Повышение эффективных и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания газодинамическими методами

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанной с разработкой принципов организации газообмена ДВС, направленных на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска, формулируется цель работы, основные направления исследований, приводятся выносимые на защиту положения и краткое содержание работы.

В первой главе проведен анализ работ, связанных с темой научного исследования. Рассмотрены и проанализированы научные труды, посвященные проблемам организации газообмена в ДВС, таких ученых, как А.С. Орлин, М.Г. Круглов, Б.П. Рудой, А.С. Соколик, В.П. Карпов, Н.А. Иващенко, Ю.А. Гришин, С.Р. Березин, И.А. Черный, Dennison, Jenny E., Benson R., Wright E.H., Ricardo H.R., Hempson J.G.G., Gill K.F., Auriemma M., Blair G.P., Gatowski J.A., Heywood J.B., Deleplace C., Gosman A.D., Arcoumanis C., Bae C. S. и др. Показано, что к настоящему времени общие принципы конструирования ГВТ для обеспечения высокого наполнения достаточно хорошо изучены; в работах Б.П. Рудого сформулирована схема ГВТ для получения предельного коэффициента наполнения. Однако, многообразие требований, предъявляемых к современным ДВС наряду с требованием высокого наполнения, вызывает необходимость развития этой схемы, главным образом для обеспечения экономичности двигателя в поле режимов и удовлетворения нормам токсичности, а также снижения шума выпуска. Экономичность двигателя и нормы токсичности могут быть обеспечены созданием требуемого характера внутрицилиндрового течения воздушного заряда. Рассмотрено влияние закрутки заряда на эффективные показатели двигателя, токсичность ОГ, склонность двигателя к детонации.

На основании анализа исследований показано, что существуют оптимальные значения величин, характеризующих газодинамическое состояние свежего заряда (например, вихревого отношения ), при которых индикаторный КПД двигателей как с искровым воспламенением, так и дизелей достигает максимума. Превышение оптимального вихревого отношения приводит к большему снижению индикаторного КПД из-за возрастания теплоотдачи, чем выигрыш за счет интенсификации смесеобразования и сгорания. Увеличение сверх оптимального не может быть рекомендовано и ввиду повышения максимальной температуры цикла и, соответственно, склонности двигателя к детонации, максимального давления цикла и скорости нарастания давления. Также показано, что детонационная стойкость двигателя определяется организацией интенсивного горения за счет закрутки заряда, инициированной на впуске и поддержанной на такте сжатия и горения. Организация вихревого движения в КС позволяет расширить концентрационные пределы распространения пламени в сторону бедных смесей, минимизировать движение фронта пламени перпендикулярно стенке цилиндра, интенсифицировать турбулентность на малых нагрузках, что снижает токсичность ОГ ДВС. Кроме того, закрутка заряда должна свести к минимуму локальные неоднородности состава топливовоздушной смеси в КС.

Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что существует понимание механизмов влияния конструктивных факторов на показатели газообмена и на эффективность цикла, и в значительной степени - на токсичность, а также на газодинамический шум ДВС. В каждой из этих областей созданы математические модели частного вида, в которых описание динамики явлений ведется, как правило, с невысокой детализацией. C другой стороны, современный уровень развития вычислительной техники и методов численного моделирования стал предпосылкой к применению детальных моделей процессов в тепловых двигателях (ТД). Такие модели характеризуются высокой пространственно-временной детализацией и малой ролью делаемых при их выводе допущений и поэтому могут потенциально обеспечить достоверные результаты при исследовании сложных термогазодинамических процессов. Однако для применения моделей такого класса и достижения стабильно достоверных результатов требуется высокий уровень методического и программного обеспечения и значительные вычислительны ресурсы, что делает достижение практически полезных результатов моделирования с их применением проблематичным или неоправданно затратным. Таким образом, несмотря на значительные результаты, полученные как в понимании сущности явлений в ГВТ, сопровождающих рабочий процесс ТД, так и в области их детального моделирования, слабо разработаны практичные методики «сквозного» моделирования рабочих процессов, направленные на получение достоверных результатов в ответ на запросы практики совершенствования рабочих процессов ТД. Все вышесказанное делает актуальной разработку принципов организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленных на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ, а также математических моделей и методик расчета процессов в ГВТ с учетом закрутки заряда.

Анализ возможных способов создания требуемого газодинамического состояния заряда в цилиндре двигателя показал, что существующие в настоящее время методы (заширмление клапанов, спиральные каналы, крыльчатки различного типа и т. д.) обладают теми недостатками, что, во-первых, не позволяют изменять степень закрутки заряда при заданном расходе воздуха через двигатель и, во-вторых, снижают наполнение двигателя на режимах ВСХ. Сформулирована и обоснована схема двухконтурной системы впуска ДВС (рис. 1), которая позволяет управлять вихревым отношением в зависимости от режима работы двигателя при сохранении условий обеспечения максимального наполнения. Система впуска защищена авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Рисунок 1 Схема ГВТ с двухконтурной системой впуска

Результатами проведенного обзора и анализа явились формирование направлений научного исследования, формулировка цели диссертационной работы, задач исследования и методов их решения.

Во второй главе приведены система уравнений модели и методика расчета неустановившегося течения в ГВТ ДВС с учетом закрутки потока, метод численного решения уравнений модели для элементов ГВТ типа каналов и емкостей и частные модели процессов на границах элементов ГВТ, необходимые для моделирования нестационарных процессов в нем в рамках пространственно одномерного приближения. Модель была применена для количественной оценки влияния конструктивных параметров ГВТ ДВС с двухконтурной впускной системой на интенсивность закрутки заряда в цилиндре, интегрально оцениваемую вихревым отношением Щ в РК, для условий проведенных моторных экспериментов (гл. 4).

Процессы газообмена в экспериментальном двигателе рассчитывались по модели, описывающей течение в его ГВТ как нестационарное, в пространственно одномерной постановке с элементарным учетом закрутки. В такой постановке в качестве исходных соотношений модели участков ГВТ типа каналов приняты записанные в интегральной форме законы сохранения (ЗС) масс компонентов, количества движения, МКД газовой смеси и ее полной внутренней энергии при течении по участку ГВТ примерно круглого сечения с плавно изменяющимися вдоль x геометрическими характеристиками сечения (рис. 2). В допущении о гладкости искомых функций исходные интегральные ЗС в пределе эквивалентны системе уравнений в частных производных

(1)

(2)

(3)

(4)

В уравнениях (1) - (4) -парциальная плотность k-го компонента газовой смеси,

- плотность смеси, u - скорость потока, p - давление в данном сечении; «источниковые» члены системы (1) - (4) задаются соотношениями

где - нормальная, а и - касательные составляющие напряжения трения о стенку, - плотность теплового потока от стенки к газу,

- площадь,

- периметр,

- приведенный радиус сечения.

Рисунок 2 К «квазиодномерным» законам сохранения

Условная окружная скорость на периферии сечения в (3) полностью определяет МКД смеси в данном сечении в допущениях об однородности параметров по сечению и о вращении по закону твердого тела:

.

При таких допущениях составляющая удельной кинетической энергии в сечении, обусловленная закруткой, выражается как

и определения полной удельной энергии и энтальпии принимают вид

где

- массовые доли компонентов

Для замыкания системы уравнений (1) - (4) нужно, кроме калорического, привлечь термическое уравнение состояния. В предположении о том, что рабочее тело - смесь идеальных газов

и (закон Дальтона) и ,

где -газовая постоянная смеси.

Математическая модель процессов в РК двигателя построена при допущении о том, что внутреннее пространство РК можно представить в расчетной схеме в общем случае двумя зонами.

В периоды газообмена, сжатия и расширения текущий внутрицилиндровый объем (объем РК) представлен одной зоной, эволюция состояния которой задается законами сохранения для открытой термодинамической системы:

(5)

(6)

где - масса свежего заряда, а

- масса «чистых» продуктов сгорания в составе РТ, соответственно

и - их массовые доли в потоках смеси на органах газообмена,

- удельная полная энтальпия (энергосодержание) этих потоков,

- количество органов газообмена.

Система (5) - (6) дополняется «нульмерным» вариантом уравнения (3) для учета изменения момента количества вращательного движения.

В период сгорания объем РК делится на две не смешивающиеся зоны: зону 1 несгоревшей смеси и зону 2 продуктов сгорания (ПС):

(«двухзонная» модель сгорания); эволюция состояния системы задается уравнениями сохранения для открытой термодинамической системы для каждой из зон, при выполнении условия равенства давлений в них:

.

Так, на период сгорания двухзонная модель РК включает уравнения сохранения масс компонентов и внутренней энергии смеси в зонах следующего вида:

(7)

(8)

(9)

(10)

В (7) - (10): и - внутренняя энергия в зонах, Дж, - удельная внутренняя энергия и - масса газа в зоне рабочей смеси (где при внутреннем смесеобразовании учитывается содержание топлива в газовой фазе), а - масса газов в зоне ПС, где состав может в простейшем случае определяться элементарным расчетом, но также может быть вычислен с привлечением модели диссоциированного рабочего тела. При допущении о протекании сгорания при закрытых органах газообмена компонентный (или элементный, при учете диссоциации) состав газовых смесей в зонах считается неизменным.

Уравнения (7) - (10) также могут дополняться уравнением, учитывающим потери МКД заряда в РК в целом за счет торможения вихря трением о стенки.

Внешний тепловой поток в стенку РК задается формулой Вошни, в которую подставляются текущие осредненные значения параметров рабочего тела в РК, а затем делится между каждой из двух зон

в соответствии со следующим правилом: весь тепловой поток приписывается зоне, занимающей более 3/4 текущего объема РК , а если такой зоны нет, то он делится поровну между обеими зонами.

Приводимые во второй главе модели реализованы в программных модулях (ТРУБКА, ЦИЛИНДР, АТМОСФЕРА, КЛАПАН, ТРОЙНИК) системы имитационного моделирования (СИМ) «Альбея», которая позволяет создавать модели ГВТ из стандартных элементов и проводить сквозное имитационное моделирование, основным результатом которого может быть (в данном случае) определение Щ в РК к моменту начала сгорания.

Так, в модуле ЦИЛИНДР решается численно система обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) вида (5) - (6) или (7) - (10), записанная в символической «векторной» форме как

Здесь - «вектор» зависимых переменных (искомых функций), - «вектор» правых частей ОДУ; независимые переменные системы - время или угол ПКВ .

В модуле ЦИЛИНДР для численного интегрирования уравнений применена двухэтапная явная схема Эйлера второго порядка аппроксимации; на первом этапе вычисляются предварительные - на слое (1) - значения переменных

…

где - порядковый номер временного шага. На втором этапе вычисляются окончательные () значения переменных:

Рисунок 3 Два режима течения при распаде разрыва на скачке сечения

Компоненты смеси - свежий заряд и продукты сгорания

рассматриваются как газы с переменной теплоемкостью. Зависимости аппроксимируются полиномами шестой степени. Калорическое УС берется (как для бинарной смеси таких газов) в виде

.

В модуле ТРУБКА численное интегрирование уравнений (1) - (4) на расчетном шаге по времени проводится консервативным двухэтапным методом со вторым порядком аппроксимации по t. Для улучшения аппроксимации по x в модуле ТРУБКА применена монотонная кусочно-параболическая реконструкция параметров решения в ячейках.

В символической «векторной» форме система (1) - (4) имеет вид

(11)

где -

«вектор» консервативных переменных,

- «вектор» плотностей их потоков в сечениях,

- «вектор» источников - правых частей уравнений.

Модели взаимодействия нестационарного потока в ГВТ с местными сопротивлениями были модифицированы применительно к течению с закруткой и программно реализованы в модулях КЛАПАН и ТРОЙНИК системы «Альбея».

Так, в модели, вычисляющей параметры потока в узле стыка элементов ГВТ вида канала и емкости на расчетном шаге (КЛАПАН), учтены местные потери полного давления и величины потока МКД, задаваемые эмпирическими зависимостями для стационарного теплоизолированного течения. Задача определения параметров на скачке сечения вида «канал-емкость» в ГВТ формулируется как обобщение задачи о распаде произвольного разрыва (РПР, рис. 3). Для указанного скачка сечения возможны два направления течения при РПР - режим истечения из емкости (рис. 3, а) и режим втекания в емкость (рис. 3, б). В обоих случаях решение задачи о ПР дает параметры в зоне 3, которые определяют потоки масс компонентов рабочего тела, импульса и энергии в канал и потоки масс и энергии в емкость, необходимые для обновления решения в граничных ячейках каналов и в емкостях (или их зонах) на расчетном шаге.

На режиме истечения из емкости (при , рис. 3, а) поступающий в трубопровод из емкости газ остается отделенным от газа в нем контактной поверхностью (КП). Система уравнений, выражающая соотношения на скачке сечения (местном сопротивлении), КП и волне (представляется изоэнтропной независимо от знака) может быть записана относительно неизвестных и :

(12)

где ,

газодинамические функции (ГДФ), дающие значения параметров нестационарного торможения (давления и скорости звука) потока волной, распространяющейся по газу в положительном направлении оси x,

-

ГДФ для расчета параметров стационарного торможения,

- зависимость коэффициента восстановления полного давления как минимум от характерного числа , задающая потери полного давления. Уравнения (12) могут решаться итерационно, например, уточнением в интервале , где определяется конкретной зависимостью для .

Расчет на режиме втекания в емкость (при , рис. 3, б) предполагает, что, газовая смесь из трубопровода мгновенно перемешивается со смесью в емкости (или одной из зон). В этом режиме РПР на скачке сечения описывается уравнением

(13)

Здесь

- зависимость для коэффициента восстановления полного давления при стационарном втекании в емкость. Уравнение (13) также решается итерационным методом.

Рисунок 4 Течение при РПР на тройнике в а) приточном и б) вытяжном режиме

Потери МКД непосредственно на местном сопротивлении могут учитываться коэффициентом (например, ), задаваемым в функции положения запорного органа (клапана), а также (при наличии данных) - чисел M осевой и окружной составляющей закрученного потока. Форма уравнений (12) сохраняется при условии использования газодинамических функций стационарного торможения, обобщенных для закрученного потока.

Модификации на случай закрученного течения в ГВТ подвергнуты две модели, вычисляющие параметры нестационарного потока в узле стыка трех каналов, реализованные в модуле ТРОЙНИК системы «Альбея». Модели также построены на обобщенной задаче о РПР. Нетривиальное решение задачи о РПР на тройнике реализуется в одном из двух вариантов течения - приточном (рис. 4, а) и вытяжном (рис. 4, б) - в месте разветвления; для приведения параметров задачи о РПР к одному из вариантов переиндексируются параметры в исходных данных.

В первой из двух («базовой» модели) для «замыкания» соотношений в месте разветвления канала принято допущение о равенстве давлений

При этом искомая величина давления после РПР находится в диапазоне , где и - минимальное и максимальное из давлений и , что определяет выбор единственного варианта картины при РПР на тройнике (рис. 4), т. к. направление и режим течения определяются соотношением нестационарно заторможенных давлений в трех сходящихся к тройнику каналах:

Если и , формируется течение, показанное на рис. 4, а) - с волной разрежения, движущейся по газу в зоне разделением потока газа 7 на два потока в зонах 3 и 6, отделяемых контактными поверхностями соответственно от зон 2 и 5, и волнами сжатия, движущимися по зонам и (приточный режим течения через тройник). При последовательном уточнении величины давления

невязка расходов минимизируется с применением соотношений на КП и простых изоэнтропных волнах.

Если же и , образуется картина течения (рис. 4, б) с волной сжатия, движущейся по газу в зоне параметры за фронтом которой отделены контактной поверхностью от газа в зоне 7, образованной смешением потоков из зон 3 и 6 (вытяжной режим течения через тройник). Невязка расходов также может служить для уточняющих итераций при расчете РПР. Данный вариант модели использован в расчетах процессов в ГВТ для разветвлений в выпускном коллекторе, неответственных с т. з. оценки закрутки заряда, но требующих от модели ТРОЙНИКА повышенной устойчивости ввиду большей интенсивности волн в выпускной системе.

Во второй модели вместо условия

ля связи параметров квазистационарном потока в узле разветвления используется зависимость для коэффициента восстановления полного давления . Данная модель была применена для расчета течения в месте стыка контуров впускной системы.

В обоих вариантах модели РПР на тройнике учет потоков МКД из каждого и в каждый из сходящихся на тройнике каналов производится по значениям параметров в граничных сечениях каналов с привлечением специальных гипотез. Так, поток МКД во впускной патрубок ДВС вычисляется умножением потока количества движения на срезе вторичного контура на эффективный эксцентриситет оси этого канала относительно оси впускного патрубка (рис. 5):

Условность такой оценки подводимого МКД не дает методической погрешности при «сквозном» моделировании течения с закруткой в ГВТ, если данным соотношением задается «номинальный» поток МКД также при обработке результатов продувок впускных каналов (гл. 3), из которых определяются зависимости для , характеризующие потери МКД на впуске.

Применение предложенных моделей позволяет прогнозировать влияние конструкции двухконтурной системы впуска как на наполнение так и на интегральные параметры газодинамического состояния заряда для оценки возможности улучшения показателей ДВС на частичных режимах.

Рисунок 5 К расчету номинальной величины потока МКД из вторичного канала в основной

В третьей главе приведены результаты безмоторных экспериментов, показавшие возможность создания закрутки во впускной системе и РК двигателя и управления интенсивностью закрученного течения при использовании двухконтурной впускной системы, измерены потери МКД при перетекании закрученного потока через впускной клапан ДВС и выполнена идентификация примененных в расчетах моделей нестационарного течения в узле разветвления трубопроводов.

Экспериментально изучена структура течения - поле скорости закрученного потока во впускной системе двигателя (измерением разности полного и статического давлений по сечению). Проведено определение вектора скорости потока в двух сечениях от стыка трубопроводов в пяти точках каждого сечения. В исследовании использовался четырехдырчатый насадок клиновидной формы. Продувка каналов в условиях установившегося потока позволила определить значения газодинамических характеристик системы впуска, возможность создавать закрутку свежему заряду в двухконтурной впускной системе и регулировать интенсивность закрученного движения изменением соотношения расходов воздуха через контуры, а также регулированием углов установки дополнительного трубопровода. Канал экспериментальной установки имитировал систему впуска с двухконтурной подачей воздуха. Стык трубопроводов выполнен с возможностью регулирования углов наклона дополнительного трубопровода продольной (угол в) и поперечной (угол ) плоскостях.

Выполнены эксперименты, целью которых являлось исследование возможности сохранения закрутки потока в РК двигателя, регулирования степени закрутки потока в РК, а также определение оптимальных углов установки дополнительного контура для получения максимальной закрутки. В экспериментах применен метод спрямляющей решетки, измеряющей суммарный крутящий момент, создаваемый закрученным потоком. Этот момент равен потоку МКД через плоскость, совпадающую с входным сечением спрямляющего устройства. Результаты измерений подтвердили, что закрутка заряда, созданная в двухконтурной впускной системе, в значительной степени сохраняется в виде вращательной составляющей движения рабочей смеси в цилиндре двигателя. Определены углы установки дополнительного контура для получения максимального коэффициента закрутки при разных соотношениях расходов воздуха через контуры. Коэффициент закрутки потока в РК может быть изменен от 0 до 20% регулированием параметров системы впуска (рис. 6).

Исследована возможность создания и регулирования интенсивности закрученного движения в РК в условиях нестационарного впуска. Условия нестационарного впуска имитировались на одноцикловой установке с генератором волн конечной амплитуды. Показано, что закрутка потока, созданная в двухконтурной впускной системе в условиях единичного впуска, сохраняется в РК.

Рисунок 6 Изменение коэффициента закрутки в зависимости от угла для различных углов в а) основной контур открыт полностью; б) основной контур открыт на 50 %; в) основной контур открыт на 25 %; г) основной контур закрыт. Угол в: Д- 30°; _ - 45°; ^- 60°; ? - 90°; ¦ -120°

Проведены расчетно-экспериментальные исследования, имевшие целью идентификацию базовой модели тройника, основанной на допущении о равенстве давлений на стыке каналов, и калибровку модели тройника, основанной на квазистатической характеристике гидравлических потерь, посредством определения коэффициентов потерь на тройнике в нестационарном потоке. Получены эмпирические данные для замыкания соответствующих моделей течения в узлах разветвления. Эксперименты проведены на одноцикловой установке с генератором волн конечной амплитуды, к которой подключались трубопроводы с разветвлениями. Сравнение результатов расчетов по модели тройника, основанной на допущении о равенстве давлений на стыке каналов, с экспериментом подтвердило удовлетворительное совпадение и позволило рекомендовать применение этой модели для узлов стыка каналов многоцилиндрового ДВС. Модель тройника, основанная на квазистатической характеристике гидравлических потерь, после калибровки - определения коэффициентов потерь на тройнике (моделирующем место включения дополнительного контура в основной) в нестационарном потоке, стала пригодной для описания течения в соединении контуров впускной системы.

Учет потерь МКД (наряду с потерями полного давления) при перетекании на участке от сечения слияния контуров до РК был необходим для определения значений вихревого отношения Щ в РК ДВС перед началом сгорания, соответствующих условиям стендовых испытаний, результаты которых приведены в главе 4. Поэтому в расчетах Щ по моделям главы 2 задавались соответствующие зависимости, которые были полученные измерениями при продувках элементов впускной системы на безмоторном стенде. Потери МКД при перетекании закрученного потока через впускной клапан испытуемого ДВС определены в специальной серии экспериментов - продувок клапана закрученным стационарным потоком.

В четвертой главе представлены результаты стендовых испытаний двигателя, оборудованного двухконтурной впускной системой. Следовало подтвердить основную гипотезу о том, что применение указанной системы впуска, не ухудшая показателей ДВС при работе по ВСХ, существенно улучшает показатели двигателя при его работе на частичных режимах и расширяет диапазон его устойчивой работы по составу смеси. С этой целью были измерены величины крутящего момента, содержание токсичных компонентов ОГ как по ВСХ, так и на частичных режимах при различных значениях относительных расходов воздуха в ее контурах, получены регулировочные характеристики по составу смеси и углу опережения зажигания, выполнено индицирование двигателя.

Для того чтобы сделать возможным перенос сделанных наблюдений и рекомендаций как на разделенные, так и на впускные системы, использующие иные принципы придания закрутки заряду в цилиндрах ДВС различной размерности, в качестве параметра, характеризующего интегрально итоговую степень закрутки смеси, выбрано вихревое отношение Щ в РК на момент начала видимого сгорания. Ввиду того, что непосредственное измерение величины Щ в РК ДВС невозможно, значения Щ в РК ДВС, соответствующие условиям измерений, определялись численным моделированием процессов в ГВТ по моделям, приведенным в главе 2. Достоверность результатов расчета Щ обеспечивает, во-первых, описание течения в ГВТ как нестационарного по времени в системе с распределенными параметрами, а во-вторых, учет полученных экспериментально в главе 3 характеристик впускных каналов.

Для проведения экспериментов использована исследовательская установка в составе двигателя УЗАМ 33137 с распределенным впрыском топлива, электромеханической динамометрической тормозной установки 1DS 736/V фирмы VSETIN и программно-аппаратного комплекса для проведения калибровок на базе процессора Микас 7.1. Все измерения соответствуют требованиям ГОСТ 14846-81. Фотография исследовательской установки представлена на рис. 7. Эксперименты заключались в снятии характеристик двигателя в базовой комплектации и двигателя в комплектации двухконтурной системой впуска. Конструкция системы впуска базового двигателя и основного контура двухконтурной системы впуска выполнены по схеме, обеспечивающей максимальное наполнение.

Двигатель в базовой комплектации соответствует двигателю с двухконтурной системой впуска с нулевой степенью закрутки (основной контур открыт, малый контур закрыт полностью). Двигатель в комплектации двухконтурной системой впуска испытывался с максимальной степенью закрутки при подаче воздуха только через малый контур и с промежуточными степенями закрутки потока при подаче воздуха через оба контура. В качестве регулировочного параметра, определяющего степень закрутки заряда в РК, используется диаметр шайбы в основном контуре (0 мм, 8 мм, 10 мм, 34 мм), с уменьшением которого повышается относительный расход через малый контур при неизменном суммарном расходе воздуха через двигатель, что увеличивает вихревое отношение Щ. Диаметр шайбы 34 мм соответствует полностью открытому основному контуру.

Рисунок 7 Исследовательская установка

Регулировочные характеристики по составу смеси и углу опережения зажигания снимались на режимах от глубокого дросселирования до полного открытия дроссельной заслонки. Регулировочные характеристики по составу смеси приведены на рис. 8, 9 и 10. Регулировочные характеристики по углу опережения зажигания снимались при составах смеси, соответствующих минимальным удельным эффективным расходам топлива. В подписях к рисункам даны характерные значения вихревого отношения Щ, вычисленные для определенной комплектации системы впуска, условий работы и некоторого характерного состава смеси. ВСХ снимались при оптимальных регулировках состава смеси и угла опережения зажигания на каждой точке характеристики. ВСХ приведены на рис. 11. Здесь же, для сравнения, приведены ВСХ испытуемого двигателя при комплектации его серийной карбюраторной системой впуска.

Анализ полученных характеристик показывает, что наибольший эффект от применения двухконтурной системы впуска наблюдается на режимах глубокого дросселирования и низких частотах вращения вала при надлежащем выборе программы регулирования расходов воздуха через контуры (при максимальной, или близкой к максимальной, закрутке заряда в цилиндре).

Результаты индицирования свидетельствуют, что двухконтурная впускная система способствует существенному улучшению полноты и скорости выгорания смеси для режимов, на которых вялое внутрицилиндровое течение заряда в базовом двигателе компенсируется интенсивной закруткой, сообщаемой потоку в двухконтурной системе впуска. Максимальные расчетные значения Щ (до 10 - 11), которые достигаются при подаче воздуха через дополнительный контур, считаются весьма существенными из опыта исследований ДВС. Влияние таких уровней закрутки на рабочий процесс подтверждено выполненными экспериментами.

Рисунок 8 Регулировочные характеристики по составу смеси; n = 1800 мин -1, GВ = 40 кг/час; ? - двигатель базовый, Щ = 0,15;^- двигатель с разделенной системой, подача воздуха через малый контур, Щ = 5,6; ¦ - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба контура, Щ = 0,02; вихревые отношения Щ определены для = 1

Рисунок 9 - Регулировочные характеристики по составу смеси; n = 1500 мин -1, GВ = 54 кг/час; ? - двигатель базовый, Щ = 0,17; Д - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба контура, Щ = 0,01 (D = 34 мм); ? - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба контура, Щ = 1,2 (D = 10 мм); ¦ - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба контура, Щ = 2,1 (D = 8 мм); ^- двигатель с разделенной системой, подача воздуха через малый контур, Щ = 6,8 (D = 0 мм); вихревые отношения Щ определены для = 1,1

Рисунок 10 - Зависимости углов опережения зажигания, соответствующих минимальным удельным эффективным расходам топлива, от состава смеси; режим, обозначения кривых и характерные значения вихревых отношений Щ - те же, что для рис. 9

Экспериментами установлено, что при обеднении смеси закрутка способствует улучшению показателей и становится фактором, обеспечивающим саму возможность работы при существенном обеднении, положительно влияя на скорость и полноту выгорания. Диапазон устойчивой работы двигателя на частичных режимах при применении двухконтурной системы впуска расширяется в зону бедных смесей на 20 - 30%. Минимальные удельные эффективные расходы топлива по регулировочным характеристикам по составу смеси при применении двухконтурной системы впуска снижаются до 22% на частичных режимах. Минимумы удельных эффективных расходов топлива при применении двухконтурной системы впуска смещаются в сторону обеднения до 10%.

Рисунок 11 - Внешние скоростные характеристики; ? - двигатель базовый (с впрыском и настроенной системой впуска); ^- двигатель с впрыском и настроенной разделенной системой впуска; ¦ - карбюраторный двигатель

Показано, что при работе двигателя с коэффициентами избытка воздуха, соответствующими минимальным значениям удельных эффективных расходов топлива, выбросы CO при применении двухконтурной системы впуска снижаются на 60 - 70% на частичных режимах. Выбросы CH снижаются на 2 - 8%. Минимальные значения выбросов CO и CH по регулировочным характеристикам по составу смеси при применении двухконтурной системы впуска меняются несущественно. Однако минимумы выбросов CH смещаются в сторону обеднения на 6 - 10% на частичных режимах.

Минимальные удельные эффективные расходы топлива по регулировочным характеристикам по углу опережения зажигания при применении двухконтурной системы впуска меняются мало. Однако минимумы удельных эффективных расходов топлива смещаются в сторону меньших углов опережения зажигания на 20 - 48%, что свидетельствует об увеличении скоростей горения.

Улучшение показателей двигателя на частичных режимах при применении двухконтурной системы не сопровождается ухудшением эффективных показателей и токсичности ОГ на режимах ВСХ. Максимальный крутящий момент двигателя незначительно возрастает. Коэффициент наполнения, минимальный удельный эффективный расход топлива и токсичность ОГ меняются мало.

Основным результатом проведенного расчетно-экспериментального исследования явилось подтверждение исходной гипотезы. Действительно, при применении двухконтурной впускной системы для каждой точки поля режимов работы двигателя, определяемой частотой вращения вала и расходом воздуха, существует и может быть найдена оптимальная (по некоторому критерию) интенсивность закрутки свежего заряда на впуске и соответствующее ей оптимальное соотношение расходов воздуха через контуры. При близком к оптимальному уровне закрутки заряда на частичных режимах доказано существенное улучшение удельного эффективного расхода топлива и показателей токсичности. Свидетельством в пользу того, что оптимальная закрутка в РК благоприятно влияет на характер и полноту турбулентного выгорания рабочей смеси стало четко наблюдаемое расширение диапазона устойчивой и эффективной работы ДВС по составу смеси. Снижение коэффициента цикловой невоспроизводимости kцн на 26 - 48 % по данным индицирования на несколько обедненной смеси ( = 1,1), указывает на благоприятное влияние увеличения Щ на рабочий процесс, по крайней мере, для исследованных режимов работы двигателя. Результаты проведенных на двигателе измерений не только подтверждают возможность улучшения показателей эффективности и токсичности при работе на частичных режимах, но и позволяют дать рекомендации, полезные при проектировании и создании программ регулирования систем, обеспечивающих каким-либо образом закрутку потока свежего заряда на впуске ДВС.

В пятой главе рассмотрена возможность снижения шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена. Показано, что схема ГВТ, обеспечивающего максимальное использование энергии газов для улучшения очистки и наполнения РК, не обеспечивает одновременно и низкий уровень шума т.к. полное устранение пульсаций требует неприемлемо большого объема ресивера.