Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ исследований режимов глубокого дросселирования 8
1.1. Проблемы снижения выброса вредных веществ и улучшения топливной экономичности бензиновых двигателей 8
1.2. Способы улучшения показателей работы бензинового двигателя на режимах глубокого дросселирования 21
Глава 2. Объекты, оборудование и методы проведения исследований 38
2.1. Основные направления исследований 38
2.2. Описание оборудования и средств измерений 39
2.3. Методы исследований на моторном стенде 52
2.4. Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований двигателя в составе автомобиля на стенде с беговыми барабанами 55
2.5. Индицирование давления в цилиндрах двигателя и методы обработки и анализа индикаторных диаграмм 66
Глава 3. Исследования особенностей рабочих процессов двигателя на режимах глубокого дросселирования 75
3.1. Исследования процессов газообмена 75
3.2. Процессы образования рабочего заряда горючей смеси 87
3.3. Исследования процессов воспламенения и сгорания рабочего заряда смеси 93
Глава 4. Экспериментальные исследования токсичности двигателей на режимах глубокого дросселирования 97
4.1. Исследование токсичности двигателя на режимах принудительного холостого хода 97
4.2. Исследование влияния режима принудительного холостого хода на последующие нагрузочные режимы 109
Глава 5. Анализ влияния различных систем и устройств, работающих на режимах глубокого дросселирования двигателя, на выброс вредных веществ с отработавшими газами 114
5.1. Исследование методов улучшения токсичности двигателя на принудительном холостом ходу 114
5.2. Исследование методов улучшения токсичности двигателя на режимах холостого хода и близких к ним малых нагрузках 122
5.3. Исследование влияния комплексного применения антитоксичных систем на выброс вредных веществ карбюраторным автомобильным двигателем 126
5.4. Исследования токсических показателей автомобиля, оборудованного двигателем с микропроцессорным управлением впрыскиванием бензина, системой зажигания и бифункциональной системой нейтрализации отработавших газов 131
Общие выводы и рекомендации 137
Литература 139
- Способы улучшения показателей работы бензинового двигателя на режимах глубокого дросселирования
- Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований двигателя в составе автомобиля на стенде с беговыми барабанами
- Процессы образования рабочего заряда горючей смеси
- Исследование влияния режима принудительного холостого хода на последующие нагрузочные режимы
Введение к работе
Автомобиль является неотъемлемой частью жизнедеятельности человека. Это подтверждает постоянный рост автомобильного парка не только в промышленно развитых странах, но и в развивающихся странах. Так, если автомобильный парк европейских стран вырос за последние 10 лет со 190 млн. автотранспортных средств до 250 млн., то есть на 30%, то, например, во Вьетнаме за этот же период автопарк вырос более чем на 60 % и в настоящее время составляет около 1 млн. автотранспортных средств. Рост автотранспортного парка меняет не только инфраструктура транспортных потоков, но и вносит в жизнь ряд неблагоприятных для человека проблем. Если рассматривать двигатель как основной агрегат автомобиля, то можно определить главные проблемы, требующие решения при значительном росте автомобильного парка.
Во-первых это проблема загрязнения крупных городов и промышленных мегаполюсов вредными продуктами деятельности человека, которая давно остается одной из самых актуальных для мирового сообщества. Как показывают опубликованные исследования, значительную долю в балансе такого загрязнения, как по количеству, так и по экологической опасности, занимают вредные выбросы автотранспортных средств [21, 48, 53]. Более 80% от состава вредных компонентов в атмосфере городов составляют оксиды углерода, углеводороды и оксиды азота, которые являются продуктами процессов сгорания углеводородных топлив в двигателях внутреннего сгорания.
В связи с этим для производителей автомобилей все более актуальной становится задача снижения вредных выбросов с отработавшими газами автомобильных двигателей.
Увеличение парка автомобилей приводит к росту потребления топлив нефтяного происхождения, что приводит к истощению невосполнимых запасов углеводородного сырья. Поэтому второй важнейшей проблемой при создании новых моделей двигателей является снижение расхода топлива.
Как показали ранее проведенные в Российской Федерации исследования [10, 15], баланс режимов работы автомобильного двигателя в городских условиях по времени, расходу топлива и выбросу вредных веществ показывает на большую значимость режимов холостого хода и принудительного холостого хода.
Как видно из данных, приведенных в таблице 1 [10, 48], суммарное время работы двигателя на этих режимах составляет 52,3%о, расход топлива -28%), а выброс СО и СН соответственно 23-38% и 38-50%. Учитывая, что на установившихся скоростях движения автомобиля в городе двигатель большую часть времени работает на близких к холостому ходу малых нагрузках, общее время работы на указанных режимах превышает 80 %, а выброс СО и СН составляет более 60%.
Таблица 1
Рассмотренные выше режимы названы профессором Каменевым В.Ф. режимами глубокого дросселирования двигателя. Под режимами глубокого дросселирования двигателя понимаются нетяговые режимы самостоятельного и принудительного холостого хода и близкие к ним режимы малых нагрузок. Эти режимы работы двигателя являются превалирующими в балансе городского движения автомобиля как по длительности, так и по массовому выбросу вредных веществ с отработавшими газами.
Таблица 2.
Режимы глубокого дросселирования двигателя играют большую роль и при движении автотранспорта в самых больших городах Вьетнама Ханое и Хошимин. Этому способствует большое количество велосипедистов на улицах этих городов, которые снижают средние скорости движения транспорта. Для примера в таблице 2 приведены параметры транспортных потоков на основных улицах Ханоя [111].
Постоянное увеличение насыщенности потоков движения транспорта в крупных городах снижает среднюю скорость автомобилей и, соответственно, увеличивает долю режимов с глубоким дросселированием двигателя. При этом увеличивается негативное влияние этих режимов на расход топлива и загрязнение атмосферы городов. Все выше изложенное позволяет сделать вывод о большой значимости режимов глубокого дросселирования двигателя при рассмотрении проблемы загрязнения атмосферы городов вредными выбросами автотранспорта. Однако, несмотря на большой объем ранее выполненных работ по изучению этих режимов, они остаются до настоящего времени наименее изученными. Особенно мало исследований по влиянию их на выброс вредных веществ двигателем в условиях городской эксплуатации автомобиля. Поэтому их исследования остаются достаточно актуальной проблемой.
Способы улучшения показателей работы бензинового двигателя на режимах глубокого дросселирования
Анализ экологической ситуации в крупных городах Российской Федерации и Вьетнама показал, что двигатели с внешним смесеобразованием в условиях городской эксплуатации автомобиля работают с большой степенью дросселирования, которая увеличивается по мере снижения нагрузки и достигает максимальной величины на режимах принудительного холостого хода.
Как уже было сказано во введении, под режимами глубокого дросселирования двигателя понимаются нетяговые режимы самостоятельного и принудительного холостого хода и близкие к ним режимы малых нагрузок. Как видно из таблицы 1, в условиях интенсивного городского движения их доля в балансе режимов работы автомобильного двигателя составляет более 80% , а выброс вредных веществ более 70% [10, 44, 48].
Особо следует обратить внимание на режим принудительного холостого хода, который до настоящего времени остается наименее изученным. Еще в 1949 г. российский ученый Чудаков определил режим принудительного холостого хода как режим принудительного торможения автомобиля двигателем. Основными определяющими особенностями этого режима является закрытое положение дроссельной заслонки и одновременно частота вращения коленчатого вала двигателя, превышающая частоту вращения на режиме самостоятельного холостого хода [82, 83].
Таким образом, двигатели с внешним смесеобразованием в условиях городской эксплуатации автомобиля работают с большой степенью дросселирования, которая увеличивается по мере снижения нагрузки и достигает максимальной величины на режимах принудительного холостого хода. Как известно, степень дросселирования двигателя определяется величиной прикрытия дроссельной заслонки и, соответственно, значительным снижением давления во впускной системе. Поэтому режимы глубокого дросселирования характеризуются рядом негативных факторов: низкими давлениям на тактах сжатия, расширения и выпуска, обратным выбросом отработавших газов в цилиндры и даже во впускную систему во время_фазы. перекрытия клапанов, увеличением коэффициента остаточных газов и их инертности, засасыванием в камеры сгорания масла через зазоры в кольцах и направляющие втулки впускных клапанов, что как следствие способствует ухудшению условий воспламенения смеси [17, 32, 39,40, 67].
Как было отмечено выше, степень дросселирования двигателя с внешним смесеобразованием (с карбюраторной системой питания или с центральным или распределенным по цилиндрам впрыскиванием топлива во впускную систему) определяется величиной прикрытия дроссельной заслонки на нагрузочных режимах вплоть до режима самостоятельного холостого хода. Это сопровождается понижением давления в задроссельном пространстве впускной системы. При принудительном увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя (например, при движении автомобиля под уклон или сбросе дроссельной заслонки до положения холостого хода и движении автомобиля по инерции с больших скоростей, то есть, когда мощность развиваемая двигателем становится ниже мощности механических потерь) степень дросселирования определяется дальнейшим понижением давления в задроссельном пространстве впускной системы.
На рис. 1.4 приведены характеристики понижения давления в задроссельном пространстве впускной системы двигателя при увеличении частоты вращения. Давление во впускной системе косвенно определяет нагрузку двигателя, а частота вращения его скоростной режим. Кривая 1 характеризует уменьшение давления во впускном трубопроводе при принудительной прокрутке двигателя начиная от минимальной частоты на холостом ходу и называется характеристикой принудительного холостого хода. Кривая 2 характеризует уменьшение давления во впускном трубопроводе при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя начиная с минимальной частоты на холостом ходу. Увеличение частоты вращения производится за счет открытия дроссельной заслонки. Она называется характеристикой самостоятельного холостого хода. Область между этими кривыми определяет режимы работы двигателя на принудительном холостом ходу. На режимах самостоятельного и принудительного холостого хода давление в задроссельном пространстве находится в диапазоне 20 -т- 45 кПа, то есть перепад давлений в системе впуска Дрвп опускается ниже критических значений. Поэтому предлагается отнести к режимам глубокого дросселирования и все режимы работы двигателя на малых нагрузках, когда давление в задроссельном пространстве впускной системы находится в диапазоне определяемым характеристикой самостоятельного холостого хода и значением критического перепада давлений. На рис. 1.4 эта область ограничена кривыми 2 и 3. То есть вся заштрихованная зона диаграммы определяет область режимов глубокого дросселирования двигателя.
Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований двигателя в составе автомобиля на стенде с беговыми барабанами
Оборудование и измерительная аппаратура. Исследования двигателя на режимах глубокого дросселирования и малых нагрузок проводились также в составе автомобиля в специальном боксе на динамометрическом стенде с беговыми барабанами и сменными инерционными массами. Эти исследования проводились как по специально разработанным методикам, так при испытаниях по стандартным процедурам Правил № 83 ЕЭК ООН [89]. На рис.2.10 представлена схема бокса со стендом с беговыми барабанами ФГУП НАМИ с используемым оборудованием фирм «Пирбург» и «Цольнер», на котором автор проводил свои исследования.
Динамометрический стенд с беговыми барабанами фирмы «Цольнер» обеспечивает изменение нагрузки (крутящего момента) соответственно весовой категории автомобиля от 400 до 3500 кг и заданный момент инерции вращающихся частей стенда. Стенд оборудован прибором «путь-время» фирмы «Пирбург», задающим программу движения в соответствии с принятым «ездовым циклом» и счетчиком пути. Прибор «путь-время» управляется с помощью переносного пульта водителем. Контроль осуществляется оператором с пульта управления стенда. Условная скорость определяется частотой вращения барабана, а условный путь - суммарным количеством оборотов этого барабана. Измерение скорости должно производится с погрешностью не более ± 1 км/ ч, измерение пути - с погрешностью не более ± 0,5%.
Анализ отработавших газов проводиться с помощью комплексной газоаналитической системы АМО-2000 фирмы «Пирбург», в которой определяются концентраций оксида и диоксида углерода СО и С02, суммарно углеводородов СН и оксидов азота NOx (суммарно NO и N02 ) Определение СО и СОг проводится инфракрасным, СН - пламенно-ионизационным и NOx - хемилюминесцентным методами.
Отбор отработавших газов для анализа осуществляется с помощью системы отбора проб постоянного объема (CVS) фирмы «Пирбург» (рис.2.11). Эта система предназначена для пропорционального разбавления отработавших газов воздухом. Степень разбавления отработавших газов должна быть такой, чтобы прекращались процессы окисления или восстановления токсичных веществ и не происходило конденсации их паров на стенках емкостей и газопроводов ни на одном режиме движения по ездовому циклу. Смешивание отработавших газов с воздухом осуществляется таким образом, чтобы объемный суммарный расход смеси оставался практически постоянным независимо от режима движения автомобиля. Отбор части разбавленных отработавших газов и фонового воздуха для анализа содержания токсичных веществ осуществляется из 6 эластичных емкостей. Три из них заполняются разбавленными отработавшими газами и три воздухом из помещения бокса для определения нулевого фона. Материал эластичных емкостей обеспечивает хранение разбавленных отработавших газов без изменения концентрации вредных веществ в них более чем на ±2% от первоначальных значений в течении 20 минут. В процессе испытаний автомобиля производится замер общего объемного расхода смеси отработавших газов и разбавляющего воздуха, проходящего через пробоотборную систему. Погрешность измерения суммарного расхода разбавленных отработавших газов не превышает ± 2%. Принципиальная схема ППО приведена на рис.2.11.
Процессы образования рабочего заряда горючей смеси
В двигателях с внешним смесеобразованием количественное регулирование мощности осуществляется путем дросселирования впускного канала. Это ведет к уменьшению плотности рабочего заряда смеси в цилиндрах на режимах малых нагрузок и глубокого дросселирования и к увеличению доли остаточных газов, то есть инертной составляющей в свежем рабочем заряде цилиндра. По данным зарубежных исследований и опытов профессора Каменева В.Ф. прямые замеры содержания остаточных газов в свежем заряде цилиндра в зоне искрового зазора свечи зажигания, проведенные с помощью метода лазерной индукционной флюоресценции паров воды убедительно подтверждают это явление. Уровень инициированных молекул воды, характеризующих при этом методе исследований концентрацию остаточных газов, ясно показывают, что фракция остаточных газов в свежем рабочем заряде значительно увеличивается при малых нагрузках. Это же подтверждают расчетные исследования и прямые измерения концентраций СО и СОг во впускной трубе и в камере сгорания двигателя [27, 28].
Таким образом, по мере уменьшения нагрузки изменяется соотношение в рабочем заряде цилиндра топлива, воздуха и инертных продуктов. Инертные продукты вносятся в рабочий заряд с остаточными газами от предшествующего рабочего цикла двигателя. Доля этой составляющей зависит от геометрического размера камеры сгорания в ВМТ и давления в цилиндре. Инертные продукты, как было показано в главе 3.1, могут так же поступать со свежей смесью из впускной системы. Доля этой составляющей зависит от степени разбавления свежей смеси в системе впуска, которая происходит за счет обратного перепуска отработавших газов в период перекрытия клапанов.
Количество рабочего заряда в цилиндре в основном характеризуется геометрическими параметрами, коэффициентом наполнения и количеством дополнительных газов в случае их обратных перетечек в период газообмена. Качество рабочего заряда характеризуется его составом, то есть соотношением топлива, воздуха и остаточных газов и степенью подготовленности заряда к моменту воспламенения.
Из теории [6, 11, 52, 65] известно, что коэффициент остаточных газов уг определяется отношением массы остаточных газов Мог к массе свежего заряда цилиндра Мсв :
Как было отмечено выше, в период газообмена может происходить дозарядка цилиндра или обратный выброс рабочего заряда во впускную трубу, что меняет количество и качество свежего заряда в зависимости от частоты вращения и нагрузки. Аналогично меняется и количество и состав остаточных газов за счет рассмотренных ранее обратных перетечек отработавших газов.
Как было рассмотрено выше, содержание инертных продуктов в свежем рабочем заряде увеличивают также внутренняя, в период перекрытия клапанов, и внешняя, с помощью регулирующих ее клапанов, рециркуляция отработавших газов. Увеличение инертной составляющей по мере дросселирования двигателя сужает пределы воспламенения смеси. Поэтому на режимах глубокого дросселирования возрастает роль оптимального дозирования топлива системой питания двигателя.
Большое значение на качество рабочего сгорания оказывают процессы смесеобразования, то есть степень испарения топлива и гомогенность его в структуре свежего заряда. Однако в некоторых случаях выгоден гетерогенный состав смеси, то есть расслоение топлива и воздуха с целью создания богатой быстросгорающей части смеси в зоне очага принудительного воспламенения и бедного состава на периферии камеры сгорания [1, 16, 18, 30, 38, 58, 72, 73, 76, 88, 90].
Исследование влияния режима принудительного холостого хода на последующие нагрузочные режимы
В главе 1 было отмечено, что режимы ПХХ сами, являясь неблагоприятными, кроме того оказывают негативное воздействие на следующие после них режимы [2, 13]. В этом разделе приведены исследования этого явления.
На рис. 4.5 приведена запись изменения содержания СО и СН в отработавших газах двигателя при испытаниях автомобиля «Волга» ГАЗ-3102.10 по «городскому ездовому циклу» Правил 83. На диаграмме видно, что при переходе с режима ПХХ, как при замедлении автомобиля, так и при переключении передач, в начале последующих разгонов автомобиля, последующего движения на постоянной скорости и работе двигателя на холостом ходу после остановки автомобиля, отмечается всплеск концентраций оксида углерода в отработавших газах. Это указывает на ухудшение процесса сгорания топлива в этот период, а в случаях перехода на последующий разгон с одновременным переобогащением смеси за счет кратковременного включения ускорительного насоса. При дальнейшей работе двигателя на указанных режимах процесс стабилизируется, и содержание СО снижаются.
Для оценки влияния режима ПХХ на последующие режимы были проведены текущие записи изменения концентраций оксида углерода и углеводородов при испытаниях автомобиля «Волга» ГАЗ-3102.10 по специальным ездовым циклам, схемы которых приведены на рис. 4.4.
На рис. 4.8 приведены записи изменения содержания СО и СН в отработавших газах двигателя при испытаниях автомобиля «Волга» ГАЗ 3102.10 по ездовому циклу № 2, включающему постоянную установившуюся скорость движения 50 км/ч, резкий сброс газа с последующим замедлением на режиме ПХХ и переход в постоянную скорость движения 35 км/ч. Цикл повторялся 5 раз. Рассматривались наиболее стабильные повторяющиеся записи, обычно с 3 по 5 циклы.
Как видно из записей на рис. 4.8, после перевода двигателя с постоянного режима на скорости автомобиля 50 км/ч в режим ПХХ отмечается падение текущих массовых выбросов СО и СН вследствие резкого уменьшения расходов отработавших газов на режиме ПХХ. При последующем переходе на установившийся режим движения автомобиля 35 км/ч текущие массовые выбросы СО и СН резко возрастают, что говорит о негативном влиянии предшествующего режима ПХХ.
Аналогичная картина наблюдается и при переводе двигателя из режима ПХХ в режим последующего разгона. Как видно на рис. 4.7, при испытаниях автомобиля «Волга» ГАЗ-3102.10 по ездовому циклу «разгон до 120 км/ч - замедление до 40 км/ч - разгон до 120 км/ч» в начальный период разгона после ПХХ отмечаются высокие концентрации СО и СН и учитывая резкое увеличение расхода отработавших газов, массовые выбросы СО и СН также значительно возрастут в этот период разгона.
Как уже отмечалось ранее, ухудшение токсичности двигателя на следующих после ПХХ нагрузочных режимах связано с нагнетанием паров масла из картерного пространства на режиме ПХХ в цилиндры. После выгорания масла и очистки свечей зажигания массовые выбросы СО и СН снижаются и стабилизируются.
Для проверки правильности гипотезы о негативном влиянии режима ПХХ на последующий нагрузочный режим был поставлен следующий эксперимент. На режимах ПХХ была осуществлена продувка цилиндров двигателя большим количеством воздуха путем его подачи во впускные патрубки у впускных клапанов через автоматически управляемый электромагнитный клапан. При этом абсолютное давление в задроссельном пространстве впускной системы повышалось с 21 кПа до 80 - 87 кПа в зависимости от частоты вращения на режиме ПХХ. Таким образом исключалось интенсивное подсасывание и накапливание масла в камерах сгорания двигателя и, соответственно, шунтирование свечей и ухудшение состава горючей смеси. Как видно из графиков (пунктирные линии), в этом случае всплески выбросов СО и СН на последующем после ПХХ нагрузочном режиме отсутствовали. Это подтверждает высказанную выше гипотезу и говорит об эффективном влиянии на показатели токсичности двигателя впуска воздуха на режимах ПХХ при эксплуатации автомобиля в условиях интенсивного городского движения или в горных условиях, когда доля режимов ПХХ составляет большой процент.
