РАЗДЕЛ 1 ГЛАВА 1
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Крамар Сергій Миколайович
УДК 621.434.13
ПОкращЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ
І ЗНИЖЕННЯ ТОКСИЧНОСТІ ДВОТАКТНИХ
БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ ШЛЯХОМ
РОЗДІЛеНОЇ ПОДАЧІ СВІЖОГО ЗАРЯДУ
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 і 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
Міністерства освіти і науки України,
зав. кафедрою "Автомобілі і двигуни".
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Головчук Андрій Федорович
Уманський державний аграрний університет
Міністерства аграрної політики України,
зав. кафедрою “Енергетичні засоби,
технологічні процеси та обладнання";
кандидат технічних наук, доцент
Говорун Анатолій Григорович
Національний транспортний університет
Міністерства освіти і науки України,
доцент кафедри “Двигуни і теплотехніка”.
Провідна організація: Харківський національний автомобільно-дорожній університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Двигуни внутрішнього згоряння”.
Захист відбудеться 25 червня 2004 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 26.059.03 у Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий 24 травня 2004 р.
В. о. вченого секретаря
спеціалізованої вченої ради |
Посвятенко Е. К.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. З усіх відомих напрямків покращення паливної економічності і зниження токсичності двотактних бензинових двигунів виділяється організація розділеної подачі свіжого заряду, при якій продувка циліндра здійснюється бідною сумішшю або чистим повітрям, а після закриття випускних вікон у циліндр подається багата суміш. Дотепер питання про застосування роздільної подачі свіжого заряду в двотактному бензиновому двигуні практично не вивчене і вимагає проведення дослідницьких робіт з виявлення особливостей протікання робочого процесу і одержання науково обґрунтованих даних про можливий ефект поліпшення показників паливної економічності і токсичності відпрацьованих газів (ВГ) двигуна. Тому задача застосування розділеної подачі свіжого заряду в двотактних двигунах є не тільки досить новою, але й актуальною. Її рішення ускладнюється дуже обмеженою інформацією в науково-технічній літературі про аналогічні роботи. В Україні і країнах СНД ці питання не досліджувалися.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконувалася відповідно до держбюджетних тем Г2-2000 “Улучшение показателей двухтактного бесшатунного бензинового двигателя на основе оптимизации его основных параметров” (№ держ. реєстрації 0100U001097) і Д26-03 “Створити високоекономічний і малотоксичний бензиновий двигун нетрадиційної конструкції”, у яких автор брав участь як стажер-дослідник і виконавець відповідно, 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 (1999 – 2004 рр.).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення паливної економічності і зниження токсичності відпрацьованих газів двотактних бензинових двигунів шляхом розділеної подачі свіжого заряду.
Об'єкт дослідження – паливна економічність і токсичність двотактних бензинових двигунів з розділеною подачею свіжого заряду (ДРПЗ).
Предмет дослідження – вплив розділеної подачі свіжого заряду на паливну економічність і токсичність відпрацьованих газів двотактних бензинових двигунів.
Методи дослідження – розрахунково-експериментальні. Розрахунковий метод використовується для визначення оптимальних параметрів ДРПЗ, а також аналізу впливу конструктивних і регулювальних параметрів на показники двигуна. Експериментальним методом отримані швидкісні, регулювальні і навантажувальні характеристики ДРПЗ, визначена токсичність відпрацьованих газів, а також отримані значення параметрів, необхідні для виконання розрахункового дослідження.
Відповідно до мети дослідження у дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:
1.
Розробка схеми і конструкції двигуна з розділеною подачею свіжого заряду.
2.
Розробка методик і математичних моделей розрахунку робочих процесів двигуна з урахуванням розділеної подачі свіжого заряду.
3.
Розробка експериментального стенду для дослідження ДРПЗ.
4.
Проведення розрахунково-експериментальних досліджень показників двотактного бензинового двигуна з розділеною подачею свіжого заряду при різних швидкісних і навантажувальних режимах його роботи. Оптимізація таких параметрів робочого процесу ДРПЗ, як коефіцієнт багатої суміші, склад багатої і бідної сумішей, кут випередження запалювання та ін.
5.
Розробка рекомендацій щодо використання результатів досліджень.
Наукова новизна отриманих результатів. При вирішенні поставлених у дисертаційній роботі задач:
1.
Отримано нові дані розрахунково-теоретичних і експериментальних досліджень двотактного бензинового ДРПЗ.
2.
Виявлено особливості робочого процесу двигуна, що не враховувались раніше, які пов'язані з ефектом розшарування суміші в результаті розділеної подачі свіжого заряду.
3.
Розроблено математичні моделі робочого процесу ДРПЗ з урахуванням розшарування суміші, що дозволяють прогнозувати показники роботи двигуна.
4.
Розроблено методики експериментальних досліджень робочого процесу двигуна.
Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність роботи становлять:
1.
Експериментальний ДРПЗ.
2.
Алгоритми і програми розрахунку на ПК показників двигуна при розділеній подачі свіжого заряду.
3.
Результати розрахунково-експериментальних досліджень ДРПЗ.
4.
Розроблені схеми і конструкції вимірювальної та реєструючої апаратури для дослідження двигуна.
5.
Отримані оптимальні значення параметрів ДРПЗ, а також запропоновані основні напрямки удосконалювання конструкції двигуна і заходи щодо їх реалізації.
6.
Рекомендації щодо використання в двотактному бензиновому двигуні розділеної подачі свіжого заряду.
Результати дисертаційного дослідження прийняті до використання ГРП “АвтоЗАЗ-Мотор”, м. Мелітополь при створенні нових перспективних автомобільних двигунів нетрадиційної конструкції. Також основні результати досліджень використовуються в навчальному процесі при читанні курсів “Автотранспортні засоби”, “Автомобільні двигуни” і “Теоретичні основи теплотехніки” в АДІ ДонНТУ.
Особистий внесок здобувача:
1.
Розроблено схему і конструкцію експериментального ДРПЗ.
2.
Розроблено схему і конструкцію автоматичного витратоміра палива на базі електронних ваг.
3.
Розроблено автоматичний витратомір повітря на базі ротаційних газових лічильників.
4.
Розроблено систему відбирання проб для аналізу токсичності відпрацьованих газів.
5.
Розроблено математичну модель, алгоритм і програму розрахунку на ПК робочого процесу ДРПЗ.
6.
Проведено розрахункові дослідження впливу різних параметрів робочого процесу ДРПЗ на його показники і визначені раціональні конструктивні параметри.
7.
Проведено експериментальні дослідження показників експериментального двигуна і подальшу їхню обробку на ПК.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях – “Экология промышленных регионов” (Горлівка: АДІ ДонДТУ, 30 – 31.03.1999), “Перспективные направления развития конструкции автомобиля” (Харків: ХНАДУ, 24 – 26.10.2001), “Луканинские чтения. Пути решения проблем в автотранспортном комплексе” (Москва, МАДИ(ГТУ), 4 – 5.02.2003), “Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы” (Севастополь, СевНТУ, 15 – 19.09.2003), “Автомобильный транспорт в XXI веке” (Харків: ХНАДУ, 19 – 20.11.2003); на науково-практичній конференції “ДОНБАС-2020: Наука і техніка – виробництву” (Донецьк, ДонНТУ, 05 – 06.02.2002), а також на засіданнях і наукових семінарах кафедри “Автомобілі і двигуни” АДІ ДонНТУ в 2000 – 2003 рр.
Макетний зразок двигуна з розділеною подачею свіжого заряду експонувався на “Регіональній виставці, присвяченої 80-річчю ДонНТУ” (Донецьк, ДонНТУ, 05. 2001).
Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 10-ти роботах: у 5-и статтях в спеціалізованих виданнях ВАК України, у 1-му збірнику наукових праць, у 4-х матеріалах науково-технічних конференцій.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить 194 сторінок; з них 47 ілюстрацій по тексту, 14 ілюстрацій на 11 сторінках;
4 таблиці по тексту, 1 таблиця на 1 сторінці; 4 додатків на 40 сторінках; 120 найменувань використаних джерел на 11 сторінках.
основний ЗМІСТ
У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, викладені наукова новизна, практична цінність, інформація про апробації та публікацію основних положень дисертації.
У першому розділі "Особливості газообміну двотактних бензинових двигунів із кривошипно-камерною продувкою і задачі дослідження" відзначено особливості газообміну двотактних ДВЗ, розглянуто і проаналізовано різні способи усунення втрат палива при продувці циліндра.
Відзначено, що з метою підвищення питомої потужності, а також зменшення маси і габаритів силових установок транспортних засобів, конструктори змушені звертатися до двотактних двигунів. Однак при цьому їм доводиться вирішувати проблеми, пов'язані з підвищеною витратою палива, значними викидами вуглеводнів (СН) і монооксидів вуглецю (CO), та нестабільністю згоряння на часткових навантаженнях. Проаналізовано способи усунення втрат палива при продувці, запропоновані в роботах фірм Orbital, Chrysler, Subaru, Fight, Fuji Heavy Industries, Piaggio, а також дослідницьких організацій IFP (Institut Frangais du Petrole, Франція), CRF (Centro Ricercho Fiat, Італія), Інституту теплових двигунів Вищої технічної школи в м. Цвіккау (Німеччина) та ін.
Виконано порівняльний розрахунок ДРПЗ і звичайного двотактного бензинового двигуна. Показано, що використання розділеної подачі свіжого заряду може покращити паливну економічність двотактного бензинового двигуна на 20...40 %.
Обрано й обґрунтовано компонувальну схему двотактного двигуна з розділеною подачею свіжого заряду. Запропоновано конструкцію експериментального ДРПЗ, яка приведена у третьому розділі автореферату.
В другому розділі “Теоретичні дослідження двотактного двигуна з розділеною подачею свіжого заряду” описано розрахунковий цикл ДРПЗ, приведені допущення, що прийняті при розгляді окремих процесів, викладена розроблена математична модель робочого циклу ДРПЗ. Модель включає нове рівняння коефіцієнта надміру повітря, вперше отриману математичну модель процесу стискання, а також уточнену математичну модель процесу згоряння. Процеси розширення і газообміну прийняті такими ж, які здійснюються в звичайному двотактному бензиновому двигуні.
Розрахункова схема математичної моделі робочого циклу двотактного двигуна з розділеною подачею свіжого заряду показана на рис. 1.
Як допущення прий-нято :
а) робочим тілом є суміш ідеальних газів, а її теплоємність залежить від температури і складу компонентів і не залежить від тиску;
б) процес стискання при перемінній кількості робочого тіла описується диференційним рівнянням першого закону термодинаміки;
в) склад робочого тіла в процесі горіння змінюється по лінійному закону, при цьому в
зоні свічки запалювання ,7...0,9, а у віддалених від свічки запалювання частинах камери згоряння ,5...2,5;
г) у процесі впорскування в циліндр багатої суміші її тиск і температура постійні.
У математичній моделі стиск у циліндрі розглядається як два послідовно здійснюваних процесів стискання: з перемінною і постійною кількістю робочого тіла. В основу моделі покладені диференційні рівняння збереження енергії і рівняння стану робочого тіла.
Поточний тиск у циліндрі двигуна визначається за формулою
,
де k – показник адіабати робочої суміші в розглянутий момент часу; dQ – теплота, підведена (або відведена) до робочого тіла від стінок камери стиску за час dt; dEn – енергія, привнесена в циліндр двигуна багатою сумішшю за час dt; p – поточний тиск у циліндрі; dV – зміна об'єму суміші в циліндрі за час dt; V – поточний об'єм циліндра двигуна.
Підведена (або відведена) теплота визначається за відомим рівнянням Ньютона для конвективного теплообміну
,
де T – середній коефіцієнт тепловіддачі, визначається за формулою Н. Р. Брилінга; f – поточна площа поверхні теплообміну, визначається за формулою, запропонованою В. П. Калабіним; Tст– температура стінок циліндра; Т – поточна температура суміші в циліндрі, вираховується з рівняння стану.
Збільшення енергії в циліндрі за рахунок надходження багатої суміші при допущенні про сталість її температури і складу в процесі дозаряджування циліндра
,
де Cpn – питома масова ізобарна теплоємність багатої суміші; Tn – температура багатої суміші; dmn – кількість багатої суміші, що надійшла в циліндр за час d.
Кількість багатої суміші dmn у циліндрі у функції кута обертання колінчастого валу визначається з урахуванням режиму витікання:
при докритичному витіканні
;
при критичному витіканні
,
де — коефіцієнт витрати нагнітального вікна золотника; fз – площа прохідного перетину нагнітального вікна золотника в розглянутий момент часу; pn, n – тиск і густина у лінії нагнітання; n – частота обертання колінчастого валу.
Для виконання розрахункових досліджень процесу стискання на ПК розроблені програми, у яких диференційні рівняння вирішуються чисельними методами інтегрування Рунге-Кутта.
Кількість бідної суміші складу к (або чистого повітря), що надійшла в циліндр із кривошипної камери в процесі продувки-наповнення, протягом процесу стискання залишається постійним, а маса багатої суміші складу n, що нагнітається в циліндр, змінюється по куту обертання колінчастого валу. Тому результуючий склад суміші в циліндрі в період подачі багатої суміші не є постійною величиною. Отримане рівняння середнього по об'єму камери згоряння коефіцієнта надміру повітря свіжого заряду має вигляд
,
де к – коефіцієнт надміру повітря бідної суміші, що надійшла з кривошипної камери; n – коефіцієнт надміру повітря багатої суміші, що надійшла із нагнітача; – теоретична кількість повітря (у кг); см – коефіцієнт дозарядки циліндра багатою сумішшю
.
Тут mк – маса свіжого заряду, що надійшла із кривошипної камери і залишилась у циліндрі після продувки; mn – маса багатої суміші, що надійшла в циліндр із нагнітача.
Математична модель враховує також протікання процесу згоряння в умовах розшарованого заряду при допущенні, що склад суміші в процесі згоряння змінюється по лінійному закону. При цьому одна частина суміші X (рис. 2) згоряє при , а інша частина суміші Y – при . Поточне значення коефіцієнта надміру повітря визначається за формулою
,
де 1 – коефіцієнт надміру повітря робочої суміші в зоні свічі запалювання на момент подачі іскри; 2 – коефіцієнт надміру повітря робочої суміші наприкінці процесу згоряння; x – поточна частка вигорілого палива; xz — частка палива, що згоріла за весь процес згоряння.
Величини X і Y дорівнюють
.
При вигорянні X частин суміші складу X утвориться продуктів згоряння в кількості M2X XM2, а частина, що залишилась, M2Y =YM2 являє собою продукти згоряння суміші з коефіцієнтом надміру повітря Y. Коефіцієнти надміру повітря X і Y мають середні значення складу суміші на відповідних ділянках.
Середня питома мольна теплоємність робочого тіла на ділянці процесу згоряння розраховується за формулою
,
де і – теплоємності продуктів згоряння суміші при X і Y відповідно; – середня молекулярна маса робочої суміші.
Процес стискання з постійною кількістю робочого тіла протікає в умовах теплообміну між робочою сумішшю і стінками циліндру.
Середні значення показників політроп на ділянках стиску були отримані при обробці індикаторних діаграм і приведені в розд. 4.
Параметри процесу згоряння розраховувалися за методом проф. Вибе І. І. з урахуванням уточнень, що дозволяють врахувати вплив вигоряння перемінної за складом робочої суміші. Показник характеру згоряння m підбирався на основі попередньо знятих індикаторних діаграм класичного двотактного двигуна і потім уточнювався по індикаторних діаграмах експериментального двигуна.
Характер зміни складу суміші в процесі згоряння в залежності від кута повороту колінчастого валу показаний на рис. 3.
Показник політропи розширення n2 визначався з експериментальних індикаторних діаграм.
Математична модель процесу згоряння ДРПЗ реалізована на ПК у середовищі MathCAD.
Розрахунок ведеться методом послідовних наближень для температур на окремих ділянках робочого процесу. Для забезпечення достатньої точності приймався крок = 1 град. о. к. в.
Математична модель робочого циклу ДРПЗ дозволила досліджувати вплив розділеної подачі свіжого заряду на показники двигуна. Модель дає можливість визначити оптимальні значення параметрів упорскування в циліндр багатої суміші: кількість, склад, тиск і температуру.
У третьому розділі "Об'єкт досліджень, експериментальна установка, апаратура і методика досліджень" приведено схему і конструкцію експериментального ДРПЗ, опис експериментального стенду, вимірювальної і реєструючої апаратури, методики проведення експерименту й обробки дослідних даних. У цьому ж розділі наводиться обґрунтування методики відбору проб відпрацьованих газів для аналізу на CO, CH, NOx і опис системи відбору проб з випускного колектора.
Експериментальний ДРПЗ (рис. 4) складається з трьох вузлів: власне двигуна 1, нагнітача 9 і газорозподільного пристрою. Нагнітач кріпиться до двигуна за допомогою механізму 20, що дозволяє змінювати взаємне кутове положення валів дви--гу-на і нагнітача в межах град.
о. к. в. Багата суміш подається наг-ні-та-чем у зону свічки за-па-лю-вання під тиском 0,2…0,5 МПа незадовго до зак-рит-тя випускного вік-на. Тривалість уп-орск-ув-ання стано-вить 60 град. о. к. в. Продувка циліндра здійснюється чистим повітрям (або бідною сумішшю) звичайним способом.
Експеримента-льний двигун створений на базі одноцилі-ндрового двигуна бензиномоторної пил-ки “Тай-га –214” (Росія). Нагнітачем служив двотактний двигун мотопилки Shindaiwa (Японія), у якому випускне вікно заглушене, а свічковий отвір підключений до сполучної трубки 7. Для можливості готування багатої суміші з = 0,2...0,5 діаметри жиклерів карбюратора нагнітача, збільшені в два рази.
Для керування подачею багатої суміші був спроектований і виготовлений газорозподільний пристрій, що включає циліндричний золотник 11, зв'язаний з колінчастим валом за допомогою гвинтової передачі 18 через фрикційну муфту (на рис. 4 не показана), що дозволяє встановлювати будь-як кутове випередження (запізнювання) золотника стосовно кута о. к. в.
Для виміру витрат палива і повітря через карбюратори двигуна і нагнітача були розроблені автоматичні витратоміри палива і повітря, керованих комп'ютером за допомогою написаної для цих цілей програми.
Концентрації шкідливих речовин у ВГ вимірювались за допомогою системи газового аналізу, яка спроектована на базі газоаналізатора Bosch ETT 008-71 з урахуванням особливостей двотактних ДВЗ .
Індиціювання тисків здійснювалося за допомогою п'єзоелектричного вимірювального приладу RFT РМ – 4 (Німеччина). За допомогою спеціально написаної програми індикаторні діаграми оцифровувались, оброблялись і будувались в системі координат: хід поршня – тиск. Програма дозволяє визначати індикаторну роботу циклу, коефіцієнти політроп стискання і розширення, а також тиски згоряння і нагнітання.
Методика експериментальних досліджень включала: зняття серії регулювальних, навантажувальних і швидкісних характеристик, визначення токсичності відпрацьованих газів, а також індиціювання тисків у циліндрі двигуна і нагнітаючій магістралі.
У четвертому розділі “Експериментальне дослідження двигуна з розділеною подачею свіжого заряду” приведені результати експериментальних досліджень ДРПЗ.
Експериментальна частина проводилася в два етапи. На початковому етапі було проведене налагодження, доведення і попередні дослідження експериментального двигуна з метою уточнення параметрів, отриманих розрахунковим шляхом, таких, як кутовий зсув валів двигуна і нагнітача, геометричні розміри лінії нагнітання, фази газорозподілу нагнітача, тиск нагнітання багатої суміші та ін.
Задачею подальших досліджень було вивчення зміни параметрів ДРПЗ у залежності від регулювальних факторів, а також підтвердження результатів розрахунково-теоретичних досліджень. Для зіставлення показників ДРПЗ із класичним двотактним ДВЗ паралельно проводилися експериментальні дослідження на двигуні мотопилки “Тайга – 214”, яка серійно випускається в Росії .
Регулювальні характеристики по складу суміші були зняті при повністю відкритій дросельній заслінці двигуна у всьому діапазоні робочих частот обертання колінчастого валу (n = 2000; 2500; 3000; 3500; 4000 хв– 1) і відкриттях дросельної заслінки нагнітача ін n 5; 10; 15; 20; 25; 30 %.
Як видно з рис. 5, індикаторна потужність Ni у ДРПЗ вище, ніж у серійного двигуна на 25...30 %. Максимум потужності в двигуні з розділеною подачею свіжого заряду зміщений і знаходиться в зоні a ,83...0,85. Очевидно, що в ДРПЗ дуже широкий діапазон стійкого згоряння, про що свідчать положисті регулювальні характеристики потужності і питомої витрати палива (рис. 6). Мінімальна питома індикаторна витрата палива в експериментальному двигуні більш ніж у два рази нижче і становить 300 г/кВт·год (проти 630 г/кВт·год у серійного). Межі регулювання двигуна по складу суміші знаходяться в діапазоні a ,83...1,50. Економічні регулювання карбюратора знаходяться в межах a ,45...1,50.
Навантажувальні характеристики знімалися при тих же частотах обертання колінчатого вала двигуна і кутах відкриття дросельної заслінки нагнітача. В усіх дослідах дросельна заслінка ДРПЗ була повністю відкритою. Навантаження змінювалося шляхом установки дросельної заслінки нагнітача у фіксовані положення др = 5, 10, 15, 20, 25, 30 % і на кожному з цих положень виконувалось регулювання складу багатої суміші на максимальну потужність. Тим самим змінювався ступінь дозарядки, що характеризується величиною коефіцієнта багатої суміші см.
Зовнішні швидкісні характеристики експериментального двигуна знімалися при потужністному регулюванні карбюратора нагнітача. Під зовнішньою швидкісною характеристикою двигуна з розділеною подачею свіжого заряду розуміється характеристика, отримана при повністю відкритих заслінках карбюраторів двигуна і нагнітача і потужністному складі багатої суміші n ,2...0,3. Продувка циліндра здійснювалася чистим повітрям.
Ефективна питома витрата палива експериментального двигуна по зовнішній швидкісній характеристиці знаходиться в межах ge …450 г/кВтгод і в середньому в два рази менше, ніж у класичному двотактному ДВЗ із кривошипно-камерною продувкою. Індикаторна питома витрата палива досліджуваного двигуна не перевищує gi …250 г/кВтгод і знаходиться на рівні сучасних чотиритактних бензинових двигунів.
Двигун з розділеною подачею свіжого заряду стало працює на малих частотах обертання. Мінімальна частота обертання холостого ходу в ДРПЗ становить nmin хв– 1, а у серійному двигуні “Тайга – 214” при заводських регулюваннях карбюратора – nmin хв– 1.
Аналіз індикаторних діаграм, побудованих у координатах р – S, показав:
– у процесі стискання середній показник політропи змінюється від n1 ,35…1,5 на ділянці подачі в циліндр багатої суміші до n1 ,28…1,36 на ділянці стискання, що залишилася. Отримані значення n1 значно вище, ніж у класичному двотактному бензиновому двигуні, що має n1 ,24…1,32, і трохи менше в порівнянні з чотиритактними двигунами, для яких n1 ,34…1,37;
– середній показник політропи розширення для ДРПЗ знаходиться в межах n2 ,17…1,25, а класичного n2 ,13…1,21;
– максимальний тиск згоряння pzд для ДРПЗ становить 3,1 МПа, а для двигуна мотопилки “Тайга 214” – 2,5 МПа;
– тиск у циліндрі при газообміні для обох двигунів практично однаковий і дорівнює: при випуску pв ,32…0,42 МПа; при продувці pк ,19…0,25 МПа;
– у ДРПЗ при максимальній потужності тривалість згоряння становить у середньому z град о. к. в., у той час як у класичному ДВЗ величина z град о. к. в.;
– циклова нерівномірність процесу згоряння в ДРПЗ значно менше, ніж у класичному двигуні і менш різко зростає при збідненні суміші до ,15…1,4.
Дослідження токсичності відпрацьованих газів проводилося при знятті регулювальних і швидкісних характеристик. У цьому випадку регулювальні характеристики знімалися по складу суміші при незмінному куті випередження запалювання (q град. о. к. в.). Швидкісні характеристики знімалися при частотах обертання n = 2000, 3000 і 4000 хв– 1 і фіксованому положенні дросельних заслінок двигуна і нагнітача.
Токсичні характеристики двигуна показані на рис. 7. Як видно, викиди СН знижені в 5…6 разів і знаходяться на рівні показників бензинових чотиритактних ДВЗ. Мінімальна емісія СО становить 0,2…0,5 % і знаходиться в зоні ,45…1,55. Викиди NOx на 40 % вище, ніж у класичного двотактного двигуна, що пояснюється більш високими температурами згоряння і концентраціями вільного кисню. Приведена сумарна токсичність ДРПЗ нижче у 6 разів, і становить = 0,2 кг/год проти = 1,2 кг/год у класичного ДВЗ.
ВИСНОВКИ
1.
Одним з найбільш перспективних способів поліпшення показників двотактних бензинових ДВЗ є розділена подача свіжого заряду, при якій продувка циліндра здійснюється чистим повітрям, а наприкінці газообміну в зону свічки запалювання подається багата паливоповітряна суміш. Однак, дотепер питання про вплив розділеної подачі свіжого заряду на паливну економічність і токсичні показники двотактних бензинових двигунів практично не вивчене і вимагає проведення дослідницьких робіт.
2.
Розроблена математична модель і програма розрахунку на ПК робочого циклу дозволяє визначити показники двотактного бензинового двигуна з розділеною подачею свіжого заряду з урахуванням пошарового розподілу суміші в камері згоряння, а також одержати оптимальні значення параметрів конструкції і робочого процесу двигуна.
3.
Розроблено експериментальний двотактний двигун з розділеною подачею свіжого заряду. Двигун дозволяє вивчити особливості робочого процесу при варіюванні великого числа параметрів нагнітача таких, як зсув кута повороту вала нагнітача відносно колінчастого валу двигуна, фази газорозподілу та ін.
4.
Порівняльні стендові дослідження експериментального двигуна з розділеною подачею свіжого заряду і класичного двотактного бензинового ДВЗ, показали значну перевагу ДРПЗ по паливній економічності і викидам CH на всіх режимах. Так, при частоті обертання n = 3000 хв– 1 і діапазоні навантажень від 10…100% питома індикаторна витрата палива в ДРПЗ нижче в 2…3 рази, ефективна витрата палива – на 30…50а викиди CH – у 5…6 разів. Мінімум викидів CO (0,2…0,5%) знаходиться в зоні занадто бідних сумішей з ,45…1,55. Викиди NOx у ДРПЗ на 40вище, ніж у класичному двигуні.
5.
Інтенсифікація згоряння бідних сумішей у ДРПЗ завдяки ефекту наддування і глибокого розшарування заряду дозволяє розширити межу ефективного збідніння суміші до коефіцієнта надміру повітря пр ,15…1,4, а межа усталеної роботи двигуна – до ,0.
6.
Експериментально встановлена можливість зміни потужності двигуна на усіх швидкісних і навантажувальних режимах при незмінній максимальній витраті продувного повітря. Потужність двигуна в цьому випадку змінюється за рахунок регулювання складу багатої суміші в межах n ,2…0,4 і кількості – 25…30від продувного повітря.
7.
Розрахунково-експериментальні дослідження показали, що на усіх швидкісних і навантажувальних режимах оптимальними регулюваннями нагнітача багатої суміші при продувці циліндра чистим повітрям без дроселювання є:
– кут початку подачі багатої суміші 65 град. о. к. в. після н. м. т.;
– тривалість подачі багатої суміші 60 град. о. к. в.;
– відносна кількість багатої суміші см = 0,25…0,3;
– тиск у лінії нагнітання багатої суміші 0,25…0,5 МПа;
– коефіцієнт надміру повітря багатої суміші n = 0,2…0,4.
8.
Отримані результати показують можливість використання розділеної подачі свіжого заряду в двотактних бензинових двигунах для одер-жан-ня високої питомої потужності при відносно простій конструкції, а також свідчать про доцільність застосування таких двигунів на різних транспортних засобах.
Результати робіт використані при проектуванні нового нетрадиційного двигуна для легкового автомобіля.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Статті в наукових фахових виданнях
1.
Крамарь С. Н. Математическая модель процесса сжатия двигателя с раздельной подачей свежего заряда // Автомобильный транспорт / Сборник научных трудов ХНАДУ (ХАДИ). – Вып. 13. – Харьков.
ХНАДУ – 2003. – С. – 235.
2.
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 – Вып. 4. – Дне-про-пет-ровск: Gaudeamus. – 2002. – С. 291 – 296.
3.
Мищенко Н. И., Химченко А. В., Крамарь С. Н., Гапеев А. В. Автоматический расходомер топлива. // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобіля: Зб. наук. пр. / Редкол. В. Є. Канарчук (голов. ред.) та інщі. – Київ, НТУ, ТАУ. – Вип. 15. – 2002. – С. 155 – 157.
4.
Мищенко Н. И., Крамарь С. Н. Пути повышения экономичности двухтактных бензиновых двигателей внутреннего сгорания // Автомобильный транспорт / Сборник научных трудов ХНАДУ (ХАДИ). – Вып. 7 – 8. – Харьков: ХНАДУ – 2001. – С. 174 – 176.
5.
Н. И. Мищенко, В. С. Новокрещенов, С. Н. Крамарь. Исследование механических потерь в бесшатунном двигателе // Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. – Вып. 2., Т. . — Мелитополь: ТГАТА. — 1999. — С. 13 – 16.
Статті в наукових виданнях
6.
Мищенко Н. И., Крамарь С. Н., Григорашенко А. В. Расчет топливной экономичности двигателя с раздельной подачей свежего заряда // Вестник Донецкого института автомобильного транспорта. – Донецк: ДИАТ. – 2003. – С. 3 – 6.
Тези доповідей на наукових конференціях
7.
Мищенко Н. И., Химченко А. В., Крамарь С. Н., Юрченко Ю. В. Разработка нетрадиционных бензиновых двухтактных двигателей с улучшенными показателями // Материалы VI международной научно– технической конференции “Автомобильный транспорт. Проблемы и перспективы”. – Севастополь: СевНТУ. – 2003. С. 161 – 164.
8.
Чальцев М. Н., Мищенко Н. И., Судак Ф. М., Химченко А. В., Крамарь С. Н. Перспективные двухтактные автомобильные двигатели // Тезисы докладов научно-техн. конф. “Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса”. – М.: МАДИ(ГТУ). – 2003. – С. 68 – 70.
9.
Н. И. Мищенко, А. В. Химченко, С. Н. Крамарь. Перспективные направления совершенствования автомобильных двигателей внутреннего сгорания // Матеріали науково-практичної конференції “Донбас-2020: наука і техніка – виробництву”. – Донецьк, 05 – 06 лютого 2002 р. – Донецьк: ДонНТУ. – 2002. – С. 755 – 759.
10.
Мищенко Н. И., Крамарь С. Н., Химченко А. В., Новокрещенов В. С. Определение длительности процесса сгорания и ее влияние на экономические показатели двухтактного бензинового двигателя // Труды международной научно– технической конференции “Экология промышленных регионов”. – Горловка: АДИ ДонНТУ, – 1999. – С. 67 – 69.
АНОТАЦІЇ
Крамар С. М. Покращення паливної економічності та зниження токсичності двотактних бензинових двигунів шляхом розділеної подачі свіжого заряду. -– Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – теплові двигуни. – Національний транспортний університет, Київ, 2004.
Дисертація присвячена вдосконаленню робочого процесу двотактного бензинового двигуна шляхом розділеної подачі свіжого заряду, що забезпечує підвищення паливної економічності та зниження токсичності відпрацьованих газів до рівня чотиритактних двигунів з іскровим запалюванням.
Створено експериментальний двотактний бензиновий двигун з розділеною подачею свіжого заряду (ДРПЗ), що забезпечує продувку циліндра повітрям, подачу паливної суміші після газообміну та організацію розшарованого заряду в камері згорання. Розроблено математичні моделі і програми розрахунку на ПК робочого циклу ДРПЗ. Проведено розрахунково-експериментальні дослідження ДРПЗ, в результаті яких встановлено, що двотактний бензиновий двигун може скласти реальну конкуренцію сучасним чотиритактним двигунам з іскровим запаленням.
Ключові слова: двотактний бензиновий двигун, розділена подача свіжого заряду, паливна економічність, токсичність відпрацьованих газів, розшарування заряду.
Крамарь С. Н. Улучшение топливной экономичности и снижение токсичности двухтактных бензиновых двигателей путем раздельной подачи свежего заряда. – рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 05. 03 – тепловые двигатели. – Национальный транспортный университет, Киев, 2004.
Диссертация посвящена совершенствованию рабочего процесса двухтактного бензинового двигателя путем раздельной подачи свежего заряда, позволяющего обеспечить повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов до уровня четырехтактных двигателей с искровым зажиганием.
Спроектирован и изготовлен экспериментальный двухтактный двигатель с раздельной подачей свежего заряда (ДРПЗ), обеспечивающий продувку цилиндра воздухом, а в конце газообмена впрыск богатой топливовоздушной смеси с организацией в камере сгорания расслоенного заряда. Двигатель имеет автономный нагнетатель богатой смеси и золотниковое газораспределительное устройство с приводом от коленчатого вала. В ДРПЗ осуществляется почти качественное регулирование нагрузки за счет изменения состава богатой смеси в пределах n = ,2…0,4 и ее количества до 25…30от продувочного воздуха.
Разработана математическая модель и программа расчета на ПЭВМ рабочего цикла ДРПЗ, позволяющая определить его мощностные и экономические показатели и получить оптимальные значения параметров конструкции и рабочего процесса двигателя. Модель учитывает дозарядку цилиндра богатой смесью в процессе сжатия, а также протекание процесса сгорания в условиях расслоенного заряда. Предложена методика оценки эффективности раздельной подачи свежего заряда в двухтактном двигателе. Расчетными исследованиями показано, что ДРПЗ на 20…40экономичнее классического двухтактного бензинового двигателя.
Проведены комплексные расчетно-экспериментальный исследования влияния режимных и конструктивных параметров ДРПЗ на его энергетические и экологические показатели. Показано значительное преимущество ДРПЗ по сравнению с классическим двухтактным бензиновым двигателем по топливной экономичности и выбросам СН и СО. Так, удельный индикаторный расход топлива в ДРПЗ ниже в 2…3 раза, эффективный расход топлива – на 30…50а эмиссия СН меньше в 5…6 раз. Минимум выбросов СО составляет 0,2…0,5Выбросы NOx в ДРПЗ на 40 % выше, чем в двухтактном двигателе, однако почти на порядок меньше, чем в существующих четырехтактных бензиновых двигателях.
Даны рекомендации по выбору оптимальных значений параметров ДРПЗ, например, состава богатой смеси, давления впрыска, продолжительности подачи богатой смеси, геометрических размеров нагнетателя.
Проведенные исследования свидетельствуют, что применение раздельной подачи свежего заряда ставит двухтактный бензиновый двигатель по таким важнейшим показателям, как топливная экономичность и токсичность отработавших газов на уровень современных четырехтактных двигателей с искровым зажиганием.
Ключевые слова: двухтактный бензиновый двигатель, раздельная подача свежего заряда, топливная экономичность, токсичность отработавших газов, расслоение заряда.
Sergey N. Kramar. The improvement of fuel economic and lowering of toxicity of the two– stroke gasoline engine by separate supply of a fresh charge. – Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of technical sciences on a speciality 05. 05. 03 – thermal engines. – National Transport University, Kyiv, 2004.
The thesis is devoted to perfecting of working process of the two– stroke gasoline engine by separate supply of the fresh charge, allowing to supply increase of fuel profitability and lowering of toxicity of exhaust gases up to a level of four– cycle engines with spark ignition.
The experimental of the two– stroke gasoline engine with separate supply of the fresh charge, ensuring purging of the cylinder by air, supply of a combustion– mixture after gas exchange and organization of a stratification of a charge in the combustion chamber is created. Mathematical models and programs of calculation on computer of the working process of the two– stroke gasoline engine with separate supply of the fresh charge are developed. Settlement– experimental researches of the two– stroke gasoline engine with separate supply of the fresh charge as a result of which it is established are carried out, that the two– stroke engine may make a real competition to modern four– cycle engines with spark ignition.
Key words: the two– stroke gasoline engine, fuel efficiency, toxicity of exhaust gases, separate supply of a fresh charge, a stratification of a charge.
