3.2.1 Средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания.
Промежуток времени t от искрового разряда до начала импульса проводимости на датчике ионизации, позволяет оценить значения средней скорости пламени в «основной» фазе сгорания.
Очевидно, что скорость распространения пламени не может быть меньше скорости при прямолинейном движении фронта пламени от свечи к датчику. Поэтому для определения характерной «средней» скорости фронта пламени в этой фазе сгорания достаточно поделить характерный размер КС, соответствующий пути распространения фронта пламени на время t:Voch ~ Dt/t0CH, (3.1)
где D = 85 мм, - диаметр цилиндра.
Полученные значения средних скоростей пламени, показаны на рисунке 3.13, близки к значениям, полученным при сходных условиях в известных работах [21,75,83].
Таким образом, на основании анализа осциллограмм ионного тока получены значения средней скорости пламени в «основной» фазе сгорания, находящиеся в соответствии с данными известных исследований [83];
Сгорание ТВС в КС проходит при постоянно изменяющемся давлении температуре и объеме, что оказывает существенное влияние на скорость распространения пламени. [39, 45] Из рисунка 3.13 видно, что с увеличением УОЗ до некоторой величины скорость распространения пламени возрастает, так для 900 мин'1, а = 1 для УОЗ = 13 и 22° ПКВ средняя скорость распространения пламени в основной фазе составляет 15.87 и 16.8 м/с, а для а = 1 составляет 11 и 12 м/с соответственно. Что составляет увеличение средней скорости в основной фазе на 5.5% для а = 1 и 8.4% для а = 1.3. Это объясняется тем, что основная доля сгоревшего топлива приходится на сжатие при минимальном объеме КС вблизи ВМТ, чем обуславливается значительное повышение температуры и давления в цилиндре двигателя, что ускоряет процесс сгорания. Но слишком большой УОЗ приводит к сгоранию основной части ТВС до ВМТ и большем объеме КС, что приводит, во-первых, к уменьшению скорости распространения пламени, а во-вторых, работа, совершаемая газом при сгорании, является отрицательной.
Маленький УОЗ приводит к выгоранию основной части ТВС при расширении, и снижает мощностные и экономические показатели ДВС.Влияние скоростного режима на среднюю скорость распространения пламени в основной фазе показано на рисунке 3.13. Очевидно, что увеличение частоты вращения приводит к увеличению турбулентности заряда, что повышает скорость распространения пламени в основной фазе. Для 600 мин'1, УОЗ = 13° ПКВ, при а = 1 и 1.3 средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания составила 11.95 и 8 м/с, а для 900 мин"1 - 15.87 и 11 м/с. Влияние скоростного режима на скорость распространения пламени в основной фазе сгорания уменьшается при обеднении смеси. Это связано с тем, что при обеднении смеси сгорание основной части заряда смещается в зону расширения, где турбулентность потока уменьшается, и оказывает меньше влияния на скорость сгорания.
Рисунок 3.13 - Средняя скорость распространения пламени в основной фазе по составу смеси, для п = 600 и 900 мин'1, УОЗ = 13° и 22° ПКВ, без водорода и при добавке 5%.
Влияние состава ТВС и добавки водорода на скорость распространения пламени в основной фазе показано на рисунке 3.14. При обеднении смеси, начиная от стехиометрического состава, влияние процесса расширения на температуру в процессе сгорания ТВС становится более значимым. С обеднением смеси, начиная с а = 1, нормальная скорость распространения пламени уменьшается, вызывая уменьшение турбулентной скорости распространения пламени [106]. Следовательно, при той же угловой скорости протекание основной фазы горения происходит в большем объёме камеры сгорания. Так для 900 мин"1, УОЗ=19° ПКВ, при а = 0.9 и 1.3 средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания составит 17.16 и 10.32 м/с, соответственно.
Добавление водорода приводит к увеличению средней скорости распространения пламени. Например, для режима работы 900 мин"1, УОЗ = 19° ПКВ при добавке 1% водорода при а = 1 и 1.4 средняя скорость распространения пламени в основной фазе составила 17.02 и 9.36 мс, а при 5 % водорода для а=1 и 1.4 - 17.27 и 11.52 мс, соответственно.
09 1 1,1 12 13 14 15
а
Рисунок 3.14 - Средняя скорость распространения пламени в основной фазе при добавке водорода по составу смеси а, п = 900 мин'1, УОЗ = 19° ПКВ
Полученный эффект обеспечивается следующим: Во-первых, с позиций цепного механизма реакций горения углеводородных смесей, в которых поступление в реакцию одного атома водорода приводит на выходе к образованию трёх атомов водорода [85].
Тем самым улучшается химическая кинетика горения углеводородного топлива, так как водород является активным центром горения. Во-вторых, как показано в [90], в зоне реакции горения коэффициент избытка воздуха azR, отличается от ар перед фронтом пламени. Это является следствием различия коэффициентов молекулярной диффузии топлива и кислорода. Для большинства углеводородовоздушных смесей, в том числе бензи- новоздушных , aZR > ар, а для водородовоздушных и метановоздушных смесей aZR < ар. Следовательно при добавке водорода в обеднённую бензовоздушную смесь происходит относительное увеличение водорода в ТВС, что приводит к росту как нормальной, так и турбулентной скорости распространения пламени по сравнению с обеднённой бензовоздушной смесью того же состава. Увеличение скорости сгорания позволяет провести процесс сгорания за меньшее время и в меньшем объёме вблизи верхней мёртвой точки.Таким образом, получено, что скорость распространения пламени в основной фазе зависит от состава смеси, от частоты вращения ДВС, от угла опережения зажигания и от количества добавляемого в смесь водорода.