЗ 21108М (1,8 л 16 v) на ВСХ при использовании заводских
(стандартных) углов опережения зажигания и углов, рассчитанных по
предлагаемому алгоритму и обеспечивающих попадание точки максимума
давления в цилиндре в целевой диапазон 8-14° после ВМТ, приведены на
рис. 3.15 и 3.16.
96
Рис. 3.15. Графики крутящего момента при использовании стандартных
углов опережения зажигания (УОЗ стд) и рассчитанных по предлагаемому
алгоритму (УОЗ алг)
Рис. 3.16. Графики мощности при использовании стандартных углов
опережения зажигания (УОЗ стд) и рассчитанных по предлагаемому
алгоритму (УОЗ алг)
97
На графиках отчетливо видно, что использование при работе ДВС
таких углов опережения зажигания, которые обеспечивают достижение
максимального давления в цилиндре в целевом диапазоне приводит к
увеличению мощности и крутящего момента двигателя.
Помимо крутящего момента был промоделирован удельный расход
топлива. Результаты представлены на рис. 3.17.
Предлагаемый метод Стандарт
240
230
220
210
200
190
топлива, г(кВт/ч)
180
170
160
150
140
Индикаторный удельный расход
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
rpm, об/мин
Рис. 3.17. Графики удельного расхода топлива при использовании
стандартных углов опережения зажигания (УОЗ стд) и рассчитанных по
предлагаемому алгоритму (УОЗ алг)
На приведенных графиках видно снижение удельного расхода топлива
при переходе с заводских УОЗ на углы, рассчитанные по разработанному
алгоритму. Максимальные результаты достигнуты в зоне низких оборотов.
Снижение составило 10,2 %.
Корректность полученных результатов необходимо проверить
натурными экспериментами, которые позволят идентифицировать параметры
модели. При этом данные моделирования могут быть использованы в
качестве начальных значений.
98
3.6. Экологические аспекты использования
разработанного алгоритма и схемы
Рабочая смесь при использовании бинарного топлива состоит из
бензина, сжиженного газа и воздуха. Известно, что эмиссия вредных веществ
в неочищенных ОГ при работе на сжиженном газе значительно ниже, чем
при работе на бензине. Используя данные НАМИ об эмиссии вредных
веществ [65] при работе двигателя на бензине и сжиженном газе и применив
метод суперпозиции, можно приближенно оценить эмиссию вредных
веществ в бинарном топливе различного состава (табл. 3.4).
Таблица 3.4
Оценочная эмиссия вредных веществ (г/исп) при использовании бинарного
топлива различных составов
Бензин* /
Вещество
CH 8,8 / 4,8 7,20 6,80 6,00 5,20
CO 41,0 / 19,0 32,20 30,00 25,60 21,20
NOX 9,0 / 8,6 8,84 8,72 8,72 8,64
SOX 0,3 / 0,0 0,07 0,06 0,04 0,01
ТЧ** 0,1 / 0,0 0,02 0,02 0,01 0,00
Всего 58,96 / 32,4 48,34 45,60 40,37 35,06
Примечание: * – АИ-92, ** – твердые частицы
сжиженный
L=60/40 L=50/50 L=30/70 L=10/90
газ
Бинарное топливо
Из табл. 1.3 видно, что при снижении доли бензина в составе топлива
снижается CH и CO, количество NOx практически неизменно, и наблюдается
общая динамика снижения эмиссии вредных веществ. Сравнение оценочных
результатов эмиссии вредных веществ в отработавших газах при
использовании разработанной схемы регулирования состава бинарного
топлива и эталонных методов управления ДВС при работе на бинарном
99
топливе класса 1 [35] и класса 2 [34] представлено на рис. 3.18 (для схемы
использовался состав L
eco
).
Рис. 3.18. Оценочная эмиссия вредных веществ в ОГ при сравнении
разработанной схемы регулирования и эталонных методов классов 1 и 2
Во всем диапазоне оборотов разработанная схема обеспечивает на 15 %
большую эмиссию вредных веществ, чем эталон класса 1 и от 30,4 до 37,6 %
меньшую, чем эталон класса 2.
Следует отметить, что при использовании бинарного топлива
существуют и другие факторы, которые влияют на эмиссию вредных веществ
и не учитываются методом суперпозиции. Некоторые выкладки об
экологических особенностях использования бинарной топливной смеси
будут приведены далее, однако для их уточнения необходимо проведение
экспериментов.
Известно, что количество вредных веществ в отработавших газах
напрямую зависит от полноты сгорания топливно-воздушной смеси [112,
113]. В свою очередь, полнота сгорания определяется такими факторами, как:
гомогенность топливно-воздушной смеси; распределение ТВС по цилиндру;
конденсация ТВС на стенках цилиндра; скорость оборотов коленчатого вала
и момент зажигания.
100
Высокая гомогенность обеспечивает оптимальность процесса сгорания
топливно-воздушной смеси, при котором создаются лучшие условия для
распространения пламени, и снижается содержание CH за счет меньшего
остатка несгоревших углеводородов, в том числе в зоне повышенных
оборотов, когда время для приготовления и последующего сгорания рабочей
смеси укорачивается. В разработанной схеме регулирования состава
бинарного топлива высокий уровень гомогенности поддерживается во всем
диапазоне оборотов: на холостом ходу используется только сжиженный газ; в
режиме частичных и средних нагрузок небольшое количество бензина
позволяет интенсифицировать появление первичных центров реакций, а в
режиме высоких нагрузок используется смесь с самым низким временем
горения. Помимо экологических преимуществ, снижение времени сгорания
означает и снижение температуры отработавших газов, из чего следует
уменьшение потерь тепла и улучшение экономичности.
Разработанная схема регулирования функционирует таким образом,
чтобы снизить время работы двигателя на повышенных оборотах, когда
возрастает эмиссия вредных веществ. Поскольку высокий крутящий момент
обеспечивается уже в режиме средних нагрузок, это позволяет реже
использовать обороты максимальной мощности. Снижение оборотов также
означает уменьшение расхода топлива, поскольку снижаются потери на
трение в самом двигателе и потребляемая мощность на привод
вспомогательных устройств. Помимо снижения необходимости в высоких
оборотах, высокий крутящий момент характеризуется повышением
температуры в камере сгорания, в результате чего уменьшается глубина зоны
низких температур, в которой пламя гасится вблизи стенки камеры сгорания
и могут образовываться несгоревшие углеводороды. Кроме того, увеличение
температуры в камере сгорания способствует началу дополнительных
реакций несгоревших углеводородов во время рабочего хода, что ведет к
уменьшению их количества по отношению к единице генерируемой
двигателем мощности.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]