Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Потенциальные возможности улучшения топливной экономичности бензиновых двигателей за счет изменения программы дозирования топлива 10
1.2. Автоматическая адаптация программы управления составом горючей смеси - закономерный этап развития систем управления двигателем 20
1.2.1. Целесообразные критерии адаптации программы дозирования топлива 28
1.2.2. Технико-экономические предпосылки появления программно-адаптивных систем питания по критерию стехиометрического состава горючей смеси и основные предъявляемые к ним требования 35
1.3. Анализ конструкций механизмов изменения состава горючей смеси 47
1.4. Постановка задач исследований 67
2. Влияние стехиометрического состава горючей смеси на топливную экономичность бензиновых двигателей
2.1. Теоретическое исследование топливной экономичности двигателя при переводе его работы с экономической на стехиометрический состав горючей смеси 71
2.2. Теоретическое исследование газодинамики процесса смешения потоков горючей смеси и вводимого во впускную трубу воздуха
2.2.1. Некоторые вопросы взаимодействия основного потока воздуха с поперечной струей 80
2.2.2. Расчет отклонения траектории основного потока воздуха при его взаимодействии с поперечной струей 87
3. Методика проведения применяемая аппаратура
3.1. Цели и задачи эксперимента 97
3.2. Объекты исследования и применяемая аппаратура 97
3.3. Методика исследования влияния стехиометрического состава горючей смеси на топливную экономичность бензинового двигателя 101
3.4. Методика исследования влияния способов изменения состава горючей смеси на экономичность бензинового двигателя 104
4. Результаты экспериментального исследования
4.1. Результаты экспериментального исследования влияния стехиометрического состава горючей смеси на топливную экономичность бензинового двигателя НО
4.2. Результаты исследования влияния способов изменения состава смеси на топливную экономичность 117
4.3. Общая схема и принцип работы программно-адаптивной системы питания по критерию стехиометрического состава горючей смеси 127
4.3.1. Разработка электронного блока управления 127
4.3.2. Каскад д-зонда * 132
4.3.3. Каскад синхронизации по частоте вращения коленчатого вала двигателя 135
4.3.4. Схема выбора каналов регулирования 137
4.4. Определение оптимальной зоны действия датчика кислорода 138
Выводы и рекомендации 149
Литература
- Потенциальные возможности улучшения топливной экономичности бензиновых двигателей за счет изменения программы дозирования топлива
- Технико-экономические предпосылки появления программно-адаптивных систем питания по критерию стехиометрического состава горючей смеси и основные предъявляемые к ним требования
- Некоторые вопросы взаимодействия основного потока воздуха с поперечной струей
- Методика исследования влияния стехиометрического состава горючей смеси на топливную экономичность бензинового двигателя
Введение к работе
Разработанная на основе решений ШІ съезда КПСС и последующих Пленумов ЦК КПСС энергетическая программа СССР на длитель -ную перспективу прямо предусматривает на основе внедрения достижений науки и техники экономное расходование топлива и энергии, считая это важнейшей народнохозяйственной задачей [l,34].
В последние годы особенно возросла актуальность улучшения топливной экономичности при наложении ограничений на токсичность ОГ автомобильных бензиновых двигателей, хотя более глубоким методом экономии топлива является дизелизация. Это вызвано, с одной стороны, тем, что по большинству прогнозов еще долгое время основным видом силовой установки транспортных средств будет оставаться двигатель внутреннего сгорания [29,32]. С другой стороны, необходимость улучшения топливной экономичности именно бензиновых двигателей определяется складывающимся топливным балансом страны, так как естественный выход из нефти бензиновых фракций только на прямогонных установках нашей нефтеперерабатывающей промышленности в 12-й пятилетке достигнет миллионов тонн, использование которого возможно в основном в бензиновых двигателях.
На фоне непрерывно повышающегося уровня современных автомобильных двигателей одним из существенных резервов улучшения их топливной экономичности и экологических характеристик является оптимизация управления составом горючей смеси и зажиганием в зависимости от режимов работы двигателя и условий окружающей среды.
Известно, что существенным резервом дальнейшего повышения топливной экономичности ДВС с искровым зажиганием является совершенствование их приборов питания.
В современных системах питания наибольшее распространение получили карбюраторы. Они представляют собой автоматические устрой 6
ства, регулирующие состав смеси в зависимости от режимов работы двигателя по жесткой, заранее заложенной программе. Современный автомобильный двигатель эксплуатируется в широком диапазоне постоянно меняющихся нагрузочных и скоростных режимов, существенно изменяющихся условиях окружающей среды, большую часть кото -рых практически невозможно учесть при составлении программы дозирования топлива. Поэтому любое изменение условий работы двигателя приводит к неизбежному рассогласованию заложенной в систему программы с соответственно изменяющимися оптимальными программами. Это приводит к ухудшению экономических, мощностннх и экологических параметров двигателя [49].
Дальнейшее повышение топливной экономичности бензиновых двигателей традиционными путями в условиях массового производства связано с большими технологическими трудностями [42]. Поэтому в последние годы для решения поставленных задач стали использовать различные электронные системы автоматического управления и контроля. К решению задач по дальнейшему повышению топливной экономичности двигателей уже подключены ряд организаций различных министерств и ведомств, а также ряд институтов. Настоящий период развития автомобилестроения характеризуется как начальный период использования в системах автомобиля микроэлектроники, степень оснащения которой становится показателем его совершенства. Электронные системы управления обеспечивают повышение топливной экономичности на 5-Ю % при одновременно повышении мощности двигателя и снижения токсичности ОТ [iOl]. За счет функциональной гибкости электронных систем наиболее целесообразно использовать их в быстроизменяющихся городских условиях эксплуатации автомобиля. Такие системы способны осуществить автоматическую адаптацию двигателя к самым различным условиям эксплуатации. Зто является существенным преимуществом электронных систем управ 7
ления. Применение электроники в автомобильном транспорте - закономерный этап развития систем управления двигателем и автомоби -лем и вызвано рядом технико-экономических предпосылок.
Проникновение микроэлектроники во все отрасли промышленности на основе объединения их достижений, способствует ускорению научно-технического прогресса в целом, наиболее быстрому и эффективному их совместному развитию, решению важнейших народнохозяйственных задач. Поэтому, учитывая сближение таких отраслей как автомобильная и электронная, которые долгое время развивались относительно автономно, и имеющийся опыт применения средств электронной автоматики в системах впрыска топлива, а также развитие метрологической техники, в настоящий период существуют все условия для перехода при относительно небольших экономических затратах к практической реализации качественно нового метода дозирования топлива по внходным параметрам двигателя.
Таким образом, наиболее перспективным методом обеспечения оптимальных программ дозирования является использование принципов автоматической адаптации. Учитывая, что единственным практически надежным и получившим широкое распространение датчиком для реализации обратной связи является датчик кислорода (так называемый _Д -зонд) было принято решение последовать основные предпосылки использования стехиометрического состава горючей смеси для практической реализации адаптивных систем дозирования.
Вместе с тем, неясной областью в этой проблеме оказалось до сих пор нераскрытое противоречие между реально получаемыми результатами испытания подобных систем (в частности, повышение топливной экономичности двигателей) с фундаментальными теоретическими положениями, которые однозначно показывали несовместимость стехиометрической программы дозирования с оптимальной программой, обеспечивающей наивысшее тепловыделение в двигателях с искровым зажиганием. Считают, что перевод работы двигателя на стехиомет-рический состав горючей смеси оправдан только при необходимости применения на автомобиле трехкомпонентного нейтрализатора [12].
Кроме того, имеются соответствующие программы ГКНТ Совета Министров СССР по применению средств электронной автоматики с целью комплексного управления двигателем.
В связи с этим целью данной работы является комплексное изучение влияния стехиометрического состава горючей смеси на топливную экономичность двигателей и методы ее реализации программно-адаптивными системами питания с использованием сигнала обратной связи датчика кислорода.
Работа проводилась в соответствии с планами внедрения средств электронной автоматики для совершенствования систем автомобильных двигателей, которые разработаны министерствами автомобильной и электронной промышленности и в настоящее время реализуются в отрасли.
Основанием для разработки системы питания по критерию стехиометрического состава смеси двигателя ЗИІ-І30 явились планы научно-исследовательских работ кафедры АЗД МАМ, НИИавтоприборов и отдела главного конструктора МКЗ Объединения АвтоЗИЛ.
Структурная схема диссертации представлена на рис.1.1. Она состоит из введения, четырех разделов и выводов, списка использованной литературы.
Работа была выполнена на кафедре "Автомобильные и тракторные двигатели" МАМИ. Моторные испытания проведены в лабораториях МАШ, НИИавтоприборов и МКЗ.
Результаты исследований переданы в НИИавтоприборов и МКЗ для использования в дальнейших работах.
Потенциальные возможности улучшения топливной экономичности бензиновых двигателей за счет изменения программы дозирования топлива
Современные бензиновые двигатели с внешним смесеобразованием достигли высокой степени совершенства. Относительный к.п.д. двигателей массового производства достигает 80-85 %, а в ряде случаев и более [II,8,59].
Однако они не в состоянии удовлетворить все возрастающие требования по повышению топливной экономичности и снижению выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами во всем диапазоне режимов работы двигателей.
Это объясняется, прежде всего, тем, что характеристики удельного расхода топлива и эмиссии токсичных компонентов ОТ в зависимости от состава горючей смеси (оС) протекают, как правило, в противоположных направлениях. Если, например, оС выбирается по минимуму Ое , то эмиссия токсичных компонентов сильно возрастает, и , наоборот [49]. Ввиду сложности удовлетворе -ния этим противоречивым требованиям совершенствование двигателей и их систем питания становится особенно актуальным, так как достичь желаемой экономичности и токсичности двигателя только изменением программы дозирования топлива не представляется возможной в силу ряда причин.
Среди систем питания бензиновых двигателей наибольшее распространение, как известно, получили пульверизационнне карбюраторы.
Глубокое исследование процессов, протекающих в карбюраторе, и изучение требований, предъявляемых двигателем к системам пита II ния, выявляют основной и принципиально неустранимый недостаток любых, даже самых совершенных карбюраторов, работающих по принципу истечения топлива из распылителей под действием разрежения в .диффузоре. Одинаковое разрежение в диффузоре можно получить при различном сочетании нагрузок и чисел оборотов. При этом карбюратор приготовляет смесь одного и того же состава, в то время как для обеспечения экономичной работы двигателя требуются разные составы смеси [36,49,55,61,64].
Впервые это явление освещалется в работе проф.И.М.Ленина [И,36,13].
К аналогичным выводам при изучении работы различных систем компенсаций карбюраторов пришли и другие исследователи. О несоответствии характеристик дозирующих устройств карбюраторов оптимальным характеристикам в своих работах указывают Рубец Д.А. [55], Покровский Г.П. [49], Софронов [бі], Федоров П. [64] и др.
Качество работы карбюраторов оценивалось величинами относительных погрешностей дозирования топлива. С этой целью определялись фактические расходы топлива, создаваемые эталонными карбюраторами, и оптимальные цикловые расходы топлива в зависимости от абсолютного давления перед впускным клапаном. Естественно, что конструктивные особенности испытываемых систем питания, а также различные схемы компенсационных устройств обусловили индивидуальные, как количественные, так и качественные изменения характера отклонений фактических цикловых расходов топлива от оптимальных.
Проф.И.М.Ленин [38] приводит данные о характере соответствия действительных оптимальных расходов топлива для карбюраторов двигателей М-20 и ЗИД-І20. Наибольшая степень несоответствия действительного состава смеси по отношению к наивыгоднейшему для карбюратора двигателя М-20 составляет около 30 % при расходе воз 12 духа 60 кг/ч при 3000 мин"1.
Для карбюратора двигателя ЗИІ-І20 характерно для расхода воздуха 80 кг/ч излишнее (на 18 %) обогащение при 800 мин"1, и примерно такое же отклонение (16 %) в сторону меньших расходов топлива от оптимальных в зоне высоких скоростных режимов.
Алещенко К.И. [7] и Третьяков Н.П. [62] отмечают, что отклонение фактических характеристик дозирования карбюраторов от оптимальных составили для двигателей ГАЗ-69 и ГАЗ-5І от 10 до 18 %.
Федоров П.В. [64] привел анализ характера режимного дозирования топлива карбюраторами К-22И двигателя М-407, К-59 двигателя ГАЗ-2І и карбюратора К-88 двигателя ЗИІ-І30.
Исследования топливных приборов этих двигателей обнаружили также значительное несоответствие между действительными характеристиками карбюраторов и кривыми оптимального дозирования топлива.
Наибольшие отклонения действительных составов смеси от оп т тимальных наблюдаются у карбюратора К-59. При Л = ХІ00 мин он дает излишнее обогащение топлива от 20 до 16 % на протяжении всей нагрузочной характеристики. При скорости вращения коленчатого вала 3800 мин""1 для данного карбюратора имеет место отклонение фактических расходов топлива от оптимальных на 6-18 % в меньшую сторону.
Технико-экономические предпосылки появления программно-адаптивных систем питания по критерию стехиометрического состава горючей смеси и основные предъявляемые к ним требования
Введение в ряде стран жестких норм по токсичности и экономичности автомобильных двигателей требует дальнейшего развития и совершенствования их систем питания. Зарубежные фирмы провели ряд мероприятий, направленных на обеспечение установленных норм по токсичности и экономичности двигателей. Следствием этого явилось усложнение конструкций и увеличение дополнительных механических узлов, что привело к чрезмерному усложнению и удорожанию систем, и, как следствие этого, к существенной нестабильности их характеристик.
Во всех случаях совершенствование систем питания бензиновых двигателей предполагает решение двух задач [б,38,55,61] : - максимальное приближение характеристик дозированием топлива к оптимальной программе на стационарных режимах; - обеспечение оптимального дозирования топлива на переходных режимах работы, где условия смесеобразования отличны от условий при установившихся режимах.
Эти задачи находятся в определенном противоречии, так как при частичных нагрузках оптимальные для установившихся режимов регулировки карбюраторов приводят к избыточному обеднению смеси на переходных.
Дальнейшее повышение основных показателей бензиновых двига телей, и в первую очередь их топливной экономичности, представляет большие трудности.
В известной мере автоматическая оптимизация состава горючей смеси может быть достигнута при использовании адаптивного регулирования программы дозирования топлива по критерию стехиометрического состава горючей смеси.
Системы, поддерживающие автоматически стехиометрический состав горючей смеси, являясь системами с обратной связью, имеют возможность более точно сохранять требуемую программу дозирования топлива, что обеспечивает меньшую дисперсию характеристик при практическом применении системы.
Такие системы, начиная с 1976 года, начали применяться некоторыми зарубежными фирмами [44,69,92-96,53,65,66,71,99,ЮО]. На развитие этих систем оказывает влияние две тенденции [89,53,54] - необходимость обеспечения в помощью сигнала датчика кислорода стехиометрического состава горючей смеси для эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора отработавших газов; - стремление повысить стабильность программы дозирования топлива и, тем самым, улучшить топливную экономичность в реальных условиях эксплуатации автомобиля.
Эти две основные тенденции предъявляют особые требования к системам адаптивного регулирования программой дозирования топлива и заключаются в следующем [23,81,82] - поддержание стехиометрического состава горючей смеси на всех частичных нагрузочных и скоростных режимах работы двигателя с точностью сС - 1+0,01; - обеспечение частоты колебания состава смеси относительно уровня стабилизации не ниже 2-3 Гц. Следует отметить, что система адаптивного регулирования программы дозирования топлива должна обеспечить: - необходимую динамику автомобиля, обогащая смесь на режимах разгона и полной мощности; - удовлетворительную работу двигателя на режимах холостого хода; - работоспособность автомобиля в случае нарушения функционирования обратной связи.
Практическая реализация программно-адаптивных систем питания по критерию стехиометрического состава горючей смеси связана с существенными трудностями, которые требуют научно-исследовательских и конструкторско-экспериментальных работ по созданию датчика кислорода, датчиков отключения обратной связи на некоторых режимах, требующих обогащения смеси (режимы пуска, прогрева двигателя, полной мощности), а также разработки следящих систем для управления дозирующими органами систем питания.
Необходимо отметить, что датчикам, работающим в составе адаптивных систем управления двигателем, предъявляются особые требования. Эти требования, в основном, сводятся к следующим [14,49] : - возможность конструктивного размещения датчика на автомобиле или двигателе при наименьшей переделке серийно изготовляемых узлов и деталей; - широкий диапазон измерений; - необходимое быстродействие и минимальная погрешность измерения; - наличие электрического выходного сигнала с датчика, пропорционального измеряемому параметру и линейность этой зависимости; - стабильность сигнала в широком диапазоне температур; - полная статизация датчика.
Некоторые вопросы взаимодействия основного потока воздуха с поперечной струей
Мощность и экономичность двигателей с принудительным зажиганием зависят от многих факторов, среди которых состав горючей смеси и ее гомогенность, имеет решающее значение. Наилучшие условия для эффективного сгорания создаются в однородной смеси, характеризующейся тем, что молекулы топлива и воздуха равномерно распределены по объему и находятся в одинаковом агрегатном состоянии.
При питании группы цилиндров от одной смесительной камеры карбюратора желательно равномерное распределение горючей смеси по цилиндрам, Для этого нужно иметь однородную смесь еще до разветвления впускной трубы, что требует интенсификации смешения сразу после встречи потоков топлива и воздуха. Эти процессы начинаются в карбюраторе, где происходит распиливание, смешение (первоначальное) и устанавливается необходимое соотношение между топливом и воздухом. Механизм смешения требует увеличения разности скоростей смешиваемых сред и турбулизации, что связано всегда с потерями энергии потока. Эта причина ограничивает целесообразность применения различных устройств интенсификации процесса смешивания сред [40].
При движении смеси по впускному тракту происходит постепенное испарение топлива, причем сначала испаряются его легкие фракции. Таким образом, во впускном тракте происходит фракционирование топлива. Испарившееся в карбюраторе и трубопроводе топливо, в случае хорошего перемешивания с воздухом, распределяется по цилиндрам, как правило, достаточно равномерно. Наиболее неравномерно по цилиндрам распределяется тяжелая часть топлива, которая остается в трубопроводе в жидкой фазе или испаряется на тех участках, где трубопровод уже разделен на ветви, ведущие к отдельным цилиндрам. В результате отдельные цилиндры двигателя получат не только больше или меньше заряда, но и концентрация топлива в заряде, попадающем в различные цилиндры, получатся неодинаковой [40]. Неиспарившееся топливо на частичных нагрузках вместе с воздухом проходит в щели, образованные между кромкой дроссельной заслонки и стенкой смесительной камеры, а некоторая часть, встречая на своем пути дроссельную заслонку, расположенную на центральной оси, направляется вдоль ее плоскости к нижней щели. В результате через нижнюю щель проходит большая часть неиспарившегося топлива, образуя поток жид кой фазы в граничной зоне со стенкой смесительной камеры. Такое "пристеночное" движение горючей смеси приводит к образованию топливной пленки и неравномерному ее распределению по ветвям впускного трубопровода. Учитывая, что длины впускных труб отдельных цилиндров существенно отличаются, неравномерность рас-пределения смеси по отдельным цилиндрам также получается далеко неодинаковой. Результатом этого является снижение мощности, ухудшение экономических и токсических параметров двигателя.
Такое неравномерное распределение топливо-воздушной смеси на режимах сильно прикрытого дросселя компенсируется подачей топлива из системы холостого хода. В силу малых расходов воздуха, через основную дозирующую систему будет вытекать небольшое количество топлива, поэтому через нижнюю щель будет проходить обедненная смесь. Со стороны верхней (за счет расположения на этой стороны выходных отверстий системы холостого хода) - богатая [47J. При этом неравномерность распределения смеси по цилиндрам также остается существенной.
Для улучшения смесеобразования и распределения смеси по цилиндрам на режимах холостого хода применяют различные мероприятия. К их числу можно отнести применения щитков или удлинительных трубок для отвода топлива из отверстия холостого хода к середине смеси тельной камеры карбюратора, подачу горючей смеси через специальные сопла со сверхзвуковыми скоростями (карбюратор Форд-Белфаст). Известны карбюраторы с отдельной системой питания не только на холостом ходе, но и на малых нагрузках (терхкамер-ный карбюратор "Солекс") [27j. Вместе с тем, применение этих мероприятий существенно усложняют конструкцию карбюратора и заметно удорожают его, а на некоторых режимах работы двигателя они могут ухудшить смесеобразование и снизить экономичность двигателя, что ставит под сомнение целесообразность применения этих мероприятий.
Методика исследования влияния стехиометрического состава горючей смеси на топливную экономичность бензинового двигателя
Влияние стехиометрического состава горючей смеси на топливную экономичность исследуемых двигателей определялось классическим способом снятия и последующего анализа регулировочных характеристик (рис.3.I).
С этой целью в соответствии с матрицей режимов были определены мощностные и экономические показатели двигателей в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Для снятия характеристик карбюраторы исследуемых двигателей были оборудованы устройствами изменения состава горючей смеси. В карбюраторе BA3-2I06 в воздушный жиклер главной дозирующей системы первичной камеры устанавливалась конусная игла. А в карбюраторе K-I26H (рис.3.3) в отличие от карбюратора BA3-2I06 устанавливалась регулировочная игла в топливный жиклер главной дозирующей системы первичной камеры, при чем жиклер был увеличенного сечения. В карбюраторе К-90, предназначенного для двигателей ЗИІ-І30, устанавливалась регулировочная игла в жиклер экономайзера увеличенного сечения (рис.3.2). Указанные регулирующие устройства обеспечили снятие регулировочных характеристик на всех исследованных режимах работы двигателей.
В каждой точке снимаемых характеристик устанавливался (по показанию весов) оптимальный угол опережения зажигания. В процессе испытаний измерялись и контролировались следующие параметры: - расход воздуха; - расход топлива; - разрежение в трубе; - угол опережения зажигания; - частота вращения коленчатого вала; - температура воздуха на входе в двигатель; - барометрическое давление; - плотность топлива.
По результатам обработки регулировочных характеристик определялось влияние перехода с экономических и мощностных смесей на стехиометрический состав на топливную экономичность и мощно-стные показатели двигателя.
На этих двигателях в соответствии с матрицей режимов должно быть снято 100 регулировочных характеристик, что соответствует 300 значениям экономических и мощностных оценочных показателей двигателей.
Отклонения удельных расходов топлива на стехиометрической смеси от расходов на экономической смеси в процентах определялось по формуле д П _ 9e«-f 9е эк
По результатам первичной обработки регулировочных характеристик в трехмерных координатах строились графики отклонения экономичности на стехиометрической смеси.
В главе I был проведен анализ способов и исполнительных устройств изменения состава смеси. Для практической реализации программно-адаптивной системы питания по критерию стехиометрического состава было рекомендовано исполнительное устройство, осуществляющее впуск воздуха во впускную трубу по байпасному каналу при богатой регулировке карбюратора. Обоснованы причины такого выбора.
Вместе с тем, практическая реализация того или иного способа требует проведения экспериментальных исследований их влияния на топливную экономичность.
Для наших целей наибольший интерес представляет экспериментальное исследование двух способов коррекции: изменения состава горючей смеси впуском воздуха в трубу при богатой регулировке и дополнительной подаче топлива из главных дозирующих систем карбюратора при его обедненной регулировке.
Преимущества и недостатки этих способов с точки зрения технологичности и точности дозирования были освещены в главе I. Рассмотрим влияние этих способов на экономичность двигателя. В качестве объекта испытаний выбран двигатель ЗШЕ-І30. Испыта»-ния проводились в лаборатории двигателей ОГК МКЗ.
Так как алгоритм работы системы предусматривает работу двигателя на стехиометрическом уровне состава смеси, целесообразно сравнить удельные расходы топлива на об = I при упомянутых выше способах изменения и при одинаковых режимах.
Для этих целей в первом случае система питания была снабжена устройством подачи дополнительного воздуха во впускную трубу. При этом в карбюраторе были установлены топливные жиклеры главных дозирующих систем обеих камер с большей пропускной способностью, обеспечивающие работу двигателя на обогащенной смеси. Производительность жиклеров обеих камер была подобрана одинаковой.
