МАКСИМАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ СГОРАНИЯ И ЕГО СВЯЗЬ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Представлены результаты исследования возможной взаимосвязи максимального давления сгорания, характеризующего эффективность тепловыделения, с основными характеристиками сгорания в поршневых ДВС. При проведении экспериментов для изменения характеристик распространения пламени в бензовоздушную смесь добавлялся водород в количестве 3 и 5 % от массового расхода топлива, а также изменялась турбулентность рабочего тела при использовании двух значений частот вращения коленчатого вала. Определены зависимости максимального давления сгорания P_zmax топливно-воздушной смеси (ТВС) и величины ионного тока пламени в зоне, наиболее удаленной от свечи зажигания, от состава бензовоздушной смеси с добавками водорода при ее горении в камере сгорания переменного объема. Добавка водорода приводит к сокращению времени сгорания, росту величины ионного тока и максимального давления сгорания ТВС. Рассмотрены основные характеристики сгорания: время, ионный ток, объем в момент достижения максимума давления, турбулентность, частота вращения коленчатого вала - и их влияние на величину максимального давления сгорания. Определена взаимосвязь максимального давления сгорания с величиной ионного тока, отражающей интенсивность химических реакций горения в зоне, наиболее удаленной от свечи зажигания, а также с объемом завершения сгорания. Экспериментальные точки с высокой степенью точности соединяются одной кривой. Полученные экспериментальные зависимости могут быть представлены в виде полинома 2-го порядка. Определено влияние изменения турбулентности за счет смены частоты вращения коленчатого вала на P_zmax. Предложена эмпирическая математическая зависимость, связывающая максимальное давление сгорания и частоту вращения коленчатого вала. Зная максимальное значение давления сгорания на одном скоростном режиме и используя полученную зависимость, можно прогнозировать значение его величины для всего диапазона скоростных режимов работы двигателя.

сгорание, турбулентность, давление сгорания, добавка водорода, ионный ток, двигатель внутреннего сгорания, тепловыделение, характеристики сгорания, интенсивность химических реакций

1. Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Изд. 4-е. перераб. и дом. М.: Машиностроение, 1990. 289 с.

2. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателя. М.: Машгиз, 1962. 271 с.

3. Шароглазов Б.А., Фарафонтов М.Ф., Клементьев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов. Челябинск: ЮУрГУ, 2006. 382 с.

4. Li Y., Jia M., Chang Y., Kokjohn S.L., Reitz R.D. Thermodynamic energy and exergy analysis of three different engine combustion regimes // Applied Energy. 2016. Vol. 180. P. 849-858.

5. Li H., Gatts H., Liu S., Wayne S., Clark N., Mather D. An Experimental Investigation on the Combustion Process of a Simulated Turbocharged SI Natural Gas Engine Operated on Stoichiometric Mixture // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2017. Vol. 140. № 9. P. 091504.

6. Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. М.: Металлургия, 1968. 311 с.

7. Smolenskya N.M., Korneev N.V. Modelling of the Combustion Velocity in UIT-85 on sustainable Alternative Gas Fuel // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 66. № 1. P. 012016.

8. Иноземцев Н.Н. Ионизация в ламинарных пламенах // Известия АН СССР. Отделение технических наук. Энергетика и автоматика. 1960. № 2. С. 59-66.

9. Andersson I. Cylinder Pressure and ionization current modelling for spark ignited engines. Doctoral thesis № 962. Linkoping, 2002. 93 p.

10. Smolenskya N.M. The Electrical Conductivity of the Flame Front, as a Characteristic of the Rate of heat Release and Composition if Gas Fuel in SI Engines // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 115. № 1. P. 012309.

11. Corcione F.E., Vaglieco B.M., Merola S.S. Evaluation of Knocking Combustion by an Ion Current System and Optical Diagnostics of Radical Species // The Proceedings of the International symposium on diagnostics and modeling of combustion in internal combustion engines. 2004. Vol. 2005. P. 487-495.

12. Smolenskaya N.M., Smolenskii V.V. Modelling the average velocity of propagation of the flame front in a gasoline engine with hydrogen additives // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 115. № 1. P. 012016.

13. Smolenskaya N.M., Smolenskii V.V. Increase in the thermodynamic efficiency of the working process of spark-ignited engines on natural gas with the addition of hydrogen // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 121. № 5. P. 052009.

14. Шайкин А.П., Ивашин П.В., Дерячев А.Д. Исследование взаимосвязи тока ионизации и максимального индикаторного давления при сгорании бензовоздушной смеси, обогащённой водородом // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. № 1. С. 30-35.

15. Ясников И.С., Ивашин П.В., Шайкин А.П. К вопросу о турбулентном распространении пламени в замкнутом объеме // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 11. С. 39-43.

16. Shaikin A.P., Bobrovskij I.N., Deryachev A.D., Ivashin P.V., Galiev I.R., Tverdokhlebov A.Y. Use of Ionization Sensors to Study Combustion Characteristics in Variable Volume Chamber // GloSIC 2018: Proceedings 2018 Global Smart Industry Conference. 2018. P. 8570082.

17. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 352 с.

18. Johansson B., Olsson K. Combustion Chambers for Natural Gas SI Engines Part I: Fluid Flow and Combustion // SAE Technical Paper Series. 1990. № 950469. P. 1-15.

19. Шайкин А.П., Галиев И.Р. О связи хемиионизации пламени температурой и давлением в камере сгорания переменного объёма // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16. № 4. С. 91-100.

20. Шайкин А.П., Ивашин П.В., Галиев И.Р., Дерячев А.Д. Характеристики распространения пламени и их влияние на образование несгоревших углеводородов и оксида азота в отработавших газах при добавке водорода в топливно-воздушную смесь энергетических установок с искровым зажиганием. Самара: Самарский научный центр РАН, 2016. 203 с.