Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих теорий сгорания и путей к разработке новой для двигателей с дополнительным завихрением и расслоением заряда .. 16
1.1. Анализ технико-экономических и экологических показателей двигателей в процессе эксплуатации 16
1.2. Развитие теории горения по улучшению технико-экономических показателей двигателей 18
1.3. Решение проблемы путем обеднения смеси в бензиновом двигателе 27
1.4. Улучшение технико-экономических и экологических показателей путем использования в двигателе впрыска топлива 33
1.5. Улучшение технико-экономических показателей за счет использования в двигателе форкамерно-факельного зажигания 38
1.6. Анализ завихрения заряда путем подачи дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия, как способ улучшения рабочего
процесса в двигателе 46
Выводы 51
Задачи исследования 53
Глава 2. Объекты, программы и методики экспериментальных исследова ний 54
2.1. Бензиновые двигатели с расслоением заряда 54
2.2. Конструктивные параметры системы завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха 56
2.3. Общая программа 60
2.3.1. Цель исследования 60
2.3.2. Опытные образцы двигателя 61
2.4. Программа исследования дизельного двигателя 76
2.5. Методика безмоторных исследований 79
2.5.1. Определение расслоенности заряда 79
2.5.2. Определение оптимального направления потока дополни тельного воздуха в цилиндре бензинового и дизельного двигателей. 82
2.6. Методика исследований двигателей на стенде 84
2.6.1. Порядок проведения испытаний 84
2.6.2. Методика исследования скорости распространения фронта пламени в процессе горения в бензиновом двигателе 86
2.6.3 .Методика исследования эффективных показателей бензино вых двигателей 91
2.6.4. Методика исследования эффективных показателей дизельного двигателя 93
2.6.5. Методика исследования индикаторных показателей бензинового двигателя 96
2.7. Приборы и оборудование при исследовании бензинового двигателя с расслоением и дополнительным завихрением заряда 100
2.8. Замеряемые величины и точность их определения при проведении опытов на бензиновом двигателе 102
2.9. Оценка погрешности измерений 105
Глава 3. Анализ результатов исследования бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда на безмоторных и стендовых установках 109
3.1. Анализ результатов исследования на безмоторных установках 109
3.1.1. Влияние состава топливно-воздушной смеси на индикаторные показания бензинового двигателя 109
3.1.2. Анализ влияния коэффициента наполнения на рабочий процесс в двигателе с дополнительным завихрением заряда 112
3.1.3. Анализ влияния опережения зажигания на рабочий процесс двигателя с дополнительным завихрением заряда 119
3.1.4. Анализ влияния дополнительного завихрения и расслоения заряда на детонационную стойкость двигателя 123
3.1.5. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на индикаторные показатели двигателя 129
3.1.6. Анализ влияния дополнительного завихрения на основные характеристики двигателя 136
3.2. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда в цилиндрена скорость сгорания и тепловыделение 149
3.3. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на скоростные, нагрузочные и регулировочные характеристики двигателя ВАЗ-21083 161
3.4. Затраты мощности на привод воздуходувки 165
Выводы 166
Глава 4. Анализ результатов исследования дизельных двигателей с дополнительным завихрением заряда на безмоторной установке и стендах 169
4.1. Анализ направления движения дополнительного воздуха в цилиндре 169
4.2. Анализ результатов исследования наполнения дизеля с дополнительным завихрением заряда 173
4.3. Анализ результатов стендовых испытаний дизельного двигателя с дополнительным завихрением заряда 178
4.3.1. Анализ скоростных, нагрузочных и регулировочных характеристик экспериментального дизеля 178
4.3.1.1. Скоростные характеристики 178
4.3.1.2. Нагрузочные характеристики 182
4.4. Анализ результатов теплового исследования дизельного двигателя с дополнительным завихрением заряда 190
Выводы 196
Глава 5. Анализ результатов исследования на токсичность двигателей с дополнительным завихрением и расслоением заряда 197
5.1. Анализ результатов опыта бензиновых двигателей с дополнительным завихрением и расслоением заряда 197
5.1.1. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на образование оксида углерода в отработавших газах 197
5.1.2. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на образование несгоревших углеводородов в отработавших газах 201
5.1.3. Анализ влияния дополнительного завихрения и расслоения заряда на образование окислов азота в отработавших газах в бензиновых двигателях 202
5.2. Анализ результатов опытов на дизельном двигателе с дополни
тельным завихрением заряда 205
5.2.1. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на образование несгоревших углеводородов в отработавших газах 205
5.2.2. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на образование окислов азота в отработавших газах 211
Выводы 212
Глава 6. Теоретический анализ двигателей с системой завихрения заряда и их характеристики 214
6.1. Процесс сгорания в бензиновом двигателе с расслоением заряда совместно с дополнительным завихрением 214
6.2. Особенности процесса сгорания в дизельном двигателе с дополнительным завихрением 224
6.3. Анализ установившегося режима работы двигателя с дополнительным завихрением заряда 231
6.4. Математический анализ работы двигателя с дополнительным завихрением заряда при неустановившемся режиме 239
6.5. Анализ движения дополнительного вихревого потока в цилиндре. 245
6.6. Анализ изменения давления в цилиндре двигателя с дополнительным завихрением заряда 248
6.7. Теоретический анализ сгорания топлива в пристеночном слое бензинового двигателя с дополнительным завихрением заряда 251
6.8. Влияние вихревого потока, созданного дополнительным воздухом, на процесс сгорания 260
6.9. Математическое описание нормальной скорости распространения фронта пламени бензинового двигателя с дополнительным завихрением заряда 266
6.10. Математический анализ скорости распространения пламени в ядре камеры сгорания бензинового двигателя с дополнительным завихрением заряда 271
6.11. Влияние дополнительного завихрения заряда на образование вредных компонентов в отработавших газах бензинового двигателя 280
6.11.1. Оксид углерода 280
6.11.2. Окислы азота 285
6.11.3. Несгоревшие углеводороды 291
6.12. Анализ образования токсичных компонентов в дизельном двига теле с дополнительным завихрением заряда 295
6.12.1. Образование оксида углерода, дымности и сажи 295
6.12.2. Образование окислов азота 297
Выводы 306
Глава 7. Экономическая эффективность дополнительного завихрения заря да в бензиновом и дизельном двигателях 309
Общие выводы 313
Используемая литература
- Анализ технико-экономических и экологических показателей двигателей в процессе эксплуатации
- Конструктивные параметры системы завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха
- Анализ результатов исследования на безмоторных установках
- Анализ направления движения дополнительного воздуха в цилиндре
Введение к работе
В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине и на дизельном топливе, являются основными силовыми агрегатами, предопределяющими развитие автомобиле- и тракторостроения. Они неотъемлемая часть в выпуске легковых и грузовых автомобилей, а также тракторов, комбайнов и других машин, используемых в народном и сельскохозяйственном производствах, в частных и производственных нуждах, на мелких и крупных предприятиях.
С выпуском автомобилей, тракторов и другой техники потребность в жидком топливе резко возрастает, тогда, как объем нефтедобычи снижается.
Из добытой нефти около 80% идет на получение жидких топлив, для которых важными определяющими являются способ и стоимость переработки нефти. На основании вышеизложенного можно отметить, что создается потребность изыскивать пути снижения расхода топлива.
Увеличение производства автотракторного парка и соответствующее возрастание потребления топлива, хотя и повышает уровень общественно полезных благ, но одновременно способствует распространению опасности для окружающей среды вследствие увеличивающегося выброса токсичных компонентов, загрязняющих воздух, землю, воду и растительность.
Известно также, что из полученного из нефти топлива появляются потери, которые выбрасываются при эксплуатации автотракторными двигателями в атмосферу, в виде продуктов неполного сгорания и паров (углеводороды, оксид углерода, сажи и др.), которые содержат большой запас теплоты. Например, выброс токсичных компонентов, образовавшихся на 1 кг сжигаемого бензина, с учетом того, что состав смеси нормальный (а « 1,0), составит: оксид углерода -37,8 г, углеводородов - 21,2 г, сажи - 1,0 г [153]. В процентах к 1 кг сжигаемого бензина: оксид углерода - 3,78 %, углеводородов - 2,12 %, сажи - 0,1%.
Только в Республике Татарстан в течение года, эксплуатируется около
200 тыс. автомобилей, которые сжигают бензина (при расходе 10 кг/ч) около 4 млн. тонн. При этом в атмосферу выбрасываются оксида углерода -142 тыс.т, углеводородов - 79 тыс.т, сажи - 4 тыс.т. В тепловых единицах это составит 6502,69-103 МДж, или около 2,25 млн. тонн условного топлива.
Также для примера можно рассмотреть недогорание дизельного топлива, при сжигании 1 кг {а » 1,2) которого выделяется: оксида углерода 20,81 г (2,081 %), углеводородов - 4,16 г (0,416 %), сажи - 5,0 г (0,5 %) [153].
Если в нашей стране выпускается автомобилей с дизельным двигателем около 150 тыс. штук в год, которые сжигают дизельное топливо (при расходе 8,0 кг/ч) около 2,5 млн. тонн, то будет выброшено в атмосферу: оксида углерода - 110 тыс.т, углеводородов - 6,3 тыс.т, сажи 2,5 тыс.т. В тепловых единицах это составит 4050,5-103 МДж, или около 1,5 млн. тонн условного топлива.
Устранение этих потерь приводит к снижению потребности в топливно-энергетических ресурсах, что равносильно увеличению их добычи.
За последние 40 лет вопросу снижения токсичности отработавших газов автомобилей уделили немалое внимание ученые: И.Л.Варшавский, Л.С.Злотаревский, В.В.Померанцев, В.З.Махов, В.А.Звонов, Н.А.Иващенко и другие.
Решение данной проблемы зависит от наличия средств и уровня техники, а также от прогресса научно-технических работ в области совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания.
Несмотря на исключительно широкое использование процессов горения в самых различных областях техники, теория горения к настоящему времени еще далека от своего завершения. Причина этого заключается в том, что рабочий процесс, то есть горение представляет собой крайне сложный химический процесс, развивающийся в условиях быстро изменяющихся температур и концентрации реагирующих веществ. Детальное изучение и тем более расчет таких сложных химических процессов очень затруднен.
Основы современной теории горения были заложены М.В.Ломоносовым,
доказавшим экспериментально в 1756 г., что горение есть не что иное, как химическая реакция соединения горючих веществ с воздухом.
После Ломоносова исследованиями в области горения занимались многие ученые нашей страны: В.В.Петров, В.А.Михельсон, А.Н.Бах, Н.А.Шилов, В.И.Гриневецкий, Б.С.Стечкин, Н.Г.Брилинг, Н.Н.Семенов, Я.Б.Зельдович, Д.А.Франк-Каменецкий, А.С.Соколик, А.Н.Воинов, Н.П.Самойлов, А.В.Та-лантов, Д.Н.Вырубов, Н.В.Иноземцев, М.М.Маслянников, А.С.Предводителев, Л.Н.Хитрин, В.В.Померанцев, В.З.Махов и другие.
Ими показано, что изыскание путей экономии топливно-энергетических ресурсов следует рассматривать, опираясь на инженерно-технические разработки в области совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, чему посвящена настоящая работа, поэтому она весьма актуальна и имеет важное общегосударственное значение.
Из вышеизложенного видно, что уменьшение расхода топлива и снижение токсичности отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания являются большими и серьезными проблемами, решение которых является безотлагательной задачей современной науки и техники.
Одним из путей улучшения показателей рабочего процесса, то есть горения в цилиндре бензиновых двигателей, на наш взгляд, является увеличение скорости сгорания, путем интенсивного завихрения заряда и распределения топлива в камере сгорания, при которых в зоне свечи зажигания находилась бы обогащенная смесь, по мере удаления от свечи смесь постоянно бы обеднялась.
Многочисленные опыты Л.И.Вахошина, А.Н.Воинова, Н.П.Самойлова, Ю.И.Шальман, Р.М.Петриченко и др. показали, что дополнительное завихрение заряда приводит к ускоренному процессу сгорания, а расслоение заряда способствует, не только увеличению скорости заряда, но ведет к полному выгоранию топлива.
Двигатель внутреннего сгорания с таким расположением и движением смеси в камере сгорания называют «Двигателем с дополнительным завихрени-
ем и расслоением заряда».
Способы дополнительного завихрения и расслоения заряда весьма разнообразны [21, 32, 36, 92, 93, 94, 106, 118, 175]. К ним можно отнести непосредственный впрыск топлива в цилиндры или во впускную трубу (инжекторный двигатель), двигатель с форкамерно-факельным зажиганием и другие.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию бензиновых и дизельных двигателей, путем создания расслоения и дополнительного завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха, в процессе горения в камере сгорания.
В работе рассматривается вопрос о токсичности как бензиновых, так и дизельных двигателей внутреннего сгорания, анализируется влияние дополнительного завихрения заряда на образование и снижение оксида углерода, несго-ревших углеводородов, сажи и окислов азота.
Работа является составной частью одного из научных направлений Казанской государственной сельскохозяйственной академии: «Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей путем повышения турбули-зации заряда дополнительной подачей воздуха в цилиндры» (номер государственной регистрации - 0187.0043352) и научного направления Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.
При выполнении работы автором учитывалось и в некоторой степени решалось Постановление Кабинета Министров РТ №312 от 19.05.1995г. (п.п. 1.1, 1.2,1.3), по проблеме: «О сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от автотракторных средств в Республике Татарстан».
Автор проводил работы по изучению влияния расслоения заряда в камере сгорания современного быстроходного двигателя на рабочие процессы, с целью снижения расхода топлива и токсичности, по договору с ПО ЕлАЗ №139-52 от 1994 года. Также в соответствие с Постановлением Кабинета Министров РТ автором велась работа по теме «Испытание и внедрение существующих и вновь разрабатываемых устройств и приспособлений, позволяющих снизить токсич-
ность и дымность отработавших газов автомобилей» с Экологическим Фондом Республики Татарстан.
Мы предлагаем и исследуем способ дополнительного завихрения и расслоения заряда, основанный на подаче дополнительного воздуха под небольшим избыточным давлением в нижнюю часть цилиндра под углом 12... 14 к осевой и диаметральной плоскостям в конце такта наполнения и начале сжатия. На этот способ получено три патента на изобретение.
Разработанное нами устройство позволило резко снизить образование токсичных элементов непосредственно в процессе сжигания топлива в цилиндре двигателя.
Этот способ дополнительного завихрения и расслоения заряда впервые был испытан профессором Н.П.Самойловым [115, 118, 119], проводившим эксперименты на старых тихоходных бензиновых двигателях и большое внимание уделявшим теоретическому и практическому значению расслоения заряда, без учета дополнительного завихрения.
Автор, при исследовании современных быстроходных бензиновых и дизельных двигателей, показал, что большую роль в рабочем процессе (горение) играет расслоение и дополнительное завихрение заряда, которые проявили себя в улучшение процесса горения, особенно, при исследовании дизельных двигателей. Между тем, этот способ дополнительного завихрения и расслоения заряда содержит в себе ряд несомненных преимуществ перед другими способами дополнительного завихрения и расслоения заряда.
Исследования осуществлялись в два этапа:
исследования опытных дизельных и бензиновых двигателей на безмоторных установках и стендах в сравнение со стандартными, с разработкой методов теоретического расчета;
исследования в дорожно-полевых условиях на грузовых и легковых автомобилях и на тракторах с опытными двигателями и сравнение их со стандартными, с разработкой расчетных методик.
Исследование двигателя проводились по скоростным, нагрузочным, токсичным и специальным характеристикам с дополнительным завихрением и расслоением заряда в сравнении со стандартными двигателями.
Анализ теоретических и опытных результатов экспериментов показал значительные преимущества автомобилей и тракторов с опытными двигателями по сравнению с автомобилями и тракторами, у которых были стандартные двигатели.
Теоретические исследования и опыты показали, что, за счет расслоения и дополнительного завихрения заряда в камере сгорания, удалось увеличить скорость сгорания, то есть КПД и устойчивость двигателя на всех режимах его работы, с уменьшенным выбросом токсичных элементов с отработавшими газами.
С 1985 по 1991 годы велась совместная работа с Заволжским моторным заводом (ЗМЗ) на тему «Исследование процессов модернизированных четырех цилиндровых двигателей ЗМЗ с вводом в цилиндры дополнительного воздуха».
С 1985 по 1993 годы велась совместная работа с Государственным Центральным научно-исследовательским автомобильным и автомоторным институтом (НАМИ) по исследованию двигателей с вводом в цилиндры дополнительного воздуха.
Достоверность исследований подтвердилась положительными результатами производственных и эксплуатационных испытаний автомобилей и тракторов при реализации разработанных способов повышения завихрения и расслоение заряда в камере сгорания бензиновых и дизельных двигателей. Этот способ позволил получить более высокие мощностные, экономические, экологические, тяговые и динамические показатели.
Основные результаты научных исследований диссертации докладывались на Международном конгрессе «Развитие мониторинга и оздоровление окружающей среды», проходившего в июне 1994 г. в г.Казани, на Международном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности» в октябре 1997 г. в г.Казани, на
10-ой научно-практической конференции ВУЗов Поволжья и Предуралья «Совершенствование и развитие мобильной энергетики в сельском хозяйстве» в июне 1998 г. в г.Чебоксары, на Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» в 1999, 2001, 2003, 2005 г.г. в г.Казани, на Международной научно-технической конференции «Механика машиностроения» в апреле 1995 г. в г.Набережные Челны, на Международных научно-практических конференциях «Механика машиностроения» и «Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан» в декабре 1999 г. в г.Набережные Челны, на 2-ой, 3-ей и 4-ой Республиканских конференциях «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» в 1995, 1997 и 2001 г.г. в г.Казани, на научной конференции кафедр «Тракторов и автомобилей» сельхозвузов Поволжья и Предуралья в мае 2003 г. в г.Нижним Новгороде.
В диссертационной работе представлено научное обоснование новых технических решений, направленных на совершенствование рабочих процессов бензиновых и дизельных двигателей путем дополнительного завихрения и расслоения заряда в камере сгорания, реализация которых вносит существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса при производстве и эксплуатации автомобилей, тракторов и других машин.
Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, могут быть использованы при модернизации и проектирование новых двигателей.
Научную новизну работы составляют:
разработанная система дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах двигателя;
количественные характеристики и закономерности изменения показателей при сгорание топлива в бензиновом и дизельном двигателях за счет дополнительного завихрения и расслоения заряда;
разработанные математические модели, устанавливающие связь показа-
телей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками процессов рабочего цикла бензинового и дизельного двигателей;
- результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензинового и дизельного двигателей.
На защиту выносятся:
Разработанная система для дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензинового и дизельного двигателей с помощью автономной компрессорной установки.
Количественные характеристики и закономерности изменения показателей при завихрении и расслоение заряда в процессах наполнения, сжатия и горения бензиновых и дизельных двигателях.
Математические модели, устанавливающие связь показателей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками рабочего цикла (скорости распространения пламени в процессе горения, изменение концентрации топлива в камере сгорания, образование токсичных компонентов (СО, СН, С, NOx и др.) в отработавших газах) при различной интенсивности дополнительного завихрения бензинового и дизельного двигателей.
Результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндре бензинового и дизельного двигателей.
Анализ технико-экономических и экологических показателей двигателей в процессе эксплуатации
Независимо друг от друга, Согин Б.Д. [75,134], Юлдашев А.К. [151] и Александров И.А. [4], показали, что автомобильные и тракторные двигатели большую часть времени работают на переменных режимах, из-за различных профилей дорог и скорости движения. Мощность, затрачиваемая двигателем на движение трактора или автомобиля в каждый данный момент времени, определяется по крутящему моменту MKP(t) и скорости движения V(t) из формулы где гк - радиус качения колеса; г\тр - КПД трансмиссии.
Но, так как крутящий момент на полуосях МкР(і) и скорость движения трактора или автомобиля V(t) являются функциями случайными, то мощность двигателя, затрачиваемая на движение трактора или автомобиля по дороге с определенной неровностью, следует находить через вероятностные характеристики этих процессов.
Например, как показали исследования [89] груженого грузового автомобиля ГАЗ-52, средняя эксплуатационная мощность, развиваемая двигателем на дорогах с грунтовым и песчаным покрытиями, при движение, с допустимо -возможными скоростями, составляет 35...40 кВт (40...50 л.с), а для автомобиля безгруза25...30к5т(34...41 л.с).
Использование мощности двигателя при эксплуатации автомобиля на дорогах с определенным покрытием на преодоление неровностей можно характеризовать отношением где aN - коэффициент использования эксплуатационной мощности двигателя, который равен для грузовых автомобилей в %: с грузом 42...48, без груза 23...31;
Мдв.э средняя эксплуатационная мощность, развиваемая двигателем на дорогах с различными неровностями; тахэ - максимальная эксплуатационная мощность двигателя.
Как показывают опыты, мощность двигателя груженого автомобиля, на дорогах с уровнем неровности 6= 22 мм может реализоваться только на 56%. Наши наблюдения показали, что это приводит к неоправданному повышению расхода топлива, выбросу в атмосферу в большом количестве токсичных веществ и к потере мощности.
Теоретический анализ энергетических показателей автомобилей свидетельствует, что потери на дисперсию - колебание статистических величин около среднего уровня (или затраченные паразитные мощности) зависят от произведения дисперсии момента и скорости на ведущих колесах автомобиля или колесного трактора. Чем больше дисперсии, тем значительнее потери и наоборот [125,152].
Исследование тяговых качеств и динамики автомобиля и трактора [3, 89 107] показали, что тяговые и динамические качества прямо пропорционально зависят от мощности двигателя.
С повышением мощности возрастают тяговые усилия и динамика автомобиля или трактора.
Проведенные исследования [3, 10, 37, 46, 47, 89, 96, 118] и автора показали, что мощность двигателя, затрачиваемая на преодоление момента сопротивления, при одинаковых нагрузках в зоне номинального режима, практически совпадает со статической. Причем, при отклонении нагрузки в сторону увеличения имеет место большой расход топлива, нежели при отклонении в сторону уменьшения. Для выяснения причин этих отклонений были проведены дополнительные исследования [24, 34], которые показали, что среднее значение цикловой подачи топлива выше статистических, приводит к увеличению расхода топлива. В результате чего среднее значение коэффициента избытка воздуха снижается, что приводит к недогоранию топлива.
Удельный расход топлива в начале эксплуатации нового автомобиля или трактора несколько снижается, а затем с увеличением пробега или наработки моточасов возрастает, несмотря на проводимые ремонты двигателей, и топливной системы.
Наблюдения и анализ показывают, что затраты на эксплуатационные материалы пропорциональны затратам на топливо; в интервале пробега от 0 до 60 тыс.км они составили 6% от затрат на топливо [98, 138].
Большой вклад в изучение процесса сгорания в бензиновых двигателях внесли отечественные ученые.
Пионером формирования отечественной научной школы в области теории двигателя был В.И.Гриневецкий. Он впервые опубликовал тепловой расчет поршневых двигателей внутреннего сгорания [31]. Далее эту школу развили Н.Р.Брилинг [15] (это связано, главным образом, с его фундаментальными трудами), Б.С.Стечкин [140], Н.Н.Семенов [127, 128], Е.К.Мазинг [62], Льюис Г.Эльбе [61] и ряд других исследователей.
В.И.Гриневецкий был основоположником теплового расчета. Затем Н.Р.Брилинг со своими учениками, развил и показал значимость теплового расчета, как метода исследования рабочего процесса. Он анализировал влияние на протекание процесса горения различных факторов: частоты вращения, нагрузки, коэффициента избытка воздуха и др., которые имеют большое значение в тепловом расчете.
Ценность теплового расчета, как с научной, так и практической точки зрения, представлена не только в вычисление основных показателей рабочего процесса вновь проектируемого двигателя, но и в анализе действительных процессов в рабочих двигателях. Это важно и потому, что при расчете рабочего процесса нового двигателя необходимо иметь ряд опытных величин и коэффициентов, которые возможно определить только при анализе действительных рабочих процессов эксплуатируемых двигателей.
В дальнейшем тепловой расчет совершенствовался, у различных авторов построение теплового расчета и анализ рабочего процесса отличается между собой.
В.И.Гриневецкий и Е.К.Мазинг при расчете рабочего процесса строили теоретические индикаторные диаграммы. При построении диаграмм линии сжатия и расширения они принимали условно в виде политроп, с показателями щ и п2 Е.К.Мазинг в своих расчетах считал, что эти политропы по разновидности действительные и теоретические, будут равны на соответствующих участках (площади под этими кривыми). Считается, что сгорание у двигателя с искровым зажиганием протекает при постоянном объеме (V= Const); количество тепла, подведенного в этом процессе, равняется теплоте сгорания заряда, помноженной на коэффициент выделения тепла к моменту Ртах.
Конструктивные параметры системы завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха
Уменьшить расход топлива и токсичность отработавших газов, не снижая, а в некоторых случаях повышая мощностные показатели двигателя, можно за счет совершенствования смесеобразования в двигателе путем расслоения заряда в цилиндре.
Все существующие способы обеднения смеси за счет расслоения заряда можно разделить на три метода.
1. Расслоение заряда за счет соответствующей организации впрыска топлива, которое широко используется на отечественных и зарубежных автомобилях и рассмотренные в 1.3 и 1.4.
2. Расслоение заряда при использовании форкамерно-факельного зажигания и рассмотренные в 1.5.
3. Расслоение заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха [3,10,37,89,118,170,173].
Все существующие методы, которые проанализированы и которые будут проанализированы далее, в какой-то мере позволяют получить неоднородный состав смеси по всему объему камеры сгорания. Однако следует заметить, что вышеуказанные методы не лишены недостатков.
Избежать затруднений, в указанных выше способах расслоения заряда, как с использованием форкамерно-факельного зажигания, так и с использованием впрыска топлива, можно, если вводить в цилиндр дополнительный воздух под некоторым избыточным давлением в процессе наполнения и сжатия, то есть реализовать некоторую разновидность наддува, минуя основной всасывающий тракт, одновременно обеспечивая расслоение заряда.
Если рассмотреть в отдельности влияние расслоения и дополнительного
завихрения заряда, то можно отметить: расслоение заряда способствует стабильному и быстрому воспламенению обедненных смесей, что затруднено или невозможно осуществить в стандартном двигателе, а также приводит к увеличению скорости распространения фронта пламени. Дополнительное завихрение заряда способствует увеличению скорости сгорания заряда, с устойчивым, полным и быстрым выгоранием топлива в смеси с воздухом.
Установка системы расслоения и дополнительного завихрения заряда на двигателе позволяет увеличить мощность, что приводит к легкому преодолению дополнительных сопротивлений при движении автомобиля или трактора, снижению удельного расхода топлива, значительно уменьшить выброс токсичных элементов с отработавшими газами.
Анализируя способы и схемы расслоения и дополнительного завихрения заряда в цилиндре [76, 78], с точки зрения возможности достижения высокой топливной экономичности, как на частичных, так и на полных нагрузках, при минимальной токсичности отработавших газов и одновременном улучшении мощностных показателей двигателя, мы отдаем предпочтение способу подачи дополнительного воздуха через отверстия в нижнюю часть гильзы цилиндра.
В данном способе расслоение заряда начинало осуществляться, когда поршень находился возле нижней мертвой точки и давление (Ра) в цилиндре, было меньше атмосферного. В цилиндр дополнительный воздух вводился при минимальных энергетических затратах (0,01.. .0,025)Nemax двигателя.
На всех режимах работы двигателя, при правильном подборе параметров дополнительного воздуха, представляется возможность снизить температуру сгорания, уменьшить концентрацию окислов азота в отработавших газах [43, 45] или сместить максимум образования их в сторону более бедных смесей, на которых двигатель работает практически очень редко.
Доп.воздух
Рассматривая схему двигателя с расслоением и дополнительным завихрением заряда, которая описана в 2.1 (рис.2.1), видим, что основные параметры (место расположения и диаметр отверстия в цилиндре для впуска дополнительного воздуха) следует определять для каждой марки двигателя отдельно.
При расчетах были выдвинуты следующие обязательные условия: 1 - поршень; 2 - клапан, подающий заряд дополнительного воздуха. Рис.2.1. Схема двигателя с расслоением заряда
1) давление в системе дополнительного воздуха не должно превышать 0,06 МПа (избыточное), так как давление выше 0,06 МПа, при максимальной частоте вращения коленчатого вала, приводит к снижению дозарядки цилиндра и обратному выбросу свежей смеси в карбюратор, а у дизеля через впускной клапан в конце наполнения. Давление ниже 0,06 МПа не дает нужного эффекта [94].
2) затраты энергии на привод воздуходувки должны составлять не более 1,5...3 % от максимальной мощности двигателя, для которого рассчитывается воздуходувка;
3) воздуходувка должна обеспечивать подачу в цилиндр дополнительного воздуха в пределах 10...25% от воздуха, поступившего в цилиндр бензинового двигателя через карбюратор, а у дизельного - через впускной клапан.
Анализ результатов исследования на безмоторных установках
На процесс сгорания в двигателях с дополнительным завихрением заряда по-разному влияют качество, количество бензино-воздушной смеси и другие факторы. Поэтому, при определение влияния топливно-воздушной смеси на рабочий процесс особое внимание было обращено на следующий основные параметры: качество смеси - коэффициент избытка воздуха («); количество смеси -коэффициент наполнения (/д); количество подаваемого в цилиндр воздуха для дополнительного завихрения заряда, который характеризуется коэффициентом подачи дополнительного воздуха (Q, направление струи дополнительного воздуха в цилиндре - циркуляцию, а также скорости движения (WT) дополнительного воздуха.
У двигателя с дополнительным завихрением заряда, как и у стандартного бензинового двигателя, при обогащении смеси мощность несколько возрастает, достигая максимума у первого при а = 1,05... 1,15 и у второго при а = 0,80.. .0,90, а затем вновь медленно падает.
В двигателе с дополнительным завихрением заряда можно обеспечить устойчивую и относительно равномерную работу, не снижая мощностные показатели, при составе смеси, отвечающей суммарному коэффициенту избытка воздуха Oz = 1,2... 1,5. Тогда как в двигателе без дополнительного завихрения заряда при ссисх 1,20... 1,25 сгорание бензино-воздушной смеси становится медленным и неустойчивым, иногда продолжается во время хода расширения и выпуска, давая, в результате воспламенения свежей смеси, поступившей в ци линдр, обратные вспышки в карбюраторе.
Основным объяснением сдвига максимума мощности в двигателе без дополнительного завихрения заряда, в сторону богатой смеси, служит указанное Пайем [74], влияние диссоциации. Однако это объяснение не может быть достаточным [8].
Диссоциация - реакция, которая протекает с поглощением тепла, то есть эта реакция эндотермическая. Диссоциация конечных продуктов сгорания указывает на неполную реакцию, на неполное выделение тепла, и, следовательно, приводит к снижению коэффициента полезного действия.
На рис.3.1 показано, что максимальное среднее индикаторное давление Р, двигателя с дополнительным завихрением заряда получаем при 0,35 Oz = 1,05... 1,15, а индикаторный 0,30 КПД 77, при as= 1,2... 1,3. Важным фактором, определяю- п д щим сдвиг максимума среднего дав МПа ления в сторону богатой смеси, явля- Q д ется увеличение скорости горения при некотором обогащении смеси.
Наиболее достоверным фактором получения максимума среднего давления и сдвига его в сторону обогащенных смесей является относительно высокая скорость распространения пламени W = (р(сс), которая находится в области a = 0,8...0,9 [21, 87, 106, 114]. Это объясняется тем, что скорость химической реакции больше в несколько обогащенных смесях, несмотря на то, что температура пламени здесь ниже, чем при смеси близкой к стехиометрической a = 0,98... 1,02.
Немалую роль играет и то обстоятельство, что относительно высокая скорость химической реакции при а 1 приводит к уменьшению продолжительности первой фазы сгорания, особенно это, заметно у двигателя с дополнительным завихрением заряда в цилиндре.
Также, улучшение сгорания при обогащение смеси до значения а = 0,9 и ниже, обусловлено тем, что в этом случае впускаемая в цилиндры смесь разбавляется уже не инертными газами, а продуктами неполного сгорания, содержащими значительные концентрации весьма энергично горящих СО и Н2 [21].
Нестационарность сгорания от цикла к циклу у двигателя с дополнительным завихрением заряда появляется значительно реже, чем у двигателя без дополнительного завихрения заряда. У двигателя с дополнительным завихрением заряда значительно расширяются, по а, пределы эффективного обеднения смеси с сохранением мощностных показателей двигателя и устойчивой работы на частичных нагрузках.
В двигателях с дополнительным завихрением заряда происходит, как было сказано выше, расслоение заряда, что способствует быстрому воспламенению смеси с общим коэффициентом избытка воздуха более единицы, так как возле свечи зажигания всегда располагается обогащенная горючая смесь (а 1), которая быстро воспламеняется. Затем реакционно-активные несгоревшие частицы топлива перемещаются за счет крупномасштабной турбулентности с относительно большой скоростью и высокой температурой и воспламеняют вторичные слои заряда, у которых коэффициент избытка воздуха больше, чем у смеси возле свечи зажигания. По мере перемещения фронта пламени в новые слои свежей смеси, с все возрастающим коэффициентом избытка воздуха а, за счет интенсивного вихревого движения, созданного в процессе впуска дополнительным воздухом, происходит интенсивное горение обедненной, затем бедной смеси.
Анализ направления движения дополнительного воздуха в цилиндре
Исследование потока дополнительного воздуха в процессе наполнения и сжатия проводили на безмоторной установке (рис.4.1). При исследовании использовали цилиндр диаметром ПО мм, в который на расстоянии 120 мм от верхней кромки цилиндра ввертывался штуцер с трубкой. Штуцер имел шарообразную форму, что позволяло изменять направление потока воздуха, проходившего через него, как по горизонтали, так и по вертикали. Трубка диаметром 8 мм располагалась в штуцере и имела возможность поворачиваться на 10, 15, 20 и 25 к осевой и диаметральной плоскостям, как показано на рис.4.2.
Из воздуходувки, через трубку, подавался в цилиндр воздух под избыточным давлением 0,05...0,06 МПа. По горизонтали (диаметральной плоскости) воздух направлялся через точки (рис.4.2): 0 -по диаметру; 2 - под углом 15; 6 - под углом 30. Затем трубка была установлена под углом к оси цилиндра (осевой плоскости). После отрегулирования направления движения воздуха, устанавливали, перед потоком, тензодатчик в точках 0, 1, 2, 3, 4, 5 и 6. В начале по гори зонтали, затем его перемещали по вертикали через 20...25 мм (по осевой плоскости цилиндра). Сигналы, полученные от тензодатчика передавались в 12-ти канальный тензоусилитель. После чего снимались показания милливольтметра, который был оттарирован, вначале, по манометру на давление, затем по анемометру на скорость движения воздуха в цилиндре. Полученные показания по горизонтали и вертикали наносились на график (рис.4.2).
Дополнительный воздух
Испытания показали (рис.4.2), что, на расстояние от внутреннего отверстия 0,25 длины по оси цилиндра, наибольшая скорость потока дополнительного воздуха получается на половине радиуса от оси цилиндра (точка 3), а наибольшее м/с давление у стенки цилиндра (точка о). В центре цилиндра (точка 0), скорость по- 5 тока равнялась нулю; в точке 6 (у стенки Ю цилиндра) скорость потока дополнительного воздуха была меньше, чем в точке 3 (рис. 4.2).
На расстояние, примерно 0,9 длины по оси цилиндра от внутреннего отверстия (в точке 0) скорость потока и давление оставались неизменными; в точке 3 скорость увеличилась, примерно, в 2 раза, а в точке 6 несколько уменьшилась, примерно, на 6...7 м/с.
Наибольшая скорость наблюдалась, примерно, в середине по высоте цилиндра и составила в среднем WT = 20 м/с, а абсолютное давление почти не изменилось и составило 0,15 МПа. Снижение давления с 0,17 до 0,15 МПа объясняется отсутствием головки цилиндра.
Наиболее равномерное распределение дополнительного воздуха по диаметральной плоскости в цилиндре имело место, когда ось отверстия была направлена под углом 13... 15 к осевой и диаметральной плоскостям цилиндра.
Интересным явилось то, что величина скорости, по направлению Wn и Wa в сечение 2-2 (рис.4.1) зависит от величины и направления скорости Wx\ (сечение 1-1). С - постоянная интегрирования, которая определяется из условия, что при л: = 0, скорость Wx= WX\: где Н0 - расстояние между нормальным сечением диаметра, проходящее через середину открытой части воздушных впускных отверстий, и равной половине текущего хода впускного клапана.
Если впускные отверстия не имеют осевого наклона, то WX\ - 0. Тогда постоянная интегрирования (4.5) получается из условия, что при JC = 0, скорость Wx= Wjn = 0:
Из уравнения (4.9) видно, что текущая осевая скорость истечения зависит прямо пропорционально от скорости истечения Wx\, а также от осевого наклона на расстояние х, давления дополнительного воздуха Рд, и конструктивных параметров D и Я0, плотности р, коэффициента трения Я.
Анализируя связь вихревого потока дополнительного воздуха с конструктивными параметрами двигателя (рис.2.11), можно получить полную картину состояния заряда в камере сгорания. Воспользуемся формулами 2.33...2.38.
