Улучшение параметров двухтактного ДВС путем применения непосредственного впрыскивания бензина и совершенствования процесса смесеобразования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Лодня, Вячеслав Александрович

• Лодня, Вячеслав Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лодня, Вячеслав Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния и перспектив развития малогабаритных двухтактных ДВС.

1.1 Специфика конструкции, эксплуатации и применения двухтактных ДВС.

1.2 Применение впрыскивания топлива как основное направление совершенствования характеристик ДВС с искровым зажиганием.

1.3 Основные схемы и классификация современных систем впрыскивания топлива в двухтактных ДВС.

1.3.1 Пневматические системы впрыскивания.

1.3.2 Гидродинамические системы впрыскивания.

1.3.3 Механические системы впрыскивания.

1.4 Анализ теоретических аспектов, определяющих совершенствование процесса сгорания при применении непосредственного впрыскивания.

1.5 Выводы по первой главе.

1.6 Задачи исследования.^.

ГЛАВА 2. Расчетно-теоретический анализ закономерностей топливоподачи и обоснование конструкции топливного насоса для системы непосредственного впрыскивания с механическим приводом.

2.1 Теоретический анализ конструкции топливоподающего насоса.

2.2 Влияние повышенной частоты вращения на наполнение топливного насоса.

2.3 Закономерности подачи топлива при приводе толкателя эксцентриком.

2.4 Регулирование двухтактного ДВС, оснащенного системой непосредственного впрыскивания топлива.

2.5 Снижение выбросов вредных веществ.

2.6 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. Проектирование и испытание системы непосредственного впрыскивания топлива. Создание экспериментальной установки.

3.1 Цель разработки.

3.2 Описание конструкции системы.

3.3 Модернизация систем испытательного стенда.

3.3.1 Система питания.

3.3.2 Испытание системы подачи топлива.

3.3.3 Методика и программа испытаний.

3.3.4 Результаты испытаний системы топливоподачи.

3.3.5 Система смазки.

3.4 Экспериментальная установка.

3.5 Оценка погрешностей измерения.

3.6 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. Испытания двигателя с непосредственным впрыскиванием топлива.

4.1 Программа и методика испытаний.

4.2 Результаты экспериментальных исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение параметров двухтактного ДВС путем применения непосредственного впрыскивания бензина и совершенствования процесса смесеобразования»

Поршневые двигатели внутреннего сгорания в силу совокупности комплекса механизмов, систем и специализированных устройств, обеспечивающих и контролирующих преобразование в механическую работу части тепловой энергии, являются конечным продуктом производства различных по специализации промышленных предприятий. К настоящему времени развиты колоссальные мощности по выпуску как непосредственно самих двигателей внутреннего сгорания (ДВС), так и специализированных агрегатов и систем в их составе. В их проектировании, производстве и эксплуатации заняты миллионы людей, т.е. сложилась целая отрасль человеческой деятельности со своей социальной и технической спецификой. В настоящее время поршневые ДВС, оставаясь наиболее экономичными машинами, имеют суммарную установленную мощность, в несколько раз превышающую вырабатываемую всеми другими источниками, включая гидравлические, тепловые и атомные станции. Следует отметить как явное преимущество этих источников энергии их мобильность. Это установившееся состояние, характерное как для всего мира, так и для ряда стран СНГ, включая Беларусь, в обозримой перспективе по целому ряду причин измениться не может, т.е. на ближайшие десятилетия, как поршневое двигате-лестроение так и сопутствующие ему отрасли народного хозяйства будут являться крупнейшими потребителями минеральных и трудовых ресурсов.

В этой связи имеет смысл остановиться на трех основных проблемах развития двигателей, предназначенных для использования их в составе мобильных транспортных средств и средств малой механизации (СММ).

Первая из них - повышение эколого-экономических показателей при одновременном увеличении уровня форсирования.

Вторая - необходимость резкого сокращения сроков разработки конструкций двигателей.

И, наконец, третья проблема заключается в дальнейшем неуклонном повышении надежности и ресурса в условиях встречной необходимости одновременного снижения удельной материалоемкости и увеличения уровня форсирования двигателей.

Одним из перспективных путей решения перечисленных проблем является применение двухтактных ДВС. Основные положительные преимущества двухтактных ДВС перед двигателями, работающими по четырехтактному циклу это повышенные мощностные показатели, уменьшенные удельная масса и габаритный объем, отсутствие механической системы газораспределения, простота конструкции и др. К особенностям этих двигателей также можно отнести большие резервы по уменьшению их массово - габаритных показателей и фор-сировке как по степени сжатия горючей смеси 8, так и по скоростному режиму. Эти преимущества обуславливают более низкую стоимость этого класса двигателей в целом, и в частности более низкую стоимость ремонта и обслуживания.

Двухтактным ДВС свойственна низкая экономичность, высокая эмиссия вредных веществ в отработавших газах (ОГ), повышенные уровни шума. Топливная экономичность двухтактных ДВС с искровым зажиганием существенным образом может быть улучшена при переходе от внешнего смесеобразования на внутреннее, применении автономной системы смазки и более совершенной системы зажигания. С повышением топливоэкономических показателей двухтактных ДВС с искровым зажиганием уменьшается токсичность ОГ, особенно по углеводородам.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Лодня, Вячеслав Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана расчетно-теоретнческая методика оценки влияния внутреннего смесеобразования на эмиссию оксидов азота с учетом степени концентрационной неоднородности смеси, вклад которых в суммарную токсичность в отработавших газах ДБ ДВС становится определяющим при данном типе смесеобразования.

2. С целью перехода с внешнего смесеобразования на внутреннее был предложен эксцентриковый привод топливного насоса, обеспечивающий при частоте вращения валика насоса до 4500 мин-1 в пределах допустимых величину контактных напряжений в паре кулачок - толкатель и ресурс насоса, соизмеримый со сроком службы двигателя. Выявлено влияние повышенной частоты вращения на наполнение топливного насоса, определены закономерности подачи топлива при выбранном типе привода. В результате была теоретически обоснована схема системы непосредственного впрыскивания бензина ДБ ДВС ДК-8 и сформулированы требования к конструкции.

3. На основании теоретических исследований разработана и изготовлена опытная система топливоподачи для непосредственного впрыскивания в двухтактный двигатель ДК-8 с применением серийно выпускаемого ТНВД модели 63.1111009 с учетом требований, предъявляемых к данному типу двигателей. Конструктивное исполнение системы механического впрыскивания позволяет варьировать регулировочными параметрами данной системы в широком диапазоне для проведения исследовательских работ по оптимизации процессов смесеобразования и сгорания.

4. Создана экспериментальная установка с ДБ ДВС ДК-8, оснащенным разработанной системой топливоподачи, позволившая провести исследование влияния внутреннего и внешнего смесеобразования на мощностные, экономические и экологические параметры двигателя.

5. Оптимальный угол начала впрыскивания бензина в двигатель ДК-8 составляет 130. 140 град. ПКВ до ВМТ из условий обеспечения максимальной экономичности во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя.

6. На основе экспериментальных исследований наилучшую экономичность двигатель ДК-8 показал при подаче впрыскиваемого бензина по потоку продувочного воздуха.

7. Из условия обеспечения минимального расхода топлива при непосредственном впрыскивании был выбран угол опережения зажигания 32 град. ПКВ до ВМТ.

8. Непосредственное впрыскивание топлива в цилиндр позволяет улучшить экономичности работы двигателя во всем частотном диапазоне работы двигателя. Снижение удельного расхода топлива при частоте вращения 3500 мин-1 составляет 25%. Выбросы углеводородов при частоте вращения более 2500 мин"1 уменьшаются в два раза. Мощность двигателя до 2500 мин"1 при непосредственном впрыскивании несколько выше, а затем начинает снижаться и при 4000 мин"1 снижение достигает 12%;

9. Минимальный удельный эффективный расход топлива 380-400 г/кВт-ч наблюдался в диапазоне частот вращения 3000-3500 мин"1 при впрыскивании топлива по направлению воздушного потока.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лодня, Вячеслав Александрович, 2000 год

1. Автомобильные и тракторные двигатели. И. М. Ленин, К. Г. Попык, О. М. Малашкин и др.; Под ред. И. М. Ленина. М.: Высш. школа, 1969. -656 е.: ил.

2. Алексеев В.П., Вырубов Д.Н. Физические основы процесса в камерах сгорания поршневых ДВС. М.: МВТУ им. Баумана, 1977. - 86 с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. М., "Машиностроение", 1973.

4. Аппаратура впрыска легкого топлива автомобильных двигателей / Ю.И. Будыко, Ю. В. Духнин, В. Э. Коганер и др. Л.: Машиностроение, 1975. -195 е.: ил.

5. Артоболевский С.И. Теория механизмов и машин. М., "Высшая школа",1965.

6. Архангельский В.М., Вихерт М.М., Воинов А.Н. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1967. - 378 с.

7. Брилинг Н. Р., Вихерт М. М., Гутерман И. И. Быстроходные дизели. М.: Гос. изд-во машиностроит. л-ры. 1951. - С. 354.

8. Будыко Ю. И., Дубницкий Н. Б. Топливный насос системы впрыска Р. Бош с электронным управлением. // Труды ЦНИТА, 1970, вып. 45, с. 44 47.

9. Будыко Ю. И., Духнин Ю. В. Электромагнитная форсунка системы впрыска с электронным управлением фирмы "Бош" с электронным управлением. // Труды ЦНИТА, 1970, вып. 45, С. 44 47.

10. Воинов А.Н. Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях. -М.: Машиностроение, 1965. 212 с.

11. Вырубов Д.Н. Проблемы смесеобразования в двигателя с воспламенением от сжатия // Повышение мощности и экономичности двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1957. - 280 с.

12. Гололобов Е.И., Плешанов А.А., Пудоееее В.И. Экономичность двигателей мотороллеров и мотоциклов. Тула: Приок. кн. изд-во, 1989. - 174с., ил.

13. Горбаневский В. Е., Кислое В. Г., Крутое В. И. Топливная аппаратура автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1985. -208 е.: ил.

14. Гоц А. Н., Эфрос В. В. Анализ конструкций двигателей для легкой техники // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1998. № 9 . - С. 10.

15. Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания / В.М. Кондрашов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов и др. М.: Машиностроение, 1990. -272 е.: ил.

16. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 14846-81 (СТ СЭВ 765-77).

17. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова М.: Машиностроение, 1983. -372 е.: ил.

18. Двигатели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 18509-88 (СТ СЭВ 2560-80).19 .Дмитриевский А. В., Шатров Е. В. Топливная экономичность бензиновых двигателей. М.: Машиностроение, 1985. -208 е.: ил.

19. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бей-сик для ПЭВМ. М.: «Наука». -1987. С. 140.

20. Ерохов В.И. Карбюраторы легковых автомобилей: Устройство и эксплуатация. 2-е изд. стер. - М.: Транспорт, 1994. - 96 е.: ил.

21. Калугин К. П. Обеспечение требований по снижению токсичности отработавших газов путем применения карбюраторов с электронным управлением // Труды ЦНИТА. 1982. №80. С. 12 28.

22. JIappu М. Новые электронные средства управлением двигателем и самопроверки. Электроника, 1979, т. 52, № 20, С. 10 - 11.

23. Линчевский В.П. Топливо и его сжигание. М.: Металургиздат. 1947. -С. 101.

24. Лобов Н. В. Перспективы развития топливных систем двухтактных двигателей особо малого класса с кривошипно-камерной продувкой // Двигателе-строение. 1996. - № 2. - С. 23 - 24.

25. Лышевский А. С. Распыливание топлива в судовых дизелях. JL: Судостроение, 1971. - 318 с.

26. Насос топливный. Технические условия ТУ 63.01-94.

27. Насосы масляные типа НВД. Технические условия ТУ З.ЦТ-З.015-91. ИЖМАШ, 1991 г, 18 с.

28. Никольский А.Ф. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием и перспективы их развития // Автомобильная промышленность. 1993. - № 4. - С. 6-9.

29. Образование загрязняющих веществ и борьба с ними в двигателях с искровым зажиганием. Дж. Б. Хейвуд (Массачусетский технологический институт, США) / В кн. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени. М.: Машиностроение. -1981. - С. 272.

30. Основы практической теории горения. / Под ред. В.В. Померанцева. -Л.: «Энергия». 1973. - С. 94 - 95.

31. Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. ГОСТ 17. 2. 2. 03-87.

32. Петров JI. К, Пучкова Н. М, Силъницкая М. Н. Конструкция зарубежных автомобильных двигателей выпуска 1987 года. // М.: ЦНИИТЭавтопром , 1987. 60 е.: ил.

33. Подача и распыливание топлива в дизелях / И. В. Астахов, JI.H. Голубков, В.И. Трусов и др. М.: Машиностроение, 1972. - 359 с.

34. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков.: Вища школа, 1980. - 169 с.

35. Росс Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт: Практ. пособ. М.: Издательство "Зарулем", 1996. - 144 е.: ил.

36. Руководство по контролю загрязнения воздуха в рабочих зонах рудных месторождений. -М.: Гостехнадзор СССР, 1981. -84 с.

37. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. - 224 с.

38. Спинов А.Р. Системы впрыска бензиновых двигателей. М.: Машиностроение, 1995. - 112 с,: ил.

39. Топливная аппаратура дизелей: Справочник / Ю. Я. Фомин, Г. В. Никонов, В. Г. Ивановский, М,: Машиностроение, 1982. - 168 с.

40. Фанлейб Б. Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. JL: «Машиностроение». 1990. - С. 283.

41. Эфрос В.В., Панов В.В., Белов В.В. Двухтактные бензиновые двигатели внутреннего сгорания / Владим. гос. ун-т. Владимир, 1998. 260 с.

42. Юшин А.Е. Исследование рабочего процесса в двухтактном малоразмерном ДВС с непосредственным впрыскиванием бензина//Двигатель 97: Тр. Международн. науч. - техн. конф. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. - 1997. -С. 20.

43. Юьиин А. Е. Улучшение экономических и экологических показателей двухтактного бензинового ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива. / Автореферат кандидатской диссертации. М.: УДН. - 1998.

44. Air-assisted fuel injection appled in the two stroke engine of flame-jet ignition type. Патент № 5,085,189 (от 04.02.1992 г.) США, МКИ F02B 13/00.

45. Baumgartel Ch.: Ein Beitrag zur Auslegung von DruckstoBeinspritzanlagen fur Ottomotoren. Dissertation A, IH Zwickau 1981.

46. Direct injection petrolengines to stop shift to diesel ? / Gibb Grace // Petrol / Rev. 1998. - 52, №621.

47. Douglas R., Blair G. Fuel Injection of a Two-Stroke Cycle Spark Ignition Engine. SAE Techn. Pap. Ser. 820952.

48. Druchstoff-Einspritzanlange / Staatl Geprufte Techn. 1992, №4. - P. 15.

49. Duret P. Fuel Injection Device for 1С Engine uses Compressed Gases from Engine Exhaust Line for Pneumatic Injection. Patent US 4628888.

50. Duret P., Ecomard A., Audinet M. A New Two-Stroke Engine with Compressed-Air Assisted Fuel Injection for High Efficiency Low Emissions Applications. SAE Techn. Pap. Ser. 880176.

51. Francisek В., Radislav P. The Nozzle Location and the Shape of Its Surroundings in the Cylinder of Small Two-Stroke Engine. SAE Techn. Pap. Ser. 860169.

52. Fuel Injection System for Internal Combustion Engine. Патент № 5,069,189 (от 03.12.1991 г.) США, МКИ F02M 68/08.

53. Fuel Injection System for an Engine. Патент № 5,105,792 (от 21.04.1992 г.) США, МКИ F02M 67/12.

54. Fuel injection system and strategy. Патент № 5671716 (от 30. 09. 97) США, МПК F 02 М 51/00.

55. Gasoline direct injection for a loop scavenged two - stroke cycle engine. Sato Tadanori, Nakayama Mitsushige. SAE Techn. Pap. Ser. 871690, 1987.

56. Grasas-Alsina С., Freixa E., Esteban P., Masso J. Low-Pressure Discontinuous Gasoline Injection in Two-Stroke Engines. SAE Techn. Pap. Ser. 860168.

57. Heimberg Wolfgang. Elektronisch gesteuerte Hochdruck-Einspritzung fur die Direkteinspritz-ung bei Zweitakt-Ottomotoren. MTZ 1995. - 56, № 7/8. - P.386-388.

58. Hiroyasu H. Mathematical expression for drop size distribution in sprays, Report for NASA, CR-72272, 1967.

59. Hiroyasu H., Kadota T. Fuel droplet size distribution in diesel combustion chamber, SAE paper 740715, 1974.

60. Koberstein E., Pletka H. Exhaust Purification with Small Two-Stroke Engines A Challenge for Catalytic Systems. SAE Techn. Pap. Ser. 820279.

61. Kuhnt Heinz-Werner, Burger Wolf und Knapp Gerhard. Zweitakt -Kleinmotoren mit Direkteinspritzung. MTZ. 1996. - 57, № 1. - P.40-46.

62. Mitsubishi Ottomotor mit Direkteinspritzung. KFZ. - 1996. -№Г. - P. 2631.

63. Mooney J., Hansel J., Hoyer R. Catalytic Control of Two-Stroke Motorcycle Exaust Emissions. SAE Techn. Pap. Ser. 750910.

64. Onishi S., Souk Hong Jo, Pan Do Jo, Kato S. Multi-layer Stratified Scavenging (MULS) A New Scavenging Method for Two-Stroke Engine. SAE Techn. Pap. Ser. 880402.

65. Seyfert H. Zur Entwicklung moderner schnellaufender Zweitaktmotoren. KFT. 1989. № 8. - P.228-232.

66. Seyfert H.: Zum EinfluB von Bauausftihrung und Toleranzen bei der Kraftstoffdirekteinspritzung nach dem DruckstoBprinzip. Dissertation A, IH Zwickau 1981.

67. Two Cycle Internal Combustion Engine. Патент № 5, 113,829 (от 19.05.1992 г.) США, МКИ F02B 33/04.