ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Математичні моделі, алгоритми і програми для виконання на ПК розрахунково-теоретичних досліджень показників двигуна при регулюванні ступеня стискання при часткових навантаженнях.

Розроблена методика розрахунку робочих процесів у системах двигуна -- продувному компресорі, циліндрі й органах газообміну, що дозволяють прогнозувати показники роботи двигуна при регулюванні ступеня стискання.

Розроблені схеми і конструкції вимірювальної і реєструючої апаратури для дослідження двигуна.

Розроблені методики експериментальних досліджень робочого процесу двигуна.

Кількісні залежності щодо впливу ступеня стискання на витрату палива і емісію шкідливих викидів із відпрацьованими газами в різних режимах роботи двигуна.

Рекомендації щодо використання в двотактному бензиновому двигуні змінного ступеня стискання.

Розроблені математичні моделі, алгоритми і програма для розрахунку на ПК, а також числові значення і рекомендації прийняті для використання в конструкторському бюро ГРП “АвтоЗАЗ-Мотор” при створенні нових перспективних двигунів нетрадиційної конструкції, а також Державним науково-дослідним технологічним інститутом (НИТИ, г. Железнодорожный, Московская обл.) при створенні нових і удосконалюванні існуючих двотактних двигунів.

Особистий внесок здобувача

1. Розроблена схема і конструкція експериментального двигуна зі змінним ступенем стискання [6, 14, 19].

2. Розроблена методика, математична модель, алгоритм та програма розрахунку на ПК робочого циклу двигуна зі змінним ступенем стискання [1, 5, 6, 7, 8, 17, 18].

3. Розроблено програму для автоматичного витратоміра палива на базі електронних ваг AXIS A 500 (Польща), що забезпечує спільну роботу витратоміра з ПК [3].

4. Проведено експериментальні дослідження показників дослідних двигунів і подальшу їх обробку на ПК [4, 11, 12, 13].

5. Виконані розрахункові дослідження щодо впливу ступеня стискання на показники двигуна [1, 5, 14, 15, 16, 19].

6. Визначено оптимальне регулювання ступеня стискання для двигунів із різною кінематикою [17].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися та обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях -- “Прогрессивные технологии машиностроения и современность” (Донецк, ДонГТУ, 1997 г.), "Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення" (Київ, УТУ, 1997 р.), “Перспективные направления развития конструкции автомобиля” (Харьков, ХНАДУ, 2001 г.), “Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы” (Севастополь, СевНТУ, 2003 г.), “Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса” (Москва, МАДИ, 2003 г.), “Автомобильный транспорт в XXI веке” (Харьков, ХНАДУ, 2003 г.); міжнародному українсько-американському семінарі “Управление университетскими технологиями и создание на их основе малого и среднего бизнеса” (Донецк, ДонНТУ, октябрь 1996 г.); международном семинаре "Ukrainian Innovation Projects, New Technologies and Inventions" (Philadelphia, University City Science Center, USA, February, 1997); науково-технічної конференції “Экология промышленных регионов” (Донецк, ДонНТУ, 1999 г.); науково-практичної конференції “Донбас-2020: наука і техніка - виробництву” (Донецьк, ДонНТУ, 2002 р.); четвертому і п'ятому республіканських семінарах по поліпшенню показників теплових двигунів і ресурсозбереженню (Мелитополь, ТГАТА, 1998 - 1999 гг.); 53-й наукової конференції професорсько-викладацького складу і студентів УТУ (Київ, УТУ, 1997 г.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 19 наукових працях, у тому числі 8 -- у збірниках наукових праць, 9 -- у матеріалах конференцій, а також у двох патентах на винахід.

Експериментальний зразок безшатунного двигуна зі змінним ступенем стискання експонувався на міжнародному українсько-американському семінарі (Донецьк, ДонНТУ, жовтень 1996 р.) і регіональній виставці, присвяченій 80-річчю ДонНТУ (Донецьк, 2001 р.).

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 145 найменувань і додатків. Повний обсяг дисертації складає 208 сторінок, з них 153 сторінка машинописного тексту, 70 малюнків на 37 сторінках, 3 таблиці на 3 сторінках і 3 додатки на 15 сторінках.

Основний зміст

У вступі до дисертації обґрунтована актуальність теми, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну результатів дослідження, відомості про практичне значення, інформацію про апробацію та публікацію основних положень роботи.

У першому розділі “Огляд і аналіз літературних джерел із проблем розвитку і удосконалення двотактних бензинових двигунів” приводяться особливості традиційних двотактних бензинових ДВЗ сучасних конструкцій, аналізуються перспективи застосування на транспортних засобах двотактних бензинових двигунів, дається аналіз робіт, присвячених вивченню робочого процесу бензинових двигунів в умовах регулювання ступеня стискання в часткових режимах, а також відзначається про роботи різних фірм і організацій по розробці і створенню двигунів зі змінним ступенем стискання.

Показано, що ряд відомих фірм таких, як Orbital Engine, DaimlerChrysler, General Motors, Ford, Honda, Fuji, Saab, Shigeru Onishi та інші зацікавлені у виробництві двотактних ДВЗ, завдяки їх перевагам перед чотиритактними двигунами. При цьому для поліпшення таких найважливіших показників двотактних ДВЗ, як паливна економічність і викиди СО і СН із відпрацьованими газами, багато фірм-виробників і дослідницьких центрів ведуть роботи щодо створення двотактних двигунів нетрадиційної конструкції, зокрема, зі змінним ступенем стискання при часткових навантаженнях.

Для регулювання ступеня стискання застосовуються різні конструктивні вирішення як ДВЗ, так і механізму зміни ступеня стискання -- двигуни з кривошипно-шатунним механізмом (КШМ) і зміною об'єму камери згоряння або робочого об'єму; аксіальні двигуни (зі змінним ходом поршня, здійснюваним за рахунок зміни кута нахилу косої шайби), двигуни з плоскими механізмами (зі змінним ходом поршня) та ін. Порівняльний аналіз показав, що перспективною конструкцією двигуна для одержання змінного ступеня стискання являється безшатунний ДВЗ із кривошипно-кулісним силовим механізмом (ККМ).

На основі проведеного аналізу визначені мета і задачі дослідження.

В другому розділі “Теоретичні дослідження двотактного двигуна з регульованим ступенем стискання” розроблені моделі і методика розрахунку кривошипно-камерного продувочного компресора (надалі ПК) при змінному ступені стискання, а також уточнено метод розрахунку робочого процесу в циліндрі двигуна, запропонований проф. І. І. Вібе. Після об'єднання цих методик отримана єдина математична модель робочого процесу двотактного бензинового двигуна зі змінним ступенем стискання, що дозволяє проводити наступні розрахунково-теоретичні дослідження:

1. Аналізувати вплив ступеня стискання на індикаторні й ефективні параметри двигуна в різних часткових режимах при наявності невеликої кількості дослідних даних для номінального режиму роботи двигуна.

2. На етапі проектування оптимізувати робочий процес і конструктивні параметри двигуна при змінному ступені стискання і різній кінематиці поршня.

3. Виконувати практичні розрахунки двотактного бензинового двигуна з регулюванням ступеня стискання в часткових режимах.

При розробці методики розрахунку ПК його реальна індикаторна діаграма замінена на розрахункову при умові дотримання рівності площ цих діаграм. Процес газообміну в розрахунковій індикаторній діаграмі враховує дозарядку і зворотний викид свіжого заряду, що відбуваються під дією перепаду тисків у впускній системі та у кривошипній камері, та враховує зміну швидкості поршня і площі прохідного перетину впускного вікна. На основі аналізу термодинамічних процесів були отримані рівняння, що враховують вплив на показники ПК таких факторів, як гідравлічні втрати, підігрів свіжого заряду, газодинамічні явища на впуску, нещільності кривошипної камери, швидкісний і навантажувальний режими, а також ступінь стискання і склад суміші.

В основу математичної моделі розрахунку ПК покладене рівняння його продуктивності

,

де Vк -- об'єм суміші, що подається продувочним компресором у циліндр за цикл; Vhк -- повний об'єм, який описує поршень за хід; 0 -- коефіцієнт надлишку продувочного повітря.

Рівняння коефіцієнта надлишку продувочного повітря представлено у вигляді

,

де 'ок -- об'ємний коефіцієнт наповнення кривошипної камери, віднесений до умов стану на впуску, а саме рвп, Твп; др -- коефіцієнт дроселювання, який враховує вплив опорів у впускній системі кривошипної камери на продуктивність компресора; Т -- температурний коефіцієнт (або коефіцієнт підігріву суміші); пл -- коефіцієнт щільності; над -- коефіцієнт газодинамічного наддуву, що враховує інерційні явища у впускному трубопроводі, обумовлені циклічністю роботи двигуна.

Тут для відповідних коефіцієнтів отримані співвідношення:

; ;

пл 0,95…0,98;

Т ст п Тдр ,

де ам -- відносний мертвий об'єм кривошипної камери; aпх -- перемінна відносна висота продувочних вікон

;

aп -- відносна висота продувочних вікон; aв -- відносна висота випускного вікна; -- дійсний ступінь стискання при номінальному режимі роботи двигуна; х -- змінний ступінь стискання; р0, рвп і рпр -- тиск відповідно навколишнього середовища, впуску і кінця продувки; вп -- щільність заряду у впускній системі; n -- частота обертання колінчастого валу; n2к -- середній показник політропи зворотного розширення в ПК; кокн -- коефіцієнт пропорційності, який залежить від геометричних розмірів впускного вікна і кінематики поршня; визначається експериментальним шляхом.

Коефіцієнт підігріву Т отриманий при використанні принципу незалежності впливу різних факторів на зміну температури свіжого заряду. На основі статистичних даних по існуючих двигунах, а також результатів досліджень експериментального зразка двигуна, отримані аналітичні залежності для коефіцієнтів, які входять у формулу . Коефіцієнти характеризують зміну температури свіжого заряду за час процесу впуску в результаті наступних причин: нагрівання від стінок впускної системи і кривошипної камери (ст), підігріву при дроселюванні на впуску (Тдр), підігріву суміші при зміні частоти обертання колінчастого валу (п), підігріву при зміні ступеня стискання () і охолодження при випарі палива ().

В основу методу розрахунку дозарядки кривошипної камери свіжою сумішшю в процесі наповнення покладені диференціальні рівняння енергетичного і масового балансу, що базуються на припущенні квазістаціонарного руху заряду у впускному тракті.

Основні рівняння для розрахунку тиску в розглянутий момент часу мають вигляд:

для випадку перебігу суміші в кривошипну камеру двигуна (дозарядки)

;

для випадку перебігу суміші із кривошипної камери двигуна (зворотного викиду)

,

де вп -- коефіцієнт витрати впускного вікна; Fвп х -- перемінна площа прохідного перетину впускного вікна; р -- тиск у кривошипній камері в розглянутий момент часу; к -- показник адіабати; -- кут повороту колінчастого валу від в.м.т.; w -- так званий коефіцієнт швидкісного напору.

Експериментально встановлено, що коефіцієнт w залежить в основному від швидкісного режиму роботи двигуна і визначається по запропонованій емпіричній залежності, отриманої із серії знятих індикаторних діаграм тисків у кривошипній камері

.

Диференціальні рівняння вирішуються послідовно за допомогою методу Рунге-Кутта.

Температура T і об'єм V суміші в кривошипній камері в даний момент часу визначається із відомих рівнянь.

Особливістю конструкції розглянутого двигуна є те, що ПК виконано з використанням нижньої частини циліндропоршневої групи і кривошипної камери. Тому при регулюванні ступеня стискання, наприклад, шляхом переміщення циліндра або поршня будуть змінюватися і фази процесу впуску. Ця особливість врахована в математичній моделі розрахунку дозарядки.

Розглянута модель дозволяє визначити оптимальні характеристики впускного вікна (кут опт закриття вікна і висоту hопт вікна), при яких досягається максимальна дозарядка.

Середній індикаторний тиск ПК може бути визначений по отриманній для цього формулі

,

де iк -- коефіцієнт повноти діаграми продувочного компресора; pак -- тиск у кривошипній камері при досягненні поршнем в.м.т.; доз -- ступінь підвищення тиску в кривошипній камері в процесі дозарядки; кх -- фактичний змінний ступінь стискання в ПК

;

-- ступінь зниження тиску в процесі розширення в ПК; п1к, п2к -- середні показники політроп стискування і розширення в ПК.

У третьому розділі “Об'єкт досліджень, випробне устаткування і методика досліджень” дано опис конструкції та особливостей роботи експериментальних двигунів, забезпечуючих зміну ступеня, наводиться опис випробного стенда, вимірювальної та реєструючої апаратури та методики дослідження.

Для проведення експериментальної роботи були спроектовані і виготовлені при особистій участі автора:

- пристрій зміни ступеня стискання в безшатунному двигуні з кривошипно-кулісним силовим механізмом;

- два дослідних поршня, що забезпечують підвищення ступеня стискання до 17,2 і 17,5 відповідно в двигунах з КШМ і ККМ;

- автоматичний вимірник витрати палива, повітря і частоти обертання вала двигуна з підключенням до ПК;

- спеціальна вимірювальна апаратура і пристрої для вивчення робочого процесу двигуна за допомогою індиціювання тисків.

Об'єктом досліджень були два модернізованих двигуни: серійного від мотопилки “Тайга-214” і експериментального безшатунного, створеного в 90-і роки в АДІ ДонНТУ на базі МП “Тайга-214”.

Для серійного і безшатунного двигунів у результаті попередніх експериментів були розроблені і виготовлені поршні з витискувачем (рис. 1), які забезпечували задовільне протікання процесу згоряння у всьому діапазоні зміни ступеня стискання.

Безшатунний двигун (рис. 2) являє собою двохвальний поршневий ДВЗ із кривошипно-кулісним механізмом, у якому зусилля від поршня 1 передається на колінчасті вали через шток 2 і кулісу 3. На поршні встановлений витискувач 4. Регулювання ступеня стискання здійснюється переміщенням циліндра 5 шляхом повороту опорної гайки 6 із диференціальним різьбленням. У опорну гайку із однієї сторони угвинчена верхня проставка 7, жорстко з'єднана із циліндром двигуна, а з іншого боку -- нижня проставка 8, яка жорстко з'єднана із картером 9. Ця конструкція дозволяє плавно змінити ступінь стискання при роботі двигуна.

Методика проведення експериментів передбачала зняття зовнішньої швидкісний, навантажувальних і регулювальних характеристик і індиціювання тисків. Дослідження і виміри параметрів проводилися відповідно до ГОСТ 14846-81 і ГОСТ 18516-92, що розроблений на основі аналогічних міжнародних стандартів ISO.

Для індиціювання тисків у циліндрі і кривошипній камері використовувався п'єзоелектричний вимірювальний прилад РМ-4 фірми RFT (Німеччина) і плата АЦП виробництва L_Card L 154 (A), встановлена в ПК. Вимір тисків здійснювалася за допомогою датчиків PD 100/14-2 (0…5 МПа) і PDH 5/18-2 (0…0,5 МПа).

Визначення токсичності відпрацьованих газів здійснювалося на різних режимах роботи двигуна. Для визначення токсичності застосовувався газоаналізатор Bosch ETT008.71, що використовує для визначення змісту СО, СО2 і СН метод недисперсної інфрачервоної спектроскопії (NDIR). Емісія NOx і вільного О2 визначалася за допомогою електрохімічних датчиків. Вимір змісту компонентів у відпрацьованих газах вироблявся беззупинно шляхом відбору газів із випускного трубопроводу за допомогою спеціально розроблених газовідбірних зондів із встановленими в них хромєль-алюмєлєвими термопарами. Конструкція і спосіб установки зондів забезпечували репрезентативність проб газу.

У четвертому розділі “Результати розрахунково-експериментальних досліджень” викладено результати розрахунково-теоретичних і експериментальних досліджень двох ДВЗ зі змінним ступенем стискання -- на базі серійного і безшатунного двигунів.

Розрахунковим шляхом визначені залежності параметрів двох двигунів із різною кінематикою (класичного і безшатунного) від ступеня стискання х у циліндрі двигуна таких, як ступінь стискання ПК, геометричні розміри впускного і випускного вікон і фази газорозподілу, пропускна здатність органів газообміну, коефіцієнт наповнення кривошипної камери та ін.

Результати деяких розрахунків наведені на рис. 3.

Рис. 3. Розрахункові залежності дійсного ступеня стискання кх у кривошипній камері і часу-перетину Авып випускного вікна від х

За результатами розрахункового аналізу можна відзначити:

1. При збільшенні х у межах від 7 до 17 величина ступеня стискання кх ПК зростає на 3 % у результаті збільшення з ростом х корисного робочого об'єму кривошипної камери.

2. Підвищення х приводить до збільшення висоти hx впускного вікна і робить при цьому неоднозначний вплив на роботу ПК і двигуна в цілому. При роботі двигуна на малих частотах обертання колінчастого вала збільшення hx при регулюванні х небажано, тому що це приводить до зворотного викиду суміші. Однак при високій частоті обертання збільшення hx поліпшує дозарядку ПК за рахунок газодинамічного наддуву.

3. Зміна кінематики поршня істотно впливає на процеси газообміну. Так, застосування ККМ замість КШМ знижує пропускну здатність випускного вікна в середньому на 11 % у діапазоні регулювання ступеня стискання від 7 до 17.

На початку експериментальних досліджень були отримані серії швидкісних, навантажувальних і регулювальних характеристик двигуна з КШМ при зміні ступеня стискання х. Максимальна величина х для даного швидкісного режиму і заданого навантаження двигуна встановлювалася по початку порушення процесу згоряння. Ці характеристики використані для розрахунку коефіцієнтів рівнянь, що входять у математичну модель розрахунку двигуна.

Завдяки спостереженням, зробленим під час експериментів, можна відзначити наступне:

1. Характерна зміна тиску наприкінці згоряння при детонації спостерігалася досить рідко. У більшості випадків початок легкої детонації визначався по характерному звуку. Відсутність сильної детонації зв'язана з досить великою кількістю залишкових газів у циліндрі і наявності в горючій суміші виважених часток мастила.

2. При малій частоті обертання колінчастого вала (3000…4000 хв-1), ступені стискання вище 14 і навантаження > 0,45 робота двигуна походила від самозапалювання суміші. На дизелювання вказує те, що, по-перше, при вимиканні запалювання двигун продовжував стійко працювати з невеликим зниженням потужності і практично незмінним тепловим станом. По-друге, при х вище 17 пуск двигуна здійснювався з виключеною системою запалювання.

Таким чином, встановлено, що причиною обмеження х при високих частотах обертання колінчастого вала є детонація, а при низьких частотах обертання і середніх навантаженнях -- бездетонаційне самозапалювання.

У результаті експериментальних досліджень двигуна з КШМ отримано:

- збільшення х супроводжується зниженням питомої індикаторної витрати палива gi у всьому діапазоні навантажень. При цьому на малих навантаженнях зменшення gi досягає 50…60 % і має максимальне значення при роботі двигуна на холостому ходу;

- збільшення х приводить до зниження механічного к.к.д. м на усіх швидкісних режимах. Темп зниження м для двигуна з КШМ у середньому складає 0,022 на одиницю х. Максимальне значення м = 0,82 досягається на номінальному режимі при = 7, заданому заводом-виготовлювачем;

- у випадку регулювання ступеня стискання в часткових режимах величину х доцільно змінювати в межах від 7 до 14. При х > 14 ефективний к.к.д. е двигуна знижується через переважний вплив механічних втрат.

Результати дослідження безшатунного двигуна показали:

- позитивний вплив кінематики поршня безшатунного двигуна. Так, при Ne = 0,8 кВт, п = 3000 хв-1 і х = 7,7 величина gi нижче на 11 % у порівнянні із двигуном, що має КШМ, що пояснюється відносно малими втратами суміші при газообміні через менший час-перетин випускного вікна і кращим протіканням процесу згоряння;

- у безшатунному двигуні на відміну від класичного ефективні показники підвищуються з ростом х у всьому діапазоні навантажень Ne (рис. 4), що приводить до значних переваг безшатунного двигуна щодо паливної економічності при регулюванні ступеня стискання (рис. 5).

Це зв'язано з меншим темпом росту механічних втрат при збільшенні ступеня стискання. Зменшення м у середньому складає 0,012 на одиницю х. Максимальне значення м досягається на номінальному режимі при = 7, заданої заводом-виготовлювачем. Ці дані показують, що в безшатунному двигуні х при часткових навантаженнях обмежується не зниженням е через ріст механічних втрат, а появою детонації. Завдяки цьому економічність безшатунного двигуна стосовно класичного ДВЗ із змінним ступенем стискання вище більше ніж 10…15 %;

- регулювання х у безшатунному двигуні може підвищити паливну економічність на малих навантаженнях більш ніж на 30…45 % у порівнянні з класичним двигуном із фіксованим ступенем стискання.

Дослідження показали, що регулювання х при часткових навантаженнях (0 = 0,2…0,45 і n = 3000 хв-1) призвело до зниження викидів СН на 30…35 %, однак через наявність втрат палива при газообміні мінімальні концентрації залишаються досить високими близько 6000…7000 ppm. Емісія СО у відпрацьованих газах на малих навантаженнях знижувалася до 1 %. Підвищення х призводить до збільшення викидів NOx у 2…3 рази, але при цьому емісія не перевищує 100 ррm і залишається на порядок нижче, ніж у чотиритактних бензинових двигунах. Сумарні масові викиди (рис. 6) токсичних компонентів знижуються у середньому на 0,0242 кг/год на одиницю х.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача, що полягає в проведенні комплексу дослідницьких і дослідно-конструкторських робіт і виробленні рекомендацій, спрямованих на підвищення паливної економічності і зниження токсичності двотактних бензинових ДВЗ в часткових режимах.

2. Створено два експериментальних зразки двотактних ДВЗ зі змінюваним ступенем стискання на базі двигунів із кривошипно-шатунним і кривошипно-кулісним механізмом.

3. Експериментально встановлена можливість зміни дійсного ступеня стискання в діапазоні від 6 до 17,2.

4. Розроблено методику експериментальних досліджень ДВЗ зі змінним ступенем стискання і вимірювальна та реєструюча апаратура для дослідження робочого процесу і визначення потужностних, економічних і токсичних показників двигунів.

5. Замкнута модель розрахунку двотактного двигуна із змінним ступенем стискання дозволяє комплексно виявити вплив змінного ступеня стискання на конструктивні параметри і ефективні показники двигуна.

6. Теоретичні дослідження показали, що збільшення ступеня стискання в часткових режимах приводить, крім поліпшення протікання термодинамічного циклу, до зміни фаз газорозподілу, більшого наповнення кривошипної камери і зниження прямих втрат пальної суміші при газообміні.

Так, збільшення х від 7 до 17 зменшує час-перетин випускного вікна на 36%.

7. Розроблено методику і програма розрахунку робочого циклу двотактного бензинового двигуна і кривошипно-камерного продувного компресора з урахуванням х = var, що дозволяє оцінити вплив регулювання ступеня стискання в часткових режимах на ефективні показники двигуна.

8. Експериментально підтверджена ефективність використання змінного ступеня стискання, як одного з найбільш важливих факторів поліпшення показників двотактного бензинового двигуна.

Установлено, що:

- регулювання ступеня стискання в часткових режимах дозволяє підвищити паливну економічність класичного двигуна з КШМ більш, ніж на 10.…25 % при Ne < 50 % від можливої в даному швидкісному режимі, а безшатунного -- із ККМ більш, ніж на 30…45 % за тих самих умов;

- застосування кривошипно-шатунного механізму на відміну від кривошипно-кулісного обмежує можливість збільшення ступеня стискання двигуна вище 14 внаслідок істотного росту механічних втрат;

- підвищення ступеня стискання в двотактному двигуні з повітряним охолодженням при високих частотах обертання колінчастого вала обмежується детонацією, а при малих частотах обертання і середніх навантажень -- бездетонаційним запаленням бензомасляной суміші від стискання.

9. Експериментальні дослідження двотактного бензинового двигуна показали, що у випадку регулювання ступеня стискання від 7 до 15 у діапазоні навантажень 0 = 0,2…0,45 і n = 3000 хв-1 викиди СН знижуються на 30…35 %, а концентрація NOx зростає в 2…3 рази, однак при цьому емісія оксидів азоту не перевищує 100 ppm. Зміст СО у відпрацьованих газах знижується до 1 %. Сумарні масові викиди токсичних компонентів при цьому знижуються в середньому на 0,0242 кг/год на одиницю х.

10. Результати досліджень можуть бути використані при проектуванні і доведенні дослідного двигуна зі змінним ступенем стискання, призначеного для транспортних засобів.

Список ОПУБЛІКОВАНих праць за темою ДИСЕРТАЦІЇ:

Статті в наукових фахових виданнях

Заренбин В. Г., Химченко А. В., Колесникова Т. Н., Швидун А. П. Исследование двухтактного бензинового двигателя с переменной степенью сжатия // Автомобильный транспорт: Сборник научных трудов / Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет. -- Харьков: ХНАДУ, 2003. -- Вып. 13. -- С. 229 - 231.

Мищенко Н. И., Химченко А. В., Супрун В. Л. Проблемы реализации изменения степени сжатия в двигателях внутреннего сгорания // Вестник Донецкого института автомобильного транспорта. -- Донецк: ДИАТ, 2004. -- № 1 -- С. 17 - 22.

Мищенко Н. И., Химченко А. В., Крамарь С. Н., Колесникова Т. Н., Гапеев А. В. Автоматический расходомер топлива для двигателей внутреннего сгорания // Системні методи керування, технології та організації виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: Зб. наук. пр. / Редкол.: В.Є.Канарчук (гол. ред.) та інш. -- К.: НТУ, ТАУ. -- Вип. 15. -- 2002. -- С. 154 - 157.

Мищенко Н. И., Химченко А. В. Снижение расхода топлива двухтактного бензинового двигателя путем регулирования степени сжатия // Автомобильный транспорт: Сборник научных трудов / Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет. - Харьков: ХНАДУ, 2001. -- Вып. 7 - 8. -- С. 169 - 171.

Мищенко Н. И., Химченко А. В. Метод расчета дозарядки двухтактного двигателя с кривошипно_камерной продувкой // Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. -- Мелитополь: ТГАТА. -- 1999. -- Т. 10, вып. 2. -- С. 35 - 41.

Мищенко Н. И., Химченко А. В., Новокрещенов В. С. Бесшатунный двухтактный двигатель с механизмом изменения степени сжатия // Отраслевое машиностроение: Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. -- Мелитополь: ТГАТА. -- 1998. -- Т. 6, вып. 2. -- С. 36 - 37.

Мищенко Н. И., Химченко А. В. Особенности кинематики одноцилиндрового двигателя с двумя шатунами, соединенными с двумя коленчатыми валами // Отраслевое машиностроение: Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. -- Мелитополь: ТГАТА. -- 1998. -- Т. 5, вып. 2. -- С. 22 - 25.

Мищенко Н. И., Химченко А. В. Расчет кинематики двухвального двигателя с двумя шатунами на один поршень // Отраслевое машиностроение: Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. -- Мелитополь: ТГАТА. -- 1998. -- Т. 5, вып. 2. -- С. 26 - 29.

Патенти

Пат. 42034 Україна, МКІ F 02 В 75/32. Безшатунний двигун внутрішнього згоряння / М. І. Міщенко, В. С. Новокрещьонов, А. В. Хімченко (Україна). -- № 97062776; заявл. 11.06.1996; Опубл. 15.10.2001, Бюл. № 9.

Пат. 42033 Україна, МКІ F 02 В 75/32. Двотактний безшатунний двигун внутрішнього згоряння / М. І. Міщенко, А. В. Хімченко, В. С. Новокрещьонов (Україна). -- № 97062775; заявл. 11.06.1996; Опубл. 15.10.2001, Бюл. № 9.

Доповіді на наукових конференціях і семінарах

Мищенко Н. И., Химченко А. В., Крамарь С. Н., Юрченко Ю. В. Разработка нетрадиционных двухтактных бензиновых двигателей с улучшенными показателями // Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы: Материалы VI-й междунар. науч.-техн. конф. г. Севастополь, 15 - 20 сентября 2003 г. -- Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2003. -- С. 161 - 165.

Чальцев М. Н., Мищенко Н. И, Судак Ф. М., Химченко А. В., Крамарь С. Н. Перспективные двухтактные автомобильные двигатели // Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: Тезисы докладов научно-технической конференции. -- М.: МАДИ(ГТУ), 2003. -- С. 68 - 70.

Мищенко Н. И., Химченко А. В., Крамарь С. Н., Колесникова Т. Н. Влияние степени сжатия и смешанной топливоподачи на эмиссию СН в двухтактных бензиновых двигателях // Перспективные задачи инженерной науки: Сборник научных трудов. -- Днепропетровск: Gaudeamus, 2002. -- Вып. 4. -- С. 291 - 296.

Мищенко Н. И., Химченко А. В., Крамарь С. Н. Перспективные направления совершенствования автомобильных двигателей внутреннего сгорания // Донбас-2020: наука і техніка - виробництву: Матеріали науково-практичної конференції. м. Донецьк, 05 - 06 лютого 2002 р. -- Донецьк: ДонНТУ, Міністерства освіти і науки. -- 2002. -- С. 755 - 759.

Мищенко Н. И., Судак Ф. М., Химченко А. В., Новокрещенов В. С. Создание бесшатунного двигателя Отто с улучшенными экономическими и экологическими показателями // Сб. науч. трудов междунар. науч. конф. Проблемы безопасности транспортного пространства. -- Липецк: ЛГТУ и ЛЭГИ. -- 1998. -- С. 21.

Мищенко Н. И., Химченко А. В., Новокрещенов В. С., Крамарь С. Н. К расчету органов газораспределения в бесшатунном поршневом двигателе // Зб. наук. пр. міжнародної науково-техн. конф. "Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів i дорожніх машин". -- К.: УТУ. -- 1998. -- С. 156 - 157.

Мищенко Н. И., Химченко А. В. Выбор и расчет параметров бесшатунного бензинового двигателя с переменной степенью сжатия // Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. "Прогрессивные технологии машиностроения и современность". -- Донецк: ДонГТУ. -- 1997. -- С. 166 - 168.

Міщенко М. І., Хімченко А. В., Новокрещьонов В. С. Експериментальні двигуни нетрадиційної конструкції // Матеріали міжнародної науково-техн. конф. "Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення". -- К.: УТУ. -- 1997. -- С. 119 - 120.

Mishchenko N. I., Himchenko A. V. Connecting Rod-absent ICE with Variable Compression Ratio // The project presentation at the International workshop "Ukrainian Innovation Projects, New Technologies and Inventions" -- Philadelphia: University City Science Center, Philadelphia, USA. -- February, 1997. -- 4 p.

АНОТАЦІЯ

Хімченко А. В. Покращення паливної економічності і зниження токсичності двотактних бензинових двигунів в часткових режимах. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 -- Теплові двигуни. -- Національний транспортний університет, Київ, 2004.

Дисертація присвячена поліпшенню паливної економічності і зниженню шкідливих викидів двотактних бензинових двигунів шляхом використання змінного ступеня стискання в часткових режимах.

Розроблено комплекс математичних моделей робочих процесів двотактного бензинового двигуна із змінним ступенем стискання в часткових режимах: методика визначення параметрів продувочного компресора (ПК) -- нижньої частини циліндропоршневої групи і кривошипної камери; метод розрахунку дозарядки ПК свіжим зарядом у процесі наповнення, в основу якого покладені диференціальні рівняння енергетичного і масового балансу; методика розрахунку робочого циклу в циліндрі двигуна на основі методу проф. І. І. Вібе; замкнута модель розрахунку двигуна, що дозволяє комплексно виявити вплив змінного ступеня стискання на конструктивні параметри і показники двигуна. Проведено розрахунково-експериментальні дослідження впливу змінного ступеня стискання на показники роботи двигуна в часткових режимах. Отримано значну паливну економічність двигуна, а також зниження токсичності по викидах СО і СН при регулюванні ступеня стискання в часткових режимах.

Ключові слова: двотактний бензиновий двигун, змінний ступінь стискання, математична модель, токсичність, економічність.

Аннотация

Химченко А. В. Улучшение топливной экономичности и снижение токсичности двухтактных бензиновых двигателей на частичных режимах. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 -- Тепловые двигатели. -- Национальный транспортный университет, Киев, 2004.

Диссертация посвящена улучшению топливной экономичности и снижению вредных выбросов двухтактных бензиновых двигателей путем использования переменной степени сжатия на частичных режимах.

Приведен обзор работ, направленных на улучшение показателей двухтактных бензиновых ДВС. Показано, что одним из перспективных направлений повышения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов двигателя является совершенствование рабочего процесса на частичных режимах путем регулирования степени сжатия. Анализ показал, что в двигателях с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) при повышении степени сжатия свыше 14 улучшение индикаторного к.п.д. не в состоянии компенсировать снижение механического к.п.д. и эффективный к.п.д. в результате этого снижается. Существенного снижения механических потерь можно достигнуть в бесшатунных двигателях, в которых отсутствует боковое давление поршня на стенки цилиндра.

Разработана методика и программа расчета цикла продувочного компрессора (ПК) -- нижней части цилиндропоршневой группы и кривошипной камеры. В методику входит новый метод расчета дозарядки ПК свежим зарядом в процессе наполнения. Метод основан на предположении квазистационарного движения смеси во впускном трубопроводе, на дифференциальных уравнениях энергетического и массового баланса и позволяет проводить расчетное исследование двигателей с различной кинематикой и переменной степенью сжатия. Кроме того, этот метод дает возможность на этапе проектирования двигателя оптимизировать впускные органы ПК. При расчете ПК используются экспериментальные величины такие, как показатели политроп сжатия и обратного расширения, давления в начале и конце впуска, давление продувки и др., что позволяет более объективно оценить влияние переменной степени сжатия на показатели двигателя.

Предложенная методика расчета рабочего цикла двухтактного бензинового двигателя основана на известном методе проф. И. И. Вибе и дает возможность оценить влияние переменной степени сжатия на показатели двигателя.

Замкнутая модель расчета двухтактного двигателя с переменной степенью сжатия представляет собой совокупность математических моделей термодинамических циклов в двух контурах -- кривошипной камере и цилиндре двигателя. Нахождение параметров рабочих процессов осуществляется последовательно: сначала в ПК, а затем в цилиндре двигателя. Модель позволяет комплексно выявить влияние переменной степени сжатия на конструктивные параметры и показатели двигателя. Программа расчета на ПЭВМ выполнена в среде MathCAD.

Для оценки влияния переменной степени сжатия на параметры двигателя проведены расчетно-теоретические исследования на разработанной замкнутой модели расчета двигателя. Показано, что при увеличении степени сжатия в цилиндре двигателя от 7 до 17 степень сжатия в ПК повышается до 3 %. В бесшатунном двигателе с ККМ прямые потери горючей смеси значительно меньше, чем в двигателе с КШМ.

Для проведения экспериментальных исследований разработаны:

- два опытных образца двухтактных бензиновых ДВС с различной кинематикой силового механизма: один двигатель с КШМ, а другой - бесшатунный с кривошипно-кулисным механизмом (ККМ). В двигателях степень сжатия изменяется в пределах от 6 до 17,2 и 17,5 соответственно;

- полностью автоматизированный измеритель расхода топлива, воздуха и частоты вращения вала двигателя.

Методика исследований предусматривала снятие скоростных, нагрузочных и регулировочных характеристик двигателей.

Экспериментально установлено, что регулирование степени сжатия на частичных режимах в двигателе с КШМ позволяет снизить удельный эффективный расход топлива ge более чем на 20…25 %. Применение ККМ в этих условиях дополнительно уменьшает ge на 20 %, что связано с более высоким механическим к.п.д. в бесшатунном двигателе во всем диапазоне изменения степени сжатия.

Исследования токсичности отработавших газов показали, что при регулировании степени сжатия, например, от 7 до 15 при 0 = 0,2…0,45 и n = 3000 мин-1:

- выбросы СН снижаются на 30…35 %, однако в связи с наличием потерь топлива в процессе газообмена их минимальные концентрации остаются достаточно высокими, порядка 6000…7000 ppm;

- концентрация NOx возрастает с повышением степени сжатия, однако их максимальная эмиссия не превышает 100 ppm и на порядок ниже по сравнению с четырехтактными двигателями;

- выбросы СО на малых нагрузках при переменной степени сжатия не превышает 1 %;

- приведенные суммарные выбросы с увеличением х в среднем снижаются на 0,0242 кг/ч на единицу х.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют заключить, что реализация переменной степени сжатия в двухтактном бензиновом двигателе, особенно бесшатунном, позволит в определенной мере решить проблему экономии топлива и защиты окружающей среды от вредных выбросов ДВС.

Ключевые слова: двухтактный бензиновый двигатель, переменная степень сжатия, математическая модель, токсичность, экономичность.

summary

Himchenko A.V. Improvement of fuel economy profitability and decrease of toxicity of petrol two-stroke engines on partial modes. -- Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific grade of technical sciences candidate by speciality 05.05.03 -- Heat engines. -- National transport university, Kyev, 2004.

The dissertation is devoted to improvement of fuel economy and decrease of harmful emissions of the petrol two-stroke engines by use of variable compression ratio on partial modes.

The complex of mathematical models of working processes of the two-stroke petrol engine with a replaceable ratio of compression on partial modes is developed: a technique of definition of parameters of the purge compressor - the lower part the cylinder of the piston group and a crank chambers; a method of calculation charging the purge compressor by a fresh charge during filling, in which basis the fixed differential equations of power and mass balance; a design procedure of a running cycle in the cylinder of the engine on the basis of a method prof. I.I.Vibe; the closed model of calculation of the engine which in a complex allows to find out influence of a variable compression ratio on design data and parameters of the engine. Rated-experimental researches of influence of a variable compression ratio on parameters of engine run on partial modes are executed. Sizeable fuel economy of the engine, and also decrease of toxicity on emissions CO and СН is received at regulation of compression ratio on partial modes.

Key words: the petrol two-stroke engine, variable compression ratio, mathematical model, toxicity, economy.

Размещено на Allbest.ru