РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ОЦІНКИ ВПЛИВУ СТУПЕНЯ СТИСКАННЯ ТА СКЛАДУ ГАЗОПОВІТРЯНОЇ СУМІШІ НА ІНДИКАТОРНІ, ЕФЕКТИВНІ ТА ЕКОЛОГІЧНІ ПОКАЗНИКИ ГАЗОВОГО ДВИГУНА
2.1. Вибір методу визначення показників двигуна при роботі на природному газі
Для оцінки показників конвертованих газових двигунів досить широко застосовують математичне моделювання робочих циклів і характеристик газових двигунів.
В теоретичному дослідженні згідно з поставленими в першому розділі задачами передбачається розробка математичної моделі розрахунку робочого процесу газового двигуна та вихідних показників двигуна залежно від зміни ступеня стискання та складу газоповітряної суміші.
В роботі [23] наведена методика розрахунку робочого циклу газового двигуна, в якій для розрахунку тепловиділення використані параметри, отримані експериментальним шляхом при індиціюванні двигуна, для розрахунку газообміну передбачена можливість розгляду різноманітних схем подачі газу (зовнішнє змішування або внутрішнє), а також двотактного циклу з продуванням повітрям, або сумішшю повітря і газу. Передбачена можливість наближеного урахування впливу сусідніх циліндрів двигуна на процес газообміну кожного окремого циліндра двигуна. Методика дозволяє підбирати деякі параметри компресора і турбіни з метою оптимізації параметрів двигуна.
Однак в роботі відсутня можливість розрахунку параметрів циклу при багатих сумішах (<1), не передбачена можливість використання газового палива довільного складу, не враховуються дисоціація продуктів згоряння, вологість повітря.
Важливою задачею конструкторів газових двигунів є прогнозування показників і характеристик газових двигунів із різноманітними варіантами систем наддуву. У закордонних публікаціях, як правило, не розкриваються важливі особливості таких методик, тому що вони вважаються важливим ринковим товаром. Аналіз відповідних публікацій показує, що найбільш детально розроблена така методика в МАДИ(ТУ) [24].
В зв'язку зі значним загостренням проблеми забруднення довкілля дуже актуальним є розрахунок утворення шкідливих речовин при протіканні робочого циклу в циліндрі двигуна. Такі дані може дати моделювання циклу по багатозонній моделі, запропонованій для бензинового двигуна [25]. В даний час аналогічні методики достатньо добре відпрацьовані. При розрахунку розглядається замкнутий цикл із робочим тілом, що протягом усього циклу зберігає незмінну масу, але має змінний склад, враховується залежність теплоємності від складу і температури. Замкнутий цикл складається з ділянок політропного стиску, згоряння, розширення продуктів згоряння, приблизно враховується теплообмін із стінками. Продукти згоряння складаються з таких компонентів: . При розрахунку циклу застосовується рівняння стану ідеального газу.
Німецькі дослідники [26] використовували аналогічну методику. Однієї з цілей даної роботи було визначення впливу впорскування води у впускний колектор на кількість шкідливих викидів двигуна. В роботі наведене порівняння показників тепловиділення для двох різних газових двигунів. Наведено також залежності тривалості тепловиділення, форми кривої (використовується формула Вібе) і тривалості першої фази горіння від частоти обертання двигуна, коефіцієнта надлишку повітря, кута випередження запалювання і складу газу.
У роботі [27] використовується розрахунок параметрів циклу газового двигуна для прогнозування показників двигуна при підвищенні ступеня стискання. Для моделювання процесів стиску - згоряння - розширення застосовувалась двозонна модель. Це було необхідно, зокрема, для визначення кількості у відпрацьованих газах. Параметри газообміну визначалися приблизно.
У роботі [28] автори моделюють тривимірний рух заряду і поширення турбулентного горіння з урахуванням локальних швидкостей суміші для вибору оптимальної форми камери згоряння при мінімальних викидах у відпрацьованих газах і місця розташування двох свічок запалювання в камері згоряння для одержання найкращих показників циклу. У статті показано, що застосування двох свічок запалювання з оптимальним їхнім розташуванням дає помітне зменшення тривалості згоряння при використанні бідних сумішей. Однак у роботі не даний докладний опис методики розрахунку циклу двигуна.
Важливе значення для точного моделювання показників циклу двигуна має методика розрахунку характеру тепловиділення. Існує багато залежностей, що можна розділити на дві великі групи.
1. Залежності, складені виходячи з уявлень про реакції горіння, швидкості турбулентного полум'я, що зв'язують розвиток процесу з поточними умовами. Точне відтворення умов у кожній конкретній області камери згоряння в динаміці потребує розрахунків по багатозонних моделях із використанням методів моделювання тривимірного руху заряду не тільки в процесі згоряння, але й у тактах впуску і стиску. При виконанні цих умов може бути застосована методика, запропонована в роботі [29].
2. Формальні залежності, що описують процес в часі і не розкривають особливостей його розвитку [30, 31].
Ці залежності у випадку процесу згоряння в гомогенному середовищі, характерного для двигунів із примусовим запалюванням, дають задовільне співпадання з експериментом. В основі вказаних залежностей лежать закони, що припускають єдиний характер протікання процесу на всьому його протязі, що справедливо для випадку горіння поширенням фронту полум'я. Визначення коефіцієнтів і показників степені в рівняннях для формального опису тепловиділення основане на аналізі результатів визначення характеристик тепловиділення за експериментальними індикаторними діаграмами.
Базовою для розрахунку робочого процесу газового двигуна, переобладнаного з бензинового з підвищенням ступеня стискання може бути прийнята методика, яка розроблена в роботах [32, 33] і застосовувалась в роботах [34, 35] для моделювання робочих процесів бензинових двигунів. Методика дозволяє розраховувати параметри робочого тіла на всіх тактах робочого циклу з визначенням індикаторних і ефективних пок