Підвищення паливної економічності багатоциліндрових двигунів з впорскуванням бензину в режимах малих навантажень і холостого ходу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

УДК 621.43.004

Підвищення паливної економічності багатоциліндрових двигунів з впорскуванням бензину В режимах малих навантажень і холостого ходу

Спеціальність: 05.05.03 - двигуни та енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дядченко Вячеслав Леонідович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Гутаревич Юрій Феодосійович,

Національний транспортний університет, м. Київ,

завідуючий кафедрою «Двигуни і теплотехніка».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Абрамчук Федір Іванович,

Харківський національний автомобільно-дорожний університет , м. Харків, завідуючий кафедрою «Двигуни внутрішнього згоряння»,

кандидат технічних наук, доцент

Ільченко Андрій Володимирович,

Житомирський державний технологічний університет, м. Житомир,

доцент кафедри автомобілів і механіки технологічних систем.

Захист відбудеться «26» лютого 2010 року о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.059.03 в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою:01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий «____»_____________2010 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.В. Ковбасенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Двигуни внутрішнього згоряння - бензинові і дизелі є і залишаться в найближчому майбутньому основними джерелами енергії на дорожніх транспортних засобах. На легкових автомобілях переважно використовуються бензинові двигуни. Основними режимами роботи цих двигунів в умовах експлуатації є часткові навантажувальні режими і режими холостого ходу. В цих режимах паливна економічність бензинових двигунів значно погіршується. Однією з причин цього є дроселювання паливоповітряної суміші, яке використовується для регулювання потужності цих двигунів. Одним з методів, який зменшує негативний вплив дроселювання на показники бензинових двигунів, є комбінований метод - відключення групи циліндрів і дроселювання працюючої групи циліндрів. Цей метод можна використовувати в сучасних двигунах з системами впорскування бензину із зворотним зв'язком, в яких склад суміші підтримується близьким до стехіометричного в усьому діапазоні навантажень. Виходячи з наведеного, актуальність теми визначають проведені дослідження паливної економічності і екологічних показників сучасного бензинового двигуна при застосуванні комбінованого методу регулювання його потужності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових робіт НТУ на 2005 - 2007 роки за темами: “Дослідження та розробка методів підвищення паливної економічності та зниження шкідливих викидів транспортних засобів в процесі створення двигунів та в умовах експлуатації “ (К 01-05- 1), № держреєстрації 0103U008563, інв. № 0206U004079 (2005р.), “Покращення показників дорожніх транспортних засобів удосконаленням двигунів та їх систем “ № держреєстрації 0107U002832, інв. № 0307U003590 (2006р.), інв. № 0308U001281 (2007р.).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є поліпшення паливної економічності сучасних бензинових двигунів регулюванням їх потужності комбінованим методом - відключенням групи циліндрів і дроселюванням працюючих циліндрів.

Для досягнення вказаної мети в роботі вирішуються такі задачі:

1. Теоретичне дослідження паливної економічності бензинового двигуна, склад паливоповітряної суміші в якому в усьому інтервалі навантажень, за винятком повних, підтримується близьким до стехіометричного, при регулюванні його потужності комбінованим методом - відключенням групи циліндрів і дроселюванням працюючих циліндрів.

2. Розрахункові дослідження паливної економічності і екологічних показників сучасного бензинового двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком при регулюванні його потужності комбінованим методом та їх порівняння з показниками при дроселюванні з каталітичним нейтралізатором та без нього.

3. Розробка методики визначення закономірності зміни положення дросельної заслінки в процесах відключення і включення групи циліндрів, що забезпечує безударний процес переключення.

4. Проведення експериментальних досліджень паливної економічності і екологічних показників бензинового двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком при регулюванні його потужності дроселюванням і комбінованим методом.

5. Визначення закономірності зміни положення дросельної заслінки в процесах відключення і включення групи циліндрів, що забезпечує безударний процес переключення.

6. Створення математичної моделі бензинового двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком як споживача палива при регулюванні його потужності дроселюванням і комбінованим методом.

Об'єкт дослідження - вплив методу регулювання потужності бензинового двигуна з системою впорскування із зворотним зв'язком на його показники.

Предмет дослідження - паливна економічність та екологічні показники двигуна.

Методи дослідження. Теоретичним методом досліджували вплив навантаження на показники роботи двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком, зокрема на величину індикаторного к.к.д., визначали умови доцільного переходу від регулювання потужності двигуна дроселюванням до регулювання комбінованим методом. Розрахунковим методом визначали витрату палива двигуном при дроселюванні і відключенні групи циліндрів, розраховували екологічні показники двигуна при цих методах регулювання потужності при використанні каталітичного нейтралізатора і без нього, визначали закономірність зміни положення дросельної заслінки в процесах відключення і включення групи циліндрів. Експериментальним методом визначали показники двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком при регулюванні його потужності дроселюванням та комбінованим методом.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну складають:

1. Результати теоретичного дослідження паливної економічності бензинового двигуна з системою впорскування із зворотним зв'язком, потужність якого регулюється комбінованим методом, в яких показано, що при застосуванні цього методу паливна економічність такого двигуна поліпшується в порівнянні з дроселюванням всіх циліндрів в результаті підвищення індикаторного к.к.д. та зниження механічних втрат.

2. Результати розрахункового визначення закономірності зміни положення дросельної заслінки при відключенні групи циліндрів бензинового двигуна.

3. Результати розрахункового визначення паливної економічності та екологічних показників бензинового двигуна з системою впорскування бензину і зворотнім зв'язком при відключенні групи циліндрів

Практичне значення одержаних результатів

Практичну цінність роботи складають:

1. Числові значення розрахованих витрати палива та викидів шкідливих речовин при регулюванні потужності бензинового двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком комбінованим способом.

2. Величини кутів відкриття дросельної заслінки при відключенні і включенні групи циліндрів для отримання безударного процесу зміни числа працюючих циліндрів в різних швидкісних режимах.

3. Результати експериментальних досліджень, а саме: показники паливної економічності та концентрації і викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами при регулюванні бензинового двигуна з системою впорскування бензину і зворотнім зв'язком традиційним методом - дроселюванням та комбінованим методом при використанні каталітичного нейтралізатора і без нього.

Результати роботи, зокрема методика теоретичного дослідження показників бензинового двигуна в режимах малих навантажень та холостого ходу, прийняті для використання ДП «ДержавтотрансНДІпроект».

Особистий внесок здобувача.

Роботу виконано в Національному транспортному університеті на кафедрі “Двигуни і теплотехніка”. Здобувачем розроблено методику теоретичних досліджень показників бензинового двигуна в режимах малих навантажень та холостого ходу при різних способах регулювання потужності та проведені такі дослідження, розроблено методику та проведені розрахункові дослідження закономірності зміни положення дросельної заслінки при відключенні і включенні групи циліндрів, розроблено методику та проведені розрахункові та експериментальні дослідження паливної економічності та екологічних показників бензинового двигуна з системою впорскування бензину і зворотнім зв'язком при відключенні групи циліндрів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені та схвалені на конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ в 2003, 2005, 2008 рр.; на Х-ій міжнародній науково-технічній конференції «Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи» м. Севастополь, 2007р., XVIII міжнародній конференції ”Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdуw samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. Zarz№dzanie i marketing w motoryzacji”, м.Жешув, Польща, 2007 р.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 11 наукових працях, в тому числі 7 статтях в фахових виданнях: одна стаття у журналі «Вісник Східно-Українського університету ім. Даля», три статті в науково-технічному збірнику «Вісник Національного транспортного університету», одна стаття в «Окремому випуску центрального наукового центру ТАУ «Автошляховик України», одна стаття в Науково-виробничому збірнику «Вісті автомобільно-дорожнього інституту», одна стаття у всеукраїнському науково-технічному журналі «Двигатели внутреннего сгорания». 3 тези доповідей опубліковані в збірниках 59, 61 та 64 науково-практичних конференцій професорсько-викладацького складу і студентів НТУ в 2003, 2005 та 2008 рр., отримано Патент України на корисну модель №28208.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційну роботу складають вступ, п'ять розділів, загальні висновки, список використаних джерел та додатки. Дисертація має загальний обсяг 172 сторінки машинописного тексту, включаючи 145 сторінок основного тексту, 6 таблиць, 45 рисунків, список використаних джерел з 112 найменувань та 11 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі, визначено об'єкт і предмет дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення, інформація про апробації та публікації основних положень дисертації.

У першому розділі проведено аналіз досліджень по визначенню режимів роботи автомобільних двигунів в різних експлуатаційних умовах, який показує, що основними режимами роботи при русі автомобілів в населених пунктах є часткові навантажувальні та швидкісні режими. В цих режимах для бензинових двигунів характерним є погіршення паливної економічності та підвищення викидів продуктів неповного згоряння, що обумовлено способом регулювання потужності - дроселюванням паливоповітряної суміші. Проаналізовані причини погіршення паливної економічності бензинових двигунів при дроселюванні, визначено, що актуальними є дослідження, направлені на розробку методів регулювання потужності бензинових двигунів, які б зменшували вплив дроселювання. Одним з таких методів є відключення групи циліндрів в режимах часткових навантажень і холостого ходу.

Обґрунтовано, що цей метод регулювання потужності можна назвати комбінованим, враховуючи можливість роботи двигуна на частині циліндрів в режимах часткових навантажень і холостого ходу з дроселюванням працюючих циліндрів та на всіх циліндрах - при повних навантаженнях.

Проведено аналіз наукових досліджень та перспективних розробок, направлених на поліпшення паливної економічності та екологічних показників бензинових двигунів шляхом застосування комбінованого методу. Одним з способів реалізації цього методу є відключення циліндрів припиненням подачі бензину без зміни системи газорозподілу. Цей спосіб може бути реалізований на сучасних серійних двигунах з системою впорскування і зворотним зв'язком. Тому доцільно провести дослідження ефективності комбінованого методу при такому способі відключення циліндрів.

У другому розділі проведено теоретичне дослідження паливної економічності двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком при регулюванні його потужності комбінованим способом.

Паливна економічність при різних методах регулювання потужності порівнювалась при однакових значеннях середнього ефективного тиску, які для “і”-циліндрового двигуна при дроселюванні і відключенні “к” циліндрів визначаються за залежностями:

рeдр = рiдр - рмдр (1)

, (2)

де рiдр і рiв - середні індикаторні тиски при дроселюванні і відключенні циліндрів; рмдр і рмв - середні тиски механічних втрат при цих методах регулювання потужності.

Показником, який характеризує паливну економічність двигуна при однаковому середньому ефективному тиску, є годинна витрата палива (кг/год). Ця величина для випадку регулювання потужності дроселюванням може бути визначена через середній тиск і показники робочого процесу та параметри двигуна

, (3)

при регулюванні потужності комбінованим методом:

, (4)

де Vh - робочий об'єм циліндра, л ; п - частота обертання колінчастого вала, хв-1; і- індикаторний к.к.д.; Ни - нижча теплота згоряння бензину, МДж/кг ; - тактність двигуна.

Умовою доцільного переходу від регулювання дроселюванням всіх циліндрів двигуна до регулювання комбінованим методом з відключенням групи циліндрів з відповідним ступенем дроселювання, який забезпечує однакові значення середнього ефективного тиску є більше значення годинної витрати бензину при дроселюванні в порівнянні з регулюванням відключенням групи циліндрів тобто Ця умова доцільного переходу через показники роботи двигуна:

(5)

де р/тв та р//тв- середній тиск, що затрачується на тертя в працюючих “і-к” циліндрах та “к” відключених циліндрах; р/гв та р//гв - тиск втрат на процес газообміну в працюючих “і-к” циліндрах та “к” відключених циліндрах; рqв - середній тиск теплових втрат у відключених “к” циліндрах: ртдр та ргдр - середній тиск, що затрачується на тертя, на процес газообміну при дроселюванні.

Проаналізовано вплив дроселювання на величину індикаторного к.к.д., який входить в вираз (5) . Величина і визначалась через термічнийt і відносний в к.к.д.

Вплив дроселювання на термічний к.к.д. враховувався виходячи з характеру підведення теплоти за отриманою в дослідженнях акад. Стєчкіна Б.С. залежністю:

(6)

де х - загальна тривалість процесу згоряння, визначена через зміну об'єму надпоршневого простору (V - змінний об'єм над поршнем; Vо - об'єм камери згоряння).

Таким чином зниження термічного к.к.д. в результаті відхилення характеру підведення теплоти від V=const визначається загальною тривалістю процесу згоряння х у відносних одиницях об'єму. З використанням результатів раніше проведених досліджень визначався вплив дроселювання на тривалість початкової і основної фаз згоряння. По мірі дроселювання тривалість основної фази визначалась за залежністю:

(7)

де z - тривалість основної фази в навантажувальному режимі перед включенням збагачення; А/F - відношення повітря до бензину в паливоповітряній суміші; Gцн і Gцдр- питомі циклові подачі бензину в цьому режимі і при дроселюванні, г/л цикл; - коефіцієнти залишкових газів в цих режимах; ne - частота обертання колінчатого вала, хв-1.

Рис.1. Вплив розрідження у впускному трубопроводі на показники роботи двигуна 6Ч 9,5/6,98

Для двигуна 6Ч9,5/6,98, розраховані залежності Gц, та інших показників від розрідження у впускному трубопроводі (рис.1)

Для визначення відносного к.к.д. використані експери-ментальні дані, отримані на двигуні 6Ч 9,5/6,98, який був об'єктом експериментальних досліджень, при визначенні показників за роботи в режимі, близькому до повного навантаження і в режимі холостого ходу, а також характеристики механічних втрат при відкритій та закритій дросельній заслінці. В межах зміни навантаження прийнята лінійна залежність відносного к.к.д.. Залежності к.к.д. двигуна 6Ч 9,5/6,98 від розрідження у впускному трубопроводі показані на рис.2.

Порівняння величини індикаторного к.к.д. при різних методах регулювання потужності проводили при однаковому середньому ефективному тиску.

Залежність індикаторного к.к.д при дроселюванні від середнього ефективного тиску визначали за результатами експериментальних досліджень двигуна.

Середній ефективний тиск при відключенні рев визначали через середній ефективний тиск при дроселюванні редр при однакових n і рк за залежністю:

Рис.2. Залежності к.к.д. двигуна від розрідження у впускному трубопроводі

( 8)

де рм - середній тиск механічних втрат, визначається експериментально; ргопр і ргов - середні тиски втрат на газообмін в працюючих і відключених циліндрах, при відключенні лише подачі бензину ці тиски можуть бути прийняті рівними.

Розрахунки показали, що величина індикаторного к.к.д. при відключенні трьох циліндрів змінюється в межах від 0,306 (в режимі холостого ходу) до 0,35 (перед включенням збагачення суміші), при дроселюванні індикаторний к.к.д в цьому інтервалі навантажень змінюється в межах 0,269…0,326. Таким чином, перехід від дроселювання паливоповітряної суміші на комбінований метод - відключенням групи циліндрів і дроселюванням працюючих циліндрів дозволяє підвищити індикаторний к.к.д. бензинового двигуна з системою впорскування з електронним управлінням і зворотним зв'язком в режимах холостого ходу і малих навантажень на 13,7-7,8 %. При середньому ефективному тиску більшому 0,325 МПа доцільно працювати з дроселюванням всіх циліндрів.

Проведені дослідження по впливу методу регулювання на величину механічних втрат. Для цього були використані експериментальні дані, отримані на прогрітому до нормального теплового стану двигуні при визначенні механічних втрат при відкритій і закритій дросельній заслінці методом прокручування стендом.

З використанням даних, наведених в раніше проведених дослідженнях щодо розподілу складових механічних втрат, визначені величини цих складових.

В результаті розраховані залежності показників двигуна 6Ч9,5/6,98 від середнього ефективного тиску ре при дроселюванні (рис.3) та відключенні трьох циліндрів (рис.4). На цих залежностях: рі - середній індикаторний тиск; рм - сумарні механічні втрати; рт - втрати на тертя; рг - насосні втрати; рд - втрати на привід клапанного механізму і агрегатів; рqв - теплові втрати у відключених циліндрах.

Рис.3. Залежності показників двигуна 6Ч9,5/6,98 від середнього ефективного тиску при дроселюванні (п=1800 хв-1)	Рис.4. Залежності показників двигуна 6Ч9,5/6,98 від середнього ефективного тиску при відключенні трьох циліндрів (п=1800 хв-1)

Як видно з порівняння залежностей рмдр (редр) (рис.3) та рмв (рев) (рис.4) при однакових ре механічні втрати при відключенні циліндрів за величиною, менші в порівнянні з дроселюванням. При ре = 0: рмдр = 0,153 МПа, рмв = 0,145 МПа, при ре = 0,35 МПа, рмдр = 0,138 МПа, рмв = 0,109 МПа. Таким чином, при переході до комбінованого методу регулювання потужності бензинового двигуна можна очікувати покращення паливної економічності внаслідок зменшення внутрішніх втрат.

На рис.5 показані розраховані значення виразу в дужках у формулі (5), позначені А і значення та залежності і(ре) для випадків дроселювання і відключення циліндрів і їх добутків. При рівних значеннях ре можна порівняти паливну економічність. Розрахунки виконані для двигуна 6Ч9,5/6,98. Межі зміни середнього ефективного тиску прийняті такими, які можна отримати при роботі з відключенням трьох з шести циліндрів.

Рис.5. Залежність показників паливної економічності двигуна 6Ч9,5/6,98 від навантаження при різних способах регулювання потужності (п= 1800 хв-1)

Як видно з показаних залежностей, в інтервалі зміни навантажень, що відповідають значенням середнього ефективного тиску 0...0,3 МПа, індикаторний к.к.д. при дроселюванні змінюється в межах 0,269...0,326, при комбінованому методі регулювання - в межах 0,306...0,35.

З отриманих залеж-ностей добутків А?ів та від середнього ефективного тиску видно, що практично у всьому діапазоні навантажень перший добуток перевищує другий, що є умовою доцільного переходу від регулювання потужності дроселюванням до регулювання потужності відключенням трьох з шести циліндрів і дроселюванням працюючих циліндрів.

За формулами (3) і (4) розраховані годинні витрати бензину при дроселюванні Gпдр і відключенні циліндрів Gпв.

Застосування відключення циліндрів дозволить зменшити годинну витрату бензину Gпв в порівнянні з витратою при дроселюванні Gпдр. В режимі холостого ходу розрахункова економія складає 17,4%. В міру підвищення навантаження ця величина дещо зменшується, і при pе= 0,3 МПа, що складає 83% максимального навантаження при роботі на трьох циліндрах, зниження складає 12,7% і лише при повному навантаженні необхідно переходити на роботу на всіх циліндрах. Середнє зниження годинної витрати бензину в усьому можливому навантажувальному режимі при роботі на трьох циліндрах складає 14,4%.

В третьому розділі проведене розрахункове дослідження паливної економічності, екологічних показників та визначення закономірності зміни положення дросельної заслінки при регулюванні потужності бензинового двигуна комбінованим методом.

При відключенні групи циліндрів припиненням впорскування бензину робочий процес в працюючих циліндрах буде таким же, як і при дроселюванні всіх циліндрів і буде визначатись лише розрідженням у впускному трубопроводі і частотою обертання колінчастого вала двигуна. При порівнянні показників двигуна при різних методах регулювання потужності частоту обертання приймають однаковою. Тому витрату бензину і викиди шкідливих речовин працюючим циліндром при комбінованому методі визначає лише розрідження на впуску і вони будуть такими ж, як при дроселюванні при такому ж розрідженні. Це надає можливість визначити паливну економічність двигуна при комбінованому методі, використавши експериментально визначені залежності показників двигуна від розрідження на впуску при дроселюванні всіх циліндрів. Експериментально отримані залежності годинних витрат бензину і повітря , середнього ефективного тиску від розрідження у впускному трубопроводі Дрк. для двигуна 6Ч9,5/6,98 визначені при n=1800 хв-1, показані на рис.6.

Рис.6. Залежність показників двигуна 6Ч9,5/6,98 від розрідження на впуску

При відключенні “к” циліндрів і_циліндрового двигуна витрата бензину при даних розрідженні на впуску і частоті обертання колінчастого вала визначається

, (9)

де - годинна витрата бензину при даному розрідженні при дро-селюванні всіх циліндрів. Середній ефективний тиск при даному розрідженні при відключенні “к” циліндрів розраховуємо за залежністю (8).

Розраховані залежності годинних витрат бензину і повітря та середнього ефективного тиску 3 при відключенні трьох циліндрів від розрідження на впуску також показані на рис.6. Як видно з цих залежностей, при відключенні трьох циліндрів середній ефективний тиск складає близько 44% середнього ефективного тиску на шести циліндрах.

З використанням цих даних побудовані залежності годинної витрати бензину при роботі на шести і трьох циліндрах від середнього ефективного тиску, які показані на рис.7.

В режимі холостого ходу зниження витрати бензину при застосуванні комбінованого методу складає близько 20%, в міру зростання навантаження ця величина зменшується і лише при близьких до повного навантаження економія бензину при комбінованому методі дорівнює нулю, а при повному навантаженні

Рис. 7. Залежність годинної витрати бензину двигуном 6Ч9,5/6,98 від середнього ефективного тиску при дроселюванні (___) і відключенні трьох циліндрів (---) (п=1800 хв-1)

має місце незначна перевитрата бензину. Тому при розробці програми відключення групи циліндрів необхідно визначити момент доцільного переходу від дроселювання до комбінованого методу.

Розраховані залежності годинних масових викидів шкідливих речовин ,,і при роботі двигуна на шести і трьох циліндрах від середнього ефективного тиску показані на рис.8.

Рис. 8. Розрахункові залежності масових викидів шкідливих речовин двигуна 6Ч9,5/6,98 від навантаження при дроселюванні (-) і відключенні трьох циліндрів (---) (п=1800 хв-1)

Викиди шкідливих речовин при переході від дроселювання до відключення циліндрів змінюватимуться по різному: СО, , СО2 - зменшаться, - зростуть.

Сумарні масові викиди , зведені до СО, при відключенні циліндрів вищі в усьому діапазоні навантажень за винятком повного навантаження, де відключення циліндрів недоцільне через перевитрату бензину.

Разом з тим відключення циліндрів приводить до зниження викидів парникового газу СО2 в усьому діапазоні навантажень. В режимі холостого ходу це зниження складає близько 24%.

Одним з основних питань при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів є визначення закономірності зміни положення дросельної заслінки при відключенні і включенні групи циліндрів, яка забезпечує безударний процес зміни кількості працюючих циліндрів.

Запропоновано закономірність зміни положень дросельної заслінки при переході від дроселювання всіх циліндрів до відключення групи циліндрів і в зворотному напрямі визначати розрахунковим методом. В цьому випадку за результатами експериментальних досліджень описують у вигляді поліномів годинну витрату бензину Gп і положення дросельної заслінки др в залежності від крутного моменту і частоти обертання колінчастого вала двигуна для випадків роботи на всіх і частині циліндрів.

Для даної частоти обертання момент переходу від роботи на всіх циліндрах до роботи на частині циліндрів і в зворотному напрямі визначається однаковою годинною витратою бензину при однаковому крутному моменті. При спільному вирішенні поліноміальних залежностей отримано квадратичне рівняння, при вирішенні якого визначаються значення крутного моменту двигуна, при якому доцільно відключати чи включати групу циліндрів та положення дросельної заслінки за роботи на всіх і частині циліндрів, які забезпечать безударний перехід.

Рис.9. Навантажувальні характеристики двигуна 6Ч9,5/6,98 при комбінованому методі регулювання потужності (відключено три циліндри)

У випадку, коли немає можливості на першому етапі провести експериментальні дослідження двигуна при відключенні групи циліндрів, орієнтовну закономірність зміни положення дросельної заслінки при відключенні і включенні групи циліндрів можна визначити, скориставшись експериментальними даними, отриманими для серійного двигуна при дроселюванні всіх циліндрів.

У четвертому розділі наведено результати експе-риментальних досліджень двигуна 6Ч9,5/6,98 ( двигун фірми OPEL), обладнаного системою електронного розподіленого впорскування палива М4.1-Моtronik з зворотним зв'язком так як в випускній системі встановлено кисневий датчик. Двигун встановлено на електричному гальмівному стенді СГЕУ-100 потужністю 100 кВт. В системі випуску встановлено три-компонентний каталітичний нейтралізатор Arvin Tefh (Франція). Установка облад-нана вимірювальною і газоаналізуючою апаратурою.

Експериментальні дослідження включали визначення серії навантажувальних характеристик двигуна при регулюванні потужності дроселюванням за роботи на шести циліндрах та комбінованим методом: відключенням трьох циліндрів і дроселюванням працюючих циліндрів,визначення швидкісних характеристик холостого ходу за роботи двигуна на шести і трьох циліндрах, визначення швидкісних характеристик механічних втрат двигуна при відкритій і закритій дросельній заслінці. Для прикладу на рис.9 показані навантажувальні характеристики двигуна при комбінованому методі регулювання потужності.

Показані на рис.9 концентрації визначались при відборі відпрацьованих газів до нейтралізатора.

Рис.10. Залежності концентрацій шкідливих речовин в відпрацьованих газах від розрідження на впуску при двох методах регулювання: (-) дроселювання всіх циліндрів, (---) комбінований метод

Закономірності зміни екологічних показників працюючих циліндрів двигуна при комбінованому методі такі ж або близькі до показників роботи на всіх циліндрах, якщо порівняння вести при однакових розрідженнях на впуску. Це добре видно з рис.10, на якому показані залежності кон-центрацій шкідливих речовин в відпрацьованих газах від розрідження на впуску при двох методах регулювання в діапазоні навантажень, де можна працювати на трьох і шести циліндрах.

Аналіз визначених в експерименті навантажувальних характеристик показує, що застосування комбінованого способу регулювання потужності в діапазоні навантажень, де можлива робота двигуна на всіх та частині циліндрів, за винятком режиму, де суміш збагачується, дозволяє знизити витрату палива.

Наприклад, для швидкісного режиму 2400хв-1економія палива має місце в діапазоні навантажень 0...18 кВт, при середньому навантаженні 10 кВт зниження витрати бензину складає близько 10%. Особливо значний ефект з точки зору зниження витрати бензину при використанні комбінованого методу має місце в режимах холостого ходу. Годинна витрата бензину при використанні комбінованого способу регулювання знижується в порівнянні з дроселюванням при частоті обертання 730 хв-1 на 32%, при частоті 3620 хв-1 - на 6%.

У п'ятому розділі наведені результати розрахункових досліджень з використанням даних, отриманих в експерименті.

Для прикладу на рис.11 показані навантажувальні характеристики двигуна 6Ч9,5/6,98 як залежності його показників від потужності, визначені в експерименті при частоті обертання колінчастого вала n = 1800 хв-1 при роботі на шести і трьох циліндрах. Як видно з показаних характеристик, ефективна потужність двигуна при роботі на трьох циліндрах складає близько 44% потужності на шести циліндрах. При цьому практично у всьому діапазоні навантажень, за винятком повного навантаження, годинна та питома витрати бензину при роботі на трьох циліндрах нижчі. В режимі холостого ходу годинна витрата бензину при роботі на шести циліндрах становить 2,26 кг/год, на трьох циліндрах - 1,83 кг/год , тобто зменшення складає близько 19%. В діапазоні потужності, де можлива робота двигуна на трьох і шести циліндрах, середня годинна витрата бензину складає 3,45 кг/год для випадку роботи на трьох циліндрах та 3,99 кг/год для випадку роботи на шести циліндрах. Економія бензину складає близько 13,6%. Це близько до результатів, отриманих розрахунком, в яких ця величина складала 14,4%.

Важливим при оцінці методу регулювання потужності двигуна є його вплив на екологічні показники двигуна. В дослідженнях такий вплив оцінювали при обладнанні двигуна каталітичним нейтралізатором та без нього. Для отримання однакової потужності розрідження на впуску за роботи на трьох і шести циліндрах буде різним. На рис.11 показана зміна розрідження на впуску залежно від ефективної потужності при роботі на трьох і шести циліндрах . З показаних графіків видно, що для отримання потужності 15 кВт при роботі на шести циліндрах дросельна заслінка повинна бути відкрита на величину, яка відповідає розрідженню у впускному тракті близькому до 40 кПа, при переході до комбінованого методу регулювання і відключенню трьох циліндрів дросельну заслінку необхідно відкривати практично повністю до розрідження близько 3 кПа.

З використанням цих залежностей та витрат бензину і повітря розраховані масові викиди шкідливих речовин , , , та сумарні масові викиди, зведені до оксиду вуглецю .

Як видно з рис.11, де показані залежності, отримані без нейтралізатора, викиди CО, СmHn, CO2 при відключенні трьох циліндрів зменшуються порівняно з показниками на шести циліндрах і лише при повному навантаженні перевищують їх. Разом з тим відключення циліндрів приводить до зростання викидів NOx, за винятком режиму повного навантаження, тому сумарні масові викиди, зведені до CО, в усьому діапазоні навантажень, за винятком повного, для випадку роботи на трьох циліндрах більші. В середньому це збільшення становить близько 15%.

Для оцінки впливу відключення циліндрів на екологічні показники двигуна при встановленні на двигун каталітичного нейтралізатора були використані результати експериментальних досліджень двигуна з каталітичним нейтралізатором.

Залежності концентрацій шкідливих речовин після нейтралізатора від ефективної потужності при роботі на трьох та шести циліндрах показані на рис.12.

Рис.11. Залежності показників двигуна 6Ч9,5/6,98 від навантаження (без нейтралізатора)	Рис.12. Залежності показників двигуна 6Ч9,5/6,98 від навантаження (з нейтралізатором)

При порівнянні величин концентрацій без нейтралізатора і при встановленні нейтралізатора видно, що концентрації шкідливих речовин значно зменшились за винятком двооксиду вуглецю CO2, концентрації якого дещо зросли. При цьому ефективність нейтралізатора виявилась особливо високою з точки зору зниження концентрацій оксидів азоту.

Сумарні масові викиди, зведені до СО, зменшуються при регулюванні потужності двигуна комбінованим методом. В режимі холостого ходу при роботі на шести циліндрах сумарні масові викиди, зведені до СО, дорівнюють 0,19 ум. кг/год, при роботі на трьох циліндрах - 0,11 ум. кг/год, при потужності близько 7 кВт ці показники відповідно складають 0,22 і 0,14 ум. кг/год. В зв'язку з незначними величинами цих показників порівняно з аналогічними показниками при повному навантаженні показати на графіках таку різницю не вдається. При навантаженнях більших 10 кВт для даного швидкісного режиму сумарні масові викиди, зведені до СО, за роботи на трьох циліндрах значно зростають і перевищують викиди на шести циліндрах, хоча і залишаються значно меншими порівняно з показниками на шести циліндрах без нейтралізатора.

Одним з основних питань при регулюванні потужності бензинового двигуна комбінованим методом є визначення закономірності зміни положення дросельної заслінки при відключенні і включенні групи циліндрів, яка забезпечує безударний процес зміни кількості працюючих циліндрів. Для визначення такої закономірності використані результати експериментальних досліджень.

З використанням розробленої в другому розділі методики визначено, що для двигуна 6Ч9,5/6,98 в усіх швидкісних режимах для отримання практично безударного переходу від роботи на трьох циліндрах до роботи на шести циліндрах і навпаки доцільно перехід здійснювати при крутному моменті, близькому 50 Нм і співвідношенні кутів 1,75.

За отриманими в експериментальних дослідженнях характеристиками з використанням засобів OriginLab визначені поліноміальні залежності, які описують двигун як споживач бензину при різних методах регулювання потужності.

ВИСНОВКИ

1. Основними режимами роботи автомобільних двигунів є часткові навантажувальні та швидкісні режими і режими холостого ходу. Паливна економічність двигуна в цих режимах погіршується. Однією з основних причин погіршення паливної економічності бензинових двигунів в названих режимах є метод регулювання потужності двигунів - дроселюванням паливоповітряної суміші. Одним з напрямів покращення паливної економічності цих двигунів є заміна дроселювання комбінованим методом - відключенням групи циліндрів і дроселюванням лише працюючих циліндрів. Робота присвячена дослідженню паливної економічності і екологічних показників двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком при реалізації цього методу.

2. В теоретичних дослідженнях отримані залежності термічного і індикаторного к.к.д. від навантаження, які враховують вплив на термічний к.к.д. характеру підведення теплоти. Використання комбінованого методу підвищує індикаторний к.к.д. В інтервалі зміни навантажень, що відповідають значенням середнього ефективного тиску 0...0,3 МПа, індикаторний к.к.д. при дроселюванні змінюється в межах 0,269...0,326, при комбінованому методі регулювання - в межах 0,306...0,35.

3. Отримані залежності складових механічних втрат при різних методах регулювання потужності. Показано, що при однакових середніх ефективних тисках механічні втрати при відключенні циліндрів за величиною менші в порівнянні з дроселюванням.

4. Розрахунками показано, що перехід від дроселювання до комбінованого методу регулювання потужності бензинового двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком дозволить зменшити витрату бензину. В режимі холостого ходу розрахована економія складає 17,4%, при середньому ефективному тиску 0,3 МПа зниження складає 12,7% і лише при повному навантаженні необхідно переходити на роботу на всіх циліндрах. Середнє зниження витрати бензину складає 14,4%.

5. Експериментальні дослідження показали, що при використанні комбінованого методу регулювання потужності практично у всьому діапазоні можливих навантажень, за винятком повного навантаження, витрата бензину при роботі на трьох циліндрах нижча. В режимі холостого ходу зменшення складає близько 19%. Ці дані підтверджують правильність теоретичних розрахунків, в яких очікувана економія бензину в цьому режиму складає 17,4%. В діапазоні потужності, яку можна отримати на трьох і шести циліндрах, середня економія складає близько 13,6%. Це також близько до результатів, отриманих розрахунком, в яких ця величина складає 14,4%.

6. Експериментальні та розрахункові дослідження показують, що масові викиди шкідливих речовин при використанні комбінованого методу регулювання потужності в двигуні без каталітичного нейтралізатора в порівнянні з традиційним дроселюванням змінюються по-різному: викиди СО, CmHn, СО2 зменшуються і лише при повному навантаженні перевищують аналогічні показники при дроселюванні. Разом з тим відключення циліндрів приводить до зростання викидів NOx, за винятком режиму повного навантаження, тому сумарні масові викиди, зведені до CО в усьому діапазоні навантажень, за винятком повного, для випадку комбінованого методу регулювання потужності більші. В середньому це збільшення становить близько 15%.

7. При встановленні на двигун каталітичного нейтралізатора при використанні комбінованого методу регулювання потужності масові викиди СО, CmHn , NOx та СО2 менші порівняно з роботою на шести циліндрах при дроселюванні і лише при наближенні до повного навантаження на трьох циліндрах ці показники більші.

Сумарні масові викиди, зведені до СО, також зменшуються при регулюванні потужності двигуна комбінованим методом. В режимі холостого ходу при роботі на шести циліндрах сумарні масові викиди, зведені до СО, складають 0,19 ум. кг/год, при роботі на трьох циліндрах - 0,11 ум. кг/год, при потужності близько 7 кВт ці показники відповідно складають 0,22 і 0,14 ум. кг/год.

8. Експериментальним та розрахунковим методами встановлена закономірність зміни положення дросельної заслінки при відключенні і включенні циліндрів, яка забезпечує практично безударний процес зміни числа працюючих циліндрів при використанні комбінованого методу регулювання потужності бензинового двигуна. Для двигуна 6Ч9,5/6,98 в усіх швидкісних режимах для отримання практично безударного переходу від роботи на трьох циліндрах до роботи на шести циліндрах і навпаки доцільно перехід здійснювати при крутному моменті близькому 50 Нм і співвідношенні кутів відкриття дросельної заслінки рівному 1,75.

9. Результати досліджень, а саме методика теоретичного дослідження показників бензинового двигуна в режимах малих навантажень та холостого ходу прийнято до використання в лабораторії палив та екології ДП Державтотрансндіпроект Міністерства транспорту та зв'язку України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гутаревич Ю.Ф Аналіз способів відключення циліндрів багатоциліндрового двигуна для регулювання його потужності / Ю.Ф.Гутаревич, В.Л.Дядченко, Р.Г.Павлюк // Вісник Східно-українського університету ім. Даля. - 2002. - №10.- С. 91-94.

2. Гутаревич Ю.Ф. Вплив методу регулювання потужності бензинового двигуна відключенням частини циліндрів на екологічні показники та паливну економічність транспортного засобу / Ю.Ф. Гутаревич, Л.П.Мержиєвська, В.Л.Дядченко // Вісник НТУ,ТАУ.- 2002. - №7.-С. 61-64.

3. Дядченко В.Л. Визначення показників бензинового двигуна з системою впорскування при відключенні групи циліндрів. 59 наукова конференція професорсько - викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. - К: НТУ, 2003. - С.13.

4. Гутаревич Ю.Ф. До визначення показників роботи двигуна з системою впорскування при регулюванні його потужності відключенням групи циліндрів / Ю.Ф. Гутаревич, В.Л. Дядченко., О.С. Великорода //Вісник НТУ.- 2005. -№10. - С. 162-166.

5. Дядченко В.Л. Покращення паливної економічності бензинового двигуна з системою впорскування. 61 наукова конференція професорсько -викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. - К: НТУ, 2005. - С. 17.

6. Гутаревич Ю.Ф. Визначення закономірності зміни положення дросельної заслінки при відключенні групи циліндрів бензинового двигуна / Ю.Ф. Гутаревич, В.Л.Дядченко, О.С. Андрюхіна, О.В.Сирота //Вісник НТУ. - 2007. -№14. - С. 80 -84.

7. Гутаревич Ю.Ф. Паливна економічність та екологічні показники двигуна із системою впорскування бензину при відключенні групи циліндрів / Ю.Ф.Гутаревич, В.Л.Дядченко, Л.П.Мержиєвська // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Центрального наукового центру ТАУ. - 2007. - Вип. 10. - С. 57-58.

8. Гутаревич Ю.Ф. Екологічні показники бензинового двигуна з нейтралізатором при відключенні групи циліндрів / Ю.Ф.Гутаревич, В.Л.Дядченко, Л.П.Мержиєвська // Вісті Автомобільно - дорожнього інституту. Донецький національний університет. -2007. - №1(4). - С. 110-113.

9. Патент № 28208 Україна МПК(2006) F02M Система живлення багатоциліндрового двигуна внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням і впорскуванням палива з відключенням групи циліндрів / Гутаревич Ю.Ф., Корпач А.О., Сирота О.В., Дядченко В.Л.; власник Національний транспортний університет. - заявл. 17.08.07; опубл. 26.11.07.- 2007, Бюл. № 19.

10. Дядченко В.Л. Теоретичне дослідження паливної економічності бензинового двигуна при регулюванні потужності відключенням групи циліндрів. 64 науково-практична конференція науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. Тези доповідей. - К: НТУ, 2008. - С. 28.

11. Гутаревич Ю.Ф. Вплив методу регулювання потужності на індикаторний к.к.д. бензинового двигуна / Ю.Ф.Гутаревич, А.М.Редзюк, В.Л. Дядченко // Двигатели внутреннего сгорания. Всеукраинский научно-технический журнал. - 2008. - №1. - С. 10-15.

двигун економічність паливний

АНОТАЦІЯ

Дядченко В. Л. Підвищення паливної економічності багатоциліндрових двигунів з впорскуванням бензину в режимах малих навантажень і холостого ходу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки. - Національний транспортний університет, Київ, 2010 .

Дисертація присвячена підвищенню паливної економічності багатоциліндрових двигунів з впорскуванням бензину в режимах малих навантажень і холостого ходу за допомогою комбінованого методу регулювання потужності.

Проведені теоретичні дослідження паливної економічності двигуна з системою впорскування бензину із зворотним зв'язком при регулюванні його потужності комбінованим методом.

Запропонована методика та проведені відповідні розрахунки по визначенню закономірності зміни положення дросельної заслінки при відключенні та включенні групи циліндрів при реалізації комбінованого методу.

Проведені експериментальні дослідження екологічних показників двигуна при реалізації комбінованого методу.

Ключові слова: двигун з впорскуванням бензину, паливна економічність, відключення циліндрів, комбінований метод,екологічні показники.

АННОТАЦИЯ

Дядченко В. Л. Повышение топливной экономичности много-цилиндровых двигателей с впрыском бензина в режимах малых нагрузок и холостого хода. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - Двигатели и энергетические установки.- Национальный транспортный университет, Киев, 2010.

Диссертация посвящена повышению топливной экономичности многоцилиндровых двигателей с впрыском бензина в режимах малых нагрузок и холостого хода с помощью комбинированного метода регулирования мощности , при котором в этих режимах отключается часть цилиндров и дросселируются только работающие цилиндры.

Проведены теоретические исследования топливной экономичности двигателя с системой впрыска бензина с обратной связью при регулировании его мощности комбинированным методом. В результате показано, что при этом повысится индикаторный к.п.д. и уменьшатся механические потери в двигателе., В интервале изменения нагрузок, соответствующих значениям среднего эффективного давления 0...0,3 МПа, индикаторный к.к.д. при дроселлировании изменяется в пределах 0,269...0,326, при комбинированном методе- в пределах 0,306...0,35

Это подтверждено экспериментальными исследованиями. При использовании комбинированного метода регулирования мощности на шестицилиндровом двигателе с системой впрыска бензина с обратной связью практически во всем диапазоне возможных нагрузок, за исключением полных, расходы топлива снижаются В диапазоне мощности, которую можно получить при работе на трех и шести циліндрах, средний расход топлива составляет 3,45 кг/час при работе на трех цилиндрах и 3,99 кг/час при работе на шести цилиндрах (уменьшение около 13,5%).

Предложена методика и проведены соответствующие расчеты по определению закономерности изменения положения дроссельной заслонки при отключении и включении группы цилиндров при реализации комбинированного метода. Для двигателя 6Ч9,5/6,98 во всех скоростных режимах для получения практически безударных процессов выключения и включения группы цилиндров целесообразно переход осуществлять при крутящем моменте около 50 Нм и соотношении углов открытия дроссельной заслонки 1,75.

Показано, что при оборудовании двигателя каталитическим нейтрализатором экологические показатели при комбинированном методе регулирования мощности улучшаются.

В режиме холостого хода при работе на шести цилиндрах суммарные массовые выбросы, приведенные к СО равны 0,19 усл. кг/час, при работе на трех цилиндрах - 0,11 усл. кг/час, при мощности около 7 кВт эти показатели соответственно равны 0,22 и 0,14 усл. кг/час.

Ключевые слова: двигатель с впрыском бензина, топливная экономичность, отключение цилиндров, комбинированный способ, экологические показатели.

ANNOTATION

Dyadchenko V.L. Increase fuel efficiency multi-cylinder injection gasoline engines in the modes of small loads and idling. - Manuscript.

The dissertation for reception of scientific degree of Cand.Tech.Sci. on the specialty 05.05.03 - engines and power plants. - National Transport University, Kyiv, 2010.

The dissertation is dedicated to improving fuel efficiency multi-cylinder injection gasoline engines in the modes of small loads and idling by the combined method of power control. Conducted theoretical research study fuel efficiency engine with fuel injection system with feedback to regulate its power combined method. The technique and made the appropriate calculations to determine the patterns of changes in throttle position to disable and enable the group cylinder gasoline engine combined with the implementation of the method. The experimental study of environmental performance of the engine in the combined method.

Keywords: injection gasoline engine, fuel economy, off cylinders, combined method, the environmental indicators.

Размещено на Allbest.ru

...