Физика
Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества
Смоленский В.В., кандидат технических наук, доцент Смоленская Н.М., аспирант (Тольяттинский государственный университет)
СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В ДВИГАТЕЛЕ ВАЗ-2111 ПРИ ДОБАВКЕ ВОДОРОДА В БЕНЗОВОЗДУШНУЮ СМЕСЬ
Представлены результаты экспериментального исследования скорости распространения пламени в двигателе ВАЗ-2111, оборудованном специально изготовленной пластиной с датчиками ионизации. Выявлено влияние добавки водорода в бензовоздушную смесь на скорость распространения пламени в 15 мм от свечи зажигания, а также у выпускного клапана в наиболее удаленной части камеры сгорания.
Ключевые слова: ДВС, бензин, водород, добавка, пламя, скорость, сгорание, время.
FLAME SPREAD TO THE ENGINE VAZ-2111 WITH THE ADDITION OF HYDROGEN TO GASOLINE AIR MIXTURE
An experimental study of the propagation velocity of the flame in the engine VAZ-2111 equipped with a specially designed plate with ionization sensors. The effect of addition of hydrogen gas air mixture to the flame propagation velocity of 15 mm from the spark plug, and a vent valve in the most remote part of the combustion chamber.
Keywords: ICE, gasoline, hydrogen, additive, flame, speed, combustion, time.
Современное состояние экологии и исчерпаемость природных ресурсов требует новых подходов к проектированию и созданию современных энергоэффективных и низкотоксичных автомобильных двигателей. В настоящее время, наметились два основных направления в данном вопросе: первый - это конструкторский подход по улучшению условий сгорания топлива - создание гибридных силовых установок и осуществление непосредственного впрыска топлива, который значительно удорожает и усложняет производимую продукцию, и второй - это применение активирующих добавок в основное топливо.
Оценивая основные направления исследований проводимых ведущими мировыми автопроизводителями можно сделать вывод, что новым альтернативным видом топлива для транспортных средств, в ближайшее время, станет добавка водорода к основному углеводородному топливу. Данный подход объясняется возможностью получения необходимого количества водорода непосредственно на борту автомобиля питаемым от генератора электролизером воды. При этом, достигается значительная экономия углеводородных ресурсов, а также, снижении выбросов парникового газа СО2, т.к. при сгорании водорода образуется вода, которая возвращается обратно в биосферу [1].
Перспективность использования водорода в автомобильном транспорте связана, главным образом, с экологической чистотой и высокими моторными свойствами. Использование водорода позволит, также, устранить один из основных недостатков автомобильных двигателей - резкое снижение КПД с 30 до 10% на частичных нагрузках в условиях городской эксплуатации.
Исследования, проводимые в Тольяттинском государственном университете [2, 3], показали, что добавка водорода к основному углеводородному топливу бензину вносит свои особенности в процесс сгорания: значительно расширяет пределы устойчивого горения, интенсифицирует процесс сгорания, уменьшает задержку воспламенения (первую фазу), увеличивает скорость распространения пламени. Особенно сильно проявляется добавка водорода на переходных режимах и при обеднении смеси. [4]
В настоящее время, несмотря на все достоинства применения водорода, не определены концентрации газообразного водорода в основном топливе, позволяющие обеспечить сохранение и повышение литровой мощности двигателя.
Экспериментальное оборудование
Испытания проводились в моторном боксе Тольяттинского государственного университета, оборудованном в соответствии с ГОСТ 14846-81. Подача водорода в двигатель производилась через впускной коллектор. Исследования поводились на двигателе ВАЗ-2111 рабочим объемом Vh = 1.5 л., степенью сжатия в = 7.5, оборудованном проставкой (рисунок 1) с установленными в неё ионизационными датчиками, датчик давления был установлен в ГБЦ в районе свечи зажигания. Расстояние от свечи зажигания до первого электрода установленного под свечей зажигания 15 мм, а до второго электрода установленного у выпускного клапана, 45 мм от свечи зажигания.
Рис. 1. Пластина для измерения скорости распространения пламени в двигателе ВАЗ 2111, толщиной 4 мм с местами установки датчиков ионизации
Расход бензина двигателем определялся по показаниям контроллера двигателя с применением программного обеспечения обработки данных «MSNEW» и с учетом поправки, определенной при тарировке форсунок объемным методом по ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».
Расход воздуха определялся расходомером «ИРГА», соединенного с впускным трубопроводом посредством гасящей колебания емкостью объёмом 300 литров.
На рисунке 2 представлена принципиальная схема моторного бокса.
Н2 - водородный баллон, Бензин - бензобак; М1, М2 - манометры соответственно высокого и низкого давления; БФ - блок форсунок; БУ - блок управления БФ; Р1 - датчик расхода топлива; Насос - безонасос, ГТ - гидравлический тормоз.
Рис. 2. Принципиальная схема бокса
Результаты испытаний и их анализ
Оценка влияния добавки водорода на процесс сгорания бензина и экономические показатели двигателя определялся на трех различных расходах водорода: 0, 0,2 и 0,3 кг/ч.
При этом производилось снятие регулировочных характеристик ДВС по составу смеси, изменение которого осуществлялось в диапазоне коэффициентов избытка воздуха от 0,7 до 1,3. Частота вращения коленчатого вала поддерживалась постоянной и равнялась 880 МЛ»"1 , что соответствует частоте вращения холостого хода Угол опережения зажигания выбирался оптимальным по минимальному расходу бензина.
Полученные в результате эксперимента регулировочные характеристики представлены на рисунке 3.
Gt, кг/час
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
♦ Н=0% ■ Н=4%(0,02 кг/час) дН=6%(0,03 кг/час)
\ \ \
ч Ч 1 Ч ■ \ •i -----
\ \ ч ч ■ ч ■ ч ♦ ♦
"........ Л Л
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
Рис. 3. Регулировочная характеристика по составу смеси, п=880 МНн"1, УОЗ=опт
Из рисунка 3 видно, что добавка водорода существенно сокращается расход бензина при всех составах TBC. Частично это связано с увеличением концентрации Н- и снижением концентрации бензина в TBC. Однако, при расходе добавке И¡=0,02 кг/ч, что соответствует примерно 10% по массе, снижение расхода составило в среднем 20% на богатых смесях и 37% на бедных. Это говорит о том, что наличие добавки водорода приводит к изменению физико-химических процессов, происходящих при сгорании ТВС. При этом характер кривых остается неизменным. Происходит резкое сокращение бензина до а=0,9, после чего снижение является незначительным.
Рассмотрим изменение средней скорости распространения пламени в зависимости от коэффициента избытка воздуха. На рисунке 4 представлена зависимость изменения средней скорости распространения фронта пламени от состава бензовоздушной смеси в двигателе ВАЗ-2111 оборудованного переходной пластиной для измерения скорости сгорания.
Рис. 4. Средняя скорость распространения фронта пламени бензовоздушной смеси, на участке от свечи зажигания до первого электрода - VI и до второго электрода VI установленного у выпускного клапана
Из рисунка 4 видно, что средняя скорость распространения фронта пламени выше на участке от свечи зажигания до второго электрода У2 установленного у выпускного клапана (45 мм от свечи зажигания), это объясняется большим вкладом скорости распространения зажигания во второй фазе сгорания, т.к. как показали исследования время прихода сигнала на электрод у выпускного клапана соответствует либо времени Р2 или после Р2, что говорит о том, что пламя достигает второго электрода в завершающей стадии сгорания. В тоже время в среднюю скорость распространения фронта пламени, на участке от свечи зажигания до 1 датчика расположенного под ней в 15 мм, вносит основной вклад время развития устойчивого очага горения, анализ которого будет проведен в следующих публикациях.
V, м/с
4,5
3.5
2,5
1,5
0.5
■
п ■
■ ■ — ■
♦
* V1 ■ V2
0,60 0,70 0,80 0,90 1 00 1,10 1,20 Q
Рис. 5. Средняя скорость распространения фронта пламени бензовоздушной смеси с добавкой 4% (0,02 кг/час) водорода на участке от свечи зажигания, до первого электрода - V1 и до второго электрода V2
Из рисунков 4 и 5 видно, что добавка ~ 4% водорода не приводит в существенному повышению средней скорости распространения фронта пламени как в бедных, так и богатых смесях.
Рассматривая результаты, приведенные на рисунке 6, можно отметить, что по сравнению с результатами, представленными на рисунках 4 и 5, при добавке ~6%(0,03 кг/час) водорода происходит увеличение средней скорости распространения пламени во всей области составов смеси в которой проходили эксперименты. Также следует отметить, что на режиме холостого хода, при сильно забалластированных отработавшими газами топливных смесях, добавка водорода смещает максимум по скорости распространения пламени в область стехио-метрического состава смеси, что позволяет говорить об активирующей способности водорода и возможности реализации режима холостого хода при большей эффективности процесса сгорания.
■
■ ■ 1 1
♦ ♦ ♦ ♦ <
- ♦
♦ < Г"4-«- ♦
ф VI
■ У2 1
0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05
Рис. 6. Средняя скорость распространения фронта пламени бензовоздушной смеси с добавкой 6% (0,03 кг/час) водорода на участке от свечи зажигания, до первого электрода - У1 и до второго электрода У2
♦ н=о% Я Н=4%(0,02 кг/час) ДН=6%(0,03 кг/час) -
■ ф ■ □ ■
■ ■ □ □ □ ф в 1' ■
* д 6 ■ ♦ д ф ДЙ ф 4 ■ ф ф" & ■ , ■ ♦ ■
♦ ♦
0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20
Рис. 7. Среднее время достижения максимума давления в процессе сгорания, определяющее окончание второй фазы сгорания бензовоздушной смеси, а также при добавке 4%(0,02 кг/час) и 6%(0,03 кг/час)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.