Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Основной задачей современного двига-телестроения является повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания при одновременном снижении токсичности отработавших газов. Успешное решение этих проблем во многом определяется совершенствованием рабочего процесса и процессов газообмена. Последнее направление наиболее перспективно в отношении двухтактных двигателей, теряющих при очистке цилиндра от отработавших газов из-за несовершенства процесса газообмена от 10 до 40% циклового заряда смеси. Столь неэффективное использование топлива является основным сдерживающим фактором широкого использования двухтактных двигателей, выгодно отличающихся по ряду показателей от четырехтактных эквивалентной мощности: имея более простую конструкцию, они менее трудоемки в изготовлении, малая удельная масса сочетается с высокой литровой мощностью. Все это определяет актуальность работ, направленных на повышение технического уровня двухтактных двигателей.
Одно из перспективных направлений улучшения экологических и экономических показателей двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой, работающих на легком топливе, связано с разработкой схем газообмена, в основу которых положен послойный ввод свежего заряда в цилиндр в период продувки-наполнения.
Теоретическому и экспериментальному исследованию данной проблемы посвящена настоящая работа. Она является составной частью исследований, проводимых кафедрой "Тракторы и автомобили" Костромской ГСХА совместно с Ковровским и Ижевским мотозаводами по совершенствованию процесса газообмена двухтактных двигателей.
Цель работы. Улучшение показателей двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой путем сокращения потерь топлива в процессе газообмена при послойном вводе свежего заряда на режимах частичных нагрузок.
Задачи исследований:
-
Разработать методику определения состава смеси в кривошипной камере и камере сгорания после окончания продувки, а также определить возможное уменьшение потерь топлива при продувке за счет послойного ввода свежего заряда.
-
Разработать и выполнить конструктивные мероприятия по использованию расслоения свежего заряда для снижения потерь топлива при продувке.
-
Разработать методику и провести исследования методом физи-
ческого моделирования:
распределения свежего заряда в кривошипной камере и продувочных каналах перед началом продувки;
изменения состава смеси, поступающей в цилиндр двигателя при продувке.
уменьшения потерь топлива при продувке в условиях физической модели.
4. При проведении экспериментальных исследований определить эффективность применения послойного ввода свежего заряда.
Методы исследования. Теоретический анализ эффективности послойного ввода выполнен путем проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ типа IBM AT по созданному алгоритму. Экспериментальные исследования послойного смесеобразования проведены в условиях объемной динамической модели с использованием анализа газовых проб смеси продувочного воздуха и "трассирующей" присадки С02. Оценка эффективности предложенной схемы газообмена проведена путем снятия регулировочных характеристик на моторной установке, оснащенной современным оборудованием и измерительной аппаратурой. Анализ токсических показателей осуществлен методом NDIR (инфракрасной спектрометрии) с использованием специализированного газоанализатора "МЕХА-322" фирмы Horiba. Анализ неравномерности рабочего процесса проведен по результатам индицирования с использованием автоматизированной системы регистрации и обработки параметров рабочих процессов фирмы AVL на базе цифрового анализатора 653.
Объект исследования. Двухтактный двигатель с кривошипно-камерной продувкой ЗДК-175 Ковровского АО "Завод им. В.А. Дегтярева".
Научная новизна. Разработана методика определения неравномерности распределения смеси по объему кривошипной камеры в период, предшествующий продувке. Впервые для условий физической модели получены характеристики изменения состава смеси, поступающей в цилиндр двигателя при продувке расслоенным зарядом. Установлена зависимость характера распределения смеси от режимных и конструктивных факторов. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность послойного ввода свежего заряда в цилиндр двухтактного двигателя в период продувки, повышающего технико-экономические показатели двигателя при одновременном снижении концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах. Экспериментальными исследованиями определено влияние режимных и конструктивных параметров на работу двигателя с новой схемой газообмена, реализация которой позволяет повысить стабильность показателей ра-
бочего процесса при использовании обедненных смесей.
Практическая ценность. Разработанные методики и созданная
экспериментальная установка для исследования процессов смесеобра
зования совместно с теоретическими исследованиями позволяют уста
навливать оптимальные значения конструктивных и режимных парамет
ров на стадии проектирования с точки зрения эффективности расслоения свежего заряда и использования его в период очистки цилиндра от отработавших газов.
Результаты испытаний подтверждают, что послойный ввод свежего заряда обеспечивает эффективное сжигание обедненных смесей с коэффициентом избытка воздуха на впуске 1,10...1,15 единицы. Удельный эффективный расход топлива на экономичном режиме снижается на 4... 10%, на мощностном режиме - до 20%. Выбросы СН снижаются на 25...30%. содержание СО в отработавших газах на мощностном режиме уменьшается в 1,5 раза.
Анализ индикаторных показателей экспериментального двигателя показал, что расслоение смеси на впуске и при продувке обеспечивает эффективную работу двухтактного двигателя на обедненных смесях с увеличением на 10...12% значения среднего индикаторного давления в цилиндре по сравнению с обычным двухтактным двигателем. Установлено, что послойное смесеобразование снижает нестабильность работы на 5...6% в широком диапазоне регулирования подачи топлива.
Реализация результатов исследований. Материалы исследований доложены на научно-техническом совете КБ двигателей АО "Завод им. В.А. Дегтярева" и переданы заводу в виде отчетов о выполнении хоздоговорной работы.
Апробация работы. Материалы отдельных этапов исследования докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Костромского СХИ (1989-1996 гг.), МАДИ (1990 г.), Ярославского СХИ (1994 г.), на Всесоюзных научных конференциях и семинарах по ДВС (Москва-МВТУ, 1987г.; Нижний-Новгород-ГПИ, 1990 гг.; Владимир-ВПИ, 1989, 1991, 1993, 1995 гг.).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 13 печатных трудах и двух научно-технических отчетах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Общий объем работы 260 с, в том числе 114 с. основного текста и 146 с. иллюстраций. Список использованных источников содержит 136 наименования, в том числе 51 на иностранном языке.
На защиту выносятся:
-
Методика расчета распределения топливовоздушного заряда по объемам кривошипной камеры и продувочных каналов при послойном вводе свежего заряда.
-
Методика оценки сокращения потерь топлива при продувке за счет применения послойного ввода свежего заряда.
-
Методика и результаты исследований распределения топливо-воздушного заряда по кривошипной камере при физическом моделировании процесса газообмена в двухтактном двигателе.
-
Результаты исследований эффективности сокращения потерь топлива в период продувки цилиндра двухтактного двигателя расслоенным зарядом топливовоздушной смеси методом физического моделирования процесса смесеобразования с использованием "трассирующего" газа COz
-
Результаты экспериментальных исследований улучшения экономических и экологических показателей двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой и послойным вводом свежего заряда.
-
Анализ влияния послойного ввода свежего заряда в цилиндр двигателя на неравномерность рабочего процесса двухтактного двигателя.