Дж. А. ХАРРИНГТОН Компания «Фррд мотор компании, Дирборн, штат Мичиган, США.

Введение. Энергетический кризис стимулировал исследования в области производства и применения топлива из тaкиx не нефтяных источников энергии, как уголь и горючие СЛАНЦЫ Уголь, запасы которого имеются в изобилии, может обеспечить потребности в энергий на длительный период. В настоящее время из угля можно вырабатывать целый ряд синтетических топлив от спиртов (например, метанол), до топлив, очень напоминающих бензин [1]. Однако пока мы не в состоянии установить, какое из синтетических топлив является оптимальным. В связи с тем, что для налаживания производства и применения в двигателях новых видов топлива требуется много времени, преимущества и недостатки их должны быть установлены теперь с точки зрения потребителя важное значение имеет оценка экономичности топлива, его технических характеристик, характеристики отработавших газов и процессов сгорания. Такая информация имеет первостепенное значение для создания оптимальной конструкции камеры сгорания или двигателей, предназначенных для эксплуатации на новом топливе.

Было проведено несколько исследований по применению новых топлив в двигателях внутреннего сгорания. В этих исследованиях основное внимание уделялось спиртам и бензоспиртовым смесям [2—6], так как известно, что спирты могут вырабатываться для использования в качестве топлива и имеются в достаточных количествах для проведения испытаний. Из других топлив были исследованы аммиак [7] и смеси эфиров, воды или водорода с бензином или спиртами [8—11] Во время таких исследований обычно изучается топливная экономичность, техническая характеристика и содержание загрязнений в отработавших газах. Однако для более полной оценки топлива необходимо исследовать фундаментальные характеристики его сгорания. Располагая сведениями относительна таких характеристик сгорания, как периоды задержки воспламенения (время образования ядра пламени) и периоды сгорания, наряду со сведениями о топливной экономичности, технической характеристике топлива и содержании загрязнений в отработавших газах можно определить взаимозависимости между этими параметрами.

Несмотря на то, что измерение основных параметров сгорания имеет важное значение для оценки топлива и двигателя, эти показатели редко определяются, потому что существующие методы их оценки очень сложны, а для обработки данных требуется проводить очень большие расчету. Методы, наиболее часто используемые для исследования сгорания, основаны на измерении давления в цилиндре двигателя в процессе горения топлива или положения пламени в зависимости от времени [12т—18]. Информация об изменении давления получается с помощью стандартных датчиков. Несколько труднее определять зависимость положения пламени от времени, поскольку в этом случае приходится модифицировать камеру сгорания таким образом, чтобы можно было воспользоваться датчиками концентрации ионов или сделать окна для фотографирования пламени. Эти измерения могут дать количественные результаты, но для того, чтобы на их основании оценить свойства рабочей смеси, период задержки воспламенения, скорость сгорания и интервалы горения, требуется произвести обстоятельные расчеты.

В настоящем докладе приводится описание нового метода анализа процесса горения и использования полученных результатов для оценки влияния рециркуляции отработавших газов на горение метанола в одноцилиндровом двигателе. В первой части работы приводится описание метода анализа. Метод основан на измерении логарифма произведения (давление) X (объем), где V представляет собой отношение эффективных удельных теплоемкостей газов в зоне сгорания. Преимущества таких измерений заключаются в том, что при этом можно пользоваться обычными знаниями процессов, происходящих в двигателе, и термодинамики. На рисунках показаны приборы, которыми приходилось пользоваться, а также приводится их характеристика. Во второй части работы дается описание экспериментальных результатов, полученных на, одноцилиндровом двигателе при исследовании влияния скорости рециркуляции отработавших газов на характеристику содержания загрязнений в них при работе на метаноле. Результаты, полученные на метаноле при различных скоростях, нагрузках, регулировке периода зажигания, и скоростях рециркуляции отработавших газов, сравнивались с результатами аналогичных испытаний, полученных при работе на бензине Метод анализа сгорания. В идеальном цикле Отто [19, 20] такты сжатия и расширения в цилиндре двигателя представляют адиабатные процессы. Сгорание и отвод тепла рассматриваются как процессы, происходящие при постоянном объеме соответственно в верхней и нижней мертвых точках. Работа реальных двигателей только приближается к такому циклу, но не связанные с горением такты сжатия и расширения почти адиабатные и математически могут быть представлены уравнением.

В двигателе значения C или PV^T для процессов сжатия и расширения примерно одинаковые. Однако в работающем двигателе эти два процесса разделены существенно отличным от адиабатного процессом сгорания, который вызывает изменение значения. В связи с увеличением давления при сгорании значение после сгорания выше, чем перед ним. Изменение значений, происходящее в процессе сгорания, представляет собой интерес для анализа, так как оно отражает детали процесса.

Теория. В этом разделе рассматриваются уравнения, показывающие изменение значений в зависимости от характеристик сгорания. На основании первого закона термодинамики анализ процесса сгорания в двигателях, изменение приращений массы топливновоздушной смеси, сгорающей в течение определенного времени, могут быть выражены следующим образом:

В этом уравнении Е_с означает удельную массную теплотворную способность топлива; у — отношение эффективных удельных теплоемкостей (Ср (X, Т) С_У(Х, Т); М'М — молекулярная масса газов в зоне сгорания, а соответствует потерям тепла.

Отношение массы фракции сгорающей смеси в течение определенного времени.

Если символ у заменить символом, то это будет означать, что тепловые потери включены в этот параметр. Если количественные значения параметров принять за постоянные величины, то уравнение может быть проинтегрировано, после чего оно примет следующий вид:

Эта приближенная зависимость для массовой доли сгоревшей фракции очень похожа на зависимость, полученную Биззардом и Кекком [21] и примерно эквивалентна зависимости Рассвеллера и Висроу [12]. Несмотря на то, что точность этого уравнения снижена в связи с принятыми допущениями, его использование для получения характеристик, касающихся изменения давления от времени в зависимости от характеристик сгорания в двигателе, дает возможность получать ценную информацию о деталях горения.

Если высвободившееся при сгорании тепло выразить в виде энтропии то можно получить альтернативную зависимость для массной сгоревшей доли топлива за известное время. В этом случае приращение изменения сожженной в любое время массы выразится следующим уравнением:

Массная доля сгоревшей смеси в какой-то момент времени может быть выражена следующим образом:

Если символ у вновь заменить у, как в уравнении (4), и предположить, что значения величины постоянные, то после интегрирования уравнение (6) примет следующий вид:

Оба приведенных выше уравнения и уравнение (4) представляют собой приближенные зависимости, отражающие сгоревшую массную долю при определенных давлении и объеме. Общим недостатком для этих двух уравнений является то, что влияние теплопередачи должно быть компенсировано изменением значения у (в виде у) и что значение должно быть принято за постоянную величину. Более серьезным допущением, общим для этих уравнений, является то, что горение рассматривается как простой процесс подвода тепла без изменения состава и учета влияния реальных газов. В уравнении (4) допущение о том, что величина постоянная, справедливо только для тех случаев, когда горение происходит очень близко от положения поршня к в. м. т. Допущение в уравнении (7) о том, что величина постоянная, действительно только для специальных случаев.

Трудно сказать, какое из этих допущений является более важным, но полная детальная оценка такой зависимости выходит за пределы настоящего доклада. Эти зависимости были приведены для того, чтобы показать, как изменения значений в процессе горения действительно отражают важные параметры процесса. С точки зрения оснащения измерительной аппаратурой не имеет значения, какой из показателей служит исходным, посколькурезультирующие данные могут интерпретироваться по одному из этих уравнений или в соответствии с более точными зависимостями. Измерение любого показателя во времени (или по углу поворота коленчатого вала) в процессе работы двйгателя может быть поэтому использовано для оценки скорости горения или для определения задержки воспламенения и продолжительности горения.

Задержка воспламенения может быть взята в виде периода между воспламенением от искры и точкой, при которой увеличивается до выбранной разницы между конечными и начальными значениями. В данном случае задержка воспламенения взята как период между воспламенением от искры и точкой, при которой достигает 5%ной разницы между конечными и начальными значениями. При этом период горения следует за периодом задержки воспламенения и заканчивается в точке, приближающейся к конечному значению. Поскольку это конечное значение достигается асимптотически, то «эффективный» период горения будет определяться как интервал, в течение которого значение увеличивается с 5 до 95%.

Применяя вышеприведенные рассуждения к анализу процесса горения в двигателе, произведены измерения значения у и изменения в зависимости от времени. Поскольку такты сжатия, при которых происходит. Предварительное горение, и расширения, при которых происходит последующее горение, являются «приблизительно адиабатными», значения у для выбранных участков цикла двигателя могут быть определены по наклону кривой зависимости. Для получения значения требуется предварительное определение значений:

Таким образом, для определения задержки воспламенения, периодов и скоростей горения требуется всегонавсего определить давление и объем. Сигналы давления и объема с помощью аналогового электронного устройства легко преобразовать в логарифмы и получить значение у вышеуказанным способом. По известным значениям у электронным способом может быть определена сумма, указанная в уравнении (8), и получено значение сигнала.
Приборы для измерения параметров горения. Давление измерялось непосредственно стандартными методами с помощью оттарированных датчиков [14]. Для этого использовался охлаждаемый водой датчик давления модели 601А Кистлер совместно с усилителем 504 Кистлер. В связи с тем, что при длительном использовании пьезометрических датчиков [4—8_Ч] иногда происходят смещение нуля и изменение уровня сигнала, для каждого цикла двигателя был разработан механизм автоматической установки сигнала. Генерированный в конце такта выпуска двигателя эталонный сигнал использовался для закрытия быстродействующего электронного переключателя, которым впоследствии осуществлялась повторная установка нуля и уровня сигнала датчика. Корректировка выполнялась с помощью электронной цепи, представленной на рис. 1.

Измерение объема цилиндра в зависимости от времени или угла поворота коленчатого вала двигателя осуществлялось вновь созданным механизмом. В настоящее время промышленность выпускает одно из устройств для определения объема (Тектроникс). Однако его конструкция рассчитана для использования на двигателях у которых отношение длины шатуна к плечу поворота коленчатого вала (Ь/Я) равно 4:1. Промышленное устройство может давать ошибочные показания. Поэтому предпочитают пользоваться расчетными а не экспериментальными данными. В данной работе точное измерение объема цилиндра имеет существенное значение, и поэтому было разработано новое оптикомеханическое устройство. Это устройство, показанное на рис. 2, состоит из кулачка, смонтированного на коленчатом валу, источника света постоянной яркости, и оптического детектора. Конструкция кулачка моделирует изменение положения поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала или времени по мере вращения коленчатого вала. Источник света и детектор жестко смонтированы на двигателе с противоположной стороны по отношению к кулачку. Количество света, достигающего детектора, по мере вращения кулачка вокруг, своей оси (оси коленчатого вала) изменяется пропорционально длине, перпендикулярной к расстоянию между положениями поверхности поршня при любом угле поворота коленчатого вала и в в. м. т.

Такое устройство позволяет измерять изменение объема цилиндра в зависимости от времени и угла поворота коленчатого вала. Для измерения сжатия в цилиндре при положении поршня в верхней мертвой точке на детектор сверху направляется постоянное количество совета, которое превосходит упомянутый выше уровень. Количество «добавочного света» регулируется в соответствии со степенью сжатия.

Общий сигнал, генерируемый детекторов света, будет, следовательно, пропорционален объему камеры сгорания при любых данных углах поворота коленчатого вала и степени сжатия.

Во время определения «оптического» профиля кулачка было установлено, что подходящим для этой цели является радиальное смещение оси диска. При смещении диска от центра на расстояние R движение края диска точно копирует движение поршня в двигателе (т. е. движение поршня под действием кривошипношатунного механизма). Расстояние определяется по формуле.

Сигнал, соответствующий логарифму объема, получается с помощью стандартной логарифмической цепи. Сигнал, соответствующий произведению у и логарифма объема, получается затем путем умножения на логарифм сигнала объема. Логарифм получается путем сложения сигналов. Разработка нового метода для определения объема цилиндра двигателя на основании получения аналоговых сигналов дает возможность строить точные кривые зависимости давления Р от объема V, от времени или угла поворота коленчатого вала. Кривые могут быть воспроизведены на электронном осциллографе и записаны на пленку или магнитную ленту для последующих расчетных операций. На рис. 3 показана блоксхема одной из компоновок прибора для демонстрации показаний на индикаторном устройстве электронного осциллографа. Ниже приводятся частотная характеристика механизма и полученные экспериментальные результаты.

Начальная проверка прибора заключалась в тарировке датчиков давления, устройства для измерения объема и соответствующей цепи. Во всех случаях сигнал был линейно отнесен к измеренному количеству.

Диаграммы зависимости между экспериментальным давлением, получались после того, как соответствующие сигналы прибора использовались для вертикальных и горизонтальных разверток на электронном осциллографе во время работы двигателя, fia рис. 4 и 5 показаны осциллограммы (индикаторные диаграммы) зависимостей Р от У, полученные на двигателе Вокеша с переменной степенью сжатия при 1000 об/мин и давлении в коллекторе 750 мм рт. ст. Верхняя кривая зависимости Р от У была получена в условиях работы двигателя от привода, а нижняя — на работающем двигателе (в качестве топлива использовался эталонный бензин — индолен). Опережение зажигания составляло 15°. Такие кривые полезны для анализа цикла двигателя при расчетах потребления топлива, процессов горения и т.д. На рис. 5 приведены логарифмические диаграммы, полученные при тех же условиях работы двигателя. Верхняя и нижняя осциллограммы сняты соответственно на двигателе с приводом и на работающем двигателе. Прямоугольный импульс в конце такта выпуска получается в результате повторной установки давления, на нуль. Значения для тактов сжатия и расширения могут быть определены по наклону кривых. В показанном примере значение у в конце такта сжатия было равно 1,29, а после сгорания в начале такта расширения — примерно 1,24.

На рис. 6 представлены экспериментально полученные зависимости i от времени (при у, установленном на 1,265) для двигателя с внешним приводом и для работающего. Эксперимент проводился в условиях, аналогичных описанным выше. Указательные знаки на коленчатом валу через интервалы в 10° и указатель момента проскакивания искры на каждой кривой наложены друг на друга. Момент проскакивания искры на осциллограмме соответствует «ступени». Верхняя кривая характеризует «близкий к адиабатному» характер процессов сжатия и расширения в условиях работы от двигателя с внешним приводом. По ходу нижней кривой можно видеть, как процесс горения действует. Значение log РУ в момент воспламенения в работающем двигателе от искры соответствует значению

при работе двигателя с приводом, После небольшого периода задержки, в течение которого развивается ядро пламени (период задержки воспламенения обычно составляет порядка 2 мс), значение log РV возрастает й приближается к более высокому уровню постоянной, при которой завершается горение. Мгновенный наклон кривой log PV характеризует скорость сгорания. Вначале скорость сгорания невелика. С течением времени она возрастает, проходит через максимум, а затем снова падает до нуля, когда завершается горение. Измерения, производимые таким способом, позволяют значительно упростить определение задержки воспламенения, скоростей и интервалов горения. Такие измерения должны быть полезными при экспериментальной оценке и (или) испытании систем двигателя.

Преимущества определения показателя log PV по сравнению с обычным измерением давления становятся очевидными при сравнении полученных экспериментальных данных в виде соответствующих кривых и объема работ, необходимых, для определения параметров горения. На рис. 7, например, показаны кривая зависимости давления от времени и кривая зависимости log (PV) от времени. По первой кривой, однако, нельзя четко определить, когда начинается горение, как быстро оно нарастает и когда завершается. Получение такой информации связано с трудоемкими процессами точного определения изменения объема камеры сгорания и давления от времени, синхронизации этих данных с целью определения у, а в последующем PV или log PV для всего временного интервала горения. В противоположность этому кривая зависимости log PV от времени дает показатели в таком виде, что значительно упрощается определение параметров горения. Оценка характеристик скорости сгорания может быть произведена путем простого измерения наклона кривой; при этом легко могут быть определены точки, при которых начинается и завершается горение. Приводимые ниже данные относительно метода измерения log PV были использованы для оценки влияния рециркуляции отработавших газов в одноцилиндровом двигателе на характеристику горения и содержание загрязнений в отработавших газах при работе на метаноле:

Влияние рециркуляции отработавших газов на характеристику горения и содержание в них загрязнений при работе на метаноле. Было проведено несколько исследований применения в качестве моторного топлива метилового и этилового спиртов — Метанола и этанола. В ранних работах [2, 3] показано, что спирты могут использоваться в качестве моторного топлива и что их применение дает увеличение мощности, но вместе с тем снижает топливную экономичность. В работах [4, 5], в которых исследовалось и содержание загрязнений в отработавших газах, были подтверждены выводы предыдущих исследований и показано, что при работе на спиртах. Одержание загрязнений в отработавших газах снижается. В последних исследованиях [6, 22] было получено хорошее совпадение с ранее опубликованными измерениями эксплуатационных характеристик, но в отношении содержания загрязнений в отработавших газах совпадение было неполным. В недавних исследованиях применения метанола, проведенных автором [6], было показано, что содержание в отработавших газах NО снижается, в то время как содержание НС и СО в сопоставимых условиях эксплуатации такое же или несколько большее, чем при работе на бензине. Было также показано, что метанол сгорает быстрее бензина. Ни в одном случае не изучалось влияние рециркуляции отработавших газов.

В данном исследовании на одноцилиндровом двигателе определялось и влияние рециркуляции отработавших газов на характеристики сгорания, содержание загрязнений в отработавших газах и эксплуатационные свойства метанола в сравнении с индоленом. Результаты, полученные на этих двух топливах, сравнивались при обычной частоте вращения двигателя, эквивалентном отношении компонентов рабочей смеси, опережении зажигания, рециркуляции отработавших газов и расходе воздуха.

Экспериментальное оборудование. Использовался двигатель Вокеша с переменной степенью сжатия, соединенный с динамометром мощностью 50 л. с. Цилиндрическая камера сгорания с плоской головкой была оборудована датчиками и кварцевыми окнами для наблюдения за процессом сгорания. Использовалась обычная система зажигания. Для измерения частоты вращения двигателя и опережения зажигания, а также температуры охлаждающей жидкости, смазочного масла и отработавших газов применялось стандартное оборудование. Крутящий момент двигателя измерялся с помощью динамометрического датчика, который был связан с балансирным тормозом. Воздух в двигатель подавался из системы с калиброванным регулируемым дросселем, встроенным в систему. Температура воздуха, поступающего в двигатель, контролировалась с помощью термопары. Топливная система была рассчитана для работы на двух топливах. Она включала в себя топливный бак высокого, давления из нержавеющей стали, дозировочные клапаны, тарированные расходомеры и модифицированный карбюратор. Топливо в трубку Вентури карбюратора вводилось не через систему главного жиклера, как обычно, а через капиллярную трубку диаметром 0,5 мм. Регулирование количества воздуха, поступающего в двигатель, осуществлялось путем изменения давления в топливной системе с игольчатым клапаном.

Образцы отработавших газов отбирались с помощью зонда на нержавеющей стали длиной 635 мм, по всей длине которого имелись впускные отверстия. Зонд размещался в выхлопной трубе так, чтобы направленный против потока конец находился на расстоянии 61 см от выпускного отверстия. Остальные элементы пробоотборной системы показаны на рис. 8. Для того чтобы избежать конденсации воды и, возможно, несгоревшего метанола, а также обычной проблемы образования, пробоотборная трубка, идущая к анализатору НС, нагревалась до температуры примерно 190°С. Вблизи от анализатора НС пробоотборная трубка имела отвод для отбора СО, СО2, которые направлялись в свои анализаторы. Этот второй пробоотводный трубопровод содержал двухступенчатую холодильную ловушку, фильтр для задержания твердых частичек и осушитель, обеспечивавший полную осушку газов перед их впуском в анализатор. Измерение осушенных NO, СО и СО₂ осуществлялось с помощью недисперсионных инфракрасных анализаторов. Для анализа 0₂ использовался полярографический анализатор. Анализы влажных НС, результаты которых затем пересчитывались на сухое вещество, производились детектором пламенной ионизации с использованием горячей части газовой пробы. Предполагалось, что чувствительность детектора для обоих топлив была одинаковой, и поэтому сведения о концентрации метанола в отработавших газах соответствуют нижнему пределу значений.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Перевод: А.П. Чочиа
Под редакцией: профессора Я.Б. Черткова
Москва, 1982