Рабочий процесс в бензиновом двигателе с управляемым расслоением заряда при высокой степени сжатия

Современные масштабы и темпы автомобилизации выдвинули на первый план решение весьш острой проблемы — экономное использование топливных ресурсов. Численность автомобильного парка мира непрерывно возрастает и за последние 30 лет количество автомобилей увеличилось в 5,4 раза. Одновременно с этим появился ряд серьезных проблем, связанных с сохранением чистоты воздушного бассейна, предотвращением от дальнейшего его загрязнения отработавшими газами (ОГ) автомобилей, оказывающими опасное токсичное воздействие на флору, фауну и здоровье человека.

Поэтому в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» особое внимание было обращено на необходимость значительного ускорения работ по созданию новых транспортных энергосиловых установок, обеспечивающих существенное сокращение расхода топлива и энергии, уменьшение выбросов токсичных веществ в окружающую среду и улучшения очистки ОГ от токсичных примесей / 1,2 /.

В связи с этим остаются чрезвычайно актуальными вопросы дальнейшего совершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания 1ДВС), число которых в нашей стране превышает 21 млн. и которые потребляют почти 90% бензина, дизельного топлива и моторных масел. ДВС являются важнейшей составной частью энергетической базы народного хозяйства СССР и мощность их в 5,5 раза превосходит все шесте взятые электростанции. Такое широкое распространение ДВС связано с термодинамическими и физико-химическими свойствами рабочих процессов, что обеспечивает им высокие к.п.д. и удельную мощность при относительно низкой себестоимости и простоте эксплуатации. Именно поэтому по объективным прогно зам предполагается, что поршневые двигатели сохранят доминирующее положение, по меньшей мере, еще на несколько десятилетий / 54, 87 /.

Наибольшее распространение получили поршневые двигатели с традиционным карбюраторным смесеобразованием и искровым зажиганием карбюраторные двигатели), а также дизели.

В нефтедобывающих странах, например в СССР, и в целом в мире соотношение между производством карбюраторных двигателей и дизелей по мощности предопределяется соотношением выхода бензина и дизельного топлива при переработке нефти. Выход дизельного топлива из нефти при существующей технологии переработки составляет 20−25 $, бензина — 35−5^ / 21 /.

Следует иметь в виду также, что альтернативные топлива, как спирты, природный газ, продукты сжижения каменного угля, нефтеносных сланцев и битуминозных песков имеют высокое октановое число и низкое цетановое число и больше подходят для питания ДВС с принудительным воспламенением. Отсюда следует, что соотношение между производством дизелей и карбюраторных двигателей по мощности должно составлять 1/1,5−2,5 / 21 /, и несмотря на существующую в настоящее время тенденцию к дизелизации автомобильного транспорта, по прогнозам число дизельных автомобилей в общем парке автомобилей не превысит 20% / 87 /. Поэтому рациональное использование топливных ресурсов и уменьшение загрязнения окружающей среды токсичными компонентами ОГ во многом связано с дальнейшим совершенствованием бензиновых двигателей, составляющих основную часть мирового парка автомобилей. Решение задач по усовершенствованию этих двигателей должно быть в основном направлено на улучшение процессов смесеобразования и сгорания.

Основной целью совершенствования бензиновых двигателей является уменьшение удельного расхода топлива / 5,38,63 /. Одним из кардинальных путей решения этой задачи было повышение степени сжатия до оптимального значения = Ю-12-. Дальнейшее увеличение степени сжатия, как известно, обеспечивает незначительный рост термического к.п.д. и еще меньший — индикаторного к.п.д. при одновременном увеличении механических потерь / 33,78 /. Поэтому при увеличении б выше 12 топливная экономичность двигателя не улучшается.

Однако, в связи с появлением экологической проблемы отношение к повышению степени сжатия резко изменилсоь, так как повышение.

По общему мнению многих исследователей, в области улучшения технико-экономических и токсических характеристик бензинового двигателя рабочий процесс с послойным распределением топлива в воздушном заряде открывает большие возможности по усовершенствованию его рабочего цикла. Установлено, что в этом случае представляется возможным создать двигатель, по топливной экономичности находящийся на уровне дизельных двигателей, а по литровой мощности — карбюраторных. Данный рабочий процесс позволяет также значительно расширить ресурсы используемого топлива и одновременно понизить шум и металлоемкость, ощутимо уменьшить токсичность и дымноеть ОГ.

Анализ многочисленных работ исследовательских центров в СССР (ихф АН СССР, НАМИ, АзПИ, МАДИ, КОХИ и др.) и зарубежных фирм {Fordy Parsef? e /-/o/iaLa и др.), направленных на решение этой проблемы, позволил сделать вывод о том, что существенное улучшение технико-экономических и токсических характеристик бензиновых двигателей возможно при одновременном применении таких мероприятий, как оптишльное и управляемое расслоение рабочей смеси при впрыске топлива в такте сжатия, повышение степени сжатия до оптимальных значений =10−12) и применение форкамерно-факельного способа воспламенения расслоенного заряда.

Предложенный в АзПИ способ работы двигателя в определенной мере удовлетворяет основным требованиям высокоэффективного и одновременно малотоксичного рабочего процесса. Данный способ объединяет в единую систему непосредственный впрыск топлива в цилиндр через форкамеру эжекторного типа и факельное зажигание оптимально расслоенного заряда вдоль направления истекания факела горящих газов. Ранее выполненные работы / 15,41 /, а также наши поисковые эксперименты вскрыли ряд, недостатков этого процесса, особенно при повышении степени сжатия до <5 = 12. Это весьма высокая чувствительность рабочего процесса к параметрам распыла топлива, повышенное содержание несгоревших углеводородов в ОГ при частичных нагрузках и холостом режиме работы двигателя и нага р о оора зова ние в стенках соплового канала форкамеры.

Шстоящая работы посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию по доводке данного рабочего процесса с целью устранения отмеченных недостатков путем обеспечения оптимального и управляемого расслоения заряда, обусловливающего повышение технико-экономических показателей двигателя при одновременном существенном снижении уровня выделения всех токсичных компонентов ОГ при высокой степени сжатия.

Оптимизация конструктивных, регулировочных и режимных параметров двигателя проводилась на основе разработанной расчетной методики, которая была реализована на ЭВМ EC-I022. Экспериментальные исследования, проведенные как на безмоторной, так и на моторной установках, показали высокую степень сходимости расчетных и экспериментальных результатов.

Работа является составной частью исследований, проводимых кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания и холодильные машины» АзПИ им. Ч.Ильдрыма совместно с Заволжским моторным заводом имени 5и-летия СССР и которая была включена в план важнейших работ Мин-автопрома и Минвуза СССР на 1982;85 гг. согласно решению экспертной комиссии ГКНТ СССР от 5 марта 1981 года.

Результаты выполненной работы (осуществленной в период с 1978 по 1984 гг.) применены в разработке опытных образцов 4-х цилиндрового двигателя для автомобиля ГАЗ-ЗЮ2 на базе двигателя ЗМЗ-4Ю0.20 на Заволжском моторном заводе им.50-летия СССР.

4.9. Выводы по главе.

I. Рекомендуемый способ смесеобразования при впрыске оен-зина в цилиндр и факельном зажигании оптимально расслоенной топ-ливовоздушной смеси был подвергнут экспериментальной проверке на опытном одноцилиндровом двигателе 0ЦУ-ЗМЗ-24ФВ, созданного на базе карбюраторного двигателя ЗМЗ-24 без внесения каких-либо коренных изменений в его базовые размеры.

2. Результаты экспериментальных исследований по установлению влияния конструктивных параметров форкамеры (, о/т, 2. у, с,), момента конца подачи топлива, угла опережения зажигания ?>, начального давления открытия клапана форсунки <0, оощего состава топливовоздушной смеси схГ, коэффициента наполнения, частоты вращения коленчатого вала /7 на технико-экономические и токсичные характеристики двигателя хорошо согласуются с результатами теоретических исследований, что свидетельствует о достоверности сделанных выводов при теоретическом анализе работы двигателя.

3. Топливоподающая аппаратура в составе беспрецизионного насоса НВР-2 со симметричным тангенциальным профилем кулачкового валика и клапанно-штифтовой форсунки ФБ-1Ф удовлетворяет основным требованиям рабочего процесса при осуществлении управляемого расслоения заряда и факельного зажигания.

4. Экспериментальными исследованиями работы опытного двигателя с впрыском бензина в такте сжатия и факельным зажиганием оптимально расслоенной смеси установлено: а) осуществление позднего впрыска бензина в КС и форкамерно-факельное зажигание оптимально расслоенной смеси позволяет применять оптимальное значение степени сжатия (б =11,4) при использовании товарных бензинов А-76 и АИ-93- о) оптимальным моментом конца впрыска топлива является 300° п.к.в., которое было получено и при анализе результатов теоретического исследования. Требуемое давление начала открытия клапана форсунки при этом оказалось Рф&bdquo- = 5 МПав) все нагрузочные режимы двигателя получаются путем только качественного регулирования мощности — дросселирование впуска оказывает отрицательное влияние. Общий коэффициент избытка воздуха изменяется в зависимости от нагрузки двигателя в пределах ос = 0,9−6,0, что обусловлено оптимальным и управляемым расслоением рабочего заряда. При холостом ходе в зависимости от скоростных режимов о^ изменяется в пределах 4−6- г) работа опытного двигателя во всех нагрузочных режишх характеризуется меньшим, чем при карбюраторном смесеобразовании (КИЗ), индикаторным удельным расходом ^ топлива. Минишльные значения составляют 224 г/(кВт.ч.) при КИЗ и.

178 г/(кВт.ч) при ВФЗ.

На средних и малых нагрузках топливная экономичность опытного двигателя улучшена более, чем на 2% по сравнению с КИЗ. Такая высокая экономичность двигателя сопоставима с показателями двухкамерных дизелей. Так, при с>г = 2,4 индикаторный к.п.д. опытного двигателя доходит до 2i = 0,47- д) рассматриваемый рабочий процесс позволяет увеличить удельную мощность двигателя на Ъ-% по сравнению с КИЗ, на 25−27 $ по сравнению с ДИЗ. шесте с этим, максимальное давление цикла.

Р^ и средняя скорость нарастания давления находятся на достаточно низком уровне, что в основном связано с пониженное тью степени сжатия по сравнению с .

•г для дизеля скоростном (/7 = 1800 мин) и нагрузочном (Рс- = 0,89 Mia) режишх максимальное давление сгорания составляет /$ =7,15 Mia, тогда как при ВФЗ — Рг =4,85 Mia, а при КИЗ -/5 =3,55 Mia. Средняя скорость нарастания давления соответственно равны ар/ь у = 0,38- 0,19 и 0,04 МПа/1° п.к.в.- е) рекомендуемый способ организации рабочего процесса позволяет существенно снизить все токсичные компоненты ОГ (а/о, СО, С Иу). Максимальная концентрация Л/О не превышает 1300 ч.н.м., что примерно в 3−4 раза ниже от максимального уровня выделения /I/O при КИЗ, а также при ДИЗ с предкамерой. Содержание СО в широком диапазоне изменения не превышает 0,1.

0,2 $. Минимальная концентрация С//у в зависимости от скоростных режимов находится в пределах 25−40 ч.н.м., с уменьшением нагрузки С А/у несколько увеличивается и доходит до ?80−300 ч.н.м. При холостом ходе СА/Х не превышает 300−320 ч.н.м., что примерно в 1,5−2 раза ниже уровня выделения СА/Х в современных карбюраторных двигателях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Решение проблемы рационального использования топливных ресурсов и охрана окружающей среды во многом связаны с дальнейшим совершенствованием рабочего процесса бензиновых двигателей, составляющих основную часть автомобильного парка страны. На основании анализа работ как в нашей стране, так и за рубежом, а также разработок АзПИ по улучшению технико-экономических показателей с одновременным существенным снижением токсичности ОГ бензиновых двигателей исследован и обоснован способ смесеобразования в двига теле с управляемым расслоением рабочего заряда при впрыске бензина в такте сжатия и фаКельном зажигании.

2. Разработана методика для расчета состава смеси в форкамере сХф, степени расслоенности заряда d и коэффициента избытка воздуха богатой и бедной частей расслоенного заряда (Л/ и.

• На основании этой методики составлена математическая модель процесса смесеобразования в двигателе с управляемым расслоением заряда, которая была реализована на ЭВМ E0-I022 для проведения широкого параметрического анализа влияющих факторов и оптимизации конструктивных и регулировочных параметров опытного двигателя. Основным критерием при подборе требуемых конструктивных и регулировочных параметров являлось соответствие найденных значений состава форкамерной смеси и степени расслоенности заряда Ос их оптимальными величинами при заданных режимах работы двигателя.

3. на специально созданной безмоторной установке выполнены экспериментальные исследования по установлению закономерностей изменения основных параметров распыленной топливной струи^, 2. jb «Р*, J> &bdquo-р). па основании обработки экспериментальных данных предложены аппроксимирующие уравнения для продолжительности впрыска уЗ/7/э f среднего давления впрыска Рф и угла при вершине конуса топливной струи 2уь в зависимости от цикловой подачи и частоты вращения кулачкового валика топливного насоса НВР-2, необходимые для составления математической модели процесса смесеобразования в рассматриваемом двигателе. Установлена также адекватность опытных данных дальнобойности топливной струи Рф с расчетными данными по формуле (2.3). Установлено, что топливная аппаратура в составе клапанно-штифтовой форсунки ФБ-1Ф и беспрецизионного топливного насоса НВР со симметричным танген- -циальным профилем, удовлетворяет основным требованиям рабочего процесса при осуществлении управляемого расслоения заряда и факельного зажигания.

4. Рекомендуемый способ смесеобразования был реализован на опытном одноцилиндровом двигателе 0ЦУ-ЗМЗ-24ФВ, изготовленном на базе карбюраторного двигателя ЗМЗ-24. Обширными экспериментальными исследованиями было установлено: а) оптимальным моментом конца впрыска топлива является 300° п.к.в. по ходу впуска для всех исследуемых скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя. При отклонении от этого угла как в одну, так и в другую сторону из-за выхода степени расслоенности заряда CL и состава смеси в форкамере ос^, от оптимальных пределов ухудшаются технико-экономические и токсические показатели двигателяб) при найденном оптимальном значении у обеспечивается бездетонационная работа двигателя при степени сжатия? =11,4 на товарных бензинах А-76 и АИ-93 с оптимальным углом опережения зажигания при любых скоростных и нагрузочных режимахв) все нагрузочные режимы двигателя можно получить путем качественного регулирования мощности, как у дизелей.

5. Сравнение данных опытного двигателя с показателями карбюраторного и дизельного^{вихрекамерного} и предкамерногодвигателей позволило установить, что разработанный способ дает возможность создать двигатель по топливной экономичности, находящийся на уровне дизельных двигателей, а по литровой мощности, металлоемкости и шумности — карбюраторных. При этом существенно снижаются 1 В 2−3 разатоксичность ОГ.

6. Следует признать актуальным проведение дальнейших исследований по установлению влияния формы камеры сгорания, турбулентности воздушного заряда, площади поверхности вытеснителей, а также топлив с различными фракционными составами и вязкостью на рабочий процесс и токсичность двигателя с оптимальным и управляемым расслоением заряда.

7. Результаты выполненной работы позволяют рекомендовать:

Iприменение исследованного способа смесеобразования при создании высокоэффективного бензинового двигателя для перспективных автомобилей;

2- использование разработанной расчетной методики определения параметров расслоенного заряда для оптимизации влияющих параметров при проектировании и выполнении доводочных исследований по вновь создаваемым двигателям.

В заключение автор выражает благодарность всему коллективу кафедры «ДВС и холодильные машины» АзПИ имЛ. Ильдрыма, возглавлявмой проф. Керимовым И. А., за помощь и участие в проведении данного исследования, а также глубокую благодарность своему научному руководителю проф. Мехтиеву Р. И. за научное руководство.