Автомобили, топлинни машини, алтернативни горива > Запалителни системи
Корекция на ДВГ предварението за газово гориво
getca:
Аванс-корекция на конвертиран за LPG/CNG класически бензинов ДВГ,
свързана с по-малката скорост на разпространение на пламъчния фронт
на газовото гориво в оборотен диапазон 1000-4000об/мин
Отварям темата с идея за обобщение на теории, опити и други подобни в насока оптимизация работата на ДВГ с hdpflf гориво пропан-бутан(LPG) или метан(CNG). Надявам се да е полезно във връзка с увеличаващия се брой конвертирани автомобили вследствие непрекъснато растящите цени на горивата.
За да се разбере защо е нужна корекция на аванса на ДВГ, оригинално проектиран за гориво бензин, при конверсия за газово гориво по-долу е дадена сравнителна таблица с термодинамичните свойства на горивата. Именно от тези свойства зависят настройките на ДВГ за правилно протичане на горивния процес с максимална отдадена механична мощност при най-нисък разход на горива. Ясно се вижда по-малката скорост на горене на газовите горива спрямо бензина с изключение на водорода. Данните са за атмосферно налягане и температура 0оС. Грешките са коригирани с червен цвят. В зелената област са свойствата, пряко касаещи работата на ДВГ Пурупрно е оцветена скоростта на разпространение на пламъчния фронт от която пряко зависи момента на подаване на запалителен импулс.
По-долу ще бъдат коментирани свойствата на горивата, според ролята им в горивния процес на ДВГ.
Скорост на разпространение на пламъчния фронт
Скоростта на разпространение на пламъчния фронт, наречена още скорост на горене, определя времето за изгаряне на горивната смес и силно влияе върху мощността и икономичността на двигателя.
--- Цитат --- От голямо значение за мощностно-икономическите и токсични показатели на ДВГ е скоростта на изгаряне на горивните смеси. Поради високата турболентност в горивните камери, разпространението на пламъка се определя чрез турболентната му скорост. Турболентната скорост на разпространение на пламъка зависи основно от ламинарната скорост на горене на съответното гориво в смес с въздуха. Ламинарната скорост на горене е физикохимично свойство и е ключов параметър на горимите смеси. Тя влияе на продължителността на горене в горивните камери на двигателите и оттам и върху тяхната ефективност и екологични показатели. Ламинарната скорост на горене зависи от вида на горивото, състава на сместа и началните температура и налягане.
--- Край на цитат ---
Източник НАУЧНИ ТРУДОВЕ НА РУСЕНСКИЯ УНИВЕРСИТЕТ - 2010, том 49, серия 4
Дадените в горната таблица скорости на разпространение на пламъка явно са максимални, получени при лек недостиг на въздух в горивната смес или около 90% от теоретично необходимото количество. Следващата графика дава представа за ламинарната скорост на изгаряне на пропан-бутан, смесен с въздух в различни съотношения при атмосферно налягане и температура 0оС, което директно касае работата на ДВГ с това гориво.
От картинката може да се направят следните изводи:
- Газовото гориво има максимална скорост на разпространение на пламъка при съотношение с въздуха, близко до теоретично необходимото за изгаряне на единица обем;
- Под 70%(богата гориво-въздушна смес) от теоретичното необходимото количество въздух в сместа, скоростта рязко спада под 2/3 от максималната;
- Над 100% от необходимия въздух(обедняване на сместа) скоростта на горивния фронт също намалява по приблизително същия начин както при обогатяване на сместа;
- Газовъздушната смес не гори при съдържание на въздух под 40% от теоретично необходимото количество(богата смес) - горна граница на възпламеняване. Обедняването на сместта може да достигне 180% съдържание на въздух - долна граница на възпламеняване
Фактори, влияещи върху скоростта на горене
Съставът на горивната смес, характеризиран чрез въздушното отношение α(отношение на действителното количество въздух в сместа към теоретично необходимото), влияе най-силно върху скоростта на горене. Опитно е установено, че гориво-въздушните смеси могат да изгарят в твърде тесни граници на изменение на α, наречени граници на възпламеняемост. Извън тях сместта въобще не може да се възпламени, т. е. твърде богатите и твърде бедните смеси не могат да горят. Следователно, ако означимс αmin горната граница(максималното обогатяване) и с αmax – долната граница(максималното обедняване), ще имаме αmin < α < αmax . Обикновено за бензин 0,6< α < 1,3. Скоростта на горене е максимална при α = 0,8 ÷ 0,9, т.е. при леко обогатена смес. Мощността на двигателя е максимална, но вследствие непълното горене икономичността пада. Пълно изгаряне и максимална икономичност се получават при α = 1,1 ÷ 1,2, т.е. при леко обеднена смес. Мощността обаче се намалява, тъй като горенето протича по-бавно. Това показва, че при бензиновите двигатели режимите на максимална мощност и максимална икономичност не съвпадат.
Температура, налягане и турболизация на горивната смес. Скоростта на горене се увеличава при по-високи температура температура и завихряне, и намалява при по-високо налягане в цилиндъра на ДВГ.
Изпреварването на запалването(аванс) е важен фактор на горенето. С увеличаването му до определена граница скоростта на горенето нараства. Подаването на искрата преди ГМТ е задължително условие за икономично протичане на горенето. За всеки работен режим съществува определена най-благоприятна стойност на ъгъла на изпреварване на запалването, при която мощността на двигателя е най-голяма, а разходът на гориво – най-малък. Оптималните му стойности зависят от честотата на въртене и натоварването на двигателя. В съвременните двигатели оптималната стойност на аванса за всеки режим се регулира автоматично от съответните устройства на запалителната уредба. Стойностите при максимални честоти на въртене и натоварване на двигателя се намира обикновено в границите 20 ÷ 40º.
Честотата на въртене на двигателя влияе върху завихрянето на сместа в горивната камера, а с това и върху скоростта(турболентна) на горене. Увеличаването ú ускорява горенето, но същевременно скъсява разполагаемото време за горене. Пълното компресиране не се постига, поради което с увеличаване на честотата на въртене се налага увеличаване на изпреварването на запалването.
Натоварването на двигателя влияе съществено върху горенето. С притварянето на дроселната клапа (дроселиране), абсолютното количество на остатъчните газове в цилиндъра почти не се променя, а количеството на прясната горивна смес се намалява, т.е. относителното съдържание на остатъчни газове в горивната смес силно нараства. Това увеличава задържането на възпламеняването и намалява скоростта на горене. По тази причина намаляването на натоварването изисква увеличение на изпреварването на запалването.
Граници на възпламеняване
За изгаряне на определено количество гориво е необходимо съответното количество окислител. В този смисъл границите на възпламеняване на горивната смес определят интервала на изменение на състава й, при който е възможно възпламеняването. Извън този интервал гориво-въздушните смеси не могат да горят. Съществуват две граници на възпламеняване, горна - богата смес(по-малко въздух от теоретично необходимия) и долна - бедна смес(повече въздух от теоретично необходимия).
Границите на възпламеняване се разширяват с увеличаване на температурата. При повишаване на налягането долната граница практически не се променя, т.е. налягането не се отразява на работата на ДВГ с богати смеси, но горната граница се увеличава. По-високите граници на възпламеняване на LPG в сравнение с бензина оказват благотворно влияние върху икономичната работа на ДВГ и токсичността на отработените газове, особено на частични режими и ниски натоварвания.
Температура на възпламеняване
Това е температурата на граничния слой, при която започва реакцията на окисляване без прекъсване. Температурата на възпламеняване зависи от вида на веществото, въздушното отношение, налягането на средата, агрегатното състояние и др.
Октаново число
Характеризира антидетонационната устойчивост на горивото и е тясно свързано със степента на сгъстяване на ДВГ. Газообразните горива притежават сравнително прости молекулни структури, поради което имат по-високо октаново число(до 120) от течните горива. Октановото число на LPG зависи от октановите числа и относителните обеми на газовете, влизащи в състава му.
По-високото октаново число е предпоставка за по-мека и безшумна работа на ДВГ с газово гориво.
valex:
Налага се пак да пиша защото форумския сървър като приеме ново съобщение докато пишеш в съответната тема ти затрива написаното :(
Идеята на всяко управление на двигател е да се получи максималното налягане на горенето на гориво-въздушната смес в определен оптимален ъгъл на въртенето на коляновия вал. На този ъгъл се предава най-оптимално силата от буталото към коляновия вал. За различните двигатели ъгъла се различава донякъде. Зависи от доста геометрични размери по двигателя.
Двигателя се разглежда като система за управление със съответни управляващи и външни въздействия. Понеже не може или е трудно да се опише като модел работата на двигателя защото има много променливи и непредсказуеми въздействия (промяна на масата на автомобила, износване на частите, различно гориво, влага, температура, различно моментно натоварване, промяна на хлабини и т. н. ) по-лесно е да се измери реакцията на системата (ъгъла на максимално налягане) и спрямо него да се коригира управляващото въздействие (количество гориво и ъгъл на запалване). Другия управляващ параметър е количество въздух и не може да му се въздейства - той зависи от крака на водача. Макар че има и автомобили, които и въздуха си управляват ама ние тях няма да ги оптимизираме :)
Значи трябва да се намери този ъгъл. Знам няколко начина за намирането му:
1. директно измерване на налягането вътре в цилиндъра
2. анализ на скоростта на изменение на ускорението на въртенето на коляновия вал
3. сваляне и анализ на вибрациите на двигателя
4. измерване на натиска на болтовете на главата
5. измерване на натиска при предаване на въртящия момент от коляновия вал
6. оптично следене за горенето на сместа
7. измерване на проводимостта в цилиндъра
За мен най-перспективен е последния вариант : http://delphi.com/manufacturers/auto/powertrain/gas/ignsys/ionized/
Остава да вкараме обратната връзка в един ПИД (пропорционално-интегрално-диференциален) регулатор и да се направи оптимално управление независимо от горивото :)
Seeker:
В таблицата има някой явни грешки, което ме кара да мисля че не всичко е вярно. Налягането при което са дадени някой параметри е 101,3МРа - това е доста голямо налягане към 1000 атмосфери. Най-вероятно се касае за печатна грешка - би трябвало да е 101,3кРа което е 1атм. Другото е скороста на горене - сигурен съм че горивна смес с налягане около 10 бара гори със скорост около 60-80м/с , а не 0,3-0,4м/с. А при детонация скороста на ударната вълна достига около 2000м/с. Нека да направим една проста сметка: диаметър на цилиндър е 7 см, а свеща е в центъра на цилиндъра. При запалване пламъкът ще измине разстоянието до периферията на цилиндъра за 0,1сек. Ако наложим това време върху графиката на запалването излиза че при сектор за горене от 60 градуса, един оборот ще се прави за 0,6 с или 100 об/мин! При по-високи обороти горивната смес няма да може да изгори напълно. Ако приемем че има грешка във времето за изгаряне от 100 пъти (при 40м/с) излиза че горенето в цилиндъра ще е за около 1 милисекунда, което е по-близо до истината. Затова бих препоръчал ревизия на данните от таблиците или бих ги сравнил с данни от други източници.
valex:
Реални данни в pdf.
http://www.aviagamma.ru/tvg.html
getca:
Аванс-корекция на конвертиран за LPG/CNG класически бензинов ДВГ,
свързана с по-малката скорост на разпространение на пламъчния фронт
на газовото гориво в оборотен диапазон 1000-4000об/мин
(продължение)
Горене в ДВГ. Индикаторна диаграма
Защо е нужно горивната смес да се пали малко по-рано от момента на достигане на горна мъртва точка(ГМТ) на буталото в цилиндъра на ДВГ? Това е свързано с крайната скорост на разпространение на пламъка в горивната камера и е показано на индикаторната диаграма(налягане в цилиндъра във функция от ъгъл на завъртане на коляновия вал) на ДВГ.
Процесът на изгаряне на гориво-въздушната смес е разделен на три етапа:
І – фаза на скритото горене, наречена още задържане на възпламеняването. В течение на фазата се извършва безпламъчно окислние на горивото и се образува началния център на пламъчния фронт. Температурата нараства много слабо, а налягането се повишава само в резултат на сгъстяването. Продължителността на първата фаза е средно 6 ÷10º, а количеството на изгорялата смес - 6 ÷ 8 % от обема на изгорялата смес в горивната камера.;
ІІ – фаза на видимото горене. В началото на фазата окислителните реакции се ускоряват до такава степен, че се появява пламък, който вследствие турболентното движение на сместта се разпространява бързо по целия обем на камерата. През периода на видимото горене изгаря основната маса на сместа (около 90%), а продължителността му е средно 25 ÷ 45º.
ІІІ – фаза на доизгарянето, която завършва през време на разширението след т. z.
Вижда се, че е необходимо известно време за предварително подаване на запалителния импулс за да има време сместа да изгори напълно. Това време се нарича предварение/аванс на запалването и се мери в градуси, отнесено към ъгъла на завъртане на коляновия вал. Авансът зависи от оборотите и състава на гориво-въздушната смес, поради което всеки ДВГ има устройство за осигуряване на подходящото му изменение във функция от тези два параметъра.
Горивни процеси при бензиновите двигатели
http://www.youtube.com/v/cy_yaAOKjA8
Нормално горене
В края на такта сгъстяване при бензиновите двигатели се подава(т.А) електрически запалителен импулс, който предизвиква мигновено(около 10-5сек) нагряване на сместа до температура над 1000оС в много малък обем между електродите на запалителната свещ, водещо до термично разлагане и йонизация на молекулите на горивото и кислорода, и възпламеняване. Възниква огнище, наситено с продуктите на горенето и разделителна повърхност между него и неизгорялата смес(пламъчен фронт). Ако обемът му е достатъчен за загряване и възпламеняване на имащите контакт с него слоеве горивна смес(това основно зависи от енергията на разряда, температурата и налягането в края на такта сгъстяване), то горенето започва да се разпространява по целия обем на горивната камера в посока от свещта към неизгорялата смес със скорост по-малка от 1м/сек. Турболентните потоци, формирани при пърненето и компресията на сместа изкривяват и разрушават отчетливите граници на пламъчния фронт. Обеми от горящите компоненти се внедряват в негорящата още смес, повърхностната площ на пламъчния фронт рязко нараства и в резултат скоростта му на разпространение се увеличава до 50-80м/сек(т.В).
Сместа повишава температурата си, а с това и налягането. Горенето не става моментално и за да изгори всичкия бензин е необходимо време. Това време зависи от скоростта на протичане на реакцията и разпространението на пламъка в горивната камера. За да изгори една стехиометрична смес всяка молекула кислород трябва да влезе в химическа реакция с горивото. Понеже 79% от въздуха (азот и други) са един вид пълнеж, кислородните молекули не са много близко и в достатъчно количество около бензиновата молекула и за по-бързото протичане на горенето сместа трябва да се разбърква силно като по този начин непрекъснато се доставя кислород на бензина при окисляването и съответно по-добре да се разпространява пламъка. Това разбъркване всъщност е завихрянето на сместа. По-силните вихри увеличават скоростта на горене и така то протича в по-малък обем, което означава по-малка площ за топлообмен и по-голямо налягане в края на горенето. Завихрянето се увеличава с повишаване на оборотите на двигателя. Колкото са по-нагъсто една до друга молекулите, толкова с по-голяма скорост е горенето. Тази гъстота се определя от това колко смес се сгъстява и каква е степента на сгъстяване. Въздушното отношение също има значение за скоростта на горене. Богатите смеси горят по-бавно, с по-ниска температура заради недостиг на кислород. Бедните смеси също горят по-бавно заради отдалечеността на молекулите на бензина една от друга, но заради повечето кислород всяка бензинова молекула се окислява интензивно, което повишава температурата на горенето. Най-голяма мощност двигателя развива с леко обогатена смес при а=0,8-0,9 ,където и скоростта на горене е най-голяма.
Горенето не започва моментално с подаването на запалителния импулс. Обобщено процесът протича така:
1. Задържане на горенето – това е момента на подаване на запалителния импулс и образуване на факел, от който по-нататък ще се разпространява пламъка. Тук в този момент горенето е безпламъчно и енергията за окисляване идва от разряда. Тази фаза е кратка и докато трае коляновият вал(КВ) се завърта на около 5-10 градуса.
2. Видимо горене - появява се пламък, който се разпространява по целия обем на камерата. През периода на видимото горене изгаря основната част от сместа (около 90%), а КВ се завърта на около 25 ÷ 45 градуса според скоростта на горене и оборотите. Максималното налягане се постига в тази фаза, като пика трябва да се получи някъде около 14-15 градуса след ГМТ.
3. Доизгаряне - това е доизгаряне на тежките фракции от горивото,за които е нужно повече време да се окислят нацяло.
От качеството на сместа зависи колко лесно може да се възпламени и колко дълго да трае запалителния разряд. Енергията му също има значение за възпламеняването и колкото е по-голяма, толкова по-лесно е възпламеняването. Ако по някаква причина тази енергия намалее това води до по-голямо задържане на горенето и повишаване на разхода на гориво, защото се получава по-късно горене в по-голям обем. Резултатът е все едно сте върнали аванса към закъснение.
Аномални горивни процеси
Топлинно запалване на горивната смес
При нормалното горене възпламеняването става именно от разряда между електродите на запалителната свещ. Възможно е обаче някоя част при работата на двигателя да е станала много гореща и при допира им със сместа тя да се възпламени. Тогава вече имаме два източника на възпламеняване и два фронта на пламъка, което води до по-малко време за изгаряне на сместа на по-голяма площ. Налягането скача рязко и максимума му идва по-рано от необходимото. При самозапалването заради резкия скок на налягането двигателя започва да работи твърдо и се чува металически звук от натоварването на частите. В следствие на самозапалването от гореща точка и скока на налягането не е задължително да се получи детонация, защото от горещата точка започва плавно горене и налягането може да не се повиши до толкова, че сместа да се самозапали от температурата, получена от повишеното налягане ! Топлинното запалване води до повишено термично натоварване на повърхностите, образуващи горивната камера и като резултат стопяване или прогаряне на челото на буталото и електродите на запалителната свещ.
Възможни причини:
> Свещи с неподходящо топлинно число;
> Нагар по горивната камера;
> Некачествено гориво;
> Прегряване на ДВГ и др.
Дизелинг
Самопроизволна работа на двигателя след изключване на запалването при което спадат оборотите на коляновия вал и се увеличава времето за компресия или времето за контакт на сместа с нагорещените детайли. Това е достатъчно за самовъзпламеняване, следва работен ход на буталото, скоростта на въртене се увеличава, което води до скъсяване на времето за контакт. Самозапалването става невъзможно, оборотите спадат, отново следва самозапалване и така се поддържат някакви много ниски устойчиви обороти на ДВГ. Това лично съм го наблюдавал на мотор с голяма стапен на сгъстяване и бензин с ниско октаново число преди години.
Детонационно горене
Аномален горивен процес при който обемно се самовъзпламеняват най-отдалечените области от горивната смес с образуване на ударни вълни. След запалването на работната смес от ел.разряда пламъчния фронт се разпространява в горивната камера. Налягането и температурата се повишават до 5-6МПа и 2000-2300оС. Най-отдалечената от пламъчния фронт част от сместа се нагрява до температура, превишаваща тази на самовъзпламеняване. При нормално горене няма самовъзпламеняване, защото времето не стига за неговото развитие. Но ако има подходящи условия процесът има взривен характер като налягането в зоната нараства до 16МПа, а температурата до 3000-4500оС. Скоростта на разпространение на взривната вълна десетки пъти превишава скоростта на разпространение на пламъка при нормално горене и е 1500-2000м/сек
Интензивността на детонацията зависи от това, каква част от засмуканата горивна смес е преминала към взривно изгаряне. Това се определя от химичния състав на въглеводородите в горивото, температурата и налягането на газовете. Ако нормално изгарят 93-95% от работната смес, а детонират 5-7%, то се наблюдава слаба детонация. Ако изгарят взривно 20-25%, то възниква много силна детонация, водеща до авария на ДВГ. Това е показано на горната инидикаторна диаграма.
Детонационните вълни многократно се удрят и отразяват от стените на горивната камера, предизвиквайки характерен металически звук. Околостенния слой газове с понижена температура се разрушава заедно с масления слой по стените на цилиндъра. Всичко това води до повишаване на топлоотдаването в термично натоварените детайли на цилиндъра, свързано с тяхното прегряване, повишено износване, стопяване, счупване.
И така дотук обобщено може да се каже следното(според http://www.aviagamma.ru/tvg.html):
Параметри на нормалния горивен процес в ДВГ
> Турболентна скорост на разпространение на пламъка в цилиндъра - 50-80м/сек;
> Стойност и момент на максималното налягане в цилиндъра - 50-60атм(5-6МПа) при 12-15град след ГМТ;
> Стойност и момент на максималната температура - 2100-2300оС при 25-30град след ГМТ
На посочените по-горе параметри влияят куп фактори:
> Конструкция и размер на горивната камера;
> Степен на сгъстяване;
> Количество остатъчни газове;
> Предварение на запалването;
> Енергия на разряда;
> Обороти на коляновия вал;
> Температура на стените на горивната камера;
> Налягане на гориво-въздушната смес;
> Качество на гориво-въздушната смес;
> Свойства на горивото;
> Техническо състояние на ДВГ.
За да осигурим нормален горивен процес в конвертиран за газово гориво бензинов ДВГ можем да влияем единствено върху предварението на запалване, енергията на разряда, качеството на работната смес и техническото състояние. Евентуално може да се повиши и степента на сгъстяване с цел по-добра горивна икономичност, но това е свързано с известни рискове.
Навигация
[0] Списък на темите
Премини на пълна версия