Снижение содержания оксида азота в поршневом двигателе при расчетах газодинамики и тепломассообмена в процессах горения для различного расположения газовой форсунки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Ле Дай Лам

• Ле Дай Лам
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Ле Дай Лам

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВЫХ ТОПЛИВ

1.1. Общие сведения

1.2. Качества природного газа как моторного топлива

1.3. Топливно-экономические показатели двигателей

1.4. Экологические характеристики

Выводы по разделу 1

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ГОРЕНИЯ ВО ФРОНТЕ ПЛАМЕНИ

2.1. Предварительные данные и методики

2.1.1. Основы химической кинетики горения

2.1.2. Горение углеводородов

2.1.3. Подготовка исходных данных химической кинетики

2.1.4. Тестирование механизма горения метана

2.2. Одномерная химическая кинетика горения

Выводы по разделу 2

3. ДОГОРАНИЕ ЗА ФРОНТОМ ПЛАМЕНИ. ХИМИЧЕСКИЙ ТУРБУЛЕНТНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН

3.1. Химическая кинетика догорания

3.2. Движение фронта горения в неоднородной горючей смеси

3.3. Химический турбулентный тепломассообмен

3.3.1. Общий вид уравнений ХТТ. Граничные и начальное условия

3.3.2. Допущения и математическое описание задачи ХТТ

3.4. Подтверждения модели химического турбулентного тепломассообмена

3.4.1. Данные спектрометрии ДВС

3.4.2. Тестовые расчеты методом ХТТ в случае однородных полей коэффициента избытка воздуха в камере сгорания

3.4.3. Результаты расчетов и измерений температур, а также содержания токсичных оксидов в отработавших газах

Выводы по разделу 3

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

4.1. Расчеты полей скорости при впрыске и смесеобразовании

4.2. Расчеты полей скорости при догорании и расширении

4.3. Расчеты трехмерных полей температуры и содержания компонентов продуктов горения методом ХТТ

4.3.1. Окончание горения

4.3.2. Активный период расширения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение содержания оксида азота в поршневом двигателе при расчетах газодинамики и тепломассообмена в процессах горения для различного расположения газовой форсунки»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и исходные предпосылки

Снижение токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) уже длительное время остается проблемой номер один в современном двигателестроении. Непрерывное ужесточение норм токсичности за рубежом и развитие автомобильного рынка требует кардинально новых подходов в методике расчета горения в ДВС.

Используемое обычно математическое описание рабочего процесса и горения в ДВС основано на законах термодинамики и предполагает наличие в камере сгорания однородных, или, в случае многозонных моделей, ступенчато-однородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха а и, тем самым, состава продуктов сгорания. В то же время, как показывают теоретические и экспериментальные данные, заранее рассчитанные (и реально существующие) неоднородности поля а перед зажиганием могут существенно снизить долю оксида азота, обеспечить надежное воспламенение и отсутствие детонации, а также малый расход топлива.

При расчетах газодинамики в цилиндре двигателя использована интерактивная программа вА82 проф. Дунаева В.А., позволяющая на основе уравнений Навье-Стокса и к-е модели турбулентности получить результаты для двухкомпонентной (метан+воздух) горючей смеси. Полученные предварительно двухмерные поля скорости при всасывании, впрыске, смесеобразовании, а также, для химически нереагирующей смеси, в области догорания за фронтом пламени и в течение такта расширения позволяют значительно сократить общее машинное время.

Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС (ХТТ), опубликованный, как метод расчета горения, проф. С.А. Чесноковым в одноименных монографиях 2005/09 г., позволяет получить трехмерные поля температуры и неравновесного содержания компонентов продуктов сгорания (в т.ч. токсичного оксида азота N0).

Отметим, что для метода ХТТ характерно полиструктурное описание процесса горения. В основе метода лежат дифференциальные уравнения тепломассообмена многокомпонентной смеси продуктов сгорания. Источники теплоты и массы компонентов определяются уравнениями химической кинетики горения.

Применение метода ХТТ делает возможным оптимальную организацию впрыска топлива, подбор геометрии камеры сгорания, выбор наиболее эффективных режимов работы двигателя, снижение токсичности выхлопа и т.д.

Работы по развитию аналогичных методов ведут: Принстонский университет США (Dryer, F.L.; Held, Т. J.; Márchese, A. J), Токийский государственный университет (Shoji, H.; Saima, A.), Штутгартский университет в Германии (Warnatz, J.; Riegler, U.G.), а также кафедра Поршневые двигатели МГТУ им. Н.Э. Баумана (H.A. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе) и др.

Известны также работы академика РАН В.Е. Алемасова и его учеников АЛ. Абдуллина, A.B. Демина, В.Г. Крюкова, В.И. Наумова, учитывающие тепломассообмен и неравновесие химического состава в неоднородных полях прямоточных камер сгорания; работы В.А. Звонова, В.А. Маркова, H.H. Патрахальцева, JI.B. Грехова, а также Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина, М.Ю. Свердлова, C.B. Пешкова по изучению процессов самовоспламенения и горения топлив в ДВС на основе химической кинетики, а также работы многих других ученых по моделированию горения в ДВС.

Очевидно, что для такого сложного комплекса процессов, каким является горение в ДВС, совершенно естественна "перманентная", многоэтапная постановка задачи - в длительном процессе применения и совершенствования полиструктурной модели, что совершенно справедливо было отмечено В.А. Лашко и Д.В. Тимошенко.

Объективно высокая сложность задач ХТТ при описании горения в ДВС оказывается вполне преодолимой за счет гармонически развитой структуры принятых допущений.

Например, если во фронте горения в одномерной (по нормали) задаче необходимо учитывать несколько сот реакций, то в области догорания за фронтом участвуют только два-три десятка реакций легких частиц при сравнительно медленном догорании за счет турбулентного перемешивания богатых и бедных горючим струй. Среди этих реакций наиболее важными являются образование токсичного оксида азота NO и выгорание токсичного оксида СО.

Во многих случаях при проектировании двигателей внутреннего сгорания ДВС необходимы расчеты множества вариантов двигателя с целью определения наиболее рационального расположения основных элементов: форсунки, свечи зажигания, клапанов и т.п. Использование для этого больших трехмерных программ газодинамики и горения (как правило, зарубежных) требует огромных затрат машинного времени. В качестве примера можно привести известные программы: KIVA (США), Fire (Австрия), Star-CD (Великобритания) и др. Отечественные программы двухмерной газодинамики (GAS2) и трехмерных задач ХТТ позволяют на порядок быстрее получить тестовые решения, отвечающие на конкретные вопросы выбора и расположения элементов конструкции.

Цель работы. Определение рационального расположения форсунки на поверхности цилиндра ДВС, обеспечивающего низкий уровень содержания токсичного оксида азота в выхлопе двигателя, работающего на газовом топливе - природный газ (метан).

Для этого необходимо решение следующих задач:

1. Расчет равновесных составов продуктов сгорания метана при различных коэффициентах избытка воздуха КИВ и аппроксимация их полиномами.

2. Решение задачи одномерной химической кинетики горения метана в микроламинарном турбулентном фронте пламени для различных значе-

ний КИВ, что позволит получить температуру горения, выделение теплоты при горении и состав продуктов сгорания на выходе фронта.

3. Расчет, с помощью интерактивной программы ОА82, турбулентных полей скорости (и полей КИВ) при всасывании воздуха, впрыске метана и смесеобразовании, а также, для химически не реагирующей смеси, полей скорости за фронтом горения и в такте расширения. Для этих же процессов вычислялось давление, температура и др. параметры.

4. Решение задачи движения фронта горения в неоднородной по КИВ горючей смеси в аналитическом виде.

5. Сокращение общего кинетического механизма горения метана для процесса догорания за фронтом пламени.

6. Расчет трехмерных полей температуры и содержания компонентов в области догорания за фронтом пламени и в процессе расширения смеси (задача ХТТ) при различных расположениях газовой форсунки.

Предмет исследования. Процессы газодинамики и горения, происходящие при впрыске, смесеобразовании, горении и догорании за фронтом пламени, с образованием многокомпонентной смеси продуктов сгорания.

Методы исследования. Расчеты на ЭВМ с помощью газодинамической интерактивной программы вА82 и программ метода ХТТ при горении.

Научная новизна заключается в:

- разработке двухэтапной методики решения общей задачи определение рационального расположения форсунки на поверхности цилиндра ДВС, основанной на условном разделении газодинамических процессов в цилиндре ДВС и процессов горения во фронте пламени, за фронтом и в течение такта расширения;

- предложении сокращенного варианта общей кинетики химических реакций горения метана для медленного процесса догорания бедной смеси за фронтом пламени при сохранении точности решения;

- обобщении метода ХТТ для применения не только бензиновых, но и газовых топлив, что потребовало разработки ряда алгоритмов решения и программ; получены расчетные результаты;

- Установлении наиболее рационального с точки зрения содержания оксидов азота расположения газовой форсунки в цилиндре ДВС, что является результатом разработки и реализации соответствующей методики.

Достоверность результатов: Основана на использовании развитого, и широко представленного в литературе, общего математического описания газодинамики и тепломассообмена, неоднократно подтвержденного экспериментально, в том числе, для решенной в работе задачи, несколькими косвенными экспериментами.

Практическая ценность. Состоит в создании законченной методики, позволяющей при небольших затратах машинного времени определить наиболее выгодное расположение газовой форсунки, а при более общей постановке, оптимальные расположения клапанов и свечи зажигания, режимы их работы, геометрию камеры сгорания т.п.

В диссертации исследуются возможности интерактивной программы GAS2 и метода химического турбулентного тепломассообмена при изучении горения в двигателе типа Mitsubischi Galant 4G93-DOHC-GDI (далее GDI) с непосредственным впрыском топлива, условно конвертированного под газовое топливо - природный газ (метан). Камера сгорания этого двигателя, образованная сферической выемкой в поршне, и оба клапана расположены в диаметральной плоскости цилиндра, поэтому двухмерная постановка задачи в программе GAS2 имеет определен.

Геометрия поршня и цилиндра ДВС изображена на рис. 1. Поршень имеет сферическую выемку, направляющую всасываемый поток воздуха вверх в вертикальной плоскости. Наличие вертикально расположенных вихрей, как правило, позволяет получить зону богатой смеси у свечи зажигания, что облегчает воспламенение смеси.

Рис.1. Схема цилиндра: 1- газовая форсунка; 2- впускной клапан; 3-свеча зажигания; 4- поршень

Основные параметры двигателя: горючее-природный газ (метан); рабочий объем цилиндра - 0,4-10" м ; его диаметр - 0,08 м; степень сжатия - 12; коэффициент остаточных газов - 0,05; номинальные обороты коленчатого вала -3000 об/мин; средний коэффициент избытка воздуха в камере сгорания - 1,5.

1. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВЫХ ТОПЛИВ

Основные данные газовых топлив и характеристики газовых двигателей приведены в работах [1] - [5].

1.1. Общие сведения

Горючие газы, применяемые в качестве моторного топлива для автомобилей, можно условно разделить на три основных вида:

1) сжиженные нефтяные газы (СНГ);

2) компримированные (сжатые компрессором) природные газы (КПГ);

3) сжиженные природные газы (СПГ).

1. Сжиженные нефтяные газы при нормальных температурах (в диапазоне от -20 °С до +20 °С) и относительно небольших давлениях (1,0...2,0 МПа) находятся в жидком состоянии. Их основные компоненты - этан, пропан, бутан и весьма близкие к ним непредельные углеводороды - этилен, пропилен, бутилен и их изомеры. Эти газы получаются при добыче и переработке нефти и поэтому их называют сжиженные нефтяные газы (СНГ). Пропан - бутановая смесь, под названием бытовой газ, превращается в жидкость за счет повышения давления до ~ 20 атм при атмосферной температуре. Комплект газового оборудования для СНГ вместе с баллоном весит от 40 до 60 кг и вполне подходит для установки на легковых автомобилях. Объем баллона обеспечивает пробег около 300 км, что вполне соизмеримо с расчетным пробегом 400 км для автомобиля, работающего на бензине.

2. Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ) при нормальных температурах и любых высоких давлениях находятся в газообразном состоянии. Состав природного газа: метан (80 - 95 %), этан (2-8 %), пропан (1,5 %), бутан (~ 1 %) и углекислый газ (~ 2 %).

Для хранения компримированного газа под высоким давлением 15-30 МПа выпускаются баллоны из углеродистых и легированных сталей. Каждый

баллон в незаполненном состоянии весит более 100 кг. Использование их на легковом автомобиле не рационально, так как их вес соизмерим с возможной полезной нагрузкой.

3. Сжиженные природные газы (СПГ) имеют такое же происхождение и состав, как и компримированные природные газы. Они получаются охлаждением газов (в основном метана) до 111 К в процессе их дросселирования. При этой температуре и атмосферном давлении сжиженный метан уменьшается в объеме до 600 раз. Поэтому СПГ можно хранить в компактных, теплоизолированных емкостях при невысоких давлениях. В качестве теплоизоляции применяют пенопласт, керамику, вакуумированную прослойку. Наиболее эффективной является вакуумированная керамическая изоляция.

Независимо от качества теплоизоляции газосодержащих емкостей температура в них медленно повышается, а следовательно, этот способ содержания газового топлива может быть использован только при интенсивном расходе СПГ при эксплуатации транспортного средства или при его безгаражном хранении, так как при нагреве периодически требуется сброс давления, т. е. выпуск порции газа (до 3 % в сутки).

Криогенную технологию получения СПГ следует рассматривать как промежуточный этап в создании топлива дальней перспективы - водородного, запасы которого в мировом океане неисчерпаемы.

На сегодняшний день природный газ является наиболее важным первичным источником энергии. Залежи природного газа, как нефти и угля, образовались в местах отложений простых организмов, которые за миллионы лет преобразовались под воздействием высоких давлений и температур. Месторождения природного газа находятся в пористых горных породах, образовавшихся в результате тектонических сдвигов. Плотные горные слои, покрывающие эти породы, не пропускают газ и сохраняют его.

Автомобильный парк нашей страны значительно вырос за последние годы и его увеличение продолжается. Связанный с этим рост потребления жидкого топлива на транспорте сопровождается истощением хорошо осво-

енных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать новые, расположенные в труднодоступных районах. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов. Запасов разведанных месторождений нефти на Земле, по разным оценкам, хватит человечеству на 25 - 40 лет.

Между тем, разведанные месторождения природного газа могут использоваться не менее 70 - 100 лет. Природный газ является высококачественным моторным топливом, не требующим, в отличие от нефти, никакой химической переработки. Кроме того, как моторное топливо, природный газ в натуральном виде превосходит нефтяное топливо. При его использовании обеспечиваются высокие технико-экономические показатели в ДВС, поскольку природный газ имеет хорошие антидетонационные качества, создает благоприятные условия смесеобразования и обладает широкими пределами воспламенения в смеси с воздухом. По-видимому, по этой причине первые ДВС создавались для работы именно на газе.

По способу воспламенения горючей смеси газовые двигатели подразделяются на двигатели с искровым зажиганием и воспламенением при нагреве от сжатия (дизели). Для природного газа воспламенение от сжатия организовать достаточно трудно из-за высокой температуры самовоспламенения (для метана ~ 900 - 950 К), по сравнению с дизельными топливами (~ 550 - 600 К). Поэтому наиболее перспективными являются двигатели с непосредственным впрыском газа с искровым зажиганием.

Часто считают, что применение газовых топлив гарантированно обеспечивает гомогенную горючую смесь. Этого вряд ли следует ожидать из-за скоротечности процессов в цилиндрах. К тому же, проведенные исследования показали, что неоднородность горючей смеси, возникающую в камере сгорания при внутреннем смесеобразовании, нельзя относить только к недостаткам. Управление неоднородностью распределения газового топлива по объему заряда может обеспечить ту же эффективность рабочего процесса, которая имеет место, например, в дизелях. В опытах был достигнут коэффициент из-

бытка воздуха а в районе свечи зажигания близкий к 1 при среднем по объему цилиндра а ~ 1,7. Т.о. неоднородность поля а может составить диапазон от 1 до 2,4.

1.2. Качества природного газа как моторного топлива

Преимущественное использование в мировой практике на автомобилях получили двигатели с искровым зажиганием вследствие их значительно меньшей стоимости и лучших удельных показателей мощности (в 1,4 - 1,8 раза) по сравнению с дизелями.

Качества газа как моторного топлива могут быть распределены по трем группам:

- собственно моторные качества, т. е. свойства, определяющие протекание сгорания и всего рабочего процесса двигателя;

- свойства, определяющие работу топливной аппаратуры;

- свойства, определяющие условия приготовления топлива и доставки его до потребителя.

Рассматривая собственно моторные качества газа, важно, в первую очередь, обратить внимание на энергетические показатели газа, которые в основном зависят от теплоты сгорания. Сравнение различных топлив по этим показателям можно провести по данным табл. 3.3.

В двигателях с искровым зажиганием ограничения на возможность более полного использования вводимого с топливом энергетического заряда определяются детонационной стойкостью топлива. Этот показатель главный в оценке сортности топлива. Поэтому особенно важным является то обстоятельство, что все горючие компоненты природного газа имеют более высокие октановые числа (04), чем бензины (табл. 1.1). Вследствие этого значение 04 природного газа недостижимо для бензина без применения специальных антидетонационных присадок.

Таблица 1.1

Октановые числа (ОЧ/М) бензинов и горючих газов

Вид топлива Бензин АИ-93 Природный газ Метан Пропан Бутан

ОЧ/М 86 104—107 107—120 105 93,6

Приведенные данные показывают, что основной показатель сортности моторного топлива для двигателей с воспламенением от искры у природного газа много выше, чем у наиболее распространенных товарных автомобильных бензинов. Именно это качество природного газа позволяет считать его наиболее перспективным из современных моторных топлив.

Однако влияние СПГ на рабочий процесс газового двигателя наиболее полно выявляется при рассмотрении совместно с другими особенностями газового топлива. Наиболее интересным в этом отношении является соотношение пределов воспламенения и пределов эффективной работы двигателя при бензине и газовом топливе (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Коэффициенты избытка воздуха в топливно-воздушной смеси, предельные по условиям воспламенения

Наименьший Наибольший (бед-

Топливо (богатый предел) ный предел)

Бензин 0,30—0,35 1,65-1,75

Природный газ 0,55—0,65 1,80-2,00

Метан 0,65 2,00

Пропан 0,40 1,70

У природного газа и метана оба предела смещены в сторону бедных смесей, что в первую очередь сказывается на возможности достижения большей топливной экономичности, так как смещение концентрационного

предела сопровождается, как правило, смещением эффективного предела. Важное значение при оценке энергетического фактора имеет также смещение богатого предела.

На рис. 1.1, в координатах коэффициент избытка воздуха а - степень сжатия е, приведена диаграмма зон устойчивой работы двигателя на различ-

топлива:-метан;.....пропан; -----бензин

Для каждого из видов топлива зона нормальной работы двигателя изображается на диаграмме «двухрукавной» областью. Для метана область ограничена кривыми 4, 10, 1,7; для пропана - 6, 11, 2, 8; для бензина - 5, 12, 3, 9. Вне этих зон наблюдается детонация или чрезмерное обеднение, либо обогащение смеси и т.п.

Кривые 1, 2, 3 являются пределами антидетонационной работы двигателя, соответственно, на метане, пропане и бензине. Аналогично, кривые 4, 5, 6 определяют предел обеднения по воспламенению горючей смеси для метана, пропана, бензина. Соответственно этому, кривые 7, 8, 9 дают положение пределов обогащения по условию воспламенения смеси. Верхняя граница области для каждого вида топлива определяется условиями воспламенения

от сжатия. Наивысший уровень (прямая 10) имеет метан, температура воспламенения которого самая высокая. Горизонтальные участки 11 и 12, соответственно, ограничивают области работы для пропана и бензина.

Таким образом, на газовых топливах устойчивая область значительно шире и смещена в сторону бедных смесей. Наибольшие возможности выбора оптимальных параметров двигателя имеются при работе на метане.

Область допустимых условий работы на природном газе близка к «метановой» вследствие малости концентраций в нем других компонентов. При рассмотрении этой диаграммы важно обратить внимание в первую очередь на то, что в смысле конструирования двигателя координаты диаграммы неравнозначны. В конкретном реальном двигателе степень сжатия остается неизменной, в то время как коэффициент избытка воздуха изменяется в зависимости от фактических характеристик топливной аппаратуры. Поэтому степень сжатия двигателя приходится ограничивать минимальным значением детонационного предела, что снижает экономичность двигателя.

Возможно и другое решение, когда при повышенной степени сжатия ограничивается предел обогащения. В этом случае снижается энергетический уровень заряда, поступающего в двигатель.

Таким образом, можно констатировать, что природный газ (метан), как моторное топливо, имеет более широкие перспективы для получения высоких удельных мощностных показателей двигателя как по энергетическим возможностям, так и по условию бездетонационной работы.

Свойствами топлива, определяющими экономические показатели двигателя, являются его детонационная стойкость и пределы эффективного обеднения. Детонационная стойкость дает возможность использовать высокие степени сжатия, т. е. применять рабочий процесс, имеющий высокий термодинамический к. п. д. Диаграмма рис. 1.1 показывает существенные преимущества природного газа перед бензином по этому показателю.

Такими же преимуществами обладает природный газ (метан) по отношению к бензину по пределам эффективного обеднения. Как известно, этот

предел прямо связан с бедным пределом воспламенения смеси. При низких степенях сжатия метан имеет существенно смещенный в сторону обеднения предел воспламенения, а значит, и предел эффективного обеднения. Однако и при высоких степенях сжатия он имеет сдвинутый в сторону бедных смесей предел эффективного обеднения, вследствие лучшего протекания процессов смесеобразования.

Предел эффективного обеднения смеси отличается от предела воспламенения вследствие действия в реальном двигателе ряда факторов, интегрально проявляющихся в степени неповторяемости последовательных циклов и неравномерности работы цилиндров двигателя. Опыты показали, что при работе на бензине в идентичных условиях по степени неповторяемости последовательных циклов на одноцилиндровом отсеке предел эффективного обеднения соответствует коэффициенту избытка воздуха, на 0,2 - 0,25 превышающему тот же показатель развернутого многоцилиндрового двигателя.

Причиной этого обстоятельства является неравномерность распределения смеси по цилиндрам, связанная со сложностью смесеобразования при использовании жидкого топлива. Неравномерность создается вследствие образования пленки топлива на внутренней поверхности впускного коллектора, неравномерного разделения капельного потока в разветвлениях коллектора, наличия частичной сепарации топлива при поворотах каналов коллектора и особенно при прохождении смесью дроссельной заслонки.

Очевидно, что при использовании газового топлива таких проблем не существует. Поэтому предел эффективного обеднения для газового топлива оказывается приближенным к пределу воспламенения по сравнению с соотношениями пределов для жидкого топлива. Точное положение этих пределов не может быть установлено, так как они зависят не только от свойств топлива, но и от конструктивных особенностей двигателя.

Следует подчеркнуть вытекающую из значения предела эффективного обеднения особенность газового топлива - возможность качественного регулирования мощности двигателя в широких пределах. При степени сжатия е =

12 максимальная экономичность двигателя на метане достигается при а = 1,5, а максимальная мощность на бензине при а = 1. Следовательно, имеется возможность снизить мощность двигателя примерно в 1,5 раза за счет уменьшения подачи топлива, при этом топливная экономичность будет возрастать. В широком диапазоне нагрузок двигатель может работать при высокой экономичности.

Заканчивая рассмотрение группы свойств топливных газов, характеризующих собственно моторные показатели этого вида топлива, следует отметить еще и эксплуатационные качества газа. Природный газ всегда попадает в двигатель в газообразном состоянии, поэтому он не создает эффекта разжижения масла и не смывает масляную пленку с поверхности цилиндров, что значительно снижает износ двигателя, особенно при холодном запуске. Это же облегчает смесеобразование при холодном запуске, исключая переобогащение смеси, необходимое в этих условиях при использовании бензина.

1.3. Топливно-экономические показатели двигателей

Особые свойства газового топлива позволяют добиваться в газовых двигателях более высоких мощностных и топливно-экономических показателей, чем у аналогичных по способу организации рабочего процесса бензиновых двигателей.

В простейшем варианте, наиболее распространенном в мировой практике, газовый двигатель выполняют с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием, т. е. в виде, аналогичном бензиновому двигателю.

При этом, показатели рабочего процесса существенно отличаются у газового и бензинового двигателей. Индикаторный к.п.д. бензинового двигателя на всех общих для обоих процессов составах смеси оказывается выше, чем у газового. Однако максимум к.п.д. газового двигателя соответствует более бедным составам смеси. Для бензинового двигателя оптимальный по экономичности коэффициент избытка воздуха а0ПТ=1Д, для газового ОоПТ-

1,5.

Более низкий к.п.д. газового двигателя объясняется повышенными вентиляционными потерями и меньшей развиваемой мощностью. Среднее индикаторное давление при газовом рабочем процессе ниже, чем при работе на бензине. Недобор мощности связан с худшим наполнением и меньшей теплотой сгорания стехиометрической смеси. Поскольку двигатель в обоих случаях применялся один, возможности повышения наполнения цилиндров, которыми располагает газовое топливо, не использовались. Преимущества газового топлива по энергетическому фактору остались нереализованными. Более того, наполнение двигателя в газовом варианте было снижено более интенсивным, чем в бензиновом двигателе, подогревом воздуха. Подогревающее устройство обеспечивает повышенную температуру воздуха при использовании двигателем газового топлива, по сравнению с работой на бензине отсутствует расход тепла на испарение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ле Дай Лам, 2015 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Генкин К.И. Газовые двигатели / К. И. Генкин.- Машиностроение,1977—

196 с.

2. Горбунов В.В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.В. Горбунов, H.H. Патрахальцев. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 1998. -216 с.

3. Льотко В. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания / В. Льотко, В.Н. Луканин, A.C. Хачиян: под редакцией В. Льотко, В.Н. Луканина: - М.: МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.

4. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: Учебник для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 720 с.

5. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.-238 с.

6. Варнатц, Ю. Горение: Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл ; пер. с англ. Г. Л. Агафонова ; под ред. П. А. Власова. - М.: Физматлит, 2003. - 352 с.

7. Басевич, В.Я. Моделирование задержек самовоспламенения мета-новоздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания / В.Я. Басевич, В.И. Веденеев, B.C. Арутюнов // ФГВ. - 1994. - № 2. - С. 7-14.

8. Фролов, С.М. Моделирование горения и образования токсичных веществ в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия / С.М. Фролов, В.Я. Басевич, A.A. Беляев, А.Н. Гоц // Химическая физика. -2004.-№8.-С. 50-57.

9. Басевич, В.Я. Моделирование самовоспламенения изооктана и н-гептана применительно к условиям ДВС / В.Я. Басевич, A.A. Беляев, В. Брандштетер, М.Г. Нейгауз, Р. Ташл, С.М. Фролов // ФГВ. - 1994. - № 6. - С. 15-25.

10. Звонов, В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А. Звонов. - 2-е изд., перераб. -М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

11. Trevino, С. Reduced kinetic mechanism for methane ignition / C. Trevi-no, F. Mendez // Proc. 24th Symp. (Int.) on combustion. - Pitsburg, Pensylvania. -1992.-P. 121-127.

12. Chaos, M. A high-temperature chemical kinetic model for primary reference fuels / M. Chaos, A. Kazakov, Z. Zhao, F.L. Dryer // International Journal of Chemical Kinetics. - 2007. - V.39. - №7. - P. 399-414.

13. Gauthier, B.M. Shock tube determination of ignition delay times in full-blend and surrogate fuel mixtures / B.M. Gauthier, D.F. Davidson, R.K. Hanson // Combustion and flame. - 2004. - V.l39. - №4. - P. 300-311.

14. Teodorczyk, A. Mathematical-model of nitric oxide formation in an Si piston engine / A. Teodorczyk, T.J. Rychter // Journal of Technical Physics. -1987.-V.28.-P. 47-66.

15. Harris, R.J. The Formation of Oxides of Nitrogen in High Temperature CH4-02-N2 Flames / R.J. Harris; M. Nasralla; A. Williams // Combustion Science and Technology. - 1976. - V.14. - №1-3. - P. 85-94.

16. Baulch, D.L. Summary table of evaluated kinetic data for combustion modeling: Supplement l / D.L. Baulch, C.J. Cobos, R.A. Cox, P. Frank, G. Hayman, Th. Just, J.A. Kerr, T. Murrells, M.J. Pilling, J. Troe, R.W. Walker, J. Warnatz // Combustion and Flames. - 1994. - V.98. - №1-2. - P.59-79.

17. Malte, J. Hydroxyl radical and atomic oxygen concentrations in highintensiv turbulent combustion / J. Malte, S.C. Schidt, D.T. Pratt // 16-th Symposium of Combustion. - Pitssburgh, Pensylvania. - 1967. - P.145-155.

18. Becker, H. Investigation of extinction in unsteady flames in turbulent combustion by 2D-LIF of OH radicals and flamelet analysis / H. Becker, et al. // 23rd Symp. (intl.) Comb. - The Combustion Institute, Pitsburgh, 1991. - P. 817.

19. Юдаев, Б.Н. Техническая термодинамика и теплопередача / Б.Н. Юдаев. - М.: Высшая школа, 1988. - 478 с.

20. Гороновский, И.Т. Справочник по химии / И.Т. Гороновский, Ю.П. Назаренко, Е.Ф. Некрич ; под ред. Куриленко О.Д. - Киев : Наукова думка, 1965.-835 с.

21. Железко, Б.Е. Основы теории и динамика автомобильных и тракторных двигателей / Б.Е. Железко. - Минск : Вышэйшая школа, 1980. - 304 с.

22. Гурвич, Л.В. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справочное издание в 4-х томах. Т. 2 / Л.В. Гурвич, И.В. Вейц, В.Д. Медведев и др. - М.: Наука, 1979. - 439 с.

23. Киреев, В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций / В.А. Киреев. - М.: Химия, 1970. - 519 с.

24. Чесноков, С.А. Моделирование высокотемпературных реакций горения / С.А. Чесноков. - Тула : Изд-во Тульского гос. ун-та, 2002. - 163 с.

25. Чесноков, С.А. Химический турбулентный тепломассообмен в двигателях внутреннего сгорания / С.А. Чесноков. - Тула : Изд-во ТулГУ, 2005. -466 с.

26. Gear, C.W. Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations / C.W. Gear. - Englewood Cliffs, N.J.: Prentice - Hall, 1971. - 253 p.

27. Арушанян, О.Б. Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений на фортране / О.Б. Арушанян, С.Ф. Залеткин. - М.: Изд-во МГУ, 1990.-335 с.

28. Мальцев, В.М. Основные характеристики горения / В.М. Мальцев, М.И. Мальцев, Л.Я. Кашпоров. - М.: Химия, 1977. - 320 с.

29. Чесноков, С.А. Спектрометрия двигателей внутреннего сгорания / С.А. Чесноков. - Тула : Тульский гос. ун-т, 2001. - 146 с.

30. Чесноков, С.А. Химический турбулентный тепломассообмен в двигателях внутреннего сгорания / С.А. Чесноков, С.А.Потапов/ Издание 2-е, пересмотренное и дополненное - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - 400 с.

31. Ле Дай Лам, Радько А.Е., Лукин С.Э. Применение полиструктурной модели горения в дизелях. Докл. VII региональной молодежной НПК ТулГУ. Часть 1. Секция техн. наук. Изд-во ТулГУ. - 2013. С. 171-172.

32. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред / Р.И. Нигматулин. -М. .-Наука, 1987.-454 с.

33. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник / А.В. Лыков. - Энергия, 1978.-476 с.

34. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. -М.: Наука, 1970. - 904 с.

35. S. Lukin, Le Dai Lam. Model poli-struktural combustion in internal-

/

combustion engine // Innovative development trends in modern technical sciences: problems and prospects. CA, USA, B&M Publishing, 2013, p. 81-84.

36. S. Lukin, Le Dai Lam, A. Radko. Calculation of combustion and formation of nitrogen oxide // Innovative development trends in modern technical sciences: problems and prospects. CA, USA, B&M Publishing, 2013, p. 84-88.

37. Дунаев B.A., Чесноков C.A., Ле Дай Лам, Лукин С.Э. Расчеты смесеобразования в газовом двигателе с помощью интерактивной программы GAS2-DWS/ Известия ТулГУ. Серия "Технические науки". Вып. 11. Изд-во ТулГУ. - 2013. - С. 172-179.

38. Чесноков С.А., Ле Дай Лам, Лукин С.Э. Расчеты горения и расширения в газовом двигателе с помощью интерактивной программы GAS2-DWS/ Известия ТулГУ. Серия " Технические науки Вып. 11. Изд-во ТулГУ.-2013.-С. 180-187.