Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ исследований, направленных на снижение выбросов вредных веществ в двигателях с искровым зажиганием 9
1.1. Способы снижения выбросов вредных веществ с ОГ двигателей с искровым зажиганием 9
1.2. Нейтрализация ОГ при сжигании бедных топливовоздушных смесей в двигателях с искровым зажиганием 11
1.3. Организация вихревого движения свежего заряда в камере сгорания 12
1.4. Двигатели с искровым зажиганием, работающие на бедных топливовоздушных смесях 16
1.4.1. ДВС с разделенными камерами сгорания 17
1.4.2. ДВС с неразделенными камерами сгорания 25
1.5. Выводы по первой главе, постановка цели и задач исследования 35
ГЛАВА 2. Разработка процесса смесеобразования для двигателя с искровым зажиганием и расслоением заряда 37
2.1. Концепция процесса смесеобразования 37
2.2. Разработка конструкции ДВС с расслоением заряда и объект для проведения исследований 39
2.3. Выводы по второй главе 43
ГЛАВА 3. Моделирование смесеобразования 45
3.1. Математическое моделирование 45
3.1.1. Трехмерная модель объема свежего заряда и расчетная сетка 50
3.1.2. Исходные данные и граничные условия для проведения расчета 52
3.1.3. Результаты математического моделирования 53
3.2. Исследование процесса смесеобразования на модельной установке 58
3.2.1. Исследовательская установка 60
3.2.2. Результаты исследований 63
3.3. Выводы по третьей главе 67
ГЛАВА 4. Экспериментальная установка с выделенным цилиндром и его исследование на моторном стенде 68
4.1. Экспериментальная установка для проведения исследований 68
4.2. Методика исследований 72
4.3. Оценка погрешностей измерений
4.3.1. Оценка погрешностей прямых измерений 74
4.3.2. Оценка погрешностей косвенных измерений 76
4.4. Результаты исследований выделенного цилиндра на моторном стенде 78
4.4.1. Влияние коэффициента расслоения на параметры рабочего процесса 78
4.4.2. Сравнительные исследования выделенного цилиндра, работающего по базовому процессу и процессу с расслоением заряда 79
4.5. Выводы по четвертой главе 82
Основные результаты и выводы 83
Перечень использованных сокращений и обозначений 84
Список литературы 89
- Организация вихревого движения свежего заряда в камере сгорания
- Разработка конструкции ДВС с расслоением заряда и объект для проведения исследований
- Исследование процесса смесеобразования на модельной установке
- Результаты исследований выделенного цилиндра на моторном стенде
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Увеличение объемов производства и использования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) требует регулярного пересмотра норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ). Так, с 2000 по 2009 год предельно допустимое содержание в ОГ оксида углерода (CO), углеводородов (CH) и оксидов азота (NOx) в соответствии с нормами Euro было снижено в два раза. Экологические характеристики двигателей могут быть улучшены путем применения комплекса мер, таких как совершенствование рабочего процесса путем сжигания бедных смесей, использование систем очистки ОГ, применение альтернативных топлив и др.
Помимо загрязнения атмосферы использование ДВС приводит к истощению природных ресурсов, поскольку использование возобновляемых альтернативных топлив не сможет удовлетворить потребностей мирового двигателестроения. В то же время эффективная работа двигателя на бедных смесях позволяет снизить одновременно и расход топлива и уровень выбросов вредных веществ с ОГ, что обуславливает приоритетность исследований в данной области.
Таким образом, проблема создания рабочего процесса, который позволит улучшить топливную экономичность и снизить токсичность ОГ бензинового двигателя с искровым зажиганием останется актуальной и в обозримом будущем.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось снижение токсичности отработавших газов и улучшение топливной экономичности двигателя с искровым зажиганием путем отвода продуктов сгорания из зоны горения.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
на основе анализа существующих способов улучшения экологических показателей и топливной экономичности предложить и получить новый процесс смесеобразования для ДВС с искровым зажиганием;
разработать и изготовить головку цилиндра и впускную трубу для реализации предложенного процесса смесеобразования в ДВС;
провести математическое и физическое моделирование процесса смесеобразования при впуске заряда в цилиндр с целью определения возможности его реализации в ДВС;
на моторном стенде провести сравнительное исследование разработанного и базового рабочего процесса для оценки эффектив-
ности разработанного процесса смесеобразования.
Методы исследования. В работе были использованы:
метод математического моделирования процесса смесеобразования при впуске заряда в цилиндр;
экспериментальный метод исследования на безмоторной установке при впуске заряда в цилиндр с визуализацией процесса смесеобразования;
экспериментальный метод исследования на моторном стенде с получением сравнительных показателей выделенного цилиндра экспериментальной установки, работающего по базовому рабочему процессу и процессу с расслоением заряда.
Объектами исследования являлись:
головка цилиндра с разделенным тангенциальным впускным каналом;
сдвоенная впускная труба для раздельного подвода в цилиндр богатой смеси и чистого воздуха;
выделенный цилиндр экспериментальной установки, изготовленной на базе полноразмерного ДВС УМЗ-414.
Предмет исследования - процесс смесеобразования в ДВС с искровым зажиганием и расслоением заряда. Научная новизна работы заключается:
в новом процессе смесеобразования для ДВС с искровым зажиганием, в отношении которого получен патент РФ № 2544418 на два изобретения;
в методике расчета и результатах математического моделирования процесса смесеобразования при впуске расслоенного заряда в цилиндр;
в методике проведения исследований на безмоторной установке и результатах физического моделирования расслоения заряда в цилиндре при впуске;
в результатах проведенных на моторном стенде сравнительных исследований выделенного цилиндра, работающего по базовому рабочему процессу и процессу с расслоением заряда.
Достоверность результатов исследования подтверждается:
использованием известных математических моделей при рас
чете процессов впуска и смесеобразования, а также согласованием
результатов математического и физического моделирования;
использованием аттестованной и поверенной измерительной
аппаратуры, а также методик исследования, соответствующих дейст
вующим стандартам для испытаний ДВС.
Практическая ценность работы:
Результаты работы могут быть использованы при создании новых ДВС с целью улучшения показателей экологичности и топливной экономичности, а также при проведении исследований в области рабочих процессов ДВС. Установка для моделирования и методика проведения на ней экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс кафедры "Автомобили и двигатели" Московского государственного индустриального университета, а экспериментальная установка на базе ДВС с выделенным цилиндром используется при исследовании рабочего процесса ДВС в ООО «Мотор Ком».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались, были обсуждены и одобрены на конференциях "Молодая наука-АФ" (г. Москва, МГИУ, 19 апреля 2012 г.), "6-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе" (г. Москва, МАДИ, 29 января 2013 года), "Современный автомобиль и его взаимодействие с окружающей средой" (г. Вязьма, филиал МГИУ в г. Вязьме, 19 марта 2013 г.), "Машиностроение и инжиниринг в России и странах СНГ 2014" (г. Вязьма, филиал МГИУ в г. Вязьме, 29 апреля 2014 г.), "Будущее машиностроения России" (г. Москва, МГТУ им Н. Э. Баумана, 24-27 сентября 2014 г.).
На защиту выносятся:
новый способ смесеобразования для ДВС с искровым зажиганием и расслоением заряда;
результаты математического и физического моделирования смесеобразования при впуске расслоенного заряда в цилиндр ДВС;
результаты сравнительных исследований, проведенных на моторном стенде с использованием экспериментальной установки с выделенным цилиндром, работающим по базовому процессу и процессу с расслоением заряда.
Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 6 статей, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 5 статей в сборниках трудов научных конференций, а также получен патент РФ на два изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 110 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений; со-
держит 99 страниц основного текста, 46 рисунков, 4 таблицы и список использованной литературы из 105 наименований.
Организация вихревого движения свежего заряда в камере сгорания
Известно, что для нормального сжигания бедных смесей в цилиндре двигателя требуется повысить скорость сгорания. Это достигается путем интенсификации движения свежего заряда в цилиндре и, следовательно, повышения уровня турбулентности. В практике двигателестроения широко распространены конструкции впускной системы, образующие вращательное движение заряда, ось которого может быть как параллельна, так и перпендикулярна оси цилиндра. В общем случае использование вихревого движения заряда увеличивает индикаторный КПД рабочего процесса ввиду трех факторов: сокращения времени сгорания, расширения пределов обеднения и создания условий для увеличения степени сжатия. При этом по сравнению с каким-либо другим крупномасштабным внутрицилиндровым течением, при закрутке заряда создается более высокая турбулентность в процессе сгорания, которая обеспечивает быстрое распространение фронта пламени и способствует увеличению поверхности горения [27]. Вихревое движение заряда также способствует повышению стабильности сгорания, что ведет к снижению выбросов CO и CH [42, 55]. Повышение скорости сгорания ведет к увеличению температур и давлений в цилиндре, что способствует образованию оксидов азота, однако использование вихревого движения расширяет пределы использования рециркуляции ОГ, которая позволяет снизить уровень выбросов NOx. Также отмечается, что при периферийном зажигании интенсивное вихревое движение заряда препятствует гашению пламени на стенках, что является одной из причин образования несгоревших углеводородов в ДВС. Вихревое движение заряда также позволяет бороться с другой причиной образования CH – осаждением топлива на стенках [47].
Высокий уровень турбулентности при закрутке заряда влияет не только на процесс сгорания, но и на смесеобразование. Интенсивное движение заряда способствует быстрому испарению и перемешиванию топлива с воздухом, что повышает качество получаемой смеси. При расслоении заряда закрутка потока также выполняет функцию распределения богатой и бедной смеси по объему цилиндра с сохранением неравномерности коэффициента избытка воздуха.
Как и многие технические решения, использование вихревого движения свежего заряда имеет и недостатки. Интенсивное движение заряда ведет к увеличению тепловых потерь в стенки цилиндра. Впускные каналы с геометрией, инициирующей вихревое движение, имеют большее сопротивление, чем стандартные. Как уже отмечалось, увеличение скорости сгорания ведет к возрастанию температур и давлений в цилиндре, что приводит к увеличению жесткости рабочего процесса, а, следовательно – шумности работы и нагрузки на детали двигателя. Требуется тщательно соотнести преимущества и недостатки, связанные с использованием вихревого движения в конкретном двигателе. Стоит также отметить, что интенсивность вихревого движения заряда, которая позволяет получить улучшение эффективных и экологических показателей двигателя, имеет строго определенную величину для каждого режима работы ДВС, поэтому желательно организовать управление вихревым движением заряда посредством заслонок или клапанов.
Существуют три способа генерации вихревого движения заряда (рисунок 1.2) [27]. Первый заключается в использовании тангенциального впускного канала (рисунок 1.2, а), направленного по касательной к стенке цилиндра двигателя. При этом создается вихревое движение, направляющееся к поршню по винтообразной траектории. Угол наклона такого канала обычно меньше, чем у канала обычного ДВС, не обеспечивающего закрутку потока. Истечение по периметру клапанной щели неравномерное, что связано с соударением заряда со стержнем и тарелкой клапана и отражением от них. В цилиндре возникает обратный поток, который, сталкиваясь с основным, затухает. Турбулентное Рисунок 1.2. Способы генерации вихревого движения заряда [27]: а – тангенциальный канал; б – винтовой канал; в – ширма на клапане перемешивание основного и обратного потоков при впуске приводит к потерям кинетической энергии заряда, которая должна сохраняться в цилиндре в процессе сжатия.
Второй способ (рисунок 1.2, б) связан с генерацией вихревого движения до входа заряда в цилиндр. Движение свежего заряда задается формой впускного канала, который выполняется в виде спирали, расположенной вокруг стержня впускного клапана. В этом случае закрутка обусловлена геометрией самого канала и слабо зависит от его расположения относительно оси цилиндра двигателя. Истечение по периметру клапанной щели равномерное, что позволяет получить относительно более высокий коэффициент расхода при той же интенсивности закрутки заряда. Винтовой канал может иметь как боковой, так и вертикальный подвод заряда.
Третий способ (рисунок 1.2, в) предусматривает создание направленного воздушного потока путем затенения части проходного сечения впускного клапана специальной вставкой – ширмой. Ширма может быть расположена в головке цилиндра, или на самом клапане. В настоящее время подобный способ генерации вихревого движения практически не используется в серийных двигателях, так как использование ширмы ведет не только к увеличению массы и стоимости клапанов, но и к снижению коэффициента наполнения на 5…10 %. Стоит также отметить необходимость фиксации впускных клапанов с ширмами от проворачивания. Однако ширмы широко используются в исследовательских целях, так как они позволяют быстро изменять интенсивность вихревого движения в цилиндре без изменения конструкции впускных каналов.
Гидравлическое сопротивление двухфункционального канала, который служит для закрутки потока, обычно выше, чем однофункционального, который служит только для наполнения цилиндра. Следует подчеркнуть, что интенсивность вихревого движения, генерируемого впускным каналом, должна быть оптимальной, поскольку как высокая, так и низкая интенсивность вихревого движения может привести к нежелательно высоким скоростям сгорания и чрезмерно интенсивной теплоотдаче, что снижает эффективные и экологические показатели двигателя. Форма впускных каналов должна быть согласована с формой камеры сгорания так, чтобы в процессе наполнения имело место высокоскоростное турбулентное течение, которое не затухает в процессе сжатия и сохраняет достаточную степень турбулентности для ускорения перемещения фронта пламени в процессе сгорания. В современных двигателях с НВБ наибольшее применение находит вертикальная закрутка, где ось вихря перпендикулярна оси цилиндра, так как этому способствует форма поверхности поршня, а также четырехклапанная головка с относительно большими углами наклона клапанов. Для двухклапанной головки с малыми углами наклона клапанов предпочтительной является горизонтальная закрутка – при этом ось вихря совпадает с осью цилиндра [27]. Отмечается, что горизонтальный вихрь менее подвержен диссипации, чем вертикальный, что позволяет дольше сохранять расслоение заряда в течение рабочего цикла [82].
Развитие двигателей с искровым зажиганием, работающих на обедненных смесях, началось в 20-е годы XX в. Шведский инженер Й. Гессельман разработал двигатель с непосредственным впрыскиванием топлива [45], который предназначался для работы на тяжелых топливах, однако из-за низкой степени сжатия его запуск производился на бензине, а воспламенение производилось свечой зажигания. Двигатель Гессельмана работал на бедных смесях, а впрыскивание топлива производилось в конце такта сжатия. В то же время Г. Рикардо во время своих исследований в 1922 г. выяснил, что устойчивого сгорания бедной смеси можно добиться, если создать в районе свечи зажигания зону со смесью, состав которой будет близок к стехиометрическому [88]. Подобная организация рабочего процесса получила название "расслоение заряда", так как в идеальном случае заряд располагается послойно с увеличением коэффициента избытка воздуха по мере удаления от свечи зажигания.
Разработка конструкции ДВС с расслоением заряда и объект для проведения исследований
На основании выводов, сделанных в главе 1, было выбрано направление разработки нового процесса смесеобразования, а именно - создание процесса смесеобразования для двигателя с искровым зажиганием и расслоением заряда в неразделенной камере сгорания с обеспечением возможности работы на бедных топливовоздушных смесях. В основу разработки процесса были положены следующие условия: при впуске заряда в цилиндр создать интенсивное вихревое движение вокруг оси цилиндра; в процессе сжатия к моменту зажигания при интенсивном движении заряда образовать зону обогащения возле стенки камеры сгорания и зону с чистым воздухом в ее центре; воспламенить зону обогащения возле стенки камеры сгорания Рисунок 2.1. Особенности процесса сгорания расслоенного заряда: 1 – богатая смесь; 2 – зона горения; 3 – движение воздуха в зону горения; 4 – движение продуктов сгорания из зоны горения; 5 – воздух; 6 – направление вихревого движения заряда (принципиальная схема процесса сгорания представлена на рис. 2.1.).
Вихревое движение заряда в цилиндре, или закрутка, выполняет в разработанном процессе несколько важных функций. Как отмечалось выше, вихревое движение заряда способствует повышению уровня турбулентности в цилиндре, что интенсифицирует процессы смесеобразования и сгорания. Воздействие вихревого движения на процесс сгорания проявляется также в переносе очага горения по объему камеры сгорания, что ускоряет распространение пламени. Немаловажным фактором является и то, что закрутка позволяет сохранить расслоение заряда к моменту воспламенения, препятствуя перемешиванию потоков богатой и бедной смеси.
Использование вихревого движения позволило применить в разработанном процессе эффект, открытый Hanson R. J. и др. при испытаниях на вращающихся бомбах [74]. Авторы установили, что увеличение интенсивности вихревого движения имеет различное влияние на скорость сгорания при центральном и периферийном положении свечи зажигания. При центральном положении свечи зажигания скорость сгорания снижалась при увеличении скорости вихря, а при периферийном – увеличивалась. Данный эффект объясняется тем, что горячие продукты сгорания, имеющие низкую плотность, под действием центробежных сил вытесняются в центр камеры сгорания. Тем самым на периферии цилиндра условия благоприятны для воспламенения. Данный эффект подтвержден также результатами многих исследований на двигателях [69, 71, 78, 98, 103].
Математически данное явление можно объяснить на следующем примере. Представим газовую сферу радиуса rс, состоящую из продуктов сгорания, имеющих плотность пс. Сфера помещается во вращающийся объем рабочей смеси, имеющей плотность рс. Тогда на границе сферы образуется разность давлений порядка: где Ws – скорость вращения вихря, об/мин. Для разрабатываемого процесса было решено использовать горизонтальную закрутку, так как она не только менее подверженна диссипации, чем вертикальная, но и позволяет получить распределение смеси с подачей обогащенной смеси к стенкам цилиндра, что затруднено при вертикальной закрутке. Так как разрабатываемый процесс предполагает использование расслоения заряда, требовалось выбрать способ организации рабочего процесса. Известные способы (рисунок 1.14) обычно используются для подвода обогащенной смеси в центр камеры сгорания, что обусловлено ограничением теплообмена между зоной горения и стенками цилиндра. Однако, с учетом описанного выше эффекта от перераспределения отработавших газов в процессе горения под действием вихревого движения, условия сгорания в центре цилиндра представляются неблагоприятными. С другой стороны, подача обогащенной смеси на периферию позволяет в полной мере использовать данный эффект и получить высокую скорость и полноту сгорания. Дополнительным эффектом от данного способа организации смесеобразования является решение проблемы несгоревших углеводородов, которые часто образуются у стенок цилиндра ввиду низких температур и обедненных смесей в этой области. Перенос зоны горения к периферии камеры сгорания повышает температуру в этой части цилиндра и способствует более полному сжиганию топлива.
Для осуществления предложенного процесса смесеобразования была разработана конструкция ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива (рисунок 2.2). Двигатель содержит цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, а также головку цилиндра 3. В головке 3 цилиндра 1 образована камера сгорания 9, ограниченная стенкой 10 и поршнем 2 при его положении в верхней мертвой точке. В головке цилиндра 3 расположены тангенциальный впускной канал 4 и выпускной канал 8, снабженные впускным и выпускным клапанами 5 и 7,
В стенку 10 камеры сгорания 9 установлены свеча зажигания 11 и форсунка 6 с сопловыми отверстиями. Топливо впрыскивается на такте сжатия форсункой 6, причем сопловые отверстия форсунки направлены на стенку камеры сгорания 10. Топливо испаряется около стенки 10 и, соединяясь с вращающимся воздушным зарядом, образует около стенки камеры сгорания вращающийся кольцевой объем богатой топливовоздушной смеси, в то время как в центре камеры сгорания образуется бедная смесь вплоть до чистого воздуха, что соответствует разработанному процессу смесеобразования. Таким образом реализуется способ смесеобразования с подводом смеси воздушным потоком, что позволяет избежать осаждения топлива на стенках и связанных с этим повышенных выбросов CO и CH. значительных финансовых вложений, поэтому было решено провести Практическая реализация первого варианта конструкции ДВС требует исследование разработанной концепции смесеобразования и сгорания с использованием имеющихся средств. Задачами исследования являлись: проверка возможности реализации разработанного процесса смесеобразования (рисунок 2.1) на практике и, в случае успеха, оценка влияния данного процесса на основные параметры двигателя. Для проведения исследований был выбран имеющийся в наличии ДВС УМЗ-414, отличающийся простотой конструкции и надежностью в работе. Система впуска этого двигателя не позволяла обеспечить необходимый процесс смесеобразования, поэтому потребовалось разработать второй вариант ДВС (рисунок 2.3). Для обеспечения закрутки заряда, а также направления богатой смеси на периферию камеры сгорания впускной канал был выполнен тангенциальным (рисунки 2.4 и 2.5). Выбор тангенциального канала также был обусловлен относительной простотой его изготовления. Так как двигатель имеет два клапана на цилиндр, то для подвода расслоенного заряда было решено установить во впускной канал перегородку и подавать в одну из его
Исследование процесса смесеобразования на модельной установке
В исследовательской практике используются различные методы получения данных о распределении смеси по объему цилиндра, которые можно разделить на две основные группы: 1. Газоаналитические методы – подразумевают подвод во впускной канал трассирующего газа (CO2), который заменяет собой пары топлива [29, 85]. В камеру сгорания вводятся зонды, которые отбирают пробы газа в отдельных точках камеры сгорания при работе ДВС на различных режимах и направляют их в газоанализатор. Полученное распределение концентрации трассирующего газа в объеме камеры сгорания соответствует распределению концентрации паров топлива в реальном двигателе. Такие методы обеспечивают возможность количественного измерения, однако зонды, вводимые в камеру сгорания, вносят изменения в структуру течения свежего заряда. Кроме того, метод затратен по времени и стоимости.
Оптические методы – основаны на использовании лазерного излучения [94, 102, 105]. Исследования проводятся на установках с прозрачными цилиндрами и/или поршнями, при этом исследуемая область освещается лазерной плоскостью, полученной посредством пропускания луча лазера через короткофокусную линзу. Для отображения распределения концентрации топлива по исследуемой плоскости в поток воздуха вводятся светоотражающие частицы (например, дым или масляный туман), либо вещества, флуоресцирующие под действием лазерного излучения. Такие методы дают возможность качественной оценки распределения смеси внутри цилиндра и никак не влияют на исследуемое течение. Системы фото- и видеосъемки позволяют наблюдать процессы смесеобразования в динамике при различных расходах заряда через цилиндр. Для визуализации смесеобразования в данной работе было решено использовать метод «лазерного ножа» [41]. Метод заключается в том, что поток, содержащий мелкие светоотражающие частицы, проходит через лазерную плоскость («лазерный нож»), образованную пропусканием лазерного луча через короткофокусную линзу. При пересечении потока с лазерной плоскостью на ней возникает изображение, которое фиксируется фотосъемкой на высокочувствительную пленку, или при помощи кинокамеры выводится на экран монитора. Для "окрашивания" потока может использоваться дым, туман или твердые частицы диаметром от 10 до 100 мкм. 3.2.1. Исследовательская установка
Для проведения исследований была разработана и изготовлена исследовательская установка (рисунок 3.10), которая содержала стеклянный цилиндр 1 с внутренним диаметром 100 мм и высотой 100 мм, к которому крепилась экспериментальная головка 2 с впускной трубой 8 . Диаметр трубы 100 мм был выбран из стандартного ряда размеров.
Через карбюратор 5 в цилиндр поступал чистый воздух, а через карбюратор 6 – дым, получаемый путем нагрева древесных опилок, находившихся в баке 13, паяльной лампой 14 до температуры t = 300 C. Расходы воздуха через
Лазерная плоскость 9 образовывалась при прохождении луча непрерывного аргонового лазера 16 фирмы Spectra Physics, модель 164/165, через цилиндрическую кварцевую короткофокусную линзу 15. Плоскость направляли на электрод свечи зажигания 3 под наклоном для обеспечения возможности фото-и видеосъемки.
Так как использование паров топлива в физическом эксперименте затруднено, было принято решение использовать чистый воздух в качестве модели богатой смеси, а бедную смесь смоделировать смесью воздуха и дыма. Для корректного эксперимента требовалось соблюсти соотношение плотностей: (3.16) где в – плотность воздуха; твс – плотность топливо-воздушной смеси; см – плотность смеси дыма и воздуха.
Плотность воздуха при нормальных условиях (температура окружающей среды T0 = 20 C, атмосферное давление p0 = 0,1 МПа) в0 = 1,2041 кг/м3. Примем для двигателя УМЗ-414 температуру подогрева свежего заряда T = 15 C, тогда температура воздуха во впускном коллекторе Tв = T0 + T = 20 + 15 = 35 C. Значение плотности воздуха при 35 C определяется по справочнику [17] – в = 1,1455 кг/м3.
Таким образом, смесь 80 % воздуха и 20 % дыма обеспечивает требуемую плотность. Работа исследовательской установки осуществлялась следующим образом. При закрытом запорном кране 19 из бака 18 откачивался воздух насосом 17. Заслонка 20 устанавливалась в положение, соответствующее требуемому расходу заряда Gв, поступающему в цилиндр при работе двигателя на частоте вращения n = 2700 мин-1, соответствующей максимальному крутящему моменту. Изменением положения заслонки 4 можно было регулировать расход воздуха Gв1 через смесевой канал, а изменением положения заслонки 7 – расход воздуха Gв2 через воздушный канал. Включался лазер, открывался запорный кран 19 и через открытый впускной клапан в цилиндр 1 начинали поступать воздух и дым. Когда течение устанавливалось, полученная картина смесеобразования фотографировалась. Время экспозиции при мощности лазера 1,5…3 Вт составляло 2 мс.
В результате моделирования было установлено, что картина расслоения в камере сгорания зависит от суммарного расхода воздуха через цилиндр Gв и от расхода воздуха Gв1, поступающего в цилиндр по смесевому каналу. Отношение расхода воздуха через смесевой канал к общему расходу воздуха можно охарактеризовать коэффициентом расслоения : (3.20) где Gв1 – расход воздуха через смесевой канал; Gв – общий расход воздуха через цилиндр.
Коэффициент определяет не только энергию вихрей, но и формирует картину концентрационных полей при впуске в цилиндр. При увеличении возрастает интенсивность вихревого движения, а при его уменьшении увеличивается расслоение заряда в цилиндре.
При малых расходах Gв в цилиндре наблюдаются три вихря: вихрь богатой смеси 1, вихрь промежуточной смеси 2 и вихрь бедной смеси 3 (рисунок 3.11, б). Вихрь богатой смеси образован на периферии камеры сгорания и его направление задается профилем впускного канала. В центре камеры сгорания имеет место частичное перемешивание бедной и богатой смеси (дыма и воздуха) с образованием вихря, направленного в противоположную сторону от вихря 1. Под впускным клапаном образуется вихрь бедной смеси 3. Вихри вписаны в камеру
Результаты исследований выделенного цилиндра на моторном стенде
Для проведения исследований была изготовлена экспериментальная установка с выделенным цилиндром на базе полноразмерного четырехцилиндрового ДВС УМЗ-414 (рисунок 4.1). Экспериментальная установка содержала двигатель 1, три цилиндра которого являлись вспомогательными и работали при фиксированном, специально подобранном положении дроссельной заслонки карбюратора и углах опережения зажигания , рекомендованных заводом-изготовителем. Работа трех цилиндров была необходима для получения полных характеристик выделенного цилиндра. Питание трех вспомогательных цилиндров осуществлялось через общую впускную трубу 16, подсоединенную к карбюратору 15 модели К-126. Выпуск ОГ трех вспомогательных цилиндров осуществлялся в общую выпускную трубу 2.
Система питания выделенного цилиндра содержала сдвоенную впускную трубу 4 (см. рисунок 2.7), которая была соединена с двумя карбюраторами К-127 11 и 13. Во время исследований выделенный цилиндр снабжался как базовой головкой цилиндра (рисунок 4.2, а), так и экспериментальной (рисунок 4.2, б).
Карбюраторы были подсоединены к газовым счетчикам 10 и 12 модели РГ-40 для измерения расходов воздуха Gв1 и Gв2. Привод дроссельных заслонок карбюраторов был выполнен раздельным для обеспечения возможности регулирования коэффициента расслоения заряда. Карбюратор 13, предназначенный для подвода в выделенный цилиндр топливовоздушной смеси, подсоединялся к штихпроберу 14 с объемами колб 38, 27 и 8 см3 для измерения расхода топлива GТ. Количество подаваемого топлива изменялось регулировочной иглой 3. Карбюратор 11 дозировал в выделенный цилиндр чистый воздух. Выпускная труба 6 выделенного цилиндра была снабжена зондом для отбора проб ОГ, соединенным через магистраль 7 с газоанализаторами.
Концентрация CO и CH (CCO и CCH) измерялась газоанализатором 8 модели Бекман-590, концентрация NOx (CNOx) – газоанализатором 9 модели Бекман-951. Крутящий момент Me двигателя и число оборотов коленчатого вала n измерялись электробалансирной установкой 5. Техническая характеристика выделенного цилиндра приведена в таблице 4.1, внешняя скоростная характеристика исследуемого двигателя – на рисунке 4.3. Общий вид двигателя на моторном стенде показан на рисунке 4.4.
Двигатель был снабжен экспериментальным распределителем зажигания с двумя кулачковыми шайбами (рисунок 4.5), что позволяло регулировать угол опережения зажигания в выделенном цилиндре независимо от угла опережения зажигания во вспомогательных цилиндрах и измерять его с помощью стробоскопа СТ-5 (рисунок 4.6).
Для выбора значения , при котором проводились дальнейшие исследования, были получены регулировочные характеристики по составу смеси на режиме максимального крутящего момента при частичной и полной нагрузке на режиме n = 2200 мин-1. Диапазон возможных значений был предварительно оценен при моделировании процесса смесеобразования, что позволило сократить количество экспериментов. Выбор регулировочных характеристик обусловлен тем, что основной особенностью разработанного рабочего процесса является возможность работы на бедных смесях, поэтому целесообразно было проведение исследований на фиксированном скоростном режиме, но при различных значениях .
Сравнительные исследования базового рабочего процесса и процесса с расслоением заряда проводились на режимах частичной и полной нагрузки при n = 2700 мин-1, что соответствует режиму максимального крутящего момента, и углах опережения зажигания , рекомендованных заводом-изготовителем.
Мощностные и экономические показатели выделенного цилиндра определялись методом отключения в нем зажигания [13]. Для определения индикаторной мощности выделенного цилиндра получали эффективную мощность при работе четырех цилиндров Ne4 по известной формуле
кВт, (4.1) где Me – эффективный крутящий момент, Н/м; n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1. Затем ключом 2 (см. рисунок 4.5) отключали зажигание в выделенном цилиндре, выводили двигатель на тот же скоростной режим и измеряли эффективную мощность при работе на трех вспомогательных цилиндрах Ne3. Таким образом, индикаторную мощность выделенного цилиндра получали по формуле , кВт. (4.2) Полученное значение мощности использовалось при расчете удельного индикаторного расхода топлива: где l0 – стехиометрическое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива. Коэффициент избытка воздуха в смеси, поступавшей в выделенный цилиндр через смесевой канал, определялся по формуле
Приборы, использованные в исследованиях, удовлетворяли требованиям ГОСТ 14846-81 к измерительной аппаратуре, применяемой при испытаниях двигателей. Погрешности приборов, использованных при исследованиях, приведены в таблице 4.2. Для исключения влияния грубых ошибок на результаты исследований для каждого определяемого показателя проводились повторные измерения.
Результаты исследований, проведенных при различных значениях на двух нагрузочных режимах (рисунки 4.7 и 4.8) показывают, что уменьшение приводит к снижению максимальной для данного режима удельной индикаторной мощности, но к увеличению . На малых нагрузках при увеличении снижается удельный индикаторный расход топлива, что указывает на целесообразность увеличения энергии заряда как для образования около свечи зажигания зоны с обогащенной смесью, так и для создания необходимой турбулизации заряда, которая больше влияет на эффективность сгорания, чем возможность увеличения пределов эффективного обеднения. При увеличении коэффициента наполнения V увеличивается Gв1, а также энергия вихревого движения в камере сгорания, т. е. создаются условия для уменьшения и увеличения расслоения заряда в камере сгорания, что способствует эффективной работе ДВС на более бедных смесях.