Размещено на http://www.allbest.ru/

Улучшение технико-экономических показателей бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда при закрытом впускном клапане в нижней мертвой точке

В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, являются основными силовыми агрегатами, которые предопределяют развитие автомобилестроения. Они - неотъемлемая часть в выпуске легковых автомобилей, используемых в народном и промышленном производствах. С выпуском автомобилей потребность в жидком топливе резко возрастает, тогда, как объем нефтедобычи снижается. Известно также, что при эксплуатации автомобильных двигателей, работающих на бензине, появляются потери, которые выбрасываются в атмосферу, в виде продуктов неполного сгорания и паров (углеводороды, оксид углерода, сажи и др.), имеющие большой запас теплоты. Устранение этих потерь приводит к снижению потребности в топливно-энергетических ресурсах, что равносильно увеличению их добычи.

Решение данной проблемы и изыскание путей экономии топливно-энергетических ресурсов следует рассматривать, опираясь на инженерно-технические разработки в области совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, чему и посвящена настоящая работа, поэтому она весьма актуальна и имеет важное общегосударственное значение. Из вышеизложенного видно, что уменьшение расхода топлива двигателя внутреннего сгорания является большой и серьезной проблемой, решение которой является безотлагательной задачей современной науки и техники.

Одним из путей улучшения показателей рабочего процесса полноты горения в цилиндре бензиновых двигателей, на наш взгляд, является увеличение скорости сгорания, путем интенсивного завихрения заряда и распределения топлива в камере сгорания таким образом, когда в зоне свечи зажигания находилась бы обогащенная смесь, а по мере удаления от неё смесь постоянно бы обеднялась.

Многочисленные опыты Л.И. Вахошина, А.Н. Воинова, Н.П. Самойлова, Ю.И. Шальман, Р.М.Петриченко и др. показали, что дополнительное завихрение заряда приводит к ускоренному процессу сгорания, а расслоение заряда способствует не только увеличению скорости заряда, но ведет к полному выгоранию топлива.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию бензиновых двигателей путем создания расслоения и дополнительного завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха при закрытии впускного клапана, когда поршень приходит в нижнюю мертвую точку.

Цель работы

Целью диссертационной работы является определение влияния смесеобразования и сгорания в двигателях, модифицированных путем организации расслоения и завихрения заряда за счет дополнительной подачи воздуха в такте наполнения при закрытом впускном клапане в нижней мёртвой точке, на технико-экономические показатели бензинового двигателя.

В результате анализа функционирования бензиновых двигателей и изыскания путей улучшения эксплуатационных показателей и их сравнения с опытными двигателями, работающими в тяжелых эксплуатационных условиях, поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ отечественных и зарубежных методов и средств улучшения технико-экономических показателей двигателей при работе в эксплуатационных условиях.

2. Обосновать и рассчитать основные конструктивные параметры подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя и фазу газораспределения процесса наполнения.

3. Создать теоретическую модель и провести числовые расчеты изменения основных эксплуатационных параметров модернизированного двигателя при работе в тяжелых эксплуатационных условиях.

4. Подготовить опытный двигатель с дополнительной подачей воздуха в цилиндры при закрытии впускного клапана в НМТ. Провести лабораторные и стендовые исследования, установить его мощностные и экономические характеристики.

5. Провести анализ полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, разработать рекомендации для практического использования.

Научная новизна

- Разработана система дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах двигателя при закрытии впускного клапана в НМТ;

- Получены количественные характеристики и закономерности изменения показателей при сгорании топлива в бензиновых двигателях за счет дополнительного завихрения и расслоения заряда при закрытии впускного клапана в НМТ;

- Разработаны математические модели, устанавливающие связь показателей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками процессов рабочего цикла бензиновых двигателей;

- Получены результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензиновых двигателей при закрытии впускного клапана в НМТ.

На защиту выносятся:

1. Разработанная система для дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензиновых двигателей с помощью автономной компрессорной установки.

2. Количественные характеристики и закономерности изменения показателей при завихрении и расслоении заряда в процессах наполнения, сжатия и горения бензиновых двигателей.

3. Математические модели, устанавливающие связь показателей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками рабочего цикла при различной интенсивности дополнительного завихрения бензинового двигателя.

4. Результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндре бензинового двигателя.

Практическая и научная ценность работы.

- Применение подачи в цилиндр дополнительного воздуха при закрытии впускного клапана в нижней мёртвой точке позволяет повысить мощность, снизить удельный расход топлива двигателя, а также уменьшить концентрацию оксида углерода в отработавших газах.

- Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, дают возможность осуществлять модернизацию при проектировании новых бензиновых двигателей.

Личный вклад автора.

В работах диссертанту принадлежат основные идеи, математические модели, обобщения и результаты. Из совместных статей в диссертацию включены только те результаты, которые получены лично соискателем.

Результаты работы используются в научных разработках и в учебном процессе кафедры.

Рекомендации по использованию результатов:

Результаты работы могут быть использованы при создании новых бензиновых двигателей ВАЗ. Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, дают возможность осуществлять модернизацию при проектировании новых бензиновых двигателей.

Апробация работы.

Достоверность исследований подтверждены положительными результатами испытаний двигателей ВАЗ-11113 и УД-15, оборудованных дополнительной подачей воздуха в нижнюю часть гильзы цилиндра и с изменённой геометрией газораспределительного вала, который позволил закрывать впускной клапан в нижней мёртвой точке. Каждый двигатель обеспечил высокие технико-экономические показатели. Также достоверность подтверждается использованием современной измерительной быстродействующей аппаратуры, обеспечивающей удовлетворительные погрешности.

В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Тракторы и автомобили» Казанского ГАУ, а также кафедры «АДиС» КГТУ им. А. Н. Туполева.

Основные результаты научных исследований диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» в 2005 г. и 2007 г. в г. Казани, на итоговых научных конференциях КГАУ в 2007, 2008 и 2009 г.г, на 5 Всероссийской научно-технической конференции: «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» в 2009 в г. Казани.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ. Из них: 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК России; 4 научных статьи.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка используемой литературы и приложения. Материал изложен на 154 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 51 иллюстрацию. Список используемой литературы включает 104 наименования.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава раскрывает общий анализ рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, а так же различные способы расслоения заряда, которые представлены мировыми японскими и немецкими компаниями: Mitsubishi, Volkswagen и Audi, научными деятелями: В.В. Махалдиани, В.М. Кушулем, Риккардо, А.Н.Анисимовым и ряд других.

Концерн Volkswagen создал серию силовых агрегатов с непосредственным впрыском и послойным смесеобразованием FSI (Fuel Stratified Injection) (рисунок 1).

Рис.1. Схема работы двухвального газораспределения двигателя FSI

двигатель заряд бензин

Двигатели FSI превосходят двигатели с впрыском бензина во впускные каналы по показателям экономичности, выброса вредных веществ и динамики за счет ввода новой конструкции. Наряду с положительными показателями имеются и недостатки. Необходимо качественное топливо, иначе двигатель быстро выходит из строя.

На рисунке 2 представлена система изменения фаз газораспределения, которая предназначается для оптимизации работы двигателя на режимах холостого хода, максимальной мощности и максимального крутящего момента, а также для облегчения рециркуляции отработавших газов. Она широко применяется фирмой Volkswagen на двигателях V6 с рабочим объемом 2,8 л. и V5 рабочим объемом 3,3 л.



Рис.2. Кулачковые валы для впуска и выпуска, устанавливаемые на двигатели Audi и Volkswagen

Заметим, что многие из этих способов имеют существенный недостаток, завихрение в цилиндре осуществляется через впускной клапан, а это не достаточно эффективно. При этом способе не вся энергия вихревого потока заряда, полученная в процессе наполнения, сохраняется до конца сжатия смеси, что подтверждается многими отечественными и зарубежными учеными. У нижней мертвой точки, а затем при перемещении поршня к верхней мертвой точке, вихревой поток замедляется и вихревое движение заряда уменьшается на 80... 85% от первоначальной скорости вращения. Избежать затруднений в указанных выше способах завихрения и расслоения заряда, как с использованием импульсной подачи воздуха, так и с использованием непосредственного впрыска топлива, можно, если вводить в цилиндр дополнительный воздух под некоторым избыточным давлением в процессе наполнения и в начале сжатия в нижнюю часть гильзы цилиндра (рисунок 3). То есть реализовать некоторую разновидность наддува, минуя основной всасывающий тракт, одновременно обеспечивая расслоение заряда, и закрывать впускной клапан точно в нижней мёртвой точке. Это предотвратит обратный выброс смеси, поступающий через основной впускной канал.

Рис.3. Схема двигателя с расслоением заряда

Если ограничиться при таком способе наддува лишь доведением давления в конце наполнения до атмосферного и закрыть впускной клапан в нижней мёртвой точке, то требуемое давление наддува может быть небольшим. При таком наддуве представляется возможным предотвратить обратный выброс свежей смеси, несколько повысить максимальную мощность. При значении максимальной мощности, как у стандартного двигателя, удается существенно обеднить смесь, снизить концентрацию окислов углерода в отработавших газах до допустимого санитарными нормами значения и ниже, существенно улучшить топливную экономичность на полных, частичных и малых нагрузках.

На всех режимах работы двигателя, при правильном подборе параметров дополнительного воздуха, предоставляется возможность, за счет некоторого снижения температуры сгорания, уменьшить концентрацию окислов азота в отработавших газах или сместить максимум образования их в сторону более бедных смесей, на которых двигатель работает практически очень редко. Ввод дополнительного воздуха в цилиндры в бензиновом двигателе характеризуется коэффициентом подачи дополнительного воздуха «С», который представляет отношение дополнительно введённого в цилиндр воздуха (G_Д) к основному (G_В), поступившему в цилиндр через основную впускную систему: С=G_Д/G_В.

Из анализа эксплуатации двигателей внутреннего сгорания видно, что они работают, в основном, в тяжелых условиях, притом процессы, протекающие в двигателях, исследованы не полностью.

Наиболее важными параметрами при оценке эксплуатационно-технических качеств двигателя, на которые необходимо обратить особое внимание при исследовании, являются динамические, экономические, экологические, надежность и долговечность в работе.

Результаты исследования, которые имеются в рассматриваемых работах, не дают существенного улучшения технико-экономических и экологических показателей двигателя. Поэтому назрела необходимость изыскать пути комплексного улучшения мощностных, экономических и экологических показателей. Наиболее перспективным в получении наилучших показателей является установка на автомобиль двигателя с дополнительным завихрением и расслоением заряда в цилиндре при закрытом впускном клапане, когда поршень находится в нижней мертвой точке.

Двигатели, устанавливаемые на автомобили, работают с большими перегрузками, чаще при постоянной загрузке, где приходится затрачивать большую мощность, которой иногда недостаточно. Для преодоления перегрузки, особенно в тяжелых дорожных условиях, двигатель начинает работать на очень богатом составе смеси, при этом приходится увеличивать расход топлива, что приводит к появлению в выхлопных газах большого количества токсичных веществ - оксида углерода (СО). В настоящее время для улучшения технико-экономических и токсических показателей при работе двигателя применяют автоматическое регулирование, которое самостоятельно устанавливает нужный режим за счет изменения качества и количества смеси. Этим добиваются более высокой мощности двигателя, минимального расхода топлива и снижения токсичных компонентов в отработавших газах в процессе выхлопа. Считаем, что решить проблему можно, если использовать в двигателе систему подачи в цилиндры дополнительного воздуха и изменить фазы газораспределения. Схематично представлена подача дополнительного воздуха на рисунке 4.

Рис.4. Схема подачи дополнительного воздуха в цилиндр двигателей

Опыты и практика показывают, что если двигатель работает на мощностных режимах, то состав смеси готовится обогащенным ( = 0,85…0,95), где содержание СО в выхлопных газах достигает 3-4% по объему и увеличивается расход топлива.

В связи с этим перед настоящей работой были поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ отечественных и зарубежных методов и средств улучшения технико-экономических показателей двигателей при работе в эксплуатационных условиях.

2. Обосновать и рассчитать основные конструктивные параметры подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя и фазу газораспределения процесса наполнения.

3. Создать теоретическую модель и провести числовые расчеты изменения основных эксплуатационных параметров модернизированного двигателя при работе в тяжелых эксплуатационных условиях.

4. Подготовить опытный двигатель с дополнительной подачей воздуха в цилиндры при закрытии впускного клапана в НМТ. Провести лабораторные и стендовые исследования, установить его мощностные и экономические характеристики.

5. Провести анализ полученных теоретических результатов и

экспериментальных исследований, разработать рекомендации для практического использования.

Во второй главе был произведён теоретический анализ влияния дополнительного воздуха, введенного в цилиндр, на дозарядку двигателя.

Для определения величины дозарядки или обратного выброса необходимо предварительно рассмотреть такие величины: давление газов во впускном трубопроводе - Р_ТР, находим по выражению (1), силу инерции газов при впуске - Р_И - по выражению (2) и давление газов внутри цилиндра - Р_Х - по выражению (3), используем диаграмму рисунка 5 и таблицу 1.

Таблица 1

после НМТ в гр.	0	20	40	60	80	100
Va/VХ	1,00	1,02	1,10	1,25	1,55	2,11

Р_ТР = 0,5(Р₀ + Р_а)

где Р₀ - давление окружающей среды,Р_а - давление в цилиндре в конце наполнения равно (0,08…0,09) МПа.От силы инерции воздуха, движущегося во впускном трубопроводе, переходим к давлению этой же силы, и находим ее по выражению (2)

, кг/мс²

где о_ТР - коэффициент, учитывающий сопротивления впускного трубопровода;l_ТР - длина трубопровода, м; - плотность воздуха в трубопроводе в кг/м³;- рабочий объем цилиндра, м³;

f_ТР - площадь трубопровода, м²;n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Рис.5. Диаграмма начала процесса сжатия

где n₁ - показатель политропы сжатия (1,32…1,35);

V_а - объём в конце наполнения, м³;

V_x - объём сжимаемых газов, м³.

Соотношение этих давлений на разных режимах работы двигателя различны и при этом возможны следующие физические явления:

дозарядка, выражение (4)

Р_ТР + Р_И > Р_Х ;

Или обратный выброс воздуха, выражение (5)

Р_ТР + Р_И < Р_Х

При небольших частотах вращения зависимость давления от сил инерции и сжатия можно изобразить кривыми, как показано на (рисунке 6).

В этом случае в течение первых 30є опаздывания закрытия впускного отверстия происходит дозарядка, а в течение последующих 20є - обратный выброс. Поэтому величину дозарядки или обратного выброса по выражению (6) целесообразно определять не сразу за весь угол опаздывания закрытия впускного отверстия, а последовательно за каждый угол, равный 15є.

, кг/цикл,

где G_ОП - масса воздуха, поступившего в цилиндр во время опаздывания впуска.

м - коэффициент расхода клапана, равный 0,75…0,85;

ф_ц2-_ц1 - время, в течение которого происходит дозарядка или обратный выброс, в с.



Рис.6. Диаграмма состояния процесса впуска

Рис.7. Изменение массового количества основного, дополнительного, суммарного ввода воздуха, вводимого в цилиндр, и коэффициента наполнения в зависимости от изменения коэффициента подачи дополнительного воздуха

Теоретические исследования и опыты показывают (рисунок 7), что с увеличением подачи дополнительного воздуха в цилиндр (G_ДОП) количество основного заряда (G_ОСН) вытесняется и постоянно снижается, а при закрытии впускного клапана в НМТ достигается наиболее полное наполнение цилиндра, так как отсутствует обратный выброс через основную впускную систему.

В процессе наполнения (рисунок 8), когда впускной клапан в н.м.т., не закрывается, наполнение осуществляется по х - а. Давление в конце наполнения (точка а) Р_а ниже атмосферного. У двигателя, в цилиндре, у которого впускной клапан закрывается в н.м.т., процесс протекает иначе: в момент открытия цилиндрового подпружиненного клапана давление в цилиндре (точка х') увеличивается до давления равному давлению в дополнительной системе. Давление Р'_х = Р_д падает, а затем оно обратно повышается до давления Р'_х = Р_д.. Затем начинается процесс сжатия. В начале сжатия подпружиненный цилиндровый клапан закрывается, начинается политропное сжатие смеси в цилиндре с давления Р_д. Из рисунка 8 видно, что давление Р'_а больше давления Р_а, и давление интенсивней повышается у двигателя при закрытии впускного клапана в Н.М.Т., так как отсутствует обратный выброс через основную впускную систему, следовательно, выше будут мощностные характеристики двигателя.



Рис.8. Диаграмма начала процесса сжатия

двигатель заряд бензин

Массовое наполнение стандартного бензинового двигателя воздухом за цикл (цикловое наполнение) при их работе с полной нагрузкой на разных частотах вращения коленчатого вала не остается постоянным.

По мере роста частоты вращения коленчатого вала уменьшается давление впуска Р_а и несколько увеличивается температура газов в н.м.т. В результате этого цикловое наполнение постепенно уменьшается. Если впуск точно заканчивается в н.м.т., то коэффициент полноты заряда будет равен 1,0 (так как и дозарядка и выброс полностью отсутствуют), а цикловое наполнение будет определяться кривой 1 (рисунок 9).

Однако, если учесть, что впускное отверстие в основном, на всех стандартных двигателях закрывают, когда поршень приходит в н.м.т. и коленчатый вал повернется на 40…60є, то в начале подъема поршня происходит дозарядка, позднее переходящая в выброс, что отражается на цикловом наполнении.

На малых частотах вращения вала преобладает обратный выброс, а на больших - дозарядка. С учетом этого цикловое наполнение определяется уже не кривой 1, а кривой 2 (рисунок 9).

Рис.9. Цикловое наполнение двигателя ВАЗ-11113

1 - при закрытии впускного клапана в НМТ;

2 - при закрытии впускного клапана через 50? после НМТ

Аналитически цикловое наполнение, как указывалось выше, может быть определено по приведенной ниже формуле, если учесть, что, согласно ранее доказанному, при положении поршня в н.м.т. объем, занимаемый воздухом,

,

где е - степень сжатия;

д - коэффициент, определенный значениями Р_а, Р_Г, Т_а и Т_Г (равен ? 0,5);

Масса воздуха

.

Масса воздуха, поступившего в цилиндр за один цикл, то есть цикловое наполнение к моменту закрытия впускного отверстия

G_ЦИКЛ = н G_ОСН

Расчеты, подтвержденные опытами, показывают, что у опытного двигателя с подачей в цилиндры дополнительного воздуха, при равных частотах вращения коленчатого вала, за счет подачи дополнительного воздуха увеличивается частота вращения коленчатого вала. Наибольшее увеличение n при малых частотах вращения (800…1100 мин^-1), где прирост частоты вращения составил Дn в среднем 150…160 мин^-1. Наименьшее увеличение Дn ? 45…55 мин^-1, при большей частоте вращения (1600…1800 мин^-1). Причем, приращение массового циклового наполнения у опытного двигателя с дополнительным воздухом наблюдается на всех эксплуатационных режимах. Тогда как у стандартного двигателя наблюдается снижение циклового наполнения на этих скоростях вращения коленчатого вала. Это видно из выражения (9), где коэффициент полноты заряда н, при закрытии впускного клапана стандартного двигателя, равен единице. У опытного двигателя, кроме основного заряда, поступает в цилиндр под избыточным давлением G_ДОП. Следовательно, цикловой заряд в цилиндре будет составлять:

G_ЦИКЛ = (1 + С)G_ОСН

Поэтому, цикловое наполнение двигателя с рабочим объемом V_h будет получено из выражения:



Если в эту формулу подставить давление впускных газов Р_а, определенное ранее, то в окончательном виде цикловое наполнение будем иметь:

где (1 + С) = н.

Как было сказано, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала «С» снижается. Однако это снижение будет до значения давления дополнительной системы (Р_Д), которое как видно больше, чем давление в цилиндре. Следовательно, подача в цилиндр дополнительного воздуха (G_Д) заменит дозарядку G_ДОЗ, где G_Д > G_ДОЗ и G_ВЫБ. Если произвести дозарядку цилиндра дополнительным воздухом и осуществить закрытие впускных клапанов в н.м.т., то это приведет к резкому увеличению цикловой подачи в цилиндре. Следовательно, повышение подачи топлива, при тех же частотах вращения коленчатого вала, повышает технико-экономические показатели двигателя.

Массовое наполнение двигателя воздухом в единицу времени, например, в минуту, равно сумме фактических цикловых наполнений, осуществленных в течение данного отрезка времени. Массовое наполнение двигателя в минуту G_мин при числе ? циклов в минуту и цикловом наполнении G_ЦИКЛ можно определить из следующего выражения:

G_мин = G_ЦИКЛ ?

Для четырехтактного двигателя при n мин^-1

.

Массовое наполнение четырехтактного двигателя в час

G_час = 30 G_ЦИКЛ n кг/ч

У двигателя с подачей дополнительного воздуха цикловая подача

G_{ЦИКЛ. Д.} = G_ОСН + G_Д

Если это выражение написать через коэффициент подачи дополнительного воздуха «С», то оно будет выглядеть в следующем виде:

G_{ЦИКЛ. Д.} = G_ОСН (1 + С).

двигатель заряд бензин

Следовательно, у двигателя с дополнительной подачей воздуха цикловая подача (G_ЦИКЛ.) будет зависеть не только от основного количества заряда, поступившего в цилиндр через трубопровод, а также и от количественной подачи в цилиндр дополнительного воздуха. Значит минутная подача воздуха, составит:

G_мин.Д. = G_ЦИКЛ. ?

Или

Массовое наполнение двигателя с дополнительной подачей воздуха в цилиндры будет

G_час.=30G_ЦИКЛ.Д.n.

Подставляя ранее найденное значение фактического циклового расхода воздуха G_ЦИКЛ., получаем

,кг/ч.

Для двигателя с подачей в цилиндры дополнительного воздуха

, кг/ч.

У двигателя с вводом дополнительного воздуха часовой расход воздуха увеличивается до определенного предела, затем его рост замедляется. Такое увеличение часового расхода воздуха наблюдается даже в то время, когда расход основного заряда несколько снижается.

Расчеты показывают, что у двигателя с дополнительным завихрением заряда достигается наилучшие технико-экономические показатели при вводе в цилиндр дополнительного воздуха, когда впускной клапан закрывается и поршень находится в нижней мертвой точке.

При подводе дополнительного воздуха получаем наибольший прирост мощности на 6…8% и наименьший расход топлива на 7…10%.

При прочих равных условиях массовое наполнение бензиновых двигателей на 5…8% выше, чем у двигателя без дополнительного завихрения заряда (стандартный) и. выше на 4…6% дозарядка свежей смеси, при этом отсутствует обратный выброс свежего заряда во впускную трубу системы питания.

В третьей главе исследуются объект, программы и методики экспериментальных исследований, а также излагается конструктивная особенность модернизированного двигателя с дополнительной подачей воздуха и с закрытием впускного клапана в нижней мёртвой точке. Составленная методика исследований позволила получить необходимые данные для реализации теоретических основ работы двигателя. Определена точность измерения регистрируемой аппаратуры и дана оценка погрешностей измерения опытов.

Опыты с расслоением и дополнительным завихрением заряда в цилиндре за счет подачи дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия, впускной клапан закрывается, поршень в это время находится в нижней мертвой точке и наполнение цилиндра основной смесью прекращается, проводились на различных двигателях: двухцилиндровом ВАЗ-11113; одноцилиндровом двигателе УД-15 - при различном способе ввода дополнительного воздуха.

Исследования осуществлялись по ГОСТу-14846-81 и ГОСТу-14846-95. При экспериментах переход от модернизованного к серийному варианту осуществлялся путём выключения подачи дополнительного воздуха.

На установке (рисунок 10), было проведено изучение влияния дополнительного завихрения заряда и его расслоения на технико-экономические и экологические параметры при работе двигателя, а также динамические и кинетические показатели, характеризующие в целом двигатель на различных составах смеси и разных скоростных и нагрузочных, установившихся и неустановившихся режимах работы двигателя. На ней были определены изменения скоростей распространения фронта пламени в камере сгорания в процессе горения, используя метод ионизации, разброс параметров характеризующих двигатель по устойчивости работы.

Работа позволила рассмотреть влияние закрытия впускного клапана в нижней мертвой точке на технико-экономические показатели двигателя с дополнительным завихрением заряда. Исследования, в основном, сводились к снятию различных характеристик и особенно к снятию скоростных, нагрузочных и регулировочных характеристик двигателей при различных относительных количествах подаваемого дополнительного воздуха, оцениваемых коэффициентом подачи дополнительного воздуха «С».

Рис.10. Опытная установка на базе двигателя ВАЗ 11113

В зависимости от подаваемого дополнительного воздуха в цилиндры двигателя, испытания были проведены при избыточном давлении в системе расслоения и дополнительного завихрения заряда 0,05…0,06 МПа при С = 0,08…0,30. Обкатка установки, проверка надежности системы питания, охлаждения и смазки, а также контролирующих приборов осуществлялась при работе двигателя без расслоения и дополнительного завихрения заряда. Надежность систем зажигания и питания проверялась перед каждым этапом испытания.

Установка состояла из следующих основных агрегатов:

1) двигателя, оборудованного системами питания, зажигания и подачи дополнительного воздуха в нижнюю часть цилиндра для расслоения и дополнительного завихрения заряда;

2) тормозной системы - электротормоз постоянного тока;

3) устройства для замера расхода основного и дополнительного воздуха;

4) системы замера расхода топлива;

5) пульта управления с контрольно-измерительными приборами.

Опыты проводились на испытательном стенде «RAPIDO».

Максимальный разброс измерений составил около 4%.

В четвёртой главе «Анализ результатов исследования бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда на безмоторных и стендовых установках» представлены основные результаты опытных данных.

Преимущество двигателя с дополнительным завихрением и расслоением заряда с закрытым впускным клапаном в НМТ при малых нагрузках очевидно (рисунок 11).

_v

Рис.11. Изменение границы устойчивой работы двигателя ВАЗ-11113 в зависимости от количества и качества смеси

Если у двигателя без дополнительного завихрения заряда допускаемый диапазон изменения состава смеси на самых малых нагрузках находится по 0,75 и, если провести незначительное изменение состава смеси, то процесс горения выводится за границу устойчивой работы двигателя. Между тем, у двигателя с дополнительным завихрением и расслоением заряда допускаемый диапазон изменения состава смеси на малых нагрузках находится в пределах по 1,07. Следовательно, для выхода за пределы устойчивой работы может быть значительное изменение состава смеси.

Результаты регулировочных испытаний двигателя ВАЗ-11113 с дополнительным завихрением заряда, где дополнительный воздух поступает в цилиндры под углом 12…15 к осевой и диаметральной плоскостям цилиндра и расположением сопла на 10 мм выше от днища поршня, когда он находится в НМТ, приведены на (рисунке 12). Дана скоростная внешняя характеристика, снятая при мощностном составе смеси и оптимальных углах опережения зажигания. Как видно из графика, подача дополнительного воздуха оказывает влияние на энергетические показатели двигателя, которые имеют:

максимальную мощность - 25,2 кВт (34,5 л.с) при 5500 мин^-1;

максимальный крутящий момент - 51 Н.м (5,2 кгс.м) при 3300 мин^-1;

минимальный удельный расход топлива - 264 г/кВт.ч (194 г/л.с.ч).

Положительные результаты получены в испытаниях с подачей дополнительного воздуха 10…30% от общего расхода воздуха - при всех нагрузках и частотах вращения (кроме n_max) при этом улучшаются энергетические и экономические показатели.

Рис.12. Внешняя скоростная характеристика. Двигатель ВАЗ-11113

На (рисунке 13) показано изменение скорости распространения передней кромки фронта пламени по длине камеры сгорания возле различных ионизационных датчиков в зависимости от количественной подачи дополнительного воздуха с закрытым впускным клапаном в НМТ при неизменной величине n (2000, 2400 и 3000 мин^-1), постоянном оптимальном угле опережения зажигания Y₃ и нагрузке (80, 60 и 15%).

Средняя скорость движения передней кромки фронта пламени возрастает по мере передвижения пламени по камере сгорания. У опытного двигателя максимальная величина скорости распространения пламени выше, чем у стандартного двигателя, что способствует наилучшему сгоранию топлива. При этом, максимальная скорость распространения фронта пламени, на всех режимах работы двигателя, получается при вводе в цилиндр оптимального количества дополнительного воздуха С = 0,15.

Рис.13. Изменение средней скорости распространения фронта пламени по длине камеры сгорания. Двигатель УД-15

Основными продуктами неполного сгорания в бензиновых (стандартных) двигателях, работающих на богатых смесях, является оксид углерода (СО), максимальное содержание которого достигает 90…95% от общей токсичности. Причем, как показывают опыты, выход СО не зависит от конструктивных особенностей двигателя, а определяется лишь составом смеси и коэффициентом наполнения. Предельно допустимое содержание СО в местах длительного пребывания человека не должно превышать 0,02 г/м³. Поэтому гигиенисты считают, что проблема загрязнения воздуха оксидом углерода должна выдвигаться на одно из первых мест.

Опыты автора и других ученых показывают, что оксид углерода образуется в условиях недостатка воздуха (кислорода). Правда, оксид углерода может образовываться и при наличии избытка кислорода в результате диссоциации молекул СО₂ при температурах выше 1800С, а также в пристеночных слоях, где температура реакции еще достаточна для развития окислительных процессов, но недостаточна для сгорания оксида углерода в углекислый газ (СО₂).

Полученные автором в результате опытов (рисунок 14) зависимости концентрации оксида углерода от коэффициента избытка воздуха имеют некоторые особенности. Например, при составе смеси = 1,00 концентрация оксида углерода в отработавших газах сохраняет величину около 1,2% и лишь при = 1,1…1,2 падает до малых значений, порядка 0,1%, дальнейшее увеличение , в стандартном двигателе, снова приводит к некоторому увеличению концентрации СО. Поскольку в диапазоне значений коэффициента избытка воздуха от 1 до 1,2 имеется избыток кислорода, следовательно, обычное объяснение причин неполноты сгорания малоубедительно.



Рис.14. Концентрация токсичных веществ в отработавших газах бензинового двигателя УД-15 с дополнительной подачей воздуха при закрытии впускного клапана в НМТ в зависимости от коэффициента избытка воздуха

Появление оксида углерода в этом диапазоне можно объяснить двумя причинами: первая из них, как было сказано выше, является диссоциация СО₂, вторая причина может заключаться в том, что при > 1,20, в стандартном двигателе, сгорание сильно обедненных смесей замедлено и неполно, в особенности в пристеночных слоях в условиях быстрого снижения температур и давлений в процессе расширения, что нельзя сказать о двигателе с дополнительным завихрением и расслоением заряда при закрытом впускном клапане в НМТ. Анализ диаграмм двигателя и температуры по углу поворота коленчатого вала показывает, что в двигателе с дополнительным завихрением и расслоением заряда, по сравнению с обычным стандартным двигателем, максимальное давление сгорания значительно выше, но максимальная температура сгорания ниже. Для процесса сгорания в двигателе с дополнительным завихрением и расслоением заряда характерно то, что сохраняется более высокая температура и давление на большой части расширения, вплоть до открытия выпускного клапана, это способствует доокислению СО даже в выпускной системе двигателя.

В пятой главе «Экономическая эффективность дополнительного завихрения заряда при закрытом впускном клапане в НМТ в бензиновых двигателях» показана цель экономических расчетов и была оценка показателей, которые дают возможность судить о целесообразности внедрения.

Расчётами установлено, что годовая экономия топлива при пробеге 50 тыс. км составит 3278 рублей. А годовой экономический эффект при производстве 90 тыс. штук двигателей составляет около 54 миллионов рублей, что способствует окупаемости за 2 года 11 месяцев (в ценах на 15.01.2009 год).

Выводы

двигатель заряд бензин

1. На основании рассмотрения современного состояния проблем улучшения технико-экономических и экологических показателей двигателя и их основных компонентов - способов и схем интенсификации горения заряда, фонда количественных данных, и существующих расчетных методов, и проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований предложено схемно-конструктивное решение повышения экономических и экологических показателей двигателя путем установки на него системы дополнительного завихрения и расслоения заряда за счет подачи в цилиндр дополнительного воздуха в конце наполнения и в начале сжатия при закрытии впускного клапана в НМТ.

2. Получены новые положительные теоретические характеристики и уточненные закономерные изменения показателей двигателя, у которого улучшено смесеобразование заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха и закрытия впускного клапана в НМТ.

3. Экспериментально отработана, испытана и установлена на двигатель эффективная конструкция расслоения заряда для двигателей ВАЗ-11113, УД-15:

- конструкция системы расслоения включает: отверстие диаметром 5 мм в цилиндре по высоте 5 мм от кромки поршня (двигатель УД-15); отверстие диаметром 7 мм в цилиндре по высоте 10 мм от кромки поршня (двигатель ВАЗ-11113), находящегося в НМТ, обратный пластинчатый подпружиненный клапан, ресивер, воздуходувку (компрессор), соединительные трубки и трубопроводы, измененная геометрия кулачка газораспределительного механизма;

- в оптимальном режиме работы система обеспечивает регулируемый ввод в цилиндры, при постоянном избыточном давлении 0,05…0,06 МПа, дополнительного воздуха в нижнюю часть цилиндра под углом 10…15 к осевой и диаметральной плоскостям в конце такта наполнения и начале сжатия при закрытом впускном клапане в НМТ в количестве от 10 до 30%; затраты мощности на привод воздуходувки не превышает 2,5% от максимальной мощности двигателя;

- двигатель, при равных основных параметрах, работает с более высоким коэффициентом избытка воздуха = 1,5…1,6 (против 1,25…1,35 серийного двигателя).

4. На основании теоретического исследования и экспериментальных данных выявлено новое перспективное направление, которое позволило улучшить эксплуатационные показатели двигателей. Применив, в новом направлении способ работы, включающий подачу в цилиндр дополнительного воздуха и сообщение ему вращательного движения. При использовании разработанного направления представляется возможным: предотвратить обратный выброс и повысить сжатие воздуха поршнем, а также организовать впрыск бензина во вращающийся поток сжатого воздуха через топливную форсунку.

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 научных работах автора. Из них: 1 публикация в изданиях, рекомендованных ВАК России; 4 научных статьи.

Литература

1. Москалев Л.В. Влияние дополнительного завихрения заряда на процесс наполнения бензинового двигателя. /Самойлов Н.П., Москалев Л.В. // Материалы V Международной юбилейной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», Казань, 28-30 ноября 2007 г., Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та 2008. С.198-199.

2. Москалев Л.В. Виляние дополнительно завихрения и расслоения заряда в цилиндре на процесс наполнения. /Самойлов Н.П., Самойлов Д.Н., Михеев А.А, Москалев Л.В. // Вестник.- Казань. Изд-во Казанский ГАУ. №2(8).2008.С.153-156.

3. Москалев Л.В. Определение основных параметров системы подачи в цилиндры дополнительного воздуха. /Самойлов Н.П., Самойлов Д.Н., Москалев Л.В. // Вестник.- Казань. Изд-во Казанский ГАУ. №4(10).2008.С.125-127.

4. Москалев Л.В.Улучшение технико-экономических показателей бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда при закрытом впускном клапане в нижней мертвой точке. /Самойлов Н.П., Москалев Л.В. //Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. 12-13 октября 2009 года. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2009. С.31-36.

Размещено на Allbest.ru

...