Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, являются основными силовыми агрегатами, которые предопределяют развитие автомобилестроения. Они - неотъемлемая часть в выпуске легковых автомобилей, используемых в народном и промышленном производствах. С выпуском автомобилей потребность в жидком топливе резко возрастает, тогда, как объем нефтедобычи снижается. Известно также, что при эксплуатации автомобильных двигателей, работающих на бензине, появляются потери, которые выбрасываются в атмосферу, в виде продуктов неполного сгорания и паров (углеводороды, оксид углерода, сажи и др.), имеющие большой запас теплоты. Устранение этих потерь приводит к снижению потребности в топливно-энергетических ресурсах, что равносильно увеличению их добычи.
Решение данной проблемы и изыскание путей экономии топливно-энергетических ресурсов следует рассматривать, опираясь на инженерно-технические разработки в области совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, чему и посвящена настоящая работа, поэтому она весьма актуальна и имеет важное общегосударственное значение. Из вышеизложенного видно, что уменьшение расхода топлива двигателя внутреннего сгорания является большой и серьезной проблемой, решение которой является безотлагательной задачей современной науки и техники.
Одним из путей улучшения показателей рабочего процесса полноты горения в цилиндре бензиновых двигателей, на наш взгляд, является увеличение скорости сгорания, путем интенсивного завихрения заряда и распределения топлива в камере сгорания таким образом, когда в зоне свечи зажигания находилась бы обогащенная смесь, а по мере удаления от неё смесь постоянно бы обеднялась.
Многочисленные опыты Л.И.Вахошина, А.Н.Воинова, Н.П.Самойлова, Ю.И.Шальман, Р.М.Петриченко и др. показали, что дополнительное завихрение заряда приводит к ускоренному процессу сгорания, а расслоение заряда способствует не только увеличению скорости заряда, но ведет к полному выгоранию топлива.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию бензиновых двигателей путем создания расслоения и дополнительного завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха при закрытии впускного клапана, когда поршень приходит в нижнюю мертвую точку.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является определение влияния смесеобразования и сгорания в двигателях, модифицированных путем организации расслоения и завихрения заряда за счет дополнительной подачи воздуха в такте наполнения при закрытом впускном клапане в нижней мёртвой точке, на технико-экономические показатели бензинового двигателя.
В результате анализа функционирования бензиновых двигателей и изыскания путей улучшения эксплуатационных показателей и их сравнения с опытными двигателями, работающими в тяжелых эксплуатационных условиях, поставлены следующие задачи исследования:
1. Провести анализ отечественных и зарубежных методов и средств улучшения технико-экономических показателей двигателей при работе в эксплуатационных условиях.
2. Обосновать и рассчитать основные конструктивные параметры подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя и фазу газораспределения процесса наполнения.
3. Создать теоретическую модель и провести числовые расчеты изменения основных эксплуатационных параметров модернизированного двигателя при работе в тяжелых эксплуатационных условиях.
4. Подготовить опытный двигатель с дополнительной подачей воздуха в цилиндры при закрытии впускного клапана в НМТ. Провести лабораторные и стендовые исследования, установить его мощностные и экономические характеристики.
5. Провести анализ полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, разработать рекомендации для практического использования.
Научная новизна.
- Разработана система дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах двигателя при закрытии впускного клапана в НМТ;
- Получены количественные характеристики и закономерности изменения показателей при сгорании топлива в бензиновых двигателях за счет дополнительного завихрения и расслоения заряда при закрытии впускного клапана в НМТ;
- Разработаны математические модели, устанавливающие связь показателей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками процессов рабочего цикла бензиновых двигателей;
- Получены результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензиновых двигателей при закрытии впускного клапана в НМТ.
На защиту выносятся:
1. Разработанная система для дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензиновых двигателей с помощью автономной компрессорной установки.
2. Количественные характеристики и закономерности изменения показателей при завихрении и расслоении заряда в процессах наполнения, сжатия и горения бензиновых двигателей.
3. Математические модели, устанавливающие связь показателей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками рабочего цикла при различной интенсивности дополнительного завихрения бензинового двигателя.
4. Результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндре бензинового двигателя.
Практическая и научная ценность работы.
- Применение подачи в цилиндр дополнительного воздуха при закрытии впускного клапана в нижней мёртвой точке позволяет повысить мощность, снизить удельный расход топлива двигателя, а также уменьшить концентрацию оксида углерода в отработавших газах.
- Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, дают возможность осуществлять модернизацию при проектировании новых бензиновых двигателей.
Личный вклад автора.
В работах диссертанту принадлежат основные идеи, математические модели, обобщения и результаты. Из совместных статей в диссертацию включены только те результаты, которые получены лично соискателем.
Результаты работы используются в научных разработках и в учебном процессе кафедры.
Рекомендации по использованию результатов:
Результаты работы могут быть использованы при создании новых бензиновых двигателей ВАЗ. Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, дают возможность осуществлять модернизацию при проектировании новых бензиновых двигателей.
Апробация работы.
Достоверность исследований подтверждены положительными результатами испытаний двигателей ВАЗ-11113 и УД-15, оборудованных дополнительной подачей воздуха в нижнюю часть гильзы цилиндра и с изменённой геометрией газораспределительного вала, который позволил закрывать впускной клапан в нижней мёртвой точке. Каждый двигатель обеспечил высокие технико-экономические показатели. Также достоверность подтверждается использованием современной измерительной быстродействующей аппаратуры, обеспечивающей удовлетворительные погрешности.
В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Тракторы и автомобили» Казанского ГАУ, а также кафедры «АДиС» КГТУ им. А. Н. Туполева.
Основные результаты научных исследований диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» в 2005 г. и 2007 г. в г. Казани, на итоговых научных конференциях КГАУ в 2007, 2008 и 2009 г.г, на 5 Всероссийской научно-технической конференции: «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» в 2009 в г. Казани.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 работ. Из них: 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК России; 4 научных статьи.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка используемой литературы и приложения. Материал изложен на 154 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 51 иллюстрацию. Список используемой литературы включает 104 наименования.
