Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по моделированию процессов газообмена и сгорания в поршневых бензиновых ДВС 9
1.1. Методы математического моделирования рабочего цикла поршневого бензинового ДВС 10
1.2. Современное представление о распространении пламени, сгорании и тепловыделении в двигателях с искровым воспламенением 13
1.3. Методы моделирования процесса сгорания 22
1.4. Математическое моделирование характеристик тепловыделения и исследование процесса сгорания в цилиндре бензинового двигателя... 25
1.5. Постановка задач исследования 35
Выводы по главе 1 38
2. Моделирование рабочих процессов в поршневом бензиновом ДВС 39
2.1. Проектирование газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров 39
2.2. Моделирование процессов в цилиндре двигателя и в системе газообмена 40
2.3. Математическая модель процесса сгорания в цилиндре поршневого бензинового двигателя 45
2.3.1. Температурное поле в камере сгорания бензинового двигателя 45
2.3.2. Соотношение между массой и объемом выгоревшего заряда 53
2.3.3. Скорость химических реакций окисления паров топлива 55
2.3.4. Нормальная скорость сгорания 63
2.3.5. Турбулентное распространение пламени 70
2.3.6. Глубина зоны горения 83
2.3.7. Распространение пламени и коэффициент тепловыделения 87
2.4. Образование и моделирование токсических продуктов в цилиндре поршневого бензинового двигателя 92
2.4.1. Образование оксида углерода 92
2.4.2. Образование оксидов азота 94
2.4.3. Образование углеводородов 99
2.5. Математическое моделирование образования NOx и СО в поршневом бензиновом двигателе 101
2.5.1. Реакции образования оксидов азота 101
2.5.2. Реакции образование оксидов углерода 110
2.6. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Тестирование математической модели 114
Выводы по главе 2 118
3. Экспериментальные исследования 120
3.1. Техническая характеристика объекта исследования 120
3.2. Безмоторная вакуумная установка и проведение аэродинамических продувок 121
3.3. Моторный исследовательский стенд для испытаний ДВС 123
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований 126
3.5. Планирование эксперимента, условия проведения испытаний и точность измерений 135
Выводы по главе 3 138
4. Анализ полученных результатов 139
4.1. Выбор определяющих параметров и критерия оценки экономичности и токсичности ОГ поршневого бензинового ДВС 139
4.2. Исследование организации рабочих процессов поршневого бензинового ДВС. Апробация модели 139
4.2.1. Влияние состава рабочей смеси на процесс сгорания 139
4.2.2. Зависимость средней скорости пламени и тепловыделения от частоты вращения коленчатого вала в поршневом бензиновом ДВС 144
4.2.3. Зависимость скорости пламени и тепловыделения в камере сгорания от угла опережения момента зажигания 146
4.2.4. Зависимость скорости пламени и тепловыделения в камере сгорания от нагрузки 146
4.2.5. Влияние формы камеры сгорания на характеристику тепловыделения 148
4.3. Исследование экономических, экологических, гидравлических и энергетических показателей базового двигателя Р4 Vh=2,445 л с целью их улучшения 151
4.3.1. Результаты экспериментальных исследований влияния элементов системы впуска на наполнение цилиндров при прокручивании вала двигателя 151
4.3.2. Результаты экспериментальных исследований экономических, экологических и энергетических характеристик, полученных при стендовых моторных испытаниях базового двигателя Р4 Уь=2,445л 153
4.3.3. Вывод эмпирических моделей топливной экономичности и токсичности 158
4.4. Разработка модернизированной конструкции газовых каналов и
камер сгорания головки цилиндров двигателя Р4 Vh=2,445 л 159
4.5. Результаты испытаний модернизированной конструкции газовых
каналов и камеры сгорания на двигателе Р4 Vh=2,445 л 161
Выводы по главе 4 170
Основные результаты и выводы 172
Литература
- Методы математического моделирования рабочего цикла поршневого бензинового ДВС
- Проектирование газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров
- Образование и моделирование токсических продуктов в цилиндре поршневого бензинового двигателя
- Безмоторная вакуумная установка и проведение аэродинамических продувок
Введение к работе
Современный транспорт предъявляет все более жесткие требования к экономическим, токсическим и энергетическим показателям поршневого бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), но их улучшение встречает все новые и новые трудности.
Процесс сгорания уже с момента рождения двигателя стал предметом непрерывных исследований. Эти исследования ведутся во многих направлениях и их актуальность непрерывно возрастает. Даже при тщательно отработанном процессе двигатель с искровым зажиганием на многих режимах полностью не использует энергетические ресурсы топлива и во многих случаях потери от процесса превращения топлива в конечные продукты реакции достигают 10...15%.
Возникают проблемы, связанные с необходимостью резко повысить эффективность процесса, а также с тем, что воздушные бассейны больших городов в условиях развивающегося транспорта стали загрязняться большим количеством высокотоксичных продуктов (оксид углерода, оксиды азота, канцерогенные соединения, углеводороды и др.). Многие проблемы можно решить путем усовершенствования конструкций камеры сгорания и газовых каналов органов впуска и выпуска системы газообмена. Однако все это достигается ценой больших затрат времени и средств. Усиленно ведутся исследования в области снижения токсичности отработавших газов, так как загрязнение воздуха в городах во многих странах становится национальным бедствием.
Несмотря на многочисленные работы многих школ высших учебных заведений (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ (МАМИ), МАДИ (ТУ), СПГТУ и др.), научно-исследовательских организаций (НАМИ, НАТИ, НИИУАвтопром, ЦНИДИ и др.), заводов (ОАО ГАЗ, ОАО УАЗ, ОАО ЗИЛ, ОАО ЗМЗ и др.), посвященных проблеме повышения топливной экономичности и, в том числе, экономичности на малых и средних нагрузках ДВС, уровень расхода топлива
-7-снижается крайне медленно. Многообразие факторов, влияющих на структурные составляющие топливной экономичности на частичных нагрузках, серьезно затрудняет как экспериментальные, так и (особенно) теоретические исследования этого показателя.
Вместе с тем, конструктивные исполнения бензиновых ДВС сильно различаются по своим характеристикам. Поэтому при исследовании необходимо индивидуально подходить к каждой конструкции двигателя или, по крайней мере, к конкретному семейству двигателей.
Одно из первых мест по массовости выпуска и распространенности в эксплуатации в настоящее время занимает рядный четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,445 л (отечественные производители - ОАО ЗМЗ, ОАО УМЗ, ОАО "Волжские моторы"; зарубежные - заводы КНР). В этой работе проводились изыскания на примере подобного двигателя с системой газообмена транспортного средства (СГОТС). Изучение работы двигателя с СГОТС позволяет учесть индивидуальные особенности совокупной работы органов впуска и выпуска, КШМ и МГР и полнее удовлетворять постоянно возрастающие требования к бензиновым ДВС.
Роль поршневых двигателей внутреннего сгорания в загрязнении атмосферы и потреблении топлива в промышленных странах велика. Нехватка топлива и повышение его стоимости, а также защита окружающей среды явились причинами того, что в последние годы много внимания стало уделяться уменьшению расхода топлива бензиновых ДВС в составе транспортных средств.
В диссертации приводится краткая оценка состояния вопроса и обзор отечественно и зарубежной научно-технической и патентной информации по повышению экономичности и снижению токсичности бензиновых ДВС. Определены пути совершенствования рабочих процессов, дан обзор математических моделей рабочего цикла для оценки характеристик тепловыделения. Проведен анализ двухзонной модели с математическими уравнениями для конкретного типа двигателя с погрешностью 5.. .7%. На основании подробного критического анализа результатов и эффективности исследований по повышению экономич-
-8-ности и снижению токсичности бензиновых ДВС сформулированы задачи диссертации.
Обоснованы принципы и на их основе предложена концепция и разработана методика проектирования газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров поршневого бензинового ДВС. Разработана трехзонная математическая модель процессов смесеобразования и сгорания рабочего цикла поршневого бензинового ДВС, позволяющей на стадии проектирования получать вычислительным экспериментом оптимальные характеристики тепловыделения и прогнозировать уровни экономичности и токсичности ОГ по оксидам углерода, по оксидам азота и по углеводородам. При разработке трехзонной математической модели рабочего процесса теоретические расчеты подтверждались экспериментами.
Для экспериментальных исследований выбран рядный четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,445 л в комплектации с системой газообмена транспортного средства. Исходя из поставленной задачи, выбраны методы и разработана методика проведения экспериментальных исследований рабочих процессов, включая безмоторные и моторные испытания. Последовательно использовались методы экспериментального определения характеристик рабочих процессов. С планированием эксперимента, определены условия испытаний, точность измерений и апробация трехзонной математической модели. Проведены экспериментальные исследования экономических, токсических и энергетических показателей базового двигателя Р4 Vh=2,445 л с целью их улучшения технико-экономических показателей. Проведена разработка газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров двигателя Р4 Vh=2,445 л и проведены сравнительные испытания на различных эксплуатационных режимах работы.
В работе сформулированы основные результаты и выводы по проведенным исследованиям.
Методы математического моделирования рабочего цикла поршневого бензинового ДВС
В истории развития теории двигателей внутреннего сгорания как отрасли науки методы расчета прошли ряд стадий, каждая из которых оставила свой след в сегодняшнем понимании рабочего цикла двигателя [30, 29].
Первой ступенью схематизации был идеальный цикл ДВС, в котором рабочий процесс представлялся в виде последовательности классических термодинамических процессов - адиабатических, изохорических, изотермических. Такая модель позволяла очень просто, по элементарным формулам, оценить предельные параметры цикла в различных вариантах, анализировать достоинства и недостатки различных способов подвода и отвода теплоты, роль таких параметров, как степень сжатия, расширения и т.п. Эти методы, сохранив свое значение в учебных целях, на сегодня могут дать очень мало информации о работе реального двигатель, так как не учитывают такие основополагающие моменты, как переменность состава рабочего тела, теплоотвод и динамику подвода теплоты.
Следующим шагом к уточнению схемы расчетов стала методика, получившая в отечественной литературе название «метод Гриневецкого-Мазинга». В этой методике учтена неидеальность рабочего тела (зависимость теплоємкостей от состава и температуры), а также наличие подвода и отвода теплоты, развернутое во времени. В отличие от анализа идеальных циклов, здесь можно рассматривать такие вопросы, как влияние коэффициента избытка воздуха (через теплоемкости), распределения подвода теплоты по фазам процесса (через коэффициенты z и ь) и теплоотвода. Однако характеристики подвода и отвода теплоты, предусматриваемые этой схемой, мало соответствуют действительным по характеру и, главное, никак не связываются с конструктивными элементами двигателя и его систем. Поэтому данная методика удобна лишь для предварительной оценки предполагаемого уровня экономичности и нагружен-ности создаваемого двигателя - и не более.
Ближе всего к реальности подходят модели, основанные на фундаментальных принципах термодинамики - первом законе и уравнении состояния. Строго говоря, эти принципы неприменимы к реальным процессам, имеющим конечное (и достаточно малое) время протекания. Однако оценки и опыт расчетов показывают, что вносимые при этом погрешности много меньше погрешностей экспериментальных измерений, с помощью которых проверяются результаты расчетов. Таким образом, используя уравнения вида dQ = dU + pdV и pV = MRT примененные к некоторому объему при исчезающе малом его приращении, мы можем достаточно строго описать любой процесс, происходящий с постоянной массой газа М, если известны условия подвода и отвода теплоты и изменения объема для этой массы.
Применительно к процессам в поршневых двигателях в простейших моделях (именуемых обычно нуль-мерными или моделями нулевого порядка) рассматривается полностью вся масса газов, занимающая рабочий объем цилиндра. При этом параметры газа - давление, температура, плотность, теплоемкость - считаются равномерно распределенными по объему. Нетрудно показать, что применительно к давлению такой подход более или менее оправдан, т.к. волна, распространяющаяся со скоростью звука, выравнивает давление по объему за короткий промежуток времени. Однако температура, как известно из экспериментальных исследований, сохраняет значительное расслоение и ее, строго говоря, нельзя считать равномерно распределенной. Поэтому предлагаются усовершенствованные нуль-мерные модели, где объем рабочего тела разделен на две зоны - свежего заряда и сгоревших газов, разделенные условным, бесконечно тонким фронтом пламени. Если в первом случае подвод теплоты относится ко всей массе газа, то в двухзонной модели считают, что подведенная теплота аккумулируется в зоне продуктов сгорания, а свежий заряд испытывает лишь сжатие или расширение от изменяющегося давления. Такая модель в -принципе не только хорошо описывает изменение давления в цилиндре, но и дает достаточно точные параметры для расчета состава продуктов сгорания.
Ещё более точными являются одно-, двух- или трехмерные модели, где исходные уравнения относятся к некоторым микрообъемам, определенным образом размещаемым по рабочему цилиндру. В этих моделях параметры (давления, температуры, концентрации) переменны по всему объему, что дает возможность наиболее полно рассчитывать кинетику химических реакции в каждом элементе (см., например, [90, 91, 25, 26]). Однако в отношении расчета давлений и температур эти модели не дают принципиальных уточнений. По данным [91], отличие результатов по расчету окислов азота по наиболее современной модели отличается от простейшей "гомогенной" модели не более, чем на 20%. В то же время сложные многозонные модели требуют большого объема памяти и быстродействия вычислительных машин, которые не всегда имеются в распоряжении расчетчика. В этом свете наиболее разумным решением представляется двухзонная модель, сочетающая относительную простоту расчетной схемы с удовлетворительной точностью.
Необходимо отметить, что любая из упомянутых моделей требует задания в той или иной форме характеристик подвода и отвода теплоты либо глобально, как в простейшей нуль-мерной модели, либо применительно к рассматриваемому объему. В данной работе не затронут вопрос о формах задания количества теплоты, поскольку он требует особого рассмотрения. Нельзя, однако, не отметить, что точность расчета по любой из моделей - от простейших до самых сложных - определяется в первую очередь именно характеристиками тепловыделения. Они же, в свою очередь, непосредственно связаны в двигателе с процессом сгорания. Ниже рассмотрим основные представления о процессе сгорания и методах его моделирования.
Проектирование газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров
Создание теоретического оптимального рабочего цикла возможно при рациональной организации термодинамических процессов наполнения, сжатия, смесеобразования, сгорания, расширения и выпуска. Термодинамическая модель рабочих процессов бензиновых ДВС хорошо изучена в теории ДВС. Однако эта модель требует проведения большого количества экспериментальных работ и занимает много времени ее реализации для одного типа двигателя. Применения такой модели для других типов двигателей требует доработки.
С этой точки зрения математическое моделирование рабочего цикла позволит создать обобщенную математическую модель в виде прикладного модуля САПР ДВС. При разработке математической модели рабочего цикла были взяты за основу: уравнения расчета газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров; уравнения процессов в цилиндре двигателя и в системе газообмена; уравнения процесса сгорания при разделении камеры сгорания на три зоны. Для каждой зоны разрабатывались математические зависимости, позволяющие рассчитывать температурное поле, объем выгоревшего заряда, нормальную скорость сгорания, турбулентное распространение пламени, глубину зоны горения; токсических продуктов NOx, СО, СН и реакции их образования. Ниже приводится последовательность разработки математической модели рабочего цикла бензинового ДВС.
Основываясь на результатах анализа состояния вопроса по моделированию процессов газообмена и сгорания в бензиновых ДВС (см. выводы по главе 1), предлагается:
1. Профилировать оптимальное поперечное сечение газовых каналов постоянного гидравлического диаметра по всей его длине с учетом стержня клапана.
2. Обеспечить внутренним профилем канала вращательное движение рабочей смеси вокруг продольной оси цилиндра в процессе наполнения.
3. Профилировать боковую поверхность камеры сжатия из условия плавного входа вращающейся горючей смеси в цилиндр двигателя с меньшим сопротивлением.
4. Обеспечивать увеличение фактической степени сжатия рабочей смеси в цилиндре двигателя.
5. Профилировать боковую поверхность вытеснителей камеры сгорания из условия обеспечения на пределе детонации оптимального рабочего процесса, с повышенной степенью сжатия на низкооктановом бензине.
Перечисленные мероприятия позволяют: - улучшить экономические, экологические и энергетические показатели бензиновых ДВС; - увеличить скорость и турбулентность при движении горючей смеси во впускном отверстии цилиндра; - расширить возможности математической модели процесса сгорания и образования NOx и СО в цилиндре поршневого бензинового ДВС; - повысить индикаторные показатели поршневого двигателя за счет оптимизации протекания рабочего цикла.
Предварительная проверка правильности осуществляемых в рамках предлагаемой концепции конструктивных решений проводилась с использованием новой комплексной математической модели процесса сгорания и образования токсичных веществ поршневого бензинового ДВС. Разработка модели заключалась в выборе, адаптации к рассматриваемой задаче и программой реализа ции математических моделей: системы газообмена, системы тепломассообмена, системы топливоподачи, процесса сгорания и образования токсичных веществ в бензиновых ДВС. Все расчеты проводились для режима полных и частичных нагрузок работы бензиновых ДВС.
Изменение параметров состояния рабочего тела (РТ) в полостях системы газообмена рассматриваемого двигателя (рис. 2.1) принималось квазистатическим и описывалось системой дифференцированных уравнений, включающей уравнения первого закона термодинамики сохранения массы воздуха и продуктов сгорания и решаемой численным методом Рунге-Кутта IV порядка. q4Hudx + dQw+dJen-dJe=dU + pdV, d&= r endGen -r edGe - A)?,A dG"= r mdG„ - r]dGe - (L0 + ЩсЬ, pV = (G +G")RT, где: 1Ц - цикловая подача топлива, кг; Ни - низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; Jen Je - энтальпия рабочего тела, проходящего через впускные и выпускные органы газообмена, Дж; U - внутренняя энергия рабочего тела, Дж; р - давление в цилиндре, Па; V - текущий объем цилиндра, м3; G\G" - масса воздуха и продуктов сгорания, кг; &вп Ge - масса рабочего тела, прошедшего через впускные и выпускные органы газообмена, кг; У - У - массовые доли воздуха и продуктов сгорания; LQ - теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания одного килограмма топлива, кг/кг; R - газовая постоянная, Дж/(кг К).
Образование и моделирование токсических продуктов в цилиндре поршневого бензинового двигателя
Механизм образования оксида углерода и влияние различных факторов на их выход достаточно хорошо изучены.
Горение углеводородов завершается догоранием оксида углерода, который образуется в начальной стадии горения. Процесс догорания оксида углерода для углеводородных пламен определяет общее время реакции [83].
При зарождении цепи создается некоторое количество свободных радикалов, реагирующих с кислородом, затем появляются перекисные радикалы, которые реагируя с углеродной молекулой, образуют молекулу гидроперекиси [83]:
В обоих случаях образуется оксид углерода и радикал ОН . Дальнейшее окисление СО происходит по цепному механизму. По Н. Семенову и Я. Зельдо вичу схема окисления СО в присутствии воды выглядит так [4, 59]: Н + 02- ОН+0 ОН + СО-»С02+Н СО + О - С02 о+н2- он+н он + н2- н2о + н Полнота окисления СО зависит от состава горючей смеси, ее равномерности, тепло- и массообмена в камере сгорания.
Рассмотрим результаты некоторых исследований по выявлению влияния различных факторов на образование оксида углерода в цилиндре поршневого двигателя.
Содержание оксида углерода определяется в основном составом горючей смеси. Расчетами реакций окисления паров топлива при недостатке воздуха можно определить концентрацию СО в продуктах сгорания. Газовые анализы показывают, что при ос = 1,05...1,15 образуется СО, что объясняется диссоциацией части С02, неравномерностью состава смеси по цилиндрам и неравномерностью распределения паров топлива в объеме смеси.
Исследования К. А. Морозова и Б. Я. Черняка [63, 62] показали, что в многоцилиндровых поршневых двигателях наблюдается большая неравномерность распределения горючей смеси по цилиндрам как по количеству, так и по составу. Это обстоятельство приводит к увеличенному выделению СО, особенно на режимах больших нагрузок.
Влияние регулировок систем карбюратора на выброс токсичных веществ с отработавшими газами автомобилей исследовалось Гусаровым А.П. и др., на автополигоне НАМИ. Установлено, что во многих случаях винтом "качества смеси" системы холостого хода удается уменьшить выделение СО до норм, предусмотренных ГОСТом. Изменение концентрации СО с 6...7% до 1,5% на холостом ходу позволяет снизить выброс СО при испытаниях по ездовому циклу на 15...30%. Уменьшение производительности топливного жиклера холостого хода от 63 до 50 см3/мин снизило выброс СО на 13%, при этом динамические качества автомобиля не ухудшились.
Влияние температуры и давления воздуха на выделение СО исследовали Краузе С. и Манос М. Эти параметра влияют на состав приготовляемой карбюратором горючей смеси и соответствующим образом на выделение СО.
Механизм образования оксидов азота носит сложный характер, еще полностью не раскрыт, но предложено несколько способов, позволяющих вести расчеты с помощью ЭВМ.
В работе Я. Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого [52, 91] рассмотрен предложенный Н. Н. Семеновым цепной механизм окисления азота. В основу расчета положены две обратимые реакции: к2 к3 к4 где Кь кг, Кз и К4 - константы скорости. Константы скорости связаны с константами равновесия: Уравнение скорости реакции с наиболее вероятными значениями констант имеет такой вид: Шварцбауер при моделировании процесса образования окислов азота в камере сгорания бензинового двигателя рассматривает не две, а три:
На основании исследований, показавших, что содержание атомарного кислорода в зоне пламени и примыкающей к ней зоне реакции значительно превышает концентрацию молекулярного кислорода, автор в расчетах принимает, что концентрация атомарного кислорода в пять раз выше молекулярного. Образованием Ж 2 и N2O5 в расчетах можно пренебрегать и учитывать только образование NO. Расчет следует вести только для сгоревшей части заряда, при этом необходимо учитывать температурные градиенты частей заряда. Использование при расчетах средней температуры не дает результатов, совпадающих с экспериментальными данными. Расчеты показали, что наибольшие концентрации NO в отдельных частях заряда получаются при сгорании обогащенных смесей. Однако в процессе расширения, вследствие эффективности обратных реакций, концентрация N0 понижается. В области обедненных смесей содержание NO практически сохраняется на уровне максимальных значений. Влияние колебаний максимальных давлений в последовательных циклах на образование NO возрастает с обеднением смеси.
Безмоторная вакуумная установка и проведение аэродинамических продувок
Безмоторная вакуумная установка включает в себя рабочий стол с углублением по всему периметру, предназначенным для обеспечения герметичности соединения рабочего стола и крышки вакуумной установки. Герметичность обеспечивалась постановкой крышки в заполненное водой углубление рабочего стола.
Откачивание воздуха из герметичной полости, образованной рабочим столом и крышкой вакуумной установки, осуществлялось вакуумным насосом РМ-900 с максимальной производительностью 900 м3/ч. В герметичную полость воздух поступал из расходного короба.
Расходный короб установки обеспечивал высокоточное ступенчатое регулирование объемного расхода воздуха через герметичную рабочую полость путем открывания и закрывания специализированных тарированных отверстий. Расходный короб был оснащен 20 тарированными отверстиями большого диаметра и 7 тарированными отверстиями малого диаметра.
Тарированные отверстия большого диаметра располагались порядно (по четыре в ряд). Открытие одного такого отверстия при работающем насосе обеспечивало объемный расход воздуха через герметичный короб в 25 м3/ч. Таким образом, суммарным действием всех тарированных отверстий большого диаметра обеспечивалось ступенчатое регулирование объемного расхода воз-духа через герметичную полость в пределах 0...500 м /ч с шагом в 25 м /ч.
Тарированные отверстия малого диаметра располагались в один ряд. Открытие одного такого отверстия при работающем насосе обеспечивало объем-ный расход воздуха через герметичный короб в 3 м /ч. Таким образом, суммарным действием всех тарированных отверстий малого диаметра обеспечивалось ступенчатое регулирование объемного расхода воздуха через герметичную полость в пределах 0...21 м3/ч с шагом в 3 м3/ч.
Наличие в расходном коробе безмоторной вакуумной установки тарированных отверстий разного диаметра позволило значительно снизить дискретность ступенчатого регулирования и обеспечило при проведении экспериментов широкий набор величин объемного расхода воздуха через герметичную полость.
Безмоторная вакуумная установка использовалась для продувки деталей органов впуска серийного двигателя, а также ряда выполненных в металле полномасштабных моделей элементов органов впуска (включая модели цилиндра двигателя, крышки цилиндра, впускной трубы, карбюратора, воздушного фильтра и др.) с целью определения их аэродинамического совершенства и скорости вращения воздуха вокруг продольной оси цилиндра. Продувки проводились при различных фиксированных значениях часового объемного расхода воздуха через исследуемый канал Ge и положениях запорных элементов (клапана и дроссельной заслонки) органов впуска hMi 0др. Измерение давлений осуществлялось в герметичной полости и после каждого элемента органов впуска с помощью водяных U-образных пьезометров. Падение давления Ар определялось как разница давлений перед элементом и после него. Погрешность измерений составляла ±2 мм вод. ст.
Изменение высоты подъема клапана производилось винтовой парой, состоящей из кронштейна и болта. Винтовая пара предварительно тарировалась при помощи цифрового индикатора. Положение дроссельной заслонки контролировалось стрелочным указателем.
Общий вид безмоторной вакуумной установки и ее приборной доски показан на рис. 3.2.
Использованный для экспериментального исследования ДВС специализированный моторный стенд представляет собой комплекс, состоящий из исследуемого двигателя, тормозного устройства, фундамента с подмоторной рамой, соединительного вала для передачи крутящего момента от двигателя к тормозу, пульта управления, контрольных и измерительных приборов, систем и вспомогательных устройств, обеспечивающих работоспособность стенда и проведение испытаний по заданной программе /19, 34 - 44/. Схема моторного испытательного стенда представлена на рис. 3.3.
Стенд предназначен для испытания двигателей с эффективной мощностью 10...150 кВт (15...200 л.с.), частотой вращения 800...6000 мин"1 и максимальным крутящим моментом 4...300 Н-м.
В качестве тормоза применялась балансирная электрическая машина постоянного тока «Elbtalwerk HEIDENALL» типа GPFb-l3h, мощностью 4...250 кВт и частотой вращения 400...6000 мин"1, работающая по электрической схеме «Леонардо» с более совершенной тиристорной системой управления.
В качестве динамометрического устройства использовались двухмаятни-ковые весы «Rapido» с ценой деления 5 г. Реактивный момент тормоза передавался на весы штангой. Длина плеча весового устройства, включая штангу, составляла 716,2 мм.
Тормозное устройство и двигатель размещены на общей подмоторной раме и соединены карданным валом с защитным кожухом. Рама установлена (на гидрорезиновых амортизаторах с подобранной частотой колебаний) на изолированный фундамент, поглощающий неуравновешенные силы инерции и моменты ДВС.
