Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Перспективы применения дизелей на легковых автомобилях .12
1.2. Особенности процесса сгорания в высокооборотных дизелях .18
1.3. Выбор способа смесеобразования и типа топливной аппаратуры для высокооборотного малолитражного дизеля 21
1.4. Классификация основных направлений определения наивыгоднейших параметров впрыскивания топлива для высокооборотного малолитражного дизеля 29
1.5. Требования к параметрам характеристик впрыскивания для высокооборотного дизеля
по анализу процесса сгорания 35
1.6. Выводы и задачи исследования 38
ГЛАВА ВТОРАЯ. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВПРЫСКИВАНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ 41
2.1. Состояние вопроса и постановка задачи теоретического исследования 41
2.2. Математическая модель,положенная в основу определения наивыгоднейших характеристик тепловыделения 45
2.3. Результаты расчетов модели струи впрыскиваемого топлива 63
2.4. Расчет хода рабочего процесса по струе впрыскиваемого топлива 71
2.5. Выводы 81
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВЫСОКООБОРОТНОГО МАЛОЛИТРАЖНОГО ДИЗЕЛЯ ПО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВПРЫСКИВАНИЯ 83
3.1. Взаимосвязь процессов впрыскивания и тепловыделения по разработанной математической модели . 83
3.2. Влияние формы дифференциальных и интегральных характеристик топливоподачи 86
3.3. Влияние продолжительности топливоподачи 90
3.4* Влияние угла опережения впрыскивания топлива 97
3.5. Оценка возможности управления рабочим процессом высокооборотного малолитражного дизеля параметрами топливной аппаратуры. 100
3.6. Выводы 103
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ И ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ВЫСОКООБОРОТНОГО
МАЛОЛИТРАЖНОГО ДИЗЕЛЯ 104
4.1. Постановка задачи экспериментальных исследований. 104
4.2. Установка для исследования процесса топливоподачи 105
4.3. Установка для исследования рабочего процесса в высокооборотном малолитражном дизеле 114
4.4. Математическое планирование эксперимента 125
4.5. Точность измерений 129
4.6. Выводы 132
ГЛАВА ПЯТАЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ 134
5.1. Результаты экспериментальных исследований топливной аппаратуры, высокооборотного дизеля 134
5.2. Результаты испытаний одноцилиндрового высокооборотного дизеля .150
5.3. Техническая характеристика и результаты испытаний четырехцилиндрового высокооборотного малолитражного дизеля 159
5.4. Выводы 165
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ IS9
ЛИТЕРАТУРА 172
- Перспективы применения дизелей на легковых автомобилях
- Состояние вопроса и постановка задачи теоретического исследования
- Взаимосвязь процессов впрыскивания и тепловыделения по разработанной математической модели
- Постановка задачи экспериментальных исследований.
- Результаты экспериментальных исследований топливной аппаратуры, высокооборотного дизеля
Перспективы применения дизелей на легковых автомобилях
Анализ развития мирового автомобилестроения показывает, что в 80-е годы основным типом автомобильного двигателя будет получивший наибольшее распространение поршневой двигатель внутреннего сгорания. По данным целого ряда исследований, проведенных за рубежом, в течение ближайших лет значительно повысятся цены на жидкое моторное топливо, причем прогнозируется их ежегодный рост на Ь% /48/. В связи с этим, во многих странах вводится нормирование расходов топлива для вновь выпускаемых легковых автомобилей. Так, например, в США. величина расхода топлива снизилась по сравнению с 1976 годом на 30$ и к 1985 году должна быть снижена до 8,6л на 100 км пробега /21, 48/. Вместе с этим, все более решающим фактором, оказывающим влияние на развитие автодвигателестрое-ния, становятся постоянно ужесточающиеся нормы на загрязнение окружающей среды отработавшими газами автомобилей.
Благодаря сближению энергетических, габаритных и массовых показателей дизелей и карбюраторных двигателей, а также стоимости производства обоих типов двигателей,- высокооборотные малолитражные дизели, обладающие лучшей топливной экономичностью и меньшей токсичностью отработавших газов, находят все большее применение в качестве силовых установок автомобилей малой грузоподъемности и легковых /9/.
Б работах /106, 112, 113, 115/ отмечается, что применение дизельного двигателя на легковом автомобиле позволяет экономить от 12 до 41$ топлива нефтяного происхождения.
По оценкам специалистов, улучшение топливной экономичности бензиновых двигателей на 10$ может быть достигнуто за счет применения расслоения заряда (процесс PROCO ) или при работе на сильно обедненных смесях при повышении Є , однако это приводит к увеличению стоимости бензинового двигателя /42, 98/. Поэтому успешное решение проблем, связанных с дальнейшим развитием дизелей, остающихся наиболее совершенными машинами для преобразования тепловой энергии в механическую, определяет все более явственно проявляющуюся тенденцию к дизелизации автомобильного парка, в том числе и парка легковых автомобилей, где до последнего времени дизели почти не применялись.
Оценивая перспективы развития дизелей для легкового транспорта, ряд исследователей /96, 109/ обращает внимание на решение ряда проблем, связанных с улучшением токсических показателей, оптимизацией параметров рабочего цикла дизеля, улучшением массо-габаритных показателей, снижением уровня шума. Решение этих задач определяется уровнем теоретических исследований, наличием хорошо зарекомендовавших себя прототипов, опытом работы, степенью подготовленности имеющегося производства и другими технико-экономическими аспектами. Обзор деятельности крупнейших двигателестроительных фирм /95, 108/ показывает, что в производстве дизелей для легковых автомобилей достигнуты положительные результаты и что масштабы производства дизелей расширяются. Повышающийся спрос на легковые автомобили с дизелями объясняется рядом причин. Худшие динамические качества дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями становятся менее заметными в связи с введением в ряде стран ограничений на максимально допустимую скорость движения. Стоимость производства бензиновых двигателей постоянно повышается из-за полного перехода к верхнему расположению клапанов и их привода,усложнения конструкции головок цилиндров, установки вспомогательного оборудования для снижения токсичности отработавших газов, применения турбонаддува, а также систем питания и зажигания с электронным управлением. В то же время темпы роста стоимости производства дизелей увеличиваются не так быстро в связи с использованием бензиновых двигателей в качестве прототипов дизелей и переходом к массовому производству легких дизелей, что снижает их стоимость.
Б этом случае наиболее перспективными следует считать работы по конвертации двигателей с малыми диаметрами цилиндров, поскольку здесь не требуется дополнительное упрочнение силового механизма и повышение жесткости корпусных деталей: жесткость и прочность конструкции повышается по мере уменьшения размеров деталей и узлов, из которых состоит данная конструкция. Поэтому при конвертации в дизель малолитражных карбюраторных двигателей неизменными можно сохранить большее число деталей силового механизма, чем при конвертации двигателей грузовых автомобилей с диаметром цилиндра, например, І00...І20мм/22/. Удачное решение конструкторских вопросов, связанных с компоновкой механизма газораспределения и топливной аппаратуры, позволяет производить механическую обработку головки цилиндров карбюраторных двигателей и конвертируемых из них дизелей на одной поточной линии, что также снижает стоимость производства дизельных двигателей /101, 104/.
Быстрое увеличение количества автомобилей во воем мире привело к тому, что в целом ряде технически развитых стран автомобильный транспорт с двигателями внутреннего сгорания стал одним из основных источников загрязнения воздушного бассейнаw Б связи с этим повсеместно вводятся и периодически пересматриваются в сторону ужесточения законодательные нормы на предельные уровни дым-ности и содержание токсичных веществ в отработавших газах автомобильных двигателей как бензиновых, так и дизелей. Основными токсическими компонентами, уровень которых ограничивается различными нормами, являются окислы азота NCX , несгоревшие углеводороды СИ , окись углерода СО и сажа. Кроме того, в отработавших газах содержатся альдегиды, двуокись серы, бенз(о )пирен и другие токсические вещества, концентрации которых незначительны /24/. В отработавших газах дизелей доминируют такие токсические вещества, как окислы азота и сажа. В суммарной токсичности дизелей окислы азота могут составлять на многих эксплуатационных режимах до 80%. Однако на режимах работы двигателя, характеризующихся малым коэффициентом избытка воздуха (режимы перегрузок, приема нагрузки и т.д.), а также на режимах с малым выделением окислов азота(напри-мер, холостой ход), решающее значение в суммарной токсичности дизелей может иметь сажа.
Состояние вопроса и постановка задачи теоретического исследования
В ходе развития многими советскими учеными термодинамического метода расчета рабочего процесса, основанного на классическом тепловом расчете В.И.Гриневецкого, выявилось определяющее влияние функции тепловыделения на показатели тепловых процессов в цилиндре. Получение функции тепловыделения на основе рассмотрения элементарных физико-химических процессов в струе впрыскиваемого топлива встретило большие практические трудности, и во многих исследованиях функции тепловыделения задавались полуэмпирическими уравнениями, полученными по опытным данным на каком-то конкретном дизеле или в пределах узкой группы дизелей. Вместе с тем, наибольшее распространение получили формулы Б.М.Гончара, Ленинградского политехнического института (ЛПИ), Ю.М.Батракова, Николаевского кораблестроительного института (НКИ) /56/. Наиболее типичным выражением функции тепловыделения в этом случае является формула И.И.Вибе/23/.
Несмотря на то, что подобное задание функций тепловыделения не имеет общего характера, по ним были разработаны методы расчета изменения давления, температуры и других параметров рабочего тела в дизеле. Наиболее распространенным и часто применяемым в настоящее время расчетом этого ИЛЕГявляется расчет рабочего процесса дизеля по методу ІЩВДИ, основанный на численном интегрировании,с применением ЭВМ,первого закона термодинамики, одним из членов которого является задаваемая функция тепловыделения в камере сгорания /29/.
Для дальнейшего развития теории смесеобразования и сгорания в дизеле требовался четкий и ясный анализ элементарных физико-химических процессов, протекающих в камере сгорания с момента впрыскивания топлива. Процессы развития топливно-воздушной струи, образующейся при впрыскивании топлива, закономерности испарения и сгорания топлива в ней рассматривались многими исследователями, и по отдельности процессы в струе были изучены достаточно подробно. Многосторонние исследования распиливания топлива дизельными форсунками, динамики струи, распределения топлива и воздуха в струе впрыскиваемого топлива проведены А.С.Лышевским /44/, который применил уравнения сохранения массы и импульса для аналитического описания распространения распыленной струи жидкости. Им были получены экспоненциальные выражения для скорости струи и универсального профиля скоростей по сечению струи.
Глубокие исследования динамики смесеобразования в дизельной струе проведены Ю.Б.Свиридовым. Согласно разработанной им модели основным фактором в формировании и развитии струи распыленного топлива является продвижение комплекса капель, испытывающих аэродинамическое сопротивление /70, 71, 72/. Развитие этой модели привело к так называемой "зонной" теории струи, в которой различаются зона фронта и зона шлейфа. Большую ценность имеют полученные Ю.Б.Свиридовым временные характеристики динамики смесеобразования в топливной струе, развивающейся в условиях камеры сгорания дизеля /71/.
Накопленный обширный экспериментальный и теоретический матери 43
ал дал необходимую базу для создания физико-математических моделей развития струи, основанных на применении дифференциальных уравнений газовой динамики, замыкаемых уравнениями состояния и переноса субстанций. К числу этих исследований следует отнести работы В.П.Жукова и А.М.Павличенко, связывающих на основе эмпирических зависимостей процессы впрыскивания и выгорания дизельного топлива /35, 55/, Н.Х.Дьяченко /78/, Б.П.Пугачева /62, 63/,Н.Ф.Раз-лейцева /54/, Н.И.Корабелыцикова /38/ и др. Созданные ими физико-математические модели развития струи учитывают турбулентный тепломассообмен и нестационарность распространения струи впрыскиваемого топлива. Применение современных численных методов и быстродействующих ЭВМ позволяет определить динамику формирования в струе температурно-концентрационного расслоения компонентов ,полей скоростей и других параметров.
В работах /8, 16/ сделана попытка определения взаимосвязи между коэффициентом активного тепловыделения и дифференциальными и интегральными характеристиками топливоподачи. Связь осуществлялась путем введения в алгоритм расчета расходного уравнения Бер-нулли, в котором разность давления определялась изменяющейся во времени разностью давления впрыскиваемого топлива и давления газов в цилиндре. Такой вид зависимости характеристик топливоподачи и выгорания требует использования экспериментальных кривых изменения давления в цилиндре и распылителе форсунки, изменяющейся во времени величины гидравлической характеристики распылителя. Естественно, использование осциллограмм, снятых на конкретном двигателе, делает неприемлемой данную методику для вновь создаваемого высокооборотного дизеля, не имеющего аналогов, и исследований рабочих процессов системы топливоподачи и дизеля.
Взаимосвязь процессов впрыскивания и тепловыделения по разработанной математической модели
Математическая модель развития и сгорания струи впрыскиваемого топлива дает возможность получения непосредственно из расчета практически любых показателей рабочего процесса двигателя.Ценность полученных результатов заключается в том, что численное моделирование позволяет установить влияние на индикаторную диаграмму и к.п.д. цикла характеристики впрыскивания, угла опережения и продолжительности топливоподачи, конструктивных параметров камеры сгорания в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя /13/.
Получение различных форм дифференциальных характеристик возможно изменением параметров в формулах (2.22) и (2.57). В этом случае продолжительность впрыскивания регулируется количеством интервалов времени истечения A%i (2.57), (2.58), а форма импульса топливоподачи задается изменением значений скорости впрыскиваемой струи топлива (2.22). При этом возможны различные варианты расчетов при изменяющихся конструктивных параметрах системы питания.Например, изменение угла рассеивания струи топлива возможно изменением значений о&с (2.41), а величина диаметра соплового отверстия варьируется значением ос (2.22). Кроме того, описанная математическая модель развития и сгорания струи позволяет учитывать такие факторы в системе питания высокооборотного дизеля, как наличие штифтового распылителя, или, в случае применения многоструйного расплителя,- количества сопловых отверстий. В первом случае для получения полого конуса распиливаемого топлива в формулах (2.41) и (2.42) величина olc (угол между осью струи и прямой, соединяющей сопловое отверстие распылителя с точкой на начальной полусфере, в которой задаются начальные значения параметров струи) заменяется на величину о6с- oLm , где о - угол последнего конуса штифта распылителя. Максимумы значений 0Т и V в формулах (2.41), (2.42) берутся не при o = 0 , а при осво ,.Если впрыскивание топлива в камеру сгорания происходит через форсунку, имеющую к сопловых отверстий, то для / -го интервала времени значения правых частей уравнений (2.57), (2.58), (2.59) следует умножить на Ж . При этом используется допущение о невзаимодействии между /сл струями топлива.
На рис. 3.1 показан расчет хода рабочего процесса высокооборотного малолитражного дизеля. Давление и температура в цилиндре, характеристики тепловыделения получены при частоте вращения коленчатого вала И = 3000 мин-1, цикловая подача - 15 мм3, продолжительность впрыска 50 поворота коленчатого вала двигателя, скорость вихря 40 м/с /103/, температура стенки камеры сгорания 600 К /19/, угол опережения впрыскивания - 20 до ВМГ.
class4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ И ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ВЫСОКООБОРОТНОГО
МАЛОЛИТРАЖНОГО ДИЗЕЛЯ class4
Постановка задачи экспериментальных исследований.
Приведенный выше математический аппарат и результаты теоретических исследований позволяют в принципе прогнозировать индикаторные показатели процесса любого четырехтактного дизеля. Но конкретное использование этой модели, как и любой другой, требует наличия исходного экспериментального материала, полученного для выбранного способа смесеобразования. В нашем случае такие данные необходимо получить на экспериментальных безмоторных и моторных установках, что требует наличия четко поставленных задач исследования.
С целью получения необходимых данных по скорости истечения топлива из распылителя форсунки требуется проведение испытания выбранной системы тошшвоподачи. Конечным результатом этапа исследований на безмоторной установке явились бы дифференциальные характеристики тошшвоподачи, максимально приближенные к оптимальным, выбранным в теоретическом расчете.
Следующим этапом экспериментальных исследований являются испытания одноцилиндровой установки с дизелем, основными деталями которого являются унифицированные с конвертируемым базовым двигателем детали силового механизма. Проведение экспериментов на одноцилиндровом двигателе дает возможность ускорить и облегчить многие опыты, провести их в более широком диапазоне варьирования действущих факторов при меньших затратах средств. Неизмеримо проще, в случае опытов на одноцилиндровом двигателе, подбор экспериментальных вариантов, в частности, элементов системы топливоподачи /65/.
Цикл исследовательских работ завершается стендовыми и эксплуатационными испытаниями многоцилиндровых двигателей.
Исходя из вышеизложенного, в задачи экспериментальных исследований входило:
1. Определить систему топливоподачи, дающую возможность получения заданных дифференциальных характеристик впрыскивания в условиях высокой цикличности процессов и цикловых подач, соответствующих получению требуемой мощности малолитражного дизеля.
2. Спроектировать установку с одноцилиндровым дизелем,на которой исследовать процессы взаимосвязи характеристик топливоподачи и тепловыделения.
3. По результатам исследований одноцилиндровой установки спроектировать и испытать четырехцилиндровый высокооборотный малолитражный дизель.
Результаты экспериментальных исследований топливной аппаратуры, высокооборотного дизеля
В качестве определяемых величин в экспериментальном исследовании топливной аппаратуры в соответствии с рекомендациями /3/, были выбраны продолжительность и максимальное давление впрыскивания, а также крутизна переднего и заднего фронтов дифференциальной характеристики топливоподачи. Первые две величины находились непосредственно из осциллограмм, дифференциальная и интегральная характеристики строились путем пересчета кривых давления в приемной камере датчика закона топливоподачи /83/. Крутизна фронтов оценивалась по методике, предложенной в работе /7/.
Определяющими величинами, в соответствии с 1.4 настоящей диссертационной работы, были выбраны двенадцать параметров, имеющих разную степень влияния на определяемые величины.
Вследствие того, что дизель для легкового автомобиля работает в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, топливная аппаратура в стендовых условиях должна быть испытана также во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, т.е. от холостого хода до номинальной мощности. Практически осуществить такую обширную программу исследований не представляется возможным. Проведенные расчеты показали целесообразность оценки процесса впрыскивания топлива по критериям продолжительности и максимального давления топливоподачи, крутизне фронтов дифференциальной характеристики истечения. В свою очередь сами эти величины находятся во взаимосвязи, и нахождение оптимального закона впрыскивания связано с изменением практически всех выбранных двенадцати параметров в качестве определяющих величин. Применение выбранной топливной системы на малолитражном дизеле с высокой частотой вращения коленчатого вала ограничивает количество определяющих величин, поскольку такие параметры, как, например, уменьшение объема системы или уменьшение объема, описываемого клапаном, выполняются независимо от рекомендаций теоретических исследований и опытных данных и определяются лишь конструктивными соображениями. Поэтому были выбраны наиболее важные параметры топливной аппаратуры, которые для вновь создаваемого дизеля должны иметь оптимальные характеристики и соответствовать определяемым величинам, полученным в теоретических разработках. Влияние других величин или не учитывалось, или проводились непродолжительные серии опытов по определению их оптимальности для цикловых подач, соответствующих номинальной мощности с применением математического планирования эксперимента.
На начальном этапе экспериментальных исследований были проведены расчеты гидравлических характеристик распылителей по методике /50/ с целью определения геометрических размеров проектируемых распылителей. В соответствии с расчетом /60/, для исследований на безмоторной установке профиль проточной части штифта распылителя подбирался таким, чтобы в процессе испытаний имелась возможность регулировки значения J pfi Кроме того, проточная часть специально спрофилированного штифта позволяет менять характеристику то-пливоподачи, поскольку наличие малого зазора в распиливающей полости при начальном ходе иглы делает впрыскивание, по форме близкое к ступенчатому.
