Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор по теме исследования и постановка задачи 15
1.1 Основные направления повышения мощпостных и экономических показателей двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой 15
1.2 Конструктивные решения, направленные на совершенствование процесса газообмена 20
1.2.1 Наполнение кривошипной камеры 20
1.2.2 Продувка и наполнение цилиндра 25
1.2.3 Система выпуска 30
1.3 Методы исследования процесса газообмена двухтактных двигателей 33
1.4 Методы и средства измерения параметров газового потока
Выводы по главе. Цель и задачи исследования 44
2. Математическая модель рабочего процесса ДК ДВС с кривошипно-камерной продувкой 46
2.1 Общие положения 46
2.2 Основы математической модели 48
2.3 Кинематика кривошинно-шатунного механизма 56
2.4 Расчет расхода газа через органы газораспределения 58
2.5 Характеристика выделения теплоты 5і)
2.6 Потери тепла в стенки цилиндра и на диссоциацию продуктов сгорания 63
2.7 Расчет теплоемкости рабочего тела 65
2.8 Реализация математической модели 67
Выводы по главе 69
3. Методика обработки результатов статической продувки газовоздушного тракта двигателя
3.1 Теоретический анализ изоэнтропного и адиабатного процессов истечения идеального газа
3.1.1 Изоэнтропный процесс истечения идеального газа
3.1.2 Адиабатный процесс истечения идеального газа
3.2 Практическая реализация метода
Выводы по главе
4. Экспериментальные установки, программа испытаний погрешность измерений
4.1 Нагрузочный стенд
4.2 Программа стендовых испытаний двигателя ЗД 7,2\6,0 «Бийск-45»
4.2.1 Первый этап стендовых испытаний
4.2.2 Второй этап стендовых испытании
4.3 Установка для статической продувки газовоздушного тракта ПЛМ «Бийск-45»
4.4 Программа проведения статической продувки газовоздушного тракта ПЛМ «Бийск-45»
АЛЛ Продувка системы впуска
4.4.2 Продувка выпускных и продувочных окон
4.4.3 Продувка выпускной системы
4.5 Погрешность измерений и обработки опытных данных
5. Результаты стендовых испытаний, статической продувки и математического моделирования
5.1 Результаты стендовых испытаний
5.2 Результаты статической продувки
5.2.1 Система впуска
5.2.2 Продувочные и выпускные окна
5.2.3 Выпускной тракт
5,3 Результаты математического моделирования
5.3.1 Расчетное влияние противодавления на выпуске
5.3.2 Расчетное влияние системы впуска
5.3.3 Расчетное влияние продувочных окон
5.3.4 Расчетное влияние выпускных окон
Заключение Литература
- Основные направления повышения мощпостных и экономических показателей двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой
- Кинематика кривошинно-шатунного механизма
- Теоретический анализ изоэнтропного и адиабатного процессов истечения идеального газа
- Программа стендовых испытаний двигателя ЗД 7,2\6,0 «Бийск-45»
Введение к работе
С изобретением в 1909 г. Оле Эвинрудом первого подвесного лодочного мотора (ПЛМ) началось бурное развитие рекреационного флоіа во всем мире. В настоящее время более 80% всего маломерного флота в мире составляют моторные лодки, т.е. лодки, оснащенные подвесными лодочными моторами. Моторные лодки применяются для прогулок по воде, рыбалки, туризма, спасательных операций и хозяйственных перевозок. Расположение ПЛМ за транцем судии увеличивает полезную площадь корпуса, а возможность мотора при встрече с прешп сгнием откидываться назад позволяет безопасно проходить через мели. Наличие реверс-редукторного привода гребного вала дает возможность изменять направление его вращения и разобщать гребной вал от коленчатого вала двигателя - все это обеспечивает отличную маневренность судна с подвесным мотором.
В состав ПЛМ обычно входит двухтактный карбюраторный двпгаїель с кривошипно-камерной продувкой ДК ДВС. В отличие от 4-х такшых бензиновых двигателей ДК ДВС имеют более простую конструкцию, меньший вес и габариты, высокую удельную мощность и меньшую стоимость (см. таблица 1). Однако ДК ДВС имеют ряд существенных недостатков-относительно высокий расход топлива и масла, повышенная токсичность отработавших газов, 2-х тактиыи цикл и высокая чае і ота вращения коленчатого вала (5000 мин' и выше) приводят її конечном итоге к снижению ресурса двигателя. По этим причинам, а также с введением в Европейском Союзе и США норм максимально допустимого содержания вредных веществ в выхлопе ПЛМ, доля двухтактных двигателей в мощностной линейке подвесных моторов в последние годы заметно снизилась. Известная во всем мире фирма «Honda Marine» вообще не выпускает двухтактные лодочные моторы, а по заявлениям официальных представителей компания «Yamaha Motor Corp.» планируем выпускать полный спектр четырехтактных двигателей для лодочных моторов от 100 кВт и выше.
Таблица 1 Сравнительная характеристика современных 2-х тактиых ПЛМ
п 4-х
Фирма ироизИОД!печь
Модель
Тип двигателя
Мощность на гребном валу Ne, кВт
Частота вращения к\вала п, мин"
Рабочим объем І-Vh, см"'
Число цилиндров
Yamaha 40 VliOL
« Yamaha Molar Corp.» (Япония)
Yamaha ІЧ0ВІПЇ.
4-х такчж.іі
2-х тактпьпі
29.4
29,4
Диаметр цилиндра и ход поршня D\S, ми
Удельный расход топлива ge, г\(кВт-ч)
Сухая масса мотора т. кг
Литровая мощность Nj, кВт\л
Удельная масса ш,\', кг\кВт
67\66
2,6
65\75 357 91
3,1
Соотношение цеп
1:1,5
Вместе с тем, такие фирмы как «Bombardier», «Mercury Marine», «Tohatsu» разработали и начали выпуск ПЛМ в составе с двухтактными двигателями, оснащенными системами непосредственного впрыска топлива в цилиндр и раздельной подачи масла. Производители таких двигателей утверждают, что применение систем зажигания, чопливо и масло подачи с электронным управлением позволило выполнить жеечкие экологические требования к выхлопным газам моторов, снизить расход топлива па 25%, а расход масла до 50% в сравнении с обычными ЦК ДВС.
Следует заметить, что основная конкуренция между 2-х такчпыми двигателями с непосредственным впрыском и 4-х чшегными сосредоточена в нише моторов высокой мощности - от 75 кВт и выше. Безусловно, применение системы впрыска топлива является стратегическим направлением дальнейшего развития двухтактных двигателей, чем не менее в настоящее время в линейке ПЛМ средней и малой мощности к
основном преобладают ДК ДВС. Малый вес и простота обслуживания, а также относительно низкая цена традиционных двухтактных двигателей делает их весьма популярными среди владельцев моторных лодок. Примечателен такой факт, что знаменитая природоохранная организация «GreenPeace» , ведущая борьбу также и против загрязнения водоемов, на своих катерах использует двухтактные подвесные моторы. Это говорит о высоких эксплуатационных качествах двухтактных двигателей.
Условия эксплуатации моторных лодок весьма разнообразны. Зарубежный опыт показывает, что для удовлетворения спроса широкого круга потребителей ведущие мировые компании выпускают целый ряд унифицированных двигателей (см. таблица 2). Так например, продукция итальянской компания «Selva» насчитывает более 80 модификаций 2-х тактных. двигателей, мощностью от 3,5 до 100 л.с, причем каждая мощностная ниша разбита на группы моторов, имеющих унифицированные узлы (блоки цилиндров, дейдвудпые части) пли детали (поршни, шатуны, водяные и топливные насосы и т.п.). Такое техническое решение позволяет на 5^10% снизить конечную стоимость мотора.
В нашей стране с начала 70-х годов прошлого века разрабатывалось и производилось немало новых моделей лодочных моторов. Некоторые из них так и оставались па стадии разработки, другие производились в серийных количествах на предприятиях страны: «Салют» - 2 л.с. (г. Москва); «Кама» - 3,2 л.с (г. Пермь); 5-сильпый «Прибои» (г. Пермь); «Ветерок» - 8, 12, 14 л.с. (г. Ульяновск); 18-сильпый «Нептун» и 22-сильный «Привет» (г. Казань); «Москва» - 25, 30 л.с. (г. Ржев). 30-сильный «Вихрь» выпускался в г. Куйбышев, параллельно этот мотор стали выпускать па родственном предприятии в Перми. В начале 90-х годов в г. Бийске акционерной научно-производственной машиностроительной компанией «Конвейер» был разработки 3-х цилиндровый лодочный мотор «Бийск-45» с клапанным впуском свежей смеси, 3-мя карбюраторами и выпуском отработавших газов через ступицу винта. Этот двигатель на тот момент был самым мощным в линейке отечественных ПЛМ (см. таблица 3). В то же время появился и самый маленький отечественный подвесной мотор «Оса 1», созданный фирмой «ИНКОЭКС» г. Санкт-Петербург, мощностью 1,2 л.с. и весом 6,5 кг.
Таблица 2 МощностноП ряд 2-х тактных отечественных и зарубежных ПЛМ, выпускаемых в настоящее время
'С
(.Mercury Murine» (СІМА)
Yamaha Motor ('orp. (Япония)
Mercury : 2.5:3.3:4: | 5: 10
\ Yamaha і 2:3:4: 5:6: К: 9.9
Mercury 15:20:25
Yamaha 15: 20:25
Mercury 30: 40
Yamaha 30: 40
Mercury 50
) amaha 50
Mercury 60
Yamaha 55: 60
Mercury 15: 90
115: 125 135: 150 175:200
__ |_ 225: 250
і Yamaha
Yamaha '' 130: 140:
75:85:90 , 150:200:
! 250
Тяжелая экономическая ситуация, сложившаяся в России с начала 90-х годов, привела к значительному сокращению всего машиностроительного производства страны. Выпуск многих in представленных выше ПЛМ был прекращен. Таким образом, в настоящее время линейка отечественных ПЛМ выглядит очень скромно (см. таблица 2).
Необходимо отметить, что и на мировом рынке подобные ситуации не редкость. Не так давно крупная американская компания «Outboard Marine Corp.» {«ОМС»), выпускавшая подвесные лодочные моторы и токари для водных видов отдыха, объявила о банкротстве. Как указывают многие экономисты, это произошло из-за значительных финансовых затрат «ОМС» на разработку новых двухтактных и четырехтактных ПЛМ. удовлетворяющих жестким природоохранным требованиям. Эта ситуация побудила лидеров в изготовлении лодочных моторов к совместной кооперации. Например, японская компания «Tohatsu Outboard Motors» выпускает лодочные двигатели для другом японской компании «S'issan Marine», а итальянская моторостроительная компания «Selva» получает некоторые детали для своих двигателей от «Yamaha», при этом сама изготавливает детали для японской фирмы «Yanmar». Такой зарубежным опыт был бы полезен и российским производителям IIJIM.
В России почти все города и поселки расположены вблизи рек и озер.
На внутренних водных путях, общей протяженностью более 100 иле. км
эксплуатируются около 30 тыс. самоходных судов, принадлежащих
различным акционерным обществам, судоходным компаниям, частным
владельцам, государственным предприятиям и организациям. Поэтому.
разработка новых образцов двухтактных двигателей для подвесных
моторов и модернизация существующих является весьма актуальной
задачей для российского машиностроения.
Разработанный бийскими конструкторами подвесной лодочный мотор «Бийск-45» имеет достаточно высокие технико-экономические показатели среди аналогичных ПЛМ (см. таблица 3).
Таблица 3 Техническая характеристика современных 2-х тактных лодочных моторов средней мощности
«Бийск-45», «Вихрь-30» и «Вихрь-32» имеют одинаковую размерпосі і.. что позволяет создать ряд унифицированных двигателей и заполнить нишу средней мощности в отечественной линейке ПЛМ.
В нашей стране накоплен значительный опыт конструирования и доводки лодочных моторов. Исследования в области двухтактных ДПС проводились А.С. Орлиным, М.Г. Кругловым, И.М. Райковым, СВ. Камкиным, Б.П. Рудосм, ІО.А. Гришиным, В.В. Эфросом, В.1-І. Абрамовым, М.Г. Акимовым, В.В.Беловым, ІО.С. Григорьевым, В.М. Кондрашовым, В.В. Пановым, 11.1. Лобовым, СЮ. Ивапицким, ПС. Герзоном, P.P. Силлатом и др. Разработаны методы экспериментального исследования и математические модели расчета процессов.
Выпуск отработавших газов (ОГ) через ступицу винта в 11J1M «Бииск-45» был реализован с целью снижения гидравлического сопротивления подводной части мотора и облегчения управления лодкой. Вместе с і ем, результаты предварительных испытании показали, что при га кои организации выпуска ОГ номинальная мощность на 27% ниже расчешоп.
Многочисленные исследования, проведенные как в нашей стране, так и за рубежом, показывают, что процесс газообмена оказывает значительное влияние на мощпостные и экономические показатели ДІЄ ДВС, при этом конструкция органов газораспределения (размеры, аэродинамическое сопротивление) определяет характер его прочеканим, эффективность процесса.
B+D
Исходя из вышеизложенного, настоящая работа посвящена поиску наиболее эффективных путей модернизации гаю воздушно го тракта двигателя ЗД 7,2\6,0 в составе ПЛМ «Бииск-45»* основываясь на анализе влияния его расходных характеристик на рабочий процесс в целом.
Научная новизна работы:
Получены и термодинамически обоснованы новые зависимости для приращения энтропии AS, коэффициентов газодинамического сопротивления и расхода//.
С использованием вновь полученных зависимостей разработана методика обработки результатов статической продувки, котрая позволяет провести сравнительный анализ аэродинамической
эффективности отдельных элементов газовоздушиого тракта двигателя.
На базе разработанной методики предложен способ косвенного определения коэффициента расхода продувочных окон двухтактного двигателя, позволяющий ИСКЛЮЧИТ!, непосредственное измерение давления в выходном сечении окоп.
Разработана математическая модель рабочего процесса двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой, учитывающая особенности его конструкции; осуществлена настройка математической модели по полученным экспериментальным данным.
Получены экспериментальные данные о влиянии дейдвудноп части выпускного тракта мотора на эффективные показатели двигателя.
Получены экспериментальные данные об аэродинамическом эффективности отдельных элементов газовоздушиого тракта ГІЛМ.
Проведен анализ расчетного влияния расходных характеристик отдельных элементов газовоздушпого тракта па индикаторные показатели двигателя.
Практическое значение работы:
Разработанная методика обработки результатов статическом продувки позволяет оценить аэродинамическую эффективность отдельных элементов исследуемого капала, а его общее сопротивление определить расчетным путем. Это значительно сокращает время при доводочных работах, а также позволяем осуществить экспресс контроль качества изготовления элементов системы газообмена на производстве.
Проведено ранжирование отдельных элементов газовоздунтого тракта по величине аэродинамического сопротивления и степени влияния на мощностные и экономические показатели двигателя.
Предложена программа расчета рабочего процесса двухтактного двигателя с кривошиппо-камерной продувкой, которая позволяет па любой стадии проектирования и доводки двигателя значительно уменьшить объем трудоемких и дорогостоящих экспериментальных работ.
Экспериментальная часть выполнена на спроектированных и изготовленных стендах с двигателем ЗД 7,2\6,0 в лаборатории кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползу иона при непосредственном участии автора.
Результаты работы использованы при выполнении ОК и НИР кафедры для АНПМК «Конвейер» г. Бийск и в учебном процессе АлтГТУ. Разработанные методики и программы используются аспирантами и студентами при выполнении лабораторных работ' и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: - IX международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», Владимир, 2003; - Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного, двигателестроения», Челябинск, 2006; - Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Двигатели внутреннего сгорания - современные проблемы, перспективы развития», Барнаул, 2006, а также на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ, Барнаул, 1995-2006.
Публикации. Содержание материалов диссертации опубликовано и 1! печатных работах (6 статей в материалах конференций, 2 статьи в сборнике статей PAT АлтГТУ, 1 статья в учебном пособии, 1 статья в "Ползуновском альманахе", 1 статья в "Ползуиовском вестптке").
Основные направления повышения мощпостных и экономических показателей двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой
Вследствие специфики организации рабочего процесса ДК ДВС имеют сравнительно низкую эффективность - эффективный КТІД обычно не превышает 25%. Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за один оборот коленчатого вала, а время, отводимое па газообмен, составляет І КН1400 п.к.в.
ДВС составляет (рпр=\,25+\,4 и может достигать (рпр=\,Ь [15, 49 j. Eke это в целом ухудшает качество процесса газообмена: коэффициент наполнения цилиндра в двухтактном двигателе как правило имеет невысокие значения -1р. 7/=0,4-Ю,6, а коэффициент остаточных газов ) /-=0,2=0,4 и выше.
Наличие продувочных и выпускных окон в нижнем поясе цилиндра приводит к потере масти хода поршня и, соответственно, полезной работы. причем величина потерянной доли хода поршня может достигать ///-0,5 [5]. Наряду с невысоким наполнением цилиндра это является причиной относительно низких значений среднего индикаторного давления, близких к/7/=0,5 МПа. В целом считают, что при прочих равных условиях литровая мощность двухтактных двигателей больше четырехтактных на 50 70%.
Для получения приемлемой скорости сгорания в условиях повышенного содержания остаточных газов и из-за добавления масла к бензину в ДК ДВС используют богатые топливовоздушные смеси с коэффициентом избытка воздуха =0,7 0,8 [17]. Следствием эюго являются значительная неполнота сгорания и высокая токсичность отработавших газов.
Таким образом можно выделить наиболее общие направления совершенствования ДК ДВС: - повышение качества смесеобразования и раздельная подача масла в двигатель; - организация работы двигателя на относительно бедных смесях л уменьшение химического недожога топлива; - снижение прямых потерь топлива при продувке цилиндра, за счет совершенствования систем впуска, продувки и выпуска; создание двигателей с непосредственным впрыском топлива.
Повышение качества смесеобразования связано с совершенствованием конструкции карбюратора. Основная цель обеспечение необходимого состава тонливовоздушной смеси на различных режимах работы двигателя. Предлагаются новые конструкции распылителей, вихревых и эмульсионных камер, систем дозирования топлива с электронным управлением для коррекции состава смеси на отдельных режимах. Разработана целая гамма гомогенизаторов с различным принципом действия - от механического дробления до намагничивания и ионизации [30, 70]. Однако широкого применения они пока не находят.
В настоящее время системы раздельной подачи масла в двигатель применяются на многих ПЛМ зарубежного производства. Механизм дозирования представляет собой механический насос, который из отдельного масляного бака подает необходимое КОЛИЧЄСІІІО масла в топливную магистраль или через форсунку непосредственно її кривошипную камеру. Количество подаваемого масла зависит от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала, т.е от режима работы двигателя. От режима холостого хода до максимальной мощности количество масла в тонливовоздушной смеси изменяется от 0,7% до 2,5%, что позволяет значительно сократить его расход, уменьшить образование нагара на свечах зажигания, повысить стабильность работы двигателя и снизить токсичность отработавших газов.
Одним из перспективных: путей уменьшения прямого выброса топлива при продувке цилиндра является организация послойного смесеобразования путем подачи продувочного воздуха в цилиндр отдельно от топлнвовоздушной смеси. Существует довольно много вариантов осуществления такого рабочего процесса [12, 30, 33, 57, 62, 71, 82. Сущность метода заключается в создании блокирующей среды между продуктами сгорания и свежим зарядом, в качестве которой используется чистый воздух или обедненная смесь. Конструктивно расслоение заряда может быть осуществлено присоединением к картеру двигателя нескольких впускных трактов для подачи воздуха и смеси различного состаіза. Особое внимание при этом уделяют вводу послойного заряда в цилиндр, для чего предусматривают продольные перегородки в каналах или осуществляют раздельную подачу заряда по каналам. Экономия топлива при такой организации газообмена составляет 10-И 5%.
Расслоение заряда на две зоны, обогащенную и обедненную, па всех рабочих, режимах было реализовано в двухтактном двигателе с сообщающимися цилиндрами и кривошиппо-камерной продувкой во ВНИИМотопроме [75]. Испытания показали, что при рабочем объеме 125 см"1 уровень форсирования двигателя достиг 80 кВт\л, снижение токсичности на 30- 50%, экономия топлива составила 2()-:25% на поминальном режиме, на режиме Ne=0,5- Ne пом - 30-К35%, па режимах iVe-0,3- Ne ном и близких к холостому ходу - свыше 40%. Двухтактные двигатели с послойным смесеобразованием показываю; достаточно высокие экономические показатели (близкие к 4-х таїсіпьім ДВС). Основные трудности заключаются в стабилизации процесса сгорания при работе на переобедненных смесях, а следовательно, в снижении мощности двигателя.
Кинематика кривошинно-шатунного механизма
Кинематика кривошишю-шатупного механизма двухтактного двигателя с газораспределением через окна определяет изменение: объемов кривошипной камеры и цилиндра, внутренней поверхности теплообмена цилиндра, проходных сечений продувочных и выпускных окон. Процесс впуска свежего заряда управляется обратным пластинчатым клапаном, проходное сечение которого зависит от перепада давлений ЇЇ кривошипной камере и окружающей среде.
Площадь тепловоспршшмающеи поверхности складывается из постоянных но времени поверхностей головки цилиндра и днища поршня, а также текущей боковой поверхности цилиндра где R_ и И, - радиус и высота камеры сгорания; 5т - текущее положение поршня.
Верхняя кромка поршня при газообмене через окна ш.іполпяеі функции золотника, определяющего фазы газораспределения и проходное сечение продувочных и выпускных окон. Для расчета уїла оікрьтія и закрытия окон использована формула
Процесс газообмена в двухтактном двигателе с кривошиппо-камерноп продувкой носит исключительно сложный характер, па который оказывают влияние процессы, протекающие в смежных системах впуска и выпуска. За время газообмена изменяются парамеїрьі рабочего тела в цилиндре, проходные сечения органов газораспределения, меняются давления в кривошипной камере и на выхлопе, оказывают влияние волновые явления. Ввиду сложности пространственного движения газов при создании расчетных зависимостей в настоящее время нет возможности получить полноценные с инженерной точки зрения решения без введения некоторых допущений. Замена пространственного неустановившегося движения газов через органы газораспределения на более простое должна быть произведена с учетом конкретной конструктивной схемы систем впуска, продувки и выпуска. Незначительная протяженность каналов двухтактного двигателя с кривошппно-камернои продувкой, а также сильное влияние на параметры потока газодинамического сопротивления позволяют рассматривать течение газа через органы газообмена как одномерное, квазистационарное с местным сопротивлением [15, І 7, 38].
С увеличением перепада давлений в рассматриваемых объемах расход газа и скорость течения увеличиваются и при достижении критического значения достигают своего предела. Дальнейшее увеличение перепада давлений не приводит к увеличению расхода. При выполнении условии Pi
Коэффициенты расхода и газодинамического сопротивления в настоящей работе определялись экспериментально - методом статической продувки. Подробный анализ и вывод уравнений (2.36) и (2.37), а также методика проведения и обработки результатов статической продувки изложены в главе 3,
Математические модели процесса горения іошпта в двигателях с внешним смесеобразованием можно разделил» па две группы: термодинамические модели и модели, построенные па основании положений химической кинетики. Термодинамические модели описывают процесс горения в цилиндре законом выделения теплоты, при этом в расчетные уравнения входят параметры, которые определяются, как правило, экспериментально-после обработки индикаторных диаграмм.
Кинетические модели (объемные, сферические, зонные, турбулентные и т.д.) позволяют учитывать большое число влияющих па горение факторов, в том числе геометрию камеры сгорания и турбудпзацию заряда, безусловно, что такие модели являются более современными, однако ввиду их сложности в практических расчетах они применяются в очень упрощенном виде, тем самым утрачиная сноп основные преимущества.
Эгн формулы отражают кипеїику горения гомогенной смеси в цилиндре ДВС при пренебрежимо малом диффузном сопротивлении. I киса не известен достоверный механизм ценных химических реакции окисления сложною углеводородного топлива, применяемого в двигателях, поэтому определение условной продолжительности сгорания Ту (или р/) и показателя сгорания ш, который определяет положение максимума скорости тепловыделения, возможно лишь экеперимешальпым путем
Теоретический анализ изоэнтропного и адиабатного процессов истечения идеального газа
Ранее было отмечено, что определение коэффициента расхода ft отдельных элементов газово їду и того тракта двигателя связано с увеличением времени и трудоемкости статической продувки (например, продувочные окна двухтактного двигателя). Проблема заключается в измерении статического или полного давления ь выходном сечении продувочных окоп. Для этого необходимо использовать специальный комбинированный приемник статического и полного давлений, а также пронести дополнительные исследования направлении движения воздуха в окнах для правильной ориентации приемника. Применение аддитивного параметра As н предлагаемой методике позволяет решить данную задач) менее трудоемким способом. Рассмотрим в общем виде порядок проведения и обработки результатов статической продувки для данного случая.
Продувка проводится в два этапа, при условии Gfi — const и f, — const (см. рис. 3.7). Практически условие G/{ = const обеспечивается изменением перепада давлении между ресивером и окружающей средой (рис. 3.6)- На первом этапе осуществляют продувку всего участка газовоздушного тракта двигателя и по методике, изложенной выше, рассчитывают с", AS" и /Г. На втором этапе продувают канал 2. соединив его входное сечение с ресивером. В результате пепьпаипн получают параметры, характеризующие аэродинамическое сопротивление данного канала - ", As , /Г - Разность полученных значений As и AS" определяет изменение энтропии воздуха it первом канале (рис. 3.7), С / Выполнение условия у / - const при проведении продувок па первом и / J 2 втором этапах, согласно уравнению неразрывное: и, обеспечивает постоянство плотности тока (со, р-,) в выходном сечении (2-2) спрямляющего L патрубка. Допуская постоянство скорости потока на выходе, из выражения (3.24) следует, что Г - / , AT - const (ем. рис. 3.7). Отметим, что в энергетическом балансе изменение кинетической энергии начинает проявляться лишь при скоростях газа примерно несколько десятков метров в секунду 21. РавелеJво температуры торможения на первом и втором этапах продувки обеспечнваеі постоянство температуры Г,, и как следствие - постоянство кршерпя
Маха в сечении (2-2} (см. выражение 3.71). 1 [еобходпмо отметить, что по результатам статических продувок различных каналов двигателя, проведенных автором до скорости истечения А/,=0,36, можно сделать 106 вывод: при выполнении условия у г —const остается постоянным / J 2 число Маха в сечении (2-2) спрямляющего патрубка при различной температуре торможения на входе Т . ГІодсіавляя в выражение (3,70) полученное значение As , а также определенное рапсе число XL, рассчитываем коэффициент газодинамического сопротивления первого канала q . Далее, зная значения As и С , определяем коэффициент расхода fi из выражения (3.76). Осуществляя продувку при различных значениях массового расхода воздуха GH определяем расходную характеристику канапа 1: As = f\GB\ С — f\Gn\ ft — f\Gn). Сравнивая расходные характеристики первого и второго каналов, делаем вывод о влиянии каждого из них на обшее аэродинамическое сопротивление исследуемого участка газовоздушного тракта дішгателя при различных режимах течения воздуха. Подобным образом решается и прямая задача, т.е. определение расходной характеристики газолоэдунпю] о тракта по результатам продувок его отдельных элементов.
Рассмотренная в данном разделе методика, была использована при продувке газо воздушно го тракта подвесного лодочного мотора «Віпіск-45» (см. разделы 4,3,4.4, 5,2). Выводы по главе
Разработана и термодинамически обоснована меіодика проведения п обработки результатов статической продувки, которая позволяет проводить сравнительный анализ аэродинамической эффект ии\гости различных каналов двигателя, а также использовать полученные данные при математическом моделировании процесса газообмена.
На базе разработанной методики предложен способ косвенного определения коэффициента расхода продувочных окон двухтактного двигателя, позволяющий исключить непосредственное измерение давления в выходном сечении окон.
Программа стендовых испытаний двигателя ЗД 7,2,0 «Бийск-45»
На рисунке 5J представлена регулировочная характеристика по составу смеси. При установке жиклера Xi l (см. таблица 4,2) коэффициент избытка воздуха ОС, при работе двигателя на номинальном режиме, равен 1,07, при этом эффективная мощность Ne составляет 23,2 кВт, чаеопои расход топлива GP=12J КГ\Ч, удельный эффективный расход топлива ge=52l г\(кВгч). Однако, работа двигателя при таком обеднении смеси была не устойчива и сопровождалась пропусками вспышек. Установка жиклера №2 позволила стабилизировать работу двигателя. Коэффициент избытка воздуха при этом составил #=0,944, что привело к увеличению Ne до 24 кВт и GT ДО 12,6 кг\ч. Незначительно повысился удельный эффективный расход топлива ge=525 г\(кВгч),
При дальнейшем обогащении смеси (установка жиклера №3, СС=0.83) значительно увеличились ge=565 г\(кВт ч) и (7/=13,7 кг\ч. Эффективная мощность хотя и выросла до 24,2 кВт, однако динамика роста замелю упала. Обращает на себя внимание тот факт, что максимальная мощность, полученная при снятии регулировочной характеристики, па 27% меньше указанной заводом изготовителем в паспортных данных (см. таблица 4 J),
Обогащение смеси на номинальном режиме Ct 0,8 нецелесообразно, т.к. незначительное повышение мощности сопровождается резким ухудшением экономичности. Обеднение смеси па этом же режиме СХ \ приводит к снижению удельного расхода топлива, но при этом снижается мощность и появляются пропуски вспышек, что является причиной нестабильной работы двигателя и увеличения выбросов углеводородов с отработавшими газами. Наиболее оптимальный состав смеси на номинальном режиме, с точки зрения мощности и экономичности, находится в диапазоне (2=0,92- 0,98. Во всех последующих испытаниях г были использованы жиклеры с пропускной способностью 262 смЛмин (жиклер №2, таблица4.2).
Изменение угла опережения зажигания от начального (см. таблица 4Л) на номинальном режиме приводило к незначительному снижении) мощности и практически не влияло на удельный расход топлива. Полому при снятии последующих характеристик угол опережения зажигания не изменялся и был равен 27 до B.V1T.
Па рисунке 5.2 представлена внешняя скоростная характеристика двигателя «Ишіск-45». Выпуск отработавших газов осуществлялся через ступицу винта (см, рисунок 4.6). При частоте вращения коленчатого вала 4900 мин"1 мощность двигателя составила 23,9 кВт, крутящий момент Ме-41 Н м. Удельный эффективный расход топлива на этом режиме ge=523 г\(кВгч), Gr 12,5 кг\ч, расход воздуха GB=\72 КТ\Ч, коэффициент наполнения кривошипной камеры /Дт:=0,63, механический КПД 7/и=0,8 и эффектшшыи КПД 7/0=0,16. Мощность на данном скоростном режиме ниже расчетной на 27% (см. таблица 4.1),
При увеличении частоты вращения до 5200 мин"1 эффективная мощность достигает максимального значения - 24,8 кВт, а крутящий момент снижается до 45 Hwi. Возрастает расход топлива и воздуха: GY- 13 кг\ч, GB=\79 КТЛЧ, а также удельный расход до 530 г\(кПгч). Увеличение частоты вращения приводит к снижению коэффициента наполнения кривошипной камеры, механического и эффективного КПД: //№=0,61; 77"=0,79; //е=0,15б.
Дальнейшее повышение частоты крашения до 5600 мин"1 прмводш к падению мощности до 23,4 кВт при одновременном снижении Ме=39ч5 Н"м. Характерно, что с ростом частоты вращения снижается расхол воздуха до G/J=177 кг\ч( На данном режиме часовой расход топлива составил G/ 13,2 кг\ч, 7/vw=0,56, 7]M=0J7 И =0,146; значительно увеличился удельный расход топлива ge=564 г\(кВтч). Результаты, полученные при снятии внешней, скоростной характеристики в диапазоне /7=4900т-5600 мин"1 показывают, чю форсирование двигателя по частоте вращения без изменения конструкции газо воздушно го тракта нецелесообразно.
Минимальное значение удельного эффективного расхода топлива =440,5 г\кВгч находится в интервале /7-3400-К3500 мин"1. Кривая крутящего момента имеет два характерных участка. На нервом участке в интервале И=2500 2900 мин"1 момент практически не изменяйся Ме=5Ач5 Н М, а коэффициент наполнения кривошипной камеры достигает максимальной величины //1- =0,87. На втором, при /2=3400- 3500 мин"1, крутящий момент имеет максимальное значение Mc-56fi Н-м, при -пом наполнение кривошипной камеры снижается до /Дто-0,75.
