ХIМЧЕНКО Аркадій Васильович

УДК 621.43.019.863

ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ І ЗНИЖЕННЯ ТОКСИЧНОСТІ ДВОТАКТНИХ БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ
В ЧАСТКОВИХ РЕЖИМАХ

Спеціальність 05.05.03 — теплові двигуни

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ — 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі Автомобілі i двигуни автомобільно-дорожнього інституту Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Міщенко Микола Іванович, автомобільно-дорожній інститут Донецького національного технічного університету, зав. кафедрою “Автомобілі і двигуни”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Філіппов Анатолій Захарович, Національний аграрний університет, зав. кафедрою “Трактори і автомобілі”

кандидат технічних наук
Жерновий Анатолій Сергійович, “ДержавтотрансНДІпроект”, старший науковий співробітник лабораторії дослідження використання палив і екології

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

Захист відбудеться 28 травня 2004 р. о 1000 годинi на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .059.03 в Національному транспортному університеті за адресою:
01010, м. Київ, вул. Суворова, 1.

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

Автореферат розісланий 27 квітня 2004 р.

В.о. вченого секретаря
спеціалізованої вченої ради Посвятенко Е. К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У теперішній час основним видом силового агрегату автомобілів, мотоциклів і інших транспортних засобів є економічні поршневі двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ), серед яких домінуюче положення займають чотиритактні двигуни. Двотактні бензинові двигуни з кривошипно-камерною продувкою дають відчутні переваги за питомою потужністю, масою, компактністю, простотою конструкції, витратами на обслуговування і ремонт, що виправдовує їх застосування на транспортних засобах.

Як показують досвід і практика, в останні роки спостерігається тенденція зростаючого попиту на двотактні двигуни для автомобілів і мототехніки.

Разом з тим двотактні ДВЗ мають ряд недоліків. Наприклад, низьку паливну економічність, а також велику емісію вуглеводнів (CH) і монооксиду вуглецю (СО), особливо на режимах часткових навантажень.

У зв'язку з наявними їх недоліками основну увагу багато фірм і дослідницьких центрів зосередили на удосконаленні як робочого процесу, так і самої конструкції двигуна.

Підвищення економічності при одночасному зниженні токсичності двотактних бензинових двигунів можливо шляхом організації робочого процесу, що забезпечує стабільне й ефективне згоряння збідненої паливоповітрянної суміші на режимах часткових навантажень, на яких вони переважно працюють в експлуатації. Одним з факторів, що сприяють істотному поліпшенню протікання робочого процесу в двотактному двигуні, є підвищення ступеня стискання зі зниженням навантаження. Однак питання про застосування змінного ступеня стискання в двотактному бензиновому двигуні практично не вивчене і вимагає проведення дослідницьких робіт щодо виявлення особливостей протікання робочого процесу та одержання науково обґрунтованих даних про можливий ефект поліпшення показників двигуна по економічності і токсичності.

Крім того, вирішення цієї задачі ускладнюється відсутністю розрахункової методики визначення раціональних параметрів двигуна і даних про закон оптимального регулювання ступеня стискання при часткових навантаженнях, а також досить обмеженою інформацією у світовій науково-технічній літературі про аналогічні роботи. В Україні і країнах СНД ці питання дотепер не досліджувалися. Вирішення зазначених питань являється актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до держбюджетних тем “Дослідження і розробка експериментального зразка безшатунного бензинового двигуна зі змінним ступенем стиску” № 0197U009344 і “Поліпшення показників двотактного безшатунного бензинового двигуна на основі оптимізації його основних параметрів” № 0100U001097, в яких автор брав участь як виконавець, а також планами НДР кафедри “Автомобілі і двигуни” АДІ ДонНТУ по удосконалюванню робочого процесу і створенню двотактних бензинових ДВЗ нетрадиційної конструкції з високими економічними й екологічними показниками (1995 – 2002 р.)

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення паливної економічності і зниження емісії токсичних компонентів двотактних бензинових двигунів шляхом використання змінного ступеня стискання в часткових режимах.

Об'єкт дослідження — паливна економічність і токсичність двотактних двигунів з кривошипно-камерною продувкою і змінним ступенем стискання, що мають різні механізми перетворення руху поршня: кривошипно-шатунний і кривошипно-кулісний.

Предмет дослідження — вплив ступеня стискання і механізму перетворення руху поршня на паливну економічність і токсичність двотактного двигуна з кривошипно-камерною продувкою.

Методи дослідження — при виконанні дослідження використовувався комплексний підхід, що включав математичне моделювання досліджуваних процесів, розрахунково-теоретичні й експериментальні дослідження експериментальних зразків двигунів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше розроблені математичні моделі робочих процесів у системах двигуна — продувному компресорі, циліндрі та органах газообміну, що дозволяють прогнозувати показники роботи двигуна при регулюванні ступеня стискання.

2. Отримано нові дані розрахунково-теоретичних і експериментальних досліджень двотактного бензинового двигуна зі змінним ступенем стискання.

3. Виявлені і проаналізовані особливості робочого процесу двигуна, що не враховувалися раніше, пов'язані зі зміною ступеня стискання в часткових режимах.

4. Встановлено вплив механізму перетворення руху поршня на показники двигуна при регулюванні ступеня стискання в часткових режимах.

5. Запропоновано рекомендації щодо вибору параметрів робочого процесу двигуна в умовах змінного ступеня стискання.

Практичне значення отриманих результатів

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

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-дос-лід-ним технологічним інститутом (НИТИ, г. Железнодорожный, Московс-кая 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 — “Про-грес-сив-ные 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 – 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 експеримен-таль-них 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.

Рис. . Дослідний поршень серійного двигуна

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.

Рис. . Конструктивна схема безшатунного двигуна із змінюваним ступенем стиску

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 LL встановлена в ПК. Вимір тисків здійснювалася за допомогою датчиків PD /14-2 (0…5 МПа) і PDH /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 ком-понентів у відпрацьованих газах вироблявся беззупинно шляхом відбору газів із випускного трубопроводу за допомогою спеціально розроблених газовідбірних зондів із встановленими в них хромєль-алюмєлєвими термопарами. Ко-н--ст--рук-ція 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. . 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 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).

Рис. . Залежність е від Ne безшатунного двигуна при різних х: n хв-1

Рис. . Залежність ge двигунів із КШМ і ККМ від Ne при регулюванні ступеня стискання: n = хв-1

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 ,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 eх.

Рис. . Залежність сумарних масових викидів токсичних компонентів, приведених до CO від 0 і ступеня стискання: n = 3000 мин-1

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.…25при Ne 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 ,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

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Патенти

9.

10.

Доповіді на наукових конференціях і семінарах

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

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