Выбор способа управления рабочим процессом в двигателях с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси
На правах рукописи
Кузьмин Виктор Николаевич ВЫБОР СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ В ДВИГАТЕЛЯХ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОЙ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 05.04.02 – Тепловые двигатели
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград – 2012
Работа выполнена на кафедре «Теплотехника и гидравлика» в Волгоградском государственном техническом университете Научный руководитель доктор технических наук, профессор Федянов Евгений Алексеевич.
Официальные оппоненты: Дорохов Александр Федорович, доктор технических наук, профессор, Астраханский государственный технический университет, кафедра «Судостроение и энергетические комплексы морской техники», заведующий кафедрой;
Липилин Валентин Иванович, кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Автотракторные двигатели», доцент.
Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), г. Челябинск.
Защита диссертации состоится 01 марта 2013 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, 28, ауд. 209.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.
Автореферат разослан « » января 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Ожогин Виктор Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Поршневые двигатели внутреннего сгора ния как с принудительным зажиганием и внешним смесеобразованием, так и дизельные достигли весьма высокого совершенства и резервы дальнейшего улучшения их показателей невелики. В то же время, общая численность дви гателей различного назначения растет, что лишь обостряет необходимость поиска путей повышения их топливной экономичности и уменьшения вред ных выбросов в окружающую среду. Поиск таких путей обусловил в послед нее время внимание к новым способам организации рабочего процесса поршневых ДВС, при которых сочетаются преимущества двух указанных выше основных типов двигателей. Одним из способов является использова ние быстрого сжатия для самовоспламенения гомогенной топливовоздушной смеси. Для того чтобы избежать при этом взрывного характера горения, топ ливовоздушную смесь сильно обедняют или разбавляют продуктами сгора ния. Такой рабочий процесс, называемый чаще всего HCCI-процессом, мо жет дать существенное снижение удельного расхода топлива, резко умень шить образование и выброс в атмосферу оксидов азота и, особенно, твердых частиц.
Одним из препятствий, сдерживающих широкое применение HCCI процесса, является трудность управления им на переменных режимах работы двигателя. Углубленные исследования особенностей HCCI-процесса и на этой основе выбор эффективных способов управления им являются необхо димым условием для завершения стадии лабораторных испытаний этого пер спективного рабочего процесса.
Цель работы. Целью настоящей работы является создание физически обоснованной математической модели, позволяющей прогнозировать инди каторные показатели двигателя с HCCI-процессом и их изменение в зависи мости от режимных, регулировочных и конструктивных факторов и, тем са мым, обеспечивающей возможность выбора способов управления этим про цессом в заданном диапазоне режимов работы.
Для достижения поставленной выше цели исследований требуется ре шить следующие задачи:
1) выбрать тип и структуру математической модели, позволяющей адекватно воспроизводить весь процесс сгорания обедненных гомогенных топливовоздушных смесей;
2) создать экспериментальную установку и провести эксперименталь ные исследования для выяснения влияния состава топливовоздушной смеси на динамику тепловыделения;
3) используя экспериментальные данные, найти обоснованный способ адекватного воспроизведения динамики тепловыделения в основной фазе сгорания в двигателе с HCCI-процессом;
4) показать возможность исследования с помощью модели способов управления рабочим процессом HCCI.
Научная новизна. Предложен новый способ учета влияния избытка воздуха и продуктов полного сгорания на расчет кинетики и тепловых эф фектов реакций горения.
Обоснованы математические выражения для функций, позволяющих учитывать влияние избытка воздуха и роста концентрации конечных продук тов сгорания на скорость реакций самовоспламенения и горения в гомоген ной топливовоздушной смеси.
Теоретически изучены особенности управления рабочим процессом HCCI-двигателей путем изменения степени сжатия.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обу словливаются использованием фундаментальных положений термодинамики и химической кинетики при моделировании рабочего процесса, подтвержде нием результатов моделирования экспериментальными данными.
Методы исследования. Теоретические исследования с помощью ма тематического моделирования. Экспериментальные исследования законо мерностей процессов самовоспламенения гомогенной топливовоздушной смеси.
Теоретическая и практическая ценность. Показано, что для адек ватного описания с помощью однозонной математической модели, вклю чающей кинетическую схему реакций горения, процессов самовоспламене ния и горения гомогенного заряда необходимо учитывать влияние на ско рость реакций горения избытка воздуха и продуктов полного сгорания топ лива.
Результаты исследований управления процессом путем изменения сте пени сжатия служат основой для создания конструкций устройств, реали зующих данный метод управления.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Способ учета влияния коэффициента избытка воздуха и концентра ций продуктов полного сгорания на динамику развития процессов воспламе нения и сгорания в двигателях с рабочим процессом HCCI;
2. Методика выбора кинетических схем реакций для моделирования процессов воспламенения и сгорания в двигателях с рабочим процессом HCCI;
3. Особенности управления рабочим процессом в HCCI-двигателях за счет изменения степени сжатия.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци онной работы были доложены на международной научно-практической кон ференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 2005 г.), всероссийской с международным участием научно-технической конферен ции «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2005 г.), 19-м межгосударственном научно техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигате лей внутреннего сгорания» (Саратов, 2006 г.), международной конференции «Двигатель-2007», посвященный 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 2007 г.), XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствова ния поршневых двигателей», посвященной 50-летию ВлГУ (Владимир, г.), научно-технической конференции «4-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, г.), юбилейной научно-технической конференции «5-е Луканинские чтения.
Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (Мо сква, 2011 г.), ежегодных научно-практических конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2004-2011 гг.) и X и XI региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005 г. и 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 105 страниц, включая 47 рисунков, 5 таблиц и 11 страниц списка использованной литературы из 101 наименования, 86 из которых на ино странных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации. В реферативной форме приведена общая характеристика работы.
В первой главе рассмотрен принцип работы ДВС с самовоспламене нием гомогенной топливовоздушной смеси от сжатия (HCCI-процесс) и ука заны его возможные преимущества. Обоснована необходимость решения за дачи управления HCCI-процессом в зависимости от режима работы двигате ля. Рассмотрены особенности процессов самовоспламенения углеводородных топлив, исследованные Н. Н. Семеновым, А. С. Соколиком, А. Н. Войновым, В. Иостом и др., и факторы, влияющие на протекание этих процессов. Прове ден анализ возможных способов управления HCCI-процессом и выделена важная роль в решении задачи управления методов, основанных на матема тическом моделировании процессов самовоспламенения и сгорания в усло виях поршневого двигателя. Рассмотрены возможности известных математи ческих моделей HCCI-процесса, в том числе предложенных С. В. Гусаковым, В. Г. Камалтдиновым, а также иностранными исследователями: P. Najt'ом и D. Foster'ом, J. Smith'ом, Y. Wong'ом и G. Karim'ом, H. Soyhan'ом и J. Andrae'ом, E. Dec'ом, S. Aceves'ом, M. Kraft'ом и др. Сделан вывод о том, что однозонные нульмерные модели, в которых используется детальный рас чет кинетики и тепловых эффектов реакций окисления топлива, позволяют во многих случаях удовлетворительно прогнозировать момент самовоспламене ния, однако дают искаженную картину протекания основной фазы сгорания.
Отмечен оригинальный способ повышения точности моделирования основ ной фазы сгорания, предложенный В. Г. Камалтдиновым. Многомерные мо дели HCCI-процесса позволяют, как правило, приблизить результаты расче тов к экспериментальным данным, однако в этих моделях принятое разделе ние на зоны не всегда обосновано, кроме того, используются параметры, зна чение которых не может быть принято априори.
На основе анализа состояния вопроса определены цель и задачи иссле дования.
Во второй главе рассмотрена разработанная в качестве основы для моделирования HCCI-процесса однозонная нульмерная модель изменения состояния рабочего тела в цилиндре двигателя с расчетом динамики выделе ния теплоты по тепловым эффектам химических реакций воспламенения и горения.
Основу модели составляют уравнения сохранения энергии и состояния идеального газа:
dQ dV dT + a S (Tст - T ) F=p + cv m (1), dj pn dj dj pV = mRT, (2) где p, V, T – соответственно давление, объем и температура в камере сго рания, j – угол поворота коленчатого вала двигателя, n – частота вращения коленчатого вала двигателя, m, R – соответственно масса и характеристиче ская газовая постоянная топливовоздушной смеси в камере сгорания, c v – изохорная массовая теплоемкость смеси, Q – теплота, выделяющаяся при сгорании топливовоздушной смеси, a S – суммарный коэффициент теплоот дачи от рабочего тела в стенки, Tст – средняя температура стенок камеры сгорания, F – площадь поверхности камеры сгорания.
Приведенная система уравнений дополнена соотношениями, позво ляющими определять состояние заряда в цилиндре к моменту начала сжатия, теплоту сгорания рабочей смеси, суммарный коэффициент теплоотдачи a S и площадь поверхности теплообмена.
Система уравнений (1)…(2) решается численно методом Рунге-Кутта с расчетным шагом Dj по углу поворота коленчатого вала.
Для определения скорости выделения теплоты выполнялся расчет ки нетики химических реакций горения и их тепловых эффектов. Скорость из менения концентрации любого из веществ, участвующих в реакциях, нахо дится алгебраическим суммированием скоростей изменения этой концентра ции в каждой из реакций, в которых принимает участие это вещество:
dy i N r = Wij, (3) dt j = где y i – текущая мольная концентрация i -го вещества (реагента), Wij – ско рость j -ой реакции по i -му реагенту, N r – число химических реакций в ки нетической схеме. Фактически суммирование ведется не по всем реакциям, а только по тем, в которых участвует i -ый реагент.
Скорость образования или расходования i -го реагента в j -ой реакции вычисляется по закону действующих масс:
nр Wij = ± k j y i, (4) i = где k j – константа скорости j -ой реакции, n р – порядок j -ой реакции.
Константа скорости реакции определяется в соответствии с законом Аррениуса:
E aj n k j = A j T j exp -, (5) RmT где A j, n j, E aj – соответственно предэкспоненциальный множитель, пока затель степени и энергия активации для j -ой реакции.
Теплота Q, выделившаяся на каждом расчетном шаге, находится ал гебраическим суммированием тепловых эффектов всех реакций на этом ша ге. Тепловые эффекты, в свою очередь, представляют собой разности энталь пий исходных реагентов и продуктов реакции. Таким образом:
N r N s1 N s Dy ji DH i - Dy ji DH i, Q= (6) 1 1 j =1 i1 =1 i2 =1 где j – порядковый номер реакции, i1 – порядковый номер исходного веще ства j -ой реакции, N s1 – число исходных веществ j -ой реакции, i2 – поряд ковый номер продукта j -ой реакции, N s2 – число продуктов j -ой реакции, DH i1 – энтальпия образования исходного вещества (реагента) i1, DH i2 – эн тальпия образования продукта i2. Для определения энтальпий образования реагентов были использованы полиномы пятой степени от температуры.
Для определения теплоотдачи в стенки цилиндра и камеры сгорания использована модифицированная формула Вошни. В результате исследова ний, в том числе выполненных в ходе данной работы, установлено, что при использовании формулы Вошни применительно к двигателям с HCCI процессом должно быть ослаблено влияние на теплоотдачу температуры га зов в цилиндре, а также влияние процесса горения на среднюю скорость те чения рабочего тела. Модифицированная формула Вошни имеет вид p 0,8 w 0, a S = 110 0,73 0,2, (7) T D где a S – суммарный коэффициент теплоотдачи в стенки цилиндра, p, T – соответственно средние по объему мгновенные значения давления и темпе ратуры в камере сгорания, D – диаметр цилиндра, w – средняя скорость ра бочего тела, которая при сжатии определяется по формуле:
Sn w = 2,28 п, (8) а при сгорании-расширении по формуле:
Sп n VT + 0,54 103 s 1 ( p - p0 ), w = 2,28 (9) p1V где Sп – ход поршня, n – обороты коленчатого вала, p1, T1, V1 – соответст венно давление, температура и объем смеси в начале сжатия, Vs – рабочий объем цилиндра, p0 – текущее давление в цилиндре при проворачивании ва ла.
В связи с тем, что для некоторых топлив известно по нескольку кине тических схем химических реакций горения, была предложена методика вы бора схемы, наиболее подходящей для описания процесса горения в HCCI двигателях. В качестве критерия выбора кинетической схемы была принята степень соответствия значений задержки самовоспламенения, полученных, с одной стороны, расчетом для условий адиабатной камеры сгорания постоян ного объема и, с другой стороны, путем опытов в аналогичных условиях.
Наилучшей считалась схема, которая с наибольшей точностью воспроизво дила наблюдаемую в эксперименте зависимость задержки самовоспламене ния от начальной температуры топливовоздушной смеси.
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1, 1,E+ 1,E- 1,E- 6 ti, с 1,E- 1,E- 2 1,E- 1,E- 1000/T н, 1/K Рисунок 1 – Сравнение результатов моделирования длительности фазы предпламенных реакций с экспериментальными данными (топливо – метан) На рисунке 1 в качестве примера показаны зависимости задержки са мовоспламенения от начальной температуры метановоздушной смеси, по строенные на основе экспериментальных данных (линии 1-4) и на основе ре зультатов расчетов с использованием схемы В. Я. Басевича (линия 5) и схемы J. Hewson'а (линия 6). Как экспериментальные данные, так и результаты рас четов получены для стехиометрической смеси ( a =1,0) при начальном давле нии pн =15 бар. Видно, что, в отличие от схемы J. Hewson'а, схема В. Я. Ба севича хорошо соответствует экспериментальным данным как качественно, так и количественно в широком диапазоне изменений температуры и состава смеси, и ее можно использовать для исследования динамики тепловыделения в двигателях с рабочим процессом HCCI. Аналогичным образом были вы браны кинетические схемы горения диметилового эфира и метанола.
Для моделирования образования оксидов азота была использована до полнительная кинетическая схема окисления азота, предложенная Б. Я. Зель довичем. Эта схема дополняла основную кинетическую схему горения топ лива, не оказывая существенного влияния на точность расчета кинетики сго рания топливовоздушной смеси.
p, МПа 1 j, °пкв -30 -20 -10 0 10 20 – экспериментальные индикаторные диаграммы - - - - – расчетные индикаторные диаграммы 1 – a=2,43, 2 – a=2,61, 3 – a=2, Рисунок 2 – Сопоставление экспериментальных и расчетных индикаторных диаграмм двигателя Volvo TD Для проверки воспроизводимости моделью индикаторного процесса были использованы индикаторные диаграммы, полученные при индицирова нии двигателей с рабочим процессом HCCI. Были использованы эксперимен тальные данные для двухтактных двигателей, работавших на топливовоз душных смесях, близких по составу к стехиометрическим, и для четырех тактных двигателей, работавших на обедненных топливовоздушных смесях.
Отмечено, что модель хорошо предсказывает момент самовоспламенения в смесях стехиометрического состава, однако дает существенную погрешность в определении такого момента в обедненных смесях. Кроме того, модель для любых тепловоздушных смесей не позволяет адекватно описать индикатор ную диаграмму на основном участке горения, показывая взрывной характер процесса после самовоспламенения. На рисунке 2, в качестве подтверждения последнего вывода, представлены экспериментальные и расчетные индика торные диаграммы четырехтактного двигателя Volvo TD100 с HCCI процессом на природном газе, полученные при n =1400 мин-1, DT =215 К и трех различных значениях коэффициента избытка воздуха ( a =2,43;
a =2,61;
a =2,87). Результаты моделирования образования оксидов азота в двигателе Volvo TD100 при тех же условиях работы также имеют значительные расхо ждения с экспериментально полученными значениями.
В третьей главе приводится описание конструкции и аппаратурного оснащения установки для экспериментальных исследований процесса само воспламенения гомогенных топливовоздушных смесей. Установка создана на базе малоразмерного двухтактного двигателя с изменяемой степенью сжатия.
Для регистрации изменения давления в цилиндре двигателя установка оснащена системой индицирования, в которой давление на измерительную тензобалку передается через контрпоршень. Контрпоршень одновременно служит для изменения степени сжатия. Угловое положение вала двигателя и частота вращения определялись с помощью индукционного датчика. Для ре гулирования температуры заряда на впуске установка снабжена электриче ским нагревателем воздуха.
Информация от всех датчиков установки передавалась в ЭВМ через цифровой осциллограф ОЦЗС-02 (100PCI). Сигналы обрабатывались и запи сывались на ЭВМ с помощью программы ADCLab.
В четвертой главе изложены результаты экспериментального изуче ния влияния состава топливовоздушной смеси на развитие процессов само воспламенения и обоснован способ, позволяющий учитывать при расчете ки нетики реакций горения влияние состава топливовоздушной смеси на дина мику тепловыделения.
На основе анализа математического выражения закона действующих масс, записанного для брутто-реакции горения углеводородного топлива:
E n Wхим = AT n exp - a y CH y OO2, n CH (10) RmT где y CH, y O2 – мольные концентрации топлива и окислителя, nCH, nO2 – порядок реакции по углеводороду и окислителю, показано, что в области зна n n чений a 2,0, характерных для HCCI-процесса, произведение y CH y OO2 в CH формуле (10) слабо зависит от величины коэффициента воздуха. В диапазоне 2,0 a 3,0 не превышает 10%.
Аргумент экспоненциальной функции в выражении (10) для скорости химических реакций также не зависит явным образом от a. Значения энергии активации для всех элементарных реакций, входящих в кинетическую схему, также как энергия активации для брутто-реакции в целом, заданы однозначно и в процессе расчета их величина не меняется. Температура, достигаемая при горении, от избытка воздуха зависит, однако в начальной стадии процесса горения эта зависимость себя не проявляет. В результате при всех значениях коэффициента избытка воздуха расчет по формуле (10) дает примерно оди наковый взрывной характер реакции горения.
Эксперименты по самовоспламенению от сжатия смесей диэтилового эфира с воздухом показали, что задержка самовоспламенения и скорость те пловыделения на начальном участке основной фазы горения существенно изменяются в зависимости от величины коэффициента избытка воздуха. На рисунке 3 представлена полученная на основе обработки экспериментальных данных зависимость от a относительной скорости тепловыделения на на чальном участке основной фазы сгорания. Определялась средняя скорость тепловыделения в пределах первых 10 °ПКВ от момента отрыва линии дав ления от линии сжатия. Как видно на рисунке 3, скорость тепловыделения на начальном участке основной фазы сгорания снижается по мере обеднения практически линейно. Еще одним фактором, который влияет на скорость сгорания в двигателях с HCCI-процессом, является доля остаточных газов в топливовоздушной смеси.
dc/dj, %/°пкв 3, 2, 1, 0, a 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 Рисунок 3 – Зависимость относительной скорости тепловыделения от a Предложено учитывать влияние избытка воздуха и содержания про дуктов полного сгорания при моделировании HCCI-процесса введением в расчет кинетики двух корректирующих функций, вид которых отражает экс периментально наблюдаемый характер влияния указанных двух факторов на динамику развития самовоспламенения и сгорания.
Влияние избытка воздуха на скорость химических реакций горения предлагается учитывать функцией ka = f (a ), которая корректирует величи ну аргумента экспоненциальной функции в законе Аррениуса. Выражение для ka принято логарифмическим:
ka = Aa ln(a ) + 1, (11) где Aa – числовой коэффициент. По мере обеднения смеси значение ka уве личивается. При a =1 ka =1.
Коэффициент ky, учитывающий концентрацию продуктов сгорания, представлен дополнительным множителем в законе действующих масс и имеет физический смысл концентрации. Так как темп накопления продуктов сгорания сказывается в большей степени на начальных стадиях процесса сго рания, для выражения ky принята степенная функция вида:
ky = 1 - y n b, (12) b где y b – относительное количество продуктов сгорания, n b – числовой коэф фициент. Величина y b представляет собой отношение текущего количества продуктов сгорания к их количеству после полного завершения сгорания:
y b = mb mbend. (13) Верификация усовершенствованной модели была проведена на экспе риментальных данных, полученных различными исследователями для раз ных видов топлива. При этом установлено, что числовые коэффициенты в выражениях (11) и (12) зависят от вида применяемого топлива. На рисунке в качестве примера показано соответствие расчетных и экспериментальных данных для того же двигателя, для которого приведены индикаторные диа граммы на рисунке 2. Расхождения между расчетными и экспериментальны ми данными для двигателя, работающего на природном газе в диапазоне час тот вращения от 800 до 2000 мин-1, не превысили 5%, а на других видах топ лива – 10%.
p, МПа j, °пкв -30 -20 -10 0 10 20 · – экспериментальные индикаторные диаграммы – расчетные индикаторные диаграммы 1 – a=2,43;
2 – a=2,61;
3 – a=2, Рисунок 4 – Сопоставление экспериментальных и расчетных (по уточненной модели) индикаторных диаграмм двигателя Volvo TD 100 (n=1400 мин-1) В пятой главе проведено теоретическое исследование влияния регу лировочных, режимных и конструктивных факторов на протекание процес сов самовоспламенения и горения в HCCI-двигателе.
В качестве регулировочных факторов выбраны подогрев заряда на впуске и доля остаточных газов. Влияние подогрева заряда на впуске оцени валось в условиях четырехтактного двигателя с отношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D=140/120 и степенью сжатия e=17, влияние доли оста точных газов – в условиях двухтактного двигателя с S/D=50/50 и e=6,5. В первом случае в качестве топлива был принят метан, во втором – метанол.
Исследования подтвердили существенное влияние обоих факторов на разви тие процессов самовоспламенения и горения гомогенной топливовоздушной смеси. На основе опытных данных, полученных на рассмотренной в главе установке, отмечено, что подогрев заряда на впуске, как фактор управления, обладает значительной инерционностью. Это затрудняет его применение на двигателях, работающих на резко переменных режимах.
В результате исследования влияния режимных факторов установлено, что частота вращения в существенно меньшей степени влияет на величину задержки самовоспламенения и динамику тепловыделения в основной фазе сгорания, чем величина коэффициента избытка воздуха.
eh e опт a 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2, Рисунок 5 – Зависимость оптимальной степени сжатия от состава топливовоздушной смеси В качестве конструктивного фактора, который может быть использован для управления процессом HCCI, рассмотрена степень сжатия. Было изучено влияние степени сжатия на положение точки начала активного тепловыделе ния, индикаторный и эффективный КПД цикла при различных значениях a.
Установлено, что каждому значению a соответствует свое значение степени сжатия e h e опт, при котором he достигает максимума (рисунок 5). На величи ну e h e опт заметное влияние оказывает частота вращения. Показано, что на бедных топливовоздушных смесях экстремум зависимостей he = f (e) вы ражен слабо, что позволяет при управлении процессом изменением степени сжатия ограничивать в некоторых пределах максимальное давление цикла без существенного снижения he.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Предложена модель рабочего процесса двигателей с самовоспламе нением гомогенной топливовоздушной смеси от сжатия, обеспечивающая воспроизведение момента начала основной фазы горения и адекватное опи сание динамики тепловыделения в этой фазе путем введения двух обосно ванных функций, учитывающих влияние на кинетику реакций горения из бытка воздуха и роста концентрации конечных продуктов сгорания.
2. На основе анализа экспериментальных данных, полученных на ус тановке с компрессионным двигателем, а также структуры уравнений хими ческой кинетики предложены математические выражения для функций, учи тывающих влияние на кинетику реакций горения избытка воздуха и роста концентрации конечных продуктов сгорания. Установлено, что значения ко эффициентов в математических выражениях указанных функций зависят от вида применяемого топлива.
3. Применение предложенной математической модели рабочего про цесса двигателя с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси от сжатия позволяет в широком диапазоне изменения величины избытка воз духа предсказывать момент начала основной фазы сгорания, определять зна чения максимального давления цикла и индикаторной работы с погрешно стью в пределах 10 %.
4. Результаты исследований влияния режимных, регулировочных и конструктивных факторов на развитие процессов самовоспламенения и горе ния в HCCI-двигателях, проведенных с помощью созданной математической модели, позволяют сделать следующие выводы:
1) основным режимным фактором, в зависимости от которого необхо димо управление процессом самовоспламенения и сгорания гомогенной топ ливовоздушной смеси, является величина избытка воздуха, определяющая мощность двигателя на заданной частоте вращения;
2) при неизменной степени сжатия частота вращения в диапазоне от 800 до 2000 мин-1 слабо влияет на положение индикаторной диаграммы отно сительно ВМТ и по этому режимному параметру управление развитием про цессов самовоспламенения и сгорания не требуется;
3) температура подогрева заряда на впуске оказывает существенное влияние на процессы самовоспламенения и горения, однако инерционность теплового режима делает этот фактор неприемлемым для управления HCCI процессом в двигателях, работающих на переменных режимах;
4) эффективным способом управления HCCI-процессом в двигателях, работающих на переменных режимах, может быть изменение степени сжа тия;
при использовании этого способа управления значения степени сжатия, обеспечивающие максимальный эффективный КПД цикла, следует выбирать с учетом как величины коэффициента избытка воздуха, так и частоты враще ния коленчатого вала двигателя.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Федянов, Е. А. Математическое моделирование самовоспламенения гомогенных метановоздушных смесей в ДВС / Е. А. Федянов, Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // Двигателестроение. – 2007. – №2. – C. 3-5.
2. Федянов, Е. А. Исследование возможности управления процессом сгорания HCCI с помощью изменения степени сжатия / Е. А. Федянов, Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // Известия ВолгГТУ. Серия "Процессы преобразования энергии и энергетические установки". Вып. 3: межвуз. сб.
науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2011. – № 8. – C. 67-68.
3. Федянов, Е. А. Математическое моделирование индикаторного процесса в двигателе с самовоспламенением от сжатия гомогенной метановоздушной смеси / Е. А. Федянов, Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // Изв.
ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2007. – Вып.2, № 8. – C. 73-76.
4. 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 // Известия ВолгГТУ.
Серия "Процессы преобразования энергии и энергетические установки":
межвуз. сб. науч. ст. / науч. ред. Е. А. Федянов;
ВолгГТУ. – Волгоград, 2008.
– Вып. 1, № 6. – C. 11-13.
5. Федянов, Е. А. Особенности теплоотдачи в стенки цилиндра двигателя с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси / Е. А. Федянов, Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // Изв. ВолгГТУ. Серия "Процессы преобразования энергии и энергетические установки". Вып. 2 :
межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. – № 7. – C. 72-74.
В прочих изданиях 6. Математическое моделирование индикаторного процесса в двигателе с самовоспламенением от сжатия гомогенной метановоздушной смеси / Г. Н. Злотин, Е. А. Федянов, Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // Сб. науч.
тр. по матер. междунар. конф. Двигатель-2007, посвящ. 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана / МГТУ им. Н. Э. Баумана, Каф.
"Поршневые двигатели". – М., 2007. – C. 57-61.
7. Федянов, Е. А. Моделирование динамики тепловыделения в двигателях с процессом HCCI / Е. А. Федянов, Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // 4-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тез. докл. науч.-техн. конф., 29-30 янв. 2009 г. / Моск. автомобильно-дорожный ин-т (гос. техн. ун-т). – М., 2009. – C. 19-21.
8. Иткис, Е. М. Влияние степени сжатия на показатели цикла двигателя с HCCI-процессом / Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин, Е. А. Федянов // 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе : тез. докл. юбил. науч.-техн. конф. (14 марта 2011 г.) / Московский автомобильно-дорожный гос. техн. ун-т (МАДИ). – М., 2011. – C. 134-135.
9. Федянов, Е. А. Моделирование основной фазы процесса сгорания в двигателях HCCI / Е. А. Федянов, Е. М. Иткис, В. Н. Кузьмин // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: (посвящается 50-летию ВлГУ): матер. XI междунар. н.-пр. конф., Владимир, 27-29 мая 2008 / ГОУ ВПО "Владимирский гос. ун-т". – Владимир, 2008. – C. 231-234.
10. Кузьмин, В. Н. Моделирование тепловыделения в двигателе с рабочим процессом HCCI / В. Н. Кузьмин, Е. А. Федянов // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: тр.
всерос. с междунар. уч. н.-т. конф., 18-20 мая 2005 г. / Тольят. гос. ун-т, Автомех. ин-т. – Тольятти, 2005. – Вып.5. – C. 117-119.
11. Кузьмин, В. Н. Моделирование рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси / В. Н. Кузьмин, Е. А. Федянов // Прогресс транспортных средств и систем - 2005: матер.
междунар. науч.-практ. конф., (20-23 сент. 2005 г.) / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2005. – Ч.1. – C. 388-389.
12. Кузьмин, В. Н. Исследование динамики тепловыделения при самовоспламенении сверхбедных гомогенных газовоздушных смесей / В. Н. Кузьмин, С. И. Ивойлов // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: матер. 19 Межгосуд. н.-техн. семинара, [24-25 мая 2006 г.] / ФГОУ ВПО "Саратов. гос. аграрн. ун-т им.
Н. И. Вавилова". – Саратов, 2007. – Вып.19. – C. 62-64.
13. Кузьмин, В. Н. Математическая модель самовоспламенения гомогенной метановоздушной смеси / В. Н. Кузьмин, Е. А. Федянов // XI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 8-10 ноября 2006 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2007. – C. 80-81.
14. Кузьмин, В. Н. Моделирование рабочего процесса двигателя с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси / В. Н. Кузьмин, Е. А. Федянов // Х Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 8-11 ноября 2005 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2006. – C. 68-69.
Подписано в печать 2013 г. Заказ № _. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.
Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, г. Волгоград, ул. Советская,