Введение к работе
Актуальность. В современной транспортной энергетике широкое применение нашли многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания (МДВС). Сложность конструкции этих двигателей оправдывают их многочисленные преимущества. К принципиальным недостаткам МДВС необходимо отнести неодинаковость рабочих процессов в разных цилиндрах, обусловленную конструкционными особенностями блока цилиндров, впускной и выпускной магистрали, различиями в теплообмене, организации процессов горения и т.п. Это делает невозможным настройку каждого из цилиндров на оптимальный режим работы, так как образование топливной смеси происходит в общем агрегате - карбюраторе (смесительной камере), а установка опережения зажигания - в прерывателе-распределителе. Применение систем распределенного впрыска топлива, частично снимающее эту проблему, в нашей стране сдерживается отсутствием развитого сервиса по их ремонту и настройке.
Из обзора научно-технической литературы следует, что существующие математические модели не рассматривают рабочие процессы одновременно во всех цилиндрах ДВС и не учитывают переменность граничных условий на входе и выходе двигателя. Использование результатов расчета рабочего процесса в одном цилиндре, с последующим обобщением на все цилиндры, не позволяет получить подробную информацию об особенностях процессов МДВС и, в частности, о проявлениях разноцилнндровости. В связи с невозможностью их устранения представляют интерес сравнительная оценка различий рабочих процессов в цилиндрах, чувствительность этих различий к управляющим воздействиям и возможность, хотя бы частичной, их компенсации. В качестве объекта исследования наиболее целесообразно выбрать среднестатистический двигатель, находящийся в эксплуатации, то есть МДВС отечественного автомобиля с пробегом 50000-60000 км. Достаточно полное исследование проявлений разноцилнндровости требует применения экспериментальных методов исследования, причем не только обычных измерений давления (температуры), но и методов спектроскопии пламен, позволяющих оценить активность процесса горения, и появление сажи в каждом из цилиндров. В связи с изложенным, задача математического моделирования и диагностики рабочих процессов МДВС является актуальной.
Цель работы. Построение математической модели рабочих процессов многоцилиндрового двигателя, рассматривающей одновременную работу всех цилиндров. Разработка спектроскопического метода диагностики двигателя, позволяющего оценить активность горения в каждом из цилиндров.
Объект исследования. Многоцилиндровые двигатели с внешним смесеобразованием.
Предмет исследования. Рабочие процессы, протекающие в цилиндрах двигателя.
Задачи исследования:
-
Анализ волновых явлений во впускном и выпускном трактах двигателя, разработка их математических моделей, подготовка, по результатам решения, граничных условий для модели рабочего процесса в цилиндрах двигателя.
-
Разработка математической модели, алгоритма и программы расчета многоцилиндрового ДВС, проверка адекватности математической модели рабочим процессам в двигателе по результатам измерений давлений, расходов топлива и воздуха.
-
Проведение расчетов для выявления возможностей модели и алгоритма, теоретические исследования эффектов разноцилиндровости. .
-
Изучение спектральных характеристик пламени в МДВС. Разработка спектрометрического метода оценки активности горения в различных цилиндрах ДВС.
Научная новизна. Математическая модель рабочих процессов многоци-липдрового двигателя, включающая оригинальную двухзонпую модель тепловыделения и модели волновых процессов в присоединенных магистралях, используемая для расчета рабочих процессов каждого цилиндра и характеристик діііігателя в целом. Спектрометрический метод диагностики двигателей с внешним смесеобразованием, позволяющий оценить локальную активность горения -в окрестности точки воспламенения каждого из цилиндров - по излучению полосы радикала ОН, излучению фона молекулярных реакций окисления и излучению сажи, названный методом локальной ОЫ-спектрометрии. Результаты, полученные этим методом на двигателях с внешним смесеобразованием ВА'3-21011 и F3R RENAULT.
Практическая значимость. Разработанная математическая модель, алгоритм и программа позволяют рассчитать рабочие процессы в каждом цилиндре двигателя и получить детальную информацию об особенностях процессов МДВС, в частности, об эффектах разноцилиндровости и возможных путях ее уменьшения.
На основе разработанного метода локальной ОН-спектрометрнн предложен новый метод диагностики рабочих процессов в цилиндрах ДВС с внешним смесеобразованием, который в настоящее время проходит патентную экспертизу.
Реализация результатов работы. Описания математических моделей, алгоритмов и программ переданы ОАО «Москвич» и ГНЦ РФ «НАМИ». Материалы исследований используются в учебном процессе, при подготовке магистров и аспирантов, а также при проведении научно-исследовательских работ на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Тульского государственного университета.
Основные положения диссертационной работы, выносимые назащшу:
математическая модель и алгоритм расчета рабочих процессов в МДВС; ре
зультаты, устанавливающие влияние различных управляющих факторов на
показатели работы каждого цилиндра двигателя;
двухзонная математическая модель тепловыделения ;
метод локальной ОН-спектрометрии для диагностики активности горения и
появления сажи в цилиндрах ДВС с внешним смесеобразованием и результа
ты, полученные этим методом.
Апробация работы, доклады и обсуждения:
1-й Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера» в Казани (1999 г.);
XXVII Научно-техническая конференция ААИ «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа» в Москве (МАМИ, 1999 г.);
XXVIII Международный семинар «Течения газов и плазмы в соплах, струях и следах» в Санкт-Петербурге (2000 г.);
XXXI Международный научно-технический симпозиум, посвященный 135-летию МАМИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров» в Москве (2000 г.);
ежегодные научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ (Тула, 1999-2000 гг).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных
работах. "'-
Структура и обьслг работы. Диссертация содержит 137 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 19 таблиц, 16 страниц приложений и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 91 русских и 5 иностранных источников.