ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СГОРАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ОБЪЕМА

  • Александр Петрович Шайкин Тольяттинский государственный университет
  • Павел Валентинович Ивашин Тольяттинский государственный университет
  • Ильдар Ринатович Галиев Тольяттинский государственный университет
  • Игорь Николаевич Бобровский Тольяттинский государственный университет
  • Александр Дмитриевич Дерячев Тольяттинский государственный университет
  • Андрей Яковлевич Твердохлебов Тольяттинский государственный университет
Ключевые слова: углеводородное топливо, хемиионизация, характеристики распространения пламени, камера сгорания переменного объема, процесс сгорания, фаза сгорания, ширина зоны химических реакций пламени, скорость распространения пламени, ионизационный датчик

Аннотация

Статья посвящена изучению особенностей применения ионизационных датчиков для исследования характеристик распространения пламени (скорости распространения и ширины зоны химических реакций пламени) в камере сгорания переменного объема. Обзор современных методов исследования процесса сгорания углеводородного топлива в поршневых двигателях показал перспективность применения ионизационных датчиков. На одноцилиндровом двигателе экспериментально получены и исследованы основные параметры сгорания топлива с помощью специально разработанных ионизационных датчиков, предназначенных для определения характеристик распространения пламени при изменении в широком диапазоне за несколько миллисекунд температуры, давления, турбулентности и объема камеры сгорания. Определены изменения ионного тока, турбулентной скорости распространения пламени и ширины зоны химических реакций горения в зависимости от состава топливно-воздушной смеси при изменении ее физико-химических свойств за счет добавок водорода. Показано, что изменение турбулентной скорости распространения пламени при добавке водорода происходит в основном за счет увеличения ее нормальной составляющей, а ширина зоны турбулентного горения линейно связана с величиной ионного тока, и ее изменение отражает интенсивность протекания химических реакций горения. Обнаружено, что, несмотря на изменение коэффициента избытка воздуха, концентрации водорода в топливе, скоростного режима двигателя, сохраняется линейная зависимость ширины пламени от турбулентной скорости распространения пламени во второй фазе сгорания: увеличение скорости соответствует уменьшению ширины пламени.

Биографии авторов

Александр Петрович Шайкин, Тольяттинский государственный университет

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Энергетические машины и системы управления»

Павел Валентинович Ивашин, Тольяттинский государственный университет

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Энергетические машины и системы управления»

Ильдар Ринатович Галиев, Тольяттинский государственный университет

кандидат технических наук, доцент кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей»

Игорь Николаевич Бобровский, Тольяттинский государственный университет

кандидат технических наук, заместитель директора по научно-методической работе Института химии и инженерной экологии

Александр Дмитриевич Дерячев, Тольяттинский государственный университет

кандидат технических наук, инженер кафедры «Энергетические машины и системы управления»

Андрей Яковлевич Твердохлебов, Тольяттинский государственный университет

инженер кафедры «Энергетические машины и системы управления»

Литература

Li H., Gatts H. An Experimental Investigation on the Combustion Process of a Simulated Turbocharged SI Natural Gas Engine Operated on Stoichiometric Mixture // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2017. № 9. P. 35–42.

Basshuysen R.V. Internal Combustion Engine Handbook. New York: SAE International, 2016. 1130 p.

Verma G., Prasad R.K., Agarwal R.A. Experimental investigations of combustion, performance and emission characteristics of a hydrogen enriched natural gas fuelled prototype spark ignition engine // Fuel. 2016. Vol. 178. P. 209–217.

Pastor J., Olmeda P., Lewiski F. Methodology for Optical Engine Characterization by Means of the Combination of Experimental and Modeling Techniques // Applied Sciences. 2018. № 8. P. 2–17.

Gürbüz H. Experimental Evaluation of Combustion Parameters with Ion-Current Sensor Integrated to Fast Response Thermocouple in SI Engine // Journal of Energy Engineering. 2017. Vol. 143. № 2. P. 04016046.

Gao Z., Wu X., Gao H., Liu B. Investigation on characteristics of ionization current in a spark-ignition engine fueled with natural gas-hydrogen blends with BSS de-noising method // International journal of hydrogen energy. 2010. Vol. 35. № 23. P. 12918–12929.

Calcote H. F., King I. Studies of ionization in flames by means of langmuir probes // Symposium (International) on Combustion. 1955. Vol. 5. № 1. P. 423–434.

Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическом поле. М.: Металлургия, 1968. 312 с.

Butt R.H., Chen Y., Mack J.H. Improving ion current of sparkplug ion sensors in HCCI combustion using sodium, potassium, and cesium acetates: Experimental and numerical modeling // Proceedings of the Combustion Institute. 2015. № 3. P. 3107–3115.

Flow and Combustion in Reciprocating Engines / eds. C. Arcoumanis, T. Kamimoto. Verlag: Springer, 2009. 427 p.

Yasnikov I.S., Ivashin P.V., Shaikin A.P. On the turbulent propagation of a flame in a closed volume // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. 2013. Vol. 58. № 11. P. 1587–1591.

Shaikin A.P., Galiev, I.R. Use of Chemi-Ionization to Calculate Temperature of Hydrocarbon Flame // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. 2018. Vol. 63. № 4. P. 612–614.

Shaikin A.P., Galiev I.R Relationship of flame propagation speed for methane–hydrogen fuel of the internal combustion engine with parameters combustion engine with parameters of ion current and hydrogen concentration // Russian Aeronautics. 2016. Vol. 59. № 2. P. 249–253.

Шайкин А.П., Ивашин П.В., Галиев И.Р., Дерячев А.Д. Характеристики распространения пламени и их влияние на образование несгоревших углеводородов и оксида азота в отработавших газах при добавке водорода в топливно-воздушную смесь энергетических установок с искровым зажиганием. Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2016. 259 с.

Zhou J.X., Moreau B., Foucher F. Combustion, Performance and Emission Analysis of an Oxygen-Controlling Downsized SI Engine // Oil and Gas Science and Technology. 2016. Vol. 71. № 4. P. 49.

Morones A. Laminar and turbulent flame speeds for natural gas/hydrogen blends // Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition. 2014. Vol. 4B. P. 108941.

Khudhair O., Shahad A.K. A Review of Laminar Burning Velocity and Flame Speed of Gases and Liquid Fuels // International Journal of Current Engineering and Technology. 2017. Vol. 7. № 1. P. 183–197.

Halter F. Characterization of the effects of pressure and hydrogen concentration on laminar burning velocities of methane-hydrogen-air mixtures // Proceedings of the Combustion Institute. 2005. Vol. 30. № 1. P. 201–208.

Barot M., Kolhar S., Tripathi A. Combustion modeling of S.I. engine for prediction of turbulent flame speed // International Journal of Engineering Research & Technology. 2013. Vol. 2. № 4. P. 1465–1472.

Tripathi A.M., Panchal P., Chaudhari V. Turbulent flame speed prediction for S.I. engine using methane as fuel // International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). 2013. Vol. 3. № 4. P. 248–254.

Опубликован
2019-03-30
Выпуск
Раздел
Технические науки