ВЛИЯНИЕ НИЗКОИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОГ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВС

Аннотация

Рассмотрено влияние температуры рециркулирующих отработавших газов (ОГ) на параметры рабочего процесса в поршневых двигателях. Рециркуляция ОГ важна не только как один из методов снижения токсичности отработавших газов ДВС, но и способ управления рабочим процессом двигателей с самовоспламенением гомогенного заряда (HCCI).

Полный текст

В последние десятилетия рециркуляция отработавших газов все шире применяется для снижения токсичности отработавших газов (в основном для снижения выбросов оксидов азота NOx) как двигателей с искровым зажиганием, так и дизелей. В двигателях с традиционными рабочими процессами, как правило, реализуется схема подвода отработавших газов по внешнему трубопроводу, соединяющему выпускной и впускной коллекторы. Изменение количества рециркулирующих газов осуществляется специальным клапаном по сигналам блока электронного управления двигателя в зависимости от скоростного, нагрузочного режимов работы и других параметров ДВС. Отработавшие газы, проходя по системе рециркуляции, охлаждаются, и в этом случае можно говорить о низкотемпературной рециркуляции. Эффект от подмешивания к свежему заряду отработавших газов - продуктов сгорания с низкой температурой при этом можно рассматривать как разбавление свежей смеси инертным газом, в основном состоящем из азота, диоксида углерода и паров воды. В результате увеличения балласта снижается температура горения топлива и, как следствие, уменьшаются выбросы с ОГ оксидов азота, термический механизм образования которых является превалирующим в условия ДВС. В двигателях с HCCI-процессом, в котором реализуется самовоспламенение от сжатия, предварительно подготовленной топливовоздушной смеси, также применяется рециркуляция ОГ, однако при этом преследуются другие цели. Условием организации HCCI-процесса является высокая температурная и концентрационная однородность смеси перед воспламенением, вследствие чего реакции самовоспламенения протекают практически одновременно по всему объему камеры сгорания. Скорость сгорания, определяемая только кинетикой химических реакций, очень высока, и все поданное в двигатель топливо окисляется за крайне малый угол поворота коленчатого вала (ПКВ), который составляет на большинстве режимов работы менее 10 град ПКВ. При малых значениях коэффициента избытка воздуха это приводит к недопустимо высоким значениям скорости нарастания давления и максимального давления цикла. Добавка инертного разбавителя (рециркуляция ОГ) снижает скорость тепловыделения, позволяя увеличить мощность двигателя без превышения допустимых нагрузок на кривошипно-шатунный механизм двигателя. 80 Однако есть еще один аспект применения рециркуляции ОГ в двигателях с HCCI-процессом. Дело в том, что в области получения высоких индикаторных показателей рабочего цикла ДВС с самовоспламенением гомогенного заряда важной проблемой является обеспечение оптимального расположения процесса тепловыделения по углу ПКВ относительно ВМТ конца сжатия. Отсутствие таких управляющих факторов, как угол опережения зажигания в двигателях с принудительным воспламенением или угол опережения впрыскивания топлива в дизелях, требует поиска иных методов воздействия на момент начала активного тепловыделения при самовоспламенении гомогенной смеси. Анализируя решение дифференциального уравнения саморазогрева смеси при тепловом взрыве, полученное О.М. Тодесом - зависимость периода задержки воспламенения ti в функции температуры Т, давления р, условной энергии активации топлива Е и порядка реакции n ti = A × p -(n-1) × eE/RT , можно выбрать факторы, позволяющие управлять периодом индукции, а следовательно, и смещением самовоспламенения относительно ВМТ. Условная энергия активации является характеристикой топлива, определяющей его склонность к самовоспламенению, что, в свою очередь, зависит от химического состава топлива. Известны вещества, добавление которых снижает склонность топлив к самовоспламенению (антидетонаторы), например тетраэтилсвинец, и вещества, способствующие самовоспламенению (промоторы), например, формальдегид, перекиси и др. Продукты сгорания углеводородного топлива, имеющие температуру к концу такта расширения порядка 1000 К и более, содержат большое количество активных радикалов и промоторов воспламенения, которые, будучи сохранены в цилиндре, в последующем цикле сыграют роль активаторов самовоспламенения, понизив эффективную энергию активации топлива. Таким образом, осуществив высокотемпературную рециркуляцию, можно воздействовать на момент воспламенения как через температурный фактор, так и через химический, причем их действие направлено в одном направлении. Чем выше количество рециркулирующих ОГ, тем выше температура смеси и концентрация активных молекул, что в обоих случаях ведет к сокращению периода задержки воспламенения. Проанализировать влияние температурного фактора достаточно просто. Температура смеси в начале такта сжатия Та, зависящая от температуры на впуске Т0, подогрева смеси ÄТ, коэффициента остаточных газов gr с температурой Тr и коэффициента рециркуляции остаточных газов gEGR с температурой ТEGR, равна a T = T0 + ÄT + g r ×Tr + g EGR × TEGR . g r + g EGR Принимая воспламенение происходящим в ВМТ, имеем температуру для расчета периода задержки воспламенения по зависимости i t = A × p-(n-1) × eE/RT , считая, что давление в начале сжатия ра не зависит от степени рециркуляции T = Ta × e n1-1, a p = p ×en1 , где e - степень сжатия, n1 - показатель политропы сжатия. 81 Теплота сгорания топливовоздушной смеси, разбавленной отработавшими газами HUs и адиабатическая температура пламени ТПС, равны HUs = HU , (a× l0 + 1)(1+ g r + g EGR ) Tпс = T + H Us / сs , где: a - коэффициент избытка воздуха; l0 - стехиометрическое количество воздуха; HU - низшая теплота сгорания топлива; сs - массовая теплоемкость смеси. На рис. 1 приведены расчетные графики, иллюстрирующие влияние температуры и степени рециркуляции ОГ на период задержки воспламенения. t т, к 1400 i 1200 1000 800 600 400 200 ti, мс 2,4 2,0 1,6 т 1,2 0,8 0,4 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Степень рециркуляции ОГ, % TEGR = 400 K TEGR = 600 K TEGR = 800 K TEGR = 1000 K Рис. 1. Влияние степени рециркуляции на температуру конца сжатия и период задержки воспламенения для различной температуры рециркулирующих ОГ Как видно из приведенных графиков, наблюдается естественный эффект снижения периода задержки воспламенения при увеличении степени рециркуляции и повышении температуры рециркулирующих ОГ. Однако влияние температуры ТEGR на адиабатическую температуру продуктов сгорания не столь однозначно (рис. 2). При низкотемпературной рециркуляции (ТEGR = 400 К, рис. 2а), с увеличением степени рециркуляции ОГ наблюдается снижение температуры продуктов сгорания во всем диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси. При высокотемпературной рециркуляции (ТEGR = 1000 К, рис. 2б) в области средне обогащенных и бедных смесей (a = 2,5-5,5) прослеживается обратный эффект - адиабатическая температура пламени увеличивается. 82 ЕПС, К 3500 3000 2500 2000 1500 ЕПС, К 3500 3000 2500 2000 50 50 40 40 30 1500 30 20 1000 1 1,5 10 Коэффициент избытка воздуха 2,5 3,5 4,5 5,5 0 а EGR, % 1000 Коэффициент избытка воздуха 1 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 б 20 EGR, % 10 0 Рис. 2. Влияние температуры рециркулирующих ОГ (ТEGR) на адиабатическую температуру продуктов сгорания в зависимости от коэффициента избытка воздуха и степени рециркуляции (EGR): а - ТEGR = 400 К; б - ТEGR = 1000 К Это объясняет экспериментально зарегистрированный факт (рис. 3), что при увеличении коэффициента ОГ, путем позднего открытия впускного клапана и раннего закрытия выпускного, т.е. увеличения «отрицательного» перекрытия клапанов (эффект высокотемпературной «внутренней рециркуляции»), с повышением степени рециркуляции удельные выбросы CO и HC уменьшаются, тогда, как чувствительные к температуре выбросы NOx увеличиваются. Вар. 1 ОВпк 352° 3ВыпК 367° Вар. 2 337° 30 382° 25 NOx [г/кВтч] 0,2 Dj = +15° перекрытие клапанов Dj = -45° EGR = 19% EGR = 34% 0,15 3ВпК 577° ОВыпК 137° 20 577° 137° 15 Вар. 3 Вар. 4 307° 412° Dj = -105° EGR = 46% 277° Dj = -165° EGR = 55% 10 5 442° 0 0,05 0 577° 137° 577° 137° вар. 1 вар. 2 вар. 3 вар. 4 Фазы газораспределения CO HC NOx Рис. 3. Влияние «внутренней рециркуляции» на эмиссию вредных веществ с ОГ [1]