Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

УДК 621.434

Спеціальність 05.05.03 - Теплові двигуни

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення економічних і екологічних показників роботи бензинового двигуна на холостому ході відключенням окремих робочих циклів

Войтюк Сергій Дмитрович

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Трактори і автомобілі" Національного аграрного університету Кабінету Міністрів України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Філіппов Анатолій Захарович, Національний аграрний університет, завідуючий кафедрою "Трактори і автомобілі".

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Драганов Борис Харлампійович, Національний аграрний університет, професор кафедри теплоенергетики;

- кандидат технічних наук, доцент Докуніхін Валерій Зосимович, Житомирський державний агроекологічний університет, завідувач кафедри технічного сервісу і інженерної екології.

Провідна установа: Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, кафедра "Двигуни внутрішнього згоряння", м. Харків.

Захист відбудеться "29"квітня 2004 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий "23" березня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.П. Матейчик.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В даний період розвитку двигунобудування основною енергетичною установкою автомобіля продовжує залишатись двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) зі всіма його позитивними і негативними характеристиками. До останніх, особливо для бензинових двигунів, слід віднести суттєве погіршення економічності і токсичності при роботі на часткових навантаженнях і холостому ході, доля роботи двигуна на яких в реальних умовах експлуатації становить відповідно 85 і 35%. Вирішення цієї проблеми до цього часу залишається актуальним.

Значного поліпшення економічних і екологічних показників при роботі двигуна на часткових режимах можна досягти застосуванням нового методу регулювання потужності - відключенням окремих робочих циклів. Проведені професором А.З. Філіпповим в 70-90-х роках дослідження показали, що економічність двигуна з регулюванням потужності відключенням окремих робочих циклів (ДРЦ) при роботі на часткових режимах покращується в середньому до 20% з одночасним зменшенням в 1,5-2 рази концентрації продуктів неповного згоряння.

Для подальшого удосконалення цієї системи необхідно продовжити її дослідження, в тому числі і при роботі двигуна на холостому ході, дослідивши при цьому його економічні, екологічні і динамічні показники. Саме цим питанням і присвячується дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з державною науково-технічною програмою (ДНТП) "Механізація, електрифікація та автоматизація сільськогосподарського виробництва, ефективне використання с.г. техніки" на кафедрі "Трактори і автомобілі" Національного аграрного університету за держбюджетною темою Кабінету Міністрів України "Підвищення економічних і екологічних показників теплових двигунів" (1998-2002 рр.), номер держреєстрації 0198U004090.

Мета і задачі дослідження полягають в підвищенні економічних і екологічних показників багатоциліндрових бензинових двигунів при роботі на холостому ході шляхом відключення окремих робочих циклів.

В зв'язку з цим необхідно вирішити такі задачі:

обґрунтувати доцільність використання ДРЦ при роботі двигуна на холостому ході;

дослідити можливості покращення економічних і екологічних показників роботи ДРЦ на холостому ході;

виконати теоретичні дослідження робочого процесу на холостому ході;

виконати теоретичні дослідження динамічних показників ДРЦ в режимі холостого ходу;

виконати експериментальні дослідження економічних, екологічних і динамічних показників ДРЦ на холостому ході;

визначити оптимальний алгоритм переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна.

Об'єкт дослідження - 8-ми циліндровий бензиновий ДРЦ (двигун внутрішнього згоряння, обладнаний електронною системою паливоподачі, що забезпечує регулювання потужності відключенням робочих циклів).

Предмет дослідження - визначення економічних, токсичних і динамічних характеристик ДРЦ при роботі на холостому ході.

Методи досліджень - аналітичні і експериментальні. Дослідження робочого процесу, зокрема процесу згоряння, а також динаміки ДРЦ виконувалось на математичній моделі за допомогою ПЕОМ. Експериментальні безмоторні і моторні дослідження проводились відповідно на безмоторному стенді для випробування паливної апаратури та електричному гальмівному стенді.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше на основі уточненої математичної моделі робочого процесу ДРЦ визначені його параметри після n-ої кількості пропущених циклів.

Вперше на основі уточненої математичної моделі динаміки визначені нерівномірність ходу і крутного моменту ДРЦ при роботі на холостому ході.

Запропоновано оригінальний алгоритм переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення виконаної роботи полягає у можливості застосування і використання розроблених математичних моделей робочих процесів і динамічних показників ДРЦ з довільним числом циліндрів і ступінчастістю регулювання, розробленого для ПЕОМ алгоритму відключення робочих циклів і їх переміщення по циліндрах двигуна.

На основі вказаних моделей досліджені параметри робочого циклу ДРЦ після 1, 2, 3 і 4 підряд пропущених циклів, визначені динамічні показники ДРЦ при роботі на холостому ході, що дало змогу відкорегувати циклову подачу для вказаних режимів.

Безпосереднє практичне значення мають також результати експериментальних досліджень. Застосування запропонованої системи регулювання потужності ДВЗ при роботі на часткових режимах зменшує до 25% витрату палива (на холостому ході - до 44%) з одночасним суттєвим в 5-6 разів зменшенням концентрації продуктів неповного згоряння у відпрацьованих газах двигуна. Крім цього, значно спрощується (по відношенню до класичних систем) власне електронна складова даної системи регулювання потужності двигуна.

Особистий внесок здобувача:

В математичній моделі робочого процесу ДРЦ відкоригована формула для визначення температури свіжого заряду на початку стиснення (Та).

У формулі для визначення коефіцієнта залишкових газів обґрунтований і уточнений коефіцієнт, який враховує її зміну після пропущених циклів.

Аналогічна корекція була зроблена і в формулі для визначення коефіцієнта надлишку повітря і коефіцієнта наповнення, що, в свою чергу, призвело до необхідності збільшити циклову подачу після пропущених циклів до 40%.

Автором запропонована підпрограма переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна на холостому ході.

У патенті України №50629 А "Пристрій управління клапаном системи газорозподільного механізму двигуна внутрішнього згоряння", опубл. 15.10.02 р. в бюлетені №10 здобувачем запропонований механізм переміщення нижнього робочого циліндра пристрою.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на наукових конференціях професорсько-викладацького складу НАУ в 1998-2003 рр., а також на міжнародній конференції в Польщі (Люблін) в 2001 р. "Механізація і електрифікація сільського господарства".

Публікації. Матеріали досліджень опубліковані у 8-ми публікаціях, з яких 7 у фахових виданнях. За результатами досліджень отримано патент України №50629 А.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, який налічує 116 найменувань. Повний обсяг дисертації становить 178 сторінок, з них основного тексту 104, 10 таблиць на 5 сторінках, 47 рисунків на 21 сторінках, список використаних джерел на 12 сторінках, 6 додатків на 36 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми, мета і задачі досліджень.

Перший розділ присвячується критичному аналізу існуючих методів покращення економічності двигуна при роботі на часткових режимах. Розглянуто причини, які зумовлюють погіршення процесу згоряння на вказаних режимах, особливо на холостому ході.

До перспективних напрямків, які дають суттєві економічний і екологічний ефекти, належать роботи по відключенню циліндрів і секцій двигунів. Це роботи академіка Чудакова Є.А., а також Березного В.В., Островського Г.Л., Роганова С.Г., Сімсона А.Е., Редзюка А.М., Сиркіна П.Е., Хомича А.З., Гутаревича Ю.Ф., Філіппова А.З., Худолія М.М. та інших.

Якісно новим кроком в розвитку робіт цього спрямування є створення нового методу регулювання потужності двигуна відключенням окремих робочих циклів, запропонованого в 1966 році проф. Андрусенком П.І. і розробленого та удосконаленого проф. Філіпповим А.З.

Сутність цього методу полягає в тому, що зміна навантаження здійснюється зменшенням (або збільшенням) кількості повних робочих циклів шляхом припинення подачі палива в циліндри двигуна. Перед методом відключення циліндрів він має відомі суттєві переваги.

Не дивлячись на всебічні і досить глибокі дослідження цієї системи, її удосконалення потребує подальших розробок і досліджень. Зокрема, не висвітлені режими холостого ходу, які є органічними складовими будь-якої системи регулювання.

В роботі сформульовані специфічні вимоги до холостого ходу ДРЦ, а саме: двигун повинен генерувати індикаторну потужність, достатню для подолання механічних втрат при мінімальних обертах колінчастого вала (для двигуна ЗМЗ-53 ця величина складає 2/16 Ni); робота ДРЦ при ; мінімальна витрата палива; мінімальна токсичність відпрацьованих газів; переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна з метою рівномірного зносу циліндро-поршневої групи; при роботі двигуна на холостому ході із збільшенням механічних втрат повинна існувати можливість роботи ДРЦ з 3/16Ni і необхідність збагачення робочого циклу, наступного за пропущеним; динамічні показники двигуна ( і не повинні погіршувати комфортність транспортного засобу.

У другому розділі проведений аналіз впливу способу регулювання потужності двигуна на його економічні показники.

Аналіз умовного термічного ККД, який відрізняється від класичного тим, що насосні втрати віднесені до індикаторної роботи, показує, що термічний ККД із зменшенням тиску впуску і навантаженням суттєво зменшується, особливо на великих розрідженнях, для яких характерні малі значення Ра

, (1)

де - ступінь стиску; - показник адіабати; - ступінь підвищення тиску при згорянні; - тиск газів в кінці процесу впуску; - тиск газів в кінці процесу випуску.

При зменшенні навантаження збільшується кількість залишкових газів, які, з однієї сторони, завдяки їх високій температурі підвищують , а з другої - зменшуючи швидкість згоряння робочої суміші призводять до падіння індикаторного ККД. При цьому більш сильний вплив залишкових газів на має другий фактор.

На холостому ході, крім суттєвого збільшення залишкових газів, негативний вплив на здійснює перетікання частини робочої суміші з циліндра у впускну систему (в кінці процесу пуску).

При роботі двигуна на холостому ході надходження свіжого заряду в циліндр двигуна починається за 60о після ВМТ і коефіцієнт залишкових газів досягає значень . При цьому температура свіжого заряду, який надходить в циліндр двигуна, зменшується на 10-15^оС в порівнянні з повним навантаженням. Як наслідок, випаровування палива при цьому зменшується, що може призвести до утворення паливної плівки. Тиск свіжого заряду в циліндрі в кінці впуску при перекритті клапанів становить ; температура при цьому завдяки наявності великої кількості залишкових газів дещо підвищується.

Наявність дросельної заслінки суттєво впливає на рівень турбулентності при роботі двигуна на малих навантаженнях і, як наслідок, на його економічність. Цілком логічно припустити, що при роботі на холостому ході, на якому має місце найбільш глибоке дроселювання свіжого заряду, його негативний вплив досягає найбільших значень.

Розглядаючи вплив індикаторних показників на економічність двигуна підкреслюється, що найменша витрата палива спостерігається при роботі двигуна на холостому ході і, як наслідок, високих значень і . В першому випадку - за рахунок постійних і високих значень , в другому із-за різкого зменшення насосних втрат ().

В ДРЦ внаслідок суттєвого ( в 20 разів) зменшення відносних втрат на впуску при зменшенні навантаження (збільшення числа відключених циклів) і на холостому ході приріст (механічного ККД) досягає найбільшої величини.

Це дає підстави стверджувати, що найбільш економічна робота ДРЦ досягається при мінімальній кількості робочих циклів тобто, 13/16 або 14/16 (в залежності від загальної потужності механічних втрат).

Значну увагу в другому розділі і в роботі взагалі приділено питанню переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна.

Проведені дослідження дають підстави констатувати, що: основною причиною погіршення економічності двигуна при роботі на холостому ході є зменшення індикаторного ККД і збільшення втрат в процесі впуску; при регулюванні потужності двигуна відключенням окремих робочих циклів індикаторний ККД двигуна на холостому ході має постійні і високі значення; в ДРЦ із зменшенням навантаження механічний ККД збільшується, досягаючи найбільших значень на холостому ході; для визначення величини циклової подачі, яку необхідно збільшити у наступному після пропущених робочий цикл, необхідно дослідити робочий процес ДРЦ без пропуску і з пропуском робочих циклів, кількість яких буде визначатись стабілізацією їх основних

В третьому розділі розглянута уточнена математична модель робочого процесу ДРЦ і її дослідження на ПЕОМ.

Робота ДРЦ на холостому ході характеризується найбільшою кількістю пропущених підряд робочих циклів.

Для визначення параметрів робочого циклу після одного, двох, трьох і чотирьох підряд пропущених циклів застосуємо відому математичну модель, трансформувавши її до поставлених в даній роботі задач.

Як відомо, коефіцієнт залишкових газів після n-ого пропущеного циклу буде:

, (2)

де - коефіцієнт залишкових газів після n-ого пропущеного циклу; - коефіцієнт залишкових газів для циклу, на одиницю меншого за n-ий; - коефіцієнт, який враховує зміну кількості залишкових газів (величина може змінюватись від 2-х до 3-х одиниць); - кількість залишкових газів, які залишились в камері згоряння від попереднього робочого циклу, кмоль/кг; - кількість повітря в камері згоряння після першого пропущеного циклу, кмоль/кг; - кількість залишкових газів в об'ємі камери згоряння після робочого циклу, кмоль/кг.

При , також наближається до нуля, тобто до стану повної очистки камери згоряння від залишкових газів.

Коефіцієнт наповнення ДРЦ після першого пропущеного циклу буде

, (3)

де - коефіцієнт наповнення після першого пропущеного циклу; - коефіцієнт, що враховує підігрів заряду при впуску ( - температура оточуючого середовища, К, - підігрів свіжого заряду, К); - тиск суміші повітря і залишкових газів в камері згоряння, МПа; - тиск в точці "" робочого циклу, МПа; - показник політропи розширення суміші залишкових газів і повітря в камері згоряння; - коефіцієнт дозарядки; - ступінь стиску; - тиск навколишнього середовища, МПа.

Коефіцієнт надлишку повітря після п-го пропущеного циклу

. (4)

Температура після п-го пропущеного циклу за зкорегованою формулою буде

(5)

Поточні значення температур

, (6)

де ,, - параметри горючої суміші в момент її загоряння;,,, - параметри горючої суміші в довільній точці процесу згоряння.

Особлива увага була приділена процесу згоряння робочого циклу, наступного після пропущених.

З відомого диференційного рівняння згоряння

, (7)

де - зміна тиску по об'єму; - показник адіабати; P - тиск; V - питомий об'єм; - загальна питома використана теплота згоряння; - швидкість згоряння по об'єму шляхом заміни , отримаємо:

, (8)

де - похідна від об'єму по куту повороту колінчастого валу (відраховується від ВМТ); - швидкість згоряння; - доля згорівшого палива залежно від кута повороту колінчастого валу.

Рівняння (8) залежить від і , тому його зручніше представити у вигляді

. (9)

Розрахунок процесу згоряння виконано на ПЕОМ, спочатку для звичайного циклу, а потім після 4-х послідовно пропущених циклів. Частка палива, що вигоріло і швидкість згоряння визначалась за відомими формулами І.І. Вібе.

В роботі отримано залежності досліджуваних параметрів в залежності від кількості пропущених циклів, а також без відключення з =1,2. Отримані дані свідчать, що коефіцієнт залишкових газів для звичайного робочого циклу (без відключення циклів) склав . Після першого, другого, третього і четвертого - відповідно , , і . Тобто, після першого пропущеного циклу камера згоряння майже повністю очищується від залишкових газів.

Коефіцієнт надлишку повітря після першого пропущеного циклу збільшується на 18%, після другого, третього і четвертого підряд пропущених циклів - на 21,5%. Тобто, стабілізація цього показника наступає вже після другого пропущеного циклу.

Коефіцієнт наповнення після першого пропущеного циклу склав 7%, після другого - 20%, після третього і четвертого - стабілізувався і дорівнював 23%.

В залежності від кута повороту колінчастого валу (тривалість процесу згоряння) визначались поточні значення тиску , температури , питомого об'єму , частки палива, що прореагувало , швидкості згоряння , відношення теплоємкостей , дійсного коефіцієнту молекулярної заміни . Визначались також індикаторні і ефективні показники відповідних робочих циклів ( і .

При роботі звичайного циклу найбільше значення при після ВМТ. Максимальна температура склала при після ВМТ. Швидкість згоряння досягає свого максимуму при 0,6. При цьому , тобто при даному куті повороту прореагувало майже все паливо.

Відношення теплоємкостей робочого тіла змінювалось з 1,370 на початку процесу згоряння до 1,265 - в кінці цього процесу. Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни - від 1,049 до 1,035.

В наступному після першого пропущеного робочого циклу і коефіцієнт залишкових газів зменшився майже в 7 разів, коефіцієнти надлишку повітря і наповнення відповідно зросли на 18 і 7%. Максимальна температура згоряння при цьому зменшилась на 8,5% і становила . Максимальний тиск зріс на 3% і дорівнював 4,54 МПа. При подальших пропусках - другому, третьому і четвертому підряд температура зменшилась на 10% і на цьому рівні стабілізувалась. Тиск також після другого пропущеного циклу збільшився (до 4%) і в подальшому залишився незмінним. Таку закономірність можна пояснити перемінним значенням питомого об'єму, а також відношенням теплоємкостей.

Збільшення індикаторного і ефективного коефіцієнтів корисної дії при відключенні робочих циклів (відповідно на 13 і 14%) зменшило питому ефективну витрату палива на 13%.

Приведені дані свідчать, що при оцінці ефективності робочого циклу необхідно враховувати його параметри і після другого, а в деяких випадках (наприклад, при визначенні і ) і після третього пропущених підряд циклів. Після четвертого пропущеного має місце (за винятком ) повна стабілізація досліджуваних параметрів і показників.

Дослідження робочих процесів з і , п.к.в., як було показано раніше, до суттєвих змін не привело, що дало підстави в даному дослідженні обмежитись тривалістю згоряння п.к.в.

Таким чином, при роботі двигуна з відключенням циклів (ДРЦ) необхідно після одного пропущеного циклу збільшити кількість палива на 25-30%, після другого і третього - на 44 %. При цих умовах коефіцієнт надлишку повітря (при відповідному збільшенні індикаторної роботи). Доречно відмітити, що для повної оцінки теплових втрат в наступному після пропущених робочих циклів слід також врахувати локальні зменшення температур в камері згоряння.

Четвертий розділ присвячений динаміці ДРЦ при роботі на холостому ході. Мова йде про визначення коефіцієнтів нерівномірності ходу двигуна та індикаторного крутного моменту при різних швидкісних режимах, притаманних холостому ходу ДРЦ і різної кількості відключених циклів. З цією метою була уточнена математична модель динаміки ДРЦ, викладена в роботі проф. Філіппова А.З.

Як відомо, рівняння руху двигуна можна представити у вигляді

двигун холостий цикл циліндр

, (10)

де - кількість циліндрів двигуна; - момент від тиску газів у і - му циліндрі; - момент від сил інерції обертових мас двигуна; - момент від сил інерції зворотньо-поступальних мас двигуна; - момент від сил тертя в і -му циліндрі; - момент зовнішнього опору, прикладений до колінчастого валу. Його можна прийняти пропорційним кутовій швидкості двигуна. Тоді:

, (11)

де - коефіцієнт пропорційності.

Узагальнююче рівняння динаміки двигуна буде

. (12)

Замінимо в останньому рівнянні і остаточно отримаємо

. (13)

Отримане рівняння - диференційне, першого порядку, в якому права частина розділена на кутову швидкість.

Запропонована модель може бути використана для любого числа циліндрів і будь-якої ступені регулювання.

Нерівномірність ходу двигуна та крутного моменту визначались за допомогою відомих класичних формул. Динамічний розрахунок двигуна здійснювався за допомогою спеціально розробленої програми для ПЕОМ. Програма складена на мові ФОРТРАН. В цій програмі методом Рунге-Кутта інтегрується диференційне рівняння руху, яке зв'язує кутову швидкість колінчастого вала з індикаторним моментом, моментом від сил інерції, моменту від сил тертя і моментом опору.

Результати розрахунку основних показників динаміки ДРЦ показали, що при роботі двигуна на холостому ході у всьому діапазоні відключень робочих циклів нерівномірність ходу двигуна вище допустимих значень.

При відключенні 13/16 і 14/16 (що відповідає роботі двигуна на холостому ході) перевищує допустимі значення в 1,2-1,7 разів.

В роботі також були отримані залежності нерівномірностей крутного моменту від числа відключених циклів при роботі двигуна під навантаженням і на холостому ході відповідно на швидкісних режимах і .

Встановлено, що із збільшенням долі відключених циклів і зменшенням швидкісного режиму нерівномірність крутного моменту збільшується і при відключеннях 10/16 і більше це збільшення досягає трьохкратних величин. При цьому, як показали проведені раніше дослідження, може також збільшуватися амплітуда крутного моменту в 1,5-1,7 разів.

Але з врахуванням моменту інерції транспортного засобу, наприклад автомобіля, нерівномірність ходу двигуна і крутного моменту різко зменшується, комфортність автомобіля не порушується.

При роботі двигуна на холостому ході, який відповідає режиму відключень 14/16, нерівномірність крутного моменту збільшується в 2 рази в порівнянні з класичною системою регулювання потужності двигуна.

В п'ятому розділі викладені результати експериментальних досліджень, мета яких - підтвердження теоретичних висновків, а також отримання фізичних констант для складання і уточнення розглянутих математичних моделей.

Об'єкт дослідження - 8-ми циліндровий бензиновий двигун внутрішнього згоряння, обладнаний електронною системою паливоподачі, яка забезпечує регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів.

У відповідності до поставлених задач була розроблена програма, яка передбачала проведення безмоторних і моторних досліджень. В першому випадку визначалась величина циклової подачі, які відповідали холостому ходу двигуна. При цьому визначались також час спрацювання форсунок двигуна при різних частотах обертання валу і різних тисках впорскування. Проводилась оцінка нерівномірності подачі палива по циліндрах двигуна і коефіцієнта пристосування.

При моторних дослідженнях визначались, з штатною системою живлення, потужність механічних втрат при дроселюванні і різних частотах обертання вала двигуна, витрати палива і токсичності на холостому ході. Зняття навантажувальних характеристик при . При дослідженні ДРЦ визначались економічні і токсичні характеристики, в тому числі і на холостому ході. Досліджувався робочий цикл, некратний числу циліндрів. Визначались також економічні і екологічні показники (при ) при послідовних переміщеннях робочого циклу по циліндрах двигуна, і без переміщень. Ці дослідження супроводжувались індиціюванням двигуна при , і , а також аналізом відпрацьованих газів при роботі двигуна на холостому ході з переміщенням і без переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна.

Визначені при дослідженні на безмоторному стенді швидкісні характеристики паливоподачі забезпечили необхідний запас крутного моменту при тривалості імпульсу і тиску на форсунці відповідно і . Нерівномірність паливоподачі по циліндрах двигуна знаходилась в межах 3%, по зовнішній швидкісній характеристиці - біля 4%.

Перед безпосереднім дослідженням холостого ходу при роботі двигуна з системою паливоподачі, яка забезпечує регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів, визначались механічні і газодинамічні показники двигуна з штатною (карбюраторною) системою живлення, тобто при роботі двигуна на глибоких дросельних режимах. Це давало змогу виявити потенціальні можливості покращення економічності двигуна шляхом зменшення механічних і газодинамічних витрат.

Потужність механічних втрат, при роботі двигуна на холостому ході зменшилась на 50%. При відключенні 7-ми циліндрів, що відповідає , сумарна потужність газодинамічних і механічних втрат зменшилась до 60%.

Витрата палива при штатній системі регулювання () склала при відключенні циклів . При цьому концентрації і відповідно зменшились з 4% до 0,4% і з 2500 ч.н.м. до 75 ч.н.м.

При регулюванні двигуна відключенням окремих робочих циклів на режимах примусового холостого ходу подача палива автоматично відключалась.

Для визначення параметрів робочого циклу без пропусків подачі палива і з пропуском, після пропущеного проводились індиціювання двигуна (в 4-му циліндрі).

Оцінка індикаторних діаграм велась по максимальним значенням тиску . Для досягнення стабільних значень наступного за пропущеним робочим циклом необхідно збільшити подачу палива наближено на 40%, що буде відповідати збільшенню на таку ж величину подачі повітря. При цьому коефіцієнт надлишку повітря буде дорівнювати наближено одиниці. Максимальний тиск при цьому становив , тобто збільшився на 18%.

Доречно відмітити, що рівень додаткової подачі повітря, як показали дослідження, після першого пропущеного циклу склав 25% (18% - по і 7% - по . Після другого підряд пропущеного робочого циклу - 41,5% і після третього та четвертого - 44,6%. Тобто, необхідність збільшувати після першого пропущеного циклу також на 40% свідчить про вплив температури (її зменшення) на величину додаткової подачі палива. Після двох, трьох і чотирьох підряд пропущених циклів температури, коефіцієнт надлишку повітря і коефіцієнт наповнення практично залишаються без змін, що дає підстави стверджувати і про незмінну кількість додаткової подачі палива. Слід при цьому мати на увазі, що довготривала робота при такій кількості пропущених циклів може привести до зниження температури охолоджуючої рідини і до необхідності ще деякого збільшення циклової подачі палива.

Така ситуація може мати місце при роботі двигуна в режимі холостого ходу, коли буде працювати, наприклад, один циліндр (відключено 14/16 ) тривалий час, а також при малих навантаженнях; інші циліндри при цьому, не працюючи, охолоджуються. Яка ж допустима тривалість робочих циклів в одному і тому ж циліндрі? Для відповіді на це питання були зняті дві порівняльні навантажувальні характеристики при , одна із яких визначалась при фіксованих по циліндрах положеннях робочих циклів, друга - при їх переміщеннях. Інтервал переміщення (кількість робочих циклів в одному циліндрі) склав 64 цикли. При переміщенні циклів економічні і токсичні показники суттєво гірші. Питома витрата палива збільшилась на 40% при одночасному погіршенні токсичності відпрацьованих газів.

Для зменшення витрат палива і покращення екологічних характеристик доцільно переміщувати робочі цикли через безліч пропущених, збагачуючи один раз перший робочий цикл, наступний після пропущених. Тоді кожний з 8-ми циліндрів (наприклад, двигуна ЗМЗ-53) при роботі на холостому ході буде безперервно працювати одну годину, після якої робочий цикл з першим збагаченим переміститься на наступний циліндр, обійшовши на протязі 8-ми годин всі циліндри двигуна і зробивши при 48000 год-1, або 24000 робочих циклів, збагачений з яких буде лише один.

Висновки

1. Одним із ефективних методів покращення економічних і екологічних показників при роботі двигуна на холостому ході є метод регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів. Експериментальними дослідженнями, які підтвердили теоретичні, встановлено, що економічність бензинового ДРЦ на холостому ході покращилась на 44%, при цьому концентрація продуктів неповного згоряння не перевищує по CO-компоненту 0,2%, по CnHm - 15 ч.н.м., по NOx - 150 ч.н.м.

Вказані покращення досягаються високими значеннями коефіцієнта надлишку повітря, індикаторного і механічного ККД.

2. На основі уточненої математичної моделі робочого процесу ДРЦ, а також експериментальних досліджень встановлено, що в бензиновому двигуні коефіцієнт залишкових газів після першого пропущеного циклу зменшився в 7 разів, після другого, третього і четвертого підряд пропущених циклів зменшувався на кілька порядків. Коефіцієнт надлишку повітря після першого пропущеного циклу збільшився на 18% (з 1,2 до 1,41), після другого, третього і четвертого підряд пропущених циклів - на 22%. Стабілізація робочого циклу по наступає після другого пропущеного циклу. Коефіцієнт наповнення після першого пропущеного циклу збільшився на 7%, після другого - на 20%, після третього і четвертого - на 23%. Це дало змогу зформувати додаткові вимоги до системи паливоподачі ДРЦ.

3. Максимальна температура згоряння (без пропусків циклів становила 2687оК) після чотирьох підряд пропущених циклів зменшилась на 10%, а максимальний тиск в циліндрі збільшився при цьому на 4%.

4. При роботі ДРЦ з одним пропущеним циклом необхідно збільшити циклову подачу палива на 25-30%, після другого, третього і четвертого - на 44%.

5. Переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна доцільно виконувати з найбільшим, в даних умовах експлуатації, часовим інтервалом.

6. Уточнена математична модель динаміки ДРЦ дала можливість визначити вплив регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів на коливання кутової швидкості і крутного моменту. При роботі двигуна на холостому ході (n=800 хв-1) збільшення нерівномірності ходу двигуна перевищує двократні величини, нерівномірність крутного моменту збільшується приблизно у 8 разів. Але таке збільшення вказаних показників, як показали раніше проведені дослідження, не погіршує комфортність транспортного засобу.

Список опублікованих праць

Філіппов А.З., Войтюк С.Д., Герасимчук Ю.А. Покращення економічності транспортних енергетичних установок - один із ефективних шляхів енергозбереження в Україні // Наук. вісник Нац. аграр. ун-ту / Редкол.: Д.О.Мельничук (відп. ред.) та ін. - К.: 1997, Вип. 9. - С. 261-264.

Хандрос М. Я., Філіппов А.З., Войтюк С. Д. Дослідження впливу динамічних параметрів на потужність тракторного двигуна при змінному усталеному навантаженні // Наук. вісник Нац. аграр. ун-ту. - К., 1997. - Вип. 9. - С. 322-330.

Філіппов А.З., Войтюк С.Д., Герасимчук Ю.А. Токсичність теплових двигунів. Сучасний стан та шляхи її зменшення // Зб. наук. праць Нац. аграр. ун-ту "Механізація сільськогосподарського виробництва". - Т. ІV. - К.: Видавництво НАУ. 1998. - C. 177-184.

Філіппов А. З., Хандрос М. Я., Войтюк С. Д. Динаміка 2-х секційного роторно-поршневого двигуна з регулюванням потужності відключенням робочих циклів // Зб. наук. праць Нац. аграр. ун-ту "Механізація сільськогосподарського виробництва". - Т. VІІ. - К.: Видавництво НАУ. 2000. - C. 87-93.

Войтюк С.Д. Короткий огляд, сучасний стан і методика покращення екологічності бензинових двигунів з іскровим запаленням // Зб. наук. праць Нац. аграр. ун-ту "Механізація сільськогосподарського виробництва". - Т. VIII. - К.: Видавництво НАУ, 2000. - С. 319-323.

Войтюк С.Д. Про можливість підвищення економічних і екологічних показників двигуна внутрішнього згоряння на холостому ході при регулюванні потужності відключенням окремих робочих циклів (ДРЦ) // Зб. наук. праць Нац. аграр. ун-ту "Механізація сільськогосподарського виробництва". - Т. ХІ. - К.: Видавництво НАУ. 2002. - C. 250-254.

Філіппов А.З., Хандрос М.Я., Бешун О.А., Войтюк С.Д. Математична модель робочого процесу двигуна з регулюванням потужності відключенням окремих робочих циклів (ДРЦ) // Збірник наукових праць Національного аграрного університету "Механізація сільськогосподарського виробництва". - К.: НАУ, - 2003. - Том XIV. - С. 49-55.

Пат. 50629 А Україна. МПК7 F 01 L 9/02. Пристрій управління клапаном системи газорозподілу двигуна внутрішнього згоряння / А.З.Філіппов, М.Є.Атаманенко, С.І.Топчій, С.Д.Войтюк (Україна). - Опубл. 15.10.02, Бюл. №10.

Анотація

Войтюк С.Д. Підвищення економічних і екологічних показників роботи бензинового двигуна на холостому ході відключенням окремих робочих циклів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.05.03 - теплові двигуни. Національний транспортний університет. - Київ, 2003.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню економічних, екологічних і динамічних показників роботи ДРЦ (двигун з регулюванням потужності відключенням робочих циклів) при роботі на холостому ході.

Удосконалені математичні моделі робочого процесу і динаміки ДРЦ, що дало змогу скорегувати вимоги до паливної апаратури (системи впорскування). Розроблений і досліджений алгоритм переміщення робочих циклів по циліндрах двигуна. Визначені при цьому економічні і динамічні показники роботи ДРЦ. Досліджений процес згоряння ДРЦ та визначені основні термодинамічні параметри робочого процесу циклу, що слідує після одного, двох, трьох та чотирьох підряд пропущених циклів. Теоретичні дослідження виконані на математичних моделях з використанням ПЕОМ. Для безмоторних і моторних стендових випробувань розроблена оригінальна методика.

Ключові слова: витрата палива, екологічні показники, бензиновий двигун, регулювання потужності, відключення робочих циклів, холостий хід, математична модель.

Аннотация

Войтюк С.Д. Повышение экономических и экологических показателей работы бензинового двигателя на холостом ходу отключением отдельных рабочих циклов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Специальность 05.05.03 - тепловые двигатели. Национальный транспортный университет. - Киев, 2003.

Интенсивные поиски принципиально новых схем ДВЗ и тепловых двигателей вообще, их систем и конструктивных решений к этому времени не принесли ощутимых желательных результатов. Из прогрессивных, на первый взгляд, предложений: интенсификация зажигания, расслоение смеси, двополостные камеры сгорания, дросселирование свежего заряда впускними клапанами желательного результата не принесли, за исключением замены карбюраторной системы питания системой впрыскивания, которая реализуется применением электронных систем питания. Но существенного повышения экономичности двигателя на частичных режимах применением электронной системы впрыскивания не удалось.

Значительного улучшения показателей при работе двигателя на частичных режимах и особенно на холостом ходу можно достичь применением нового метода регулирования мощности - отключением отдельных рабочих циклов, исследованого профессором Филипповым А.З. в 70-90-х годах. Для дальнейшего усовершенствования этой системы необходимо продолжить ее исследование, в том числе и при работе двигателя на холостом ходу, исследовав при этом экономические, экологические и динамические показатели двигателя. Именно этим вопросом и посвящена данная работа.

Цель работы - повышение экономических и экологических показателей многоцилиндровых бензиновых двигателей при работе на холостом ходу путем отключения отдельных рабочих циклов.

Научная новизна - определенны параметры рабочего процесса ДРЦ после 1, 2, 3 и 4 подряд пропущенных циклов, а также экономические, токсичные и динамические показатели при работе ДРЦ на холостом ходу; разработанный алгоритм перемещения рабочих циклов по цилиндрам двигателя при работе на холостом ходу; уточненные математические модели рабочего процесса, динамики и процесса сгорания ДРЦ; уточнённые модели адаптированы к работе на ПЭВМ; разработанная оригинальная методика исследования рабочего цикла с перемещением по цилиндрам двигателя.

Практическое значение выполненной работы состоит в возможности применения и использования разработанных математических моделей рабочих процессов и динамических показателей ДРЦ с произвольным числом цилиндров и ступенчатостью регулирования, разработанных для ПЭВМ алгоритмов отключения рабочих циклов и их перемещения по цилиндрам двигателя. Непосредственное практическое значение имеют также результаты экспериментальных исследований.

Первый раздел посвящен критическому анализу существующих методов улучшения экономичности двигателя при работе на частичных режимах и холостом ходу. Во втором разделе проведён анализ влияния способа регулирования мощности двигателя на его экономические показатели. В третьем разделе рассмотрена уточнённая математическая модель рабочего процесса ДРЦ. Четвертый раздел посвящён исследованию динамических показателей ДРЦ при работе на холостом ходу. В пятом разделе изложенные результаты экспериментальных исследований. Объект исследования - 8-ми цилиндровый бензиновый двигатель внутреннего сгорания, оборудованный электронной системой топливоподачи, которая обеспечивает регулирование мощности отключением отдельных рабочих циклов.

По результатам проведенных исследований можно сделать выводы - одним из эффективных методов улучшения экономических и экологических показателей при работе двигателя на холостом ходу есть метод регулирования мощности отключением отдельных рабочих циклов. Экспериментальными исследованиями, которые подтвердили теоретические, установлено, что применение предложенной системы регулирования мощности ДВС при работе на частичных режимах уменьшает до 25% расход топлива (на холостом ходу - до 44%) с одновременным существенным (в 5-6 раз) уменьшением токсичности отработавших газов. Кроме этого, значительно упрощается (по отношению к классическим системам), собственно электронная составляющая данной системы регулирования мощности двигателя. Перемещение рабочих циклов по цилиндрам двигателя целесообразно выполнять с наибольшим, в данных условиях эксплуатации, временным интервалом.

Ключевые слова: рас ход топлива, экологические показатели, бензиновый двигатель, регулирование мощности, отключение рабочих циклов, холостой ход, математическая модель.

Annotation

Woytjuk S.D. Improvement of economic and ecological indices of petrol engine, in which power capacity is controled by means of swiching-off of working cycles at idling. - Manuscript.

The thesis is writen for the degree of Cand. Tech. Sci. The speciality 05.05.03 - Heat engines. - National Transport University of Ukraine. - Kyiv, 2003.

The thesis is devoted to investigation of economic, ecological and dynamic indices of PСE at idling. The PСE is engine, in which power capacity is controled by means of swiching-off of working cycles.

The mathematical models of working process and dynamics of PСE where improved. It enabled to correct requirements for the fuel equipment (injection system). The algorithm of working cycles displacement at cylinders of the engine where developed and investigated. The economical, ecological and dynamic parameters of PСE where determined. The process of combustion in PСE was investigated and the basic thermodynamic parameters of a working process cycle which follows after one, two, three and four successively missed cycles where determined too. Theoretical researches where performed on personal. Original technique was developed for engineless and motor bench tests.

Theoretical and experimental bench research for this method has been carried out on 8-cylinder petrol engines with spark ignition. The research results indicate the following: the fuel economy of engine has improved by 25% at part load and by 44% at idle. The exhaust emissions have been reduced 1.5 to 2 fold.

Key words: fuel economy, ecological indices, exhaust emissions, petrol engine, power capacity control, swiching-off of working cycles, idling, mathematical model.

Размещено на Allbest.ru