Улучшение технико-экономических показателей бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда при закрытом впускном клапане в нижней мертвой точке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Москалёв, Леонид Витальевич

• Москалёв, Леонид Витальевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Москалёв, Леонид Витальевич

Введение.

Глава 1. Анализ способов улучшения технико-экономических и токсических показателей двигателей.

1.1. Анализ способов смесеобразования в бензиновом двигателе.

1.2. Способ расслоения заряда методом В.В.Махалдиани.

1.3. Метод расслоения заряда В.М.Кушулем.

1.4. Двигатель с расслоением заряда, разработанный Риккардо.

1.5. Способ расслоения заряда в бензиновом двигателе А.Н.Анисимова.

1.6. Расслоение заряда методом Вильсона.

1.7. Система расслоения заряда, разработанная японской фирмой Mitsubishi

1.8. Анализ работы двигателя FSI фирмы Volkswagen и Audi.

1.9. Изменение фаз газораспределения.

1.10. Принцип действия системы изменения фаз газораспределения.

1.11. Новый подбор фаз газораспределения.

1.12. Расслоение заряда и дополнительное завихрение в конце наполнения в бензиновых двигателях.

Выводы.

Задачи исследования.

Основные обозначения.

Глава 2. Теоретический анализ влияния дополнительного воздуха введенного в цилиндр на дозарядку двигателя.

2.1 .Дозарядка двигателя с дополнительным воздухом в цилиндре.

2.2. Массовое наполнение двигателя с дополнительным воздухом за цикл при различной частоте вращения коленчатого вала.

2.3. Определение основных параметров системы подачи в цилиндры дополнительного воздуха.

2.4. Массовое наполнение двигателя в единицу времени при разных частотах вращения коленчатого вала.

Выводы.

Глава 3. Объект, программы и методики экспериментальных исследований.

3.1. Бензиновые двигатели с расслоением заряда.

3.2. Конструктивные параметры системы завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха.

3.3. Общая программа.

3.3.1. Цель исследования.

3.3.2. Опытные образцы двигателя.

3.4. Определение расслоенности заряда.

3.5. Определение оптимального направления потока дополнительного воздуха в цилиндре бензиновых двигателей.

3.6. Методика исследований двигателей на стенде.

3.6.1. Порядок проведения испытаний.

3.6.2.Методика исследования эффективных показателей двигателей.

3.6.3. Методика исследования индикаторных показателей двигателя.

3.7. Приборы и оборудование при исследовании двигателя с расслоением и дополнительным завихрением заряда.

3.8. Замеряемые величины и точность их определения при проведении опытов на бензиновом двигателе.

3.9. Оценка погрешности измерений.

Глава 4. Анализ результатов исследования бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда на безмоторных и стендовых установках

4.1. Анализ результатов исследования на безмоторных установках.

4.1.1. Анализ влияния коэффициента наполнения на рабочий процесс в двигателе с дополнительным завихрением заряда при закрытом впускном клапане в НМТ.

4.1.2. Анализ влияния дополнительного завихрения и расслоения заряда с закрытым впускным клапаном в НМТ на детонационную стойкость двигателя.

4.1.3. Анализ влияния дополнительного завихрения на основные характеристики двигателя.

4.2. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда в цилиндре на скорость сгорания и тепловыделение.

4.3. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на скоростные, нагрузочные и регулировочные характеристики двигателя ВАЗ-11113.

4.4. Анализ влияния дополнительного завихрения заряда на образование оксида углерода в отработавших газах.

4.5. Затраты мощности на привод воздуходувки.

Выводы.

Глава 5. Экономическая эффективность дополнительного завихрения заряда при закрытом впускном клапане в НМТ в бензиновых двигателях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение технико-экономических показателей бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда при закрытом впускном клапане в нижней мертвой точке»

В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, являются основными силовыми агрегатами, предопределяющими развитие автомобилестроения. Они - неотъемлемая часть в выпуске легковых автомобилей, используемых в народном и промышленном производствах, в частных и производственных нуждах, на мелких и крупных предприятиях.

С выпуском автомобилей потребность в жидком топливе резко возрастает, тогда, как объем нефтедобычи снижается.

Из добытой нефти около 80% идет на получение жидких топлив, для которых важными определяющими являются способ и стоимость переработки нефти. На основании вышеизложенного можно отметить, что создается потребность изыскивать пути снижения расхода топлива.

Увеличение производства автомобильного парка и соответствующее возрастание потребления топлива, хотя и повышает уровень общественно полезных благ, но одновременно способствует распространению опасности для окружающей среды вследствие увеличивающегося выброса токсичных компонентов, загрязняющих воздух, землю, воду и растительность.

Известно также, что из полученного из нефти топлива появляются потери, которые выбрасываются при эксплуатации автомобильными двигателями в атмосферу, в виде продуктов неполного сгорания и паров (углеводороды, оксид углерода, сажи и др.), которые содержат большой запас теплоты. Например, выброс токсичных компонентов, образовавшихся на 1 кг сжигаемого бензина, с учетом того, что состав смеси нормальный (а « 1,0), составит: оксид углерода -37,8 г, углеводородов - 21,2 г, сажи - 1,0 г [40]. В процентах к 1 кг сжигаемого бензина: оксид углерода - 3,78 %, углеводородов - 2,12 %, сажи - 0,1%.

Только в Республике Татарстан в течение года, эксплуатируется около 200 тыс. автомобилей, которые сжигают бензина (при расходе 10 кг/ч) около

4 млн. тонн. При этом в атмосферу выбрасываются оксида углерода -142 тыс.т, углеводородов - 79 тыс.т, сажи - 4 тыс.т. В тепловых единицах это составит 6502,69-103 МДж, или около 2,25 млн. тонн условного топлива.

Устранение этих потерь приводит к снижению потребности в топливно-энергетических ресурсах, что равносильно увеличению их добычи.

Решение данной проблемы зависит от наличия средств и уровня техники, а также от прогресса научно-технических работ в области совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания.

Изыскание путей экономии топливно-энергетических ресурсов следует рассматривать, опираясь на инженерно-технические разработки в области совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, чему посвящена настоящая работа, поэтому она весьма актуальна и имеет важное общегосударственное значение.

Из вышеизложенного видно, что уменьшение расхода топлива двигателя внутреннего сгорания является большой и серьезной проблемой, решение которой является безотлагательной задачей современной науки и техники.

Одним из путей улучшения показателей рабочего процесса полноты горения в цилиндре бензиновых двигателей, на наш взгляд, является увеличение скорости сгорания, путем интенсивного завихрения заряда и распределения топлива в камере сгорания, когда в зоне свечи зажигания находилась бы обогащенная смесь, по мере удаления от свечи смесь постоянно бы обеднялась.

Многочисленные опыты Л.И.Вахошина, А.Н.Воинова, Н.П.Самойлова, Ю.И.Шальман, Р.М.Петриченко и др. показали, что дополнительное завихрение заряда приводит к ускоренному процессу сгорания, а расслоение заряда способствует, не только увеличению скорости заряда, но ведет к полному выгоранию топлива.

Двигатель внутреннего сгорания с таким расположением и движением смеси в камере сгорания называют «Двигателем с дополнительным завихрением и расслоением заряда».

Способы дополнительного завихрения и расслоения заряда весьма разнообразны [3, 5, 6, 21, 23, 24, 25, 33, 51]. К ним можно отнести непосредственный впрыск топлива в цилиндры или во впускную трубу (инжекторный двигатель), двигатель с форкамерно-факельным зажиганием и другие.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию бензиновых двигателей, путем создания расслоения и дополнительного завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха при закрытии основного впускного клапана, когда поршень находится в нижней мертвой точке.

Работа является составной частью одного из научных направлений Казанского государственного аграрного университета: «Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей путем повышения турбулизации заряда дополнительной подачей воздуха в цилиндры» (номер государственной регистрации - 0187.0043352) и научного направления Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

Автор проводил работы по изучению влияния расслоения заряда в камере сгорания современного быстроходного двигателя на рабочие процессы, с целью снижения расхода топлива.

Мы предлагаем и исследуем способ дополнительного завихрения и расслоения заряда, основанный на подаче дополнительного воздуха под небольшим избыточным давлением в нижнюю часть цилиндра под углом 10. 15° к осевой и диаметральной плоскостям в конце такта наполнения и начале сжатия при закрытом впускном клапане в НМТ.

Автор, при исследовании современных быстроходных бензиновых двигателей, показал, что большую роль в рабочем процессе (горение) играет расслоение и дополнительное завихрение заряда, которые проявили себя в улучшении процесса горения. Между тем, этот способ дополнительного завихрения и расслоения заряда содержит в себе ряд несомненных преимуществ перед другими способами дополнительного завихрения и расслоения заряда.

Исследования осуществлялись на опытных бензиновых двигателях на безмоторных установках и стендах в сравнении со стандартными.

Исследование двигателя проводились по скоростным, нагрузочным и специальным характеристикам с дополнительным завихрением и расслоением заряда в сравнении со стандартными двигателями.

Анализ теоретических и опытных результатов экспериментов показал значительные преимущества опытных двигателей по сравнению со стандартными двигателями.

Теоретические исследования и опыты показали, что, за счет расслоения и дополнительного завихрения заряда в камере сгорания, удалось увеличить скорость сгорания, то есть КПД и устойчивость двигателя на всех режимах его работы, с уменьшенным расходом топлива.

Основные результаты научных исследований диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» в 2005 г. и 2007 г. в г. Казани, на итоговых научных конференциях КГАУ в 2007, 2008 и 2009 г.г, на 5 Всероссийской научно-технической конференции: «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» в 2009 в г. Казани.

В диссертационной работе представлено научное обоснование новых технических решений, направленных на совершенствование рабочих процессов бензиновых двигателей путем дополнительного завихрения и расслоения заряда в камере сгорания при закрытии основного впускного клапана, когда поршень находится в нижней мертвой точке, реализация которых вносит существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса при производстве и эксплуатации автомобилей и других машин.

Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, могут быть использованы при модернизации и проектировании новых двигателей.

Научную новизну работы составляют:

- Разработана система дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах двигателя при закрытии впускного клапана в НМТ;

- Получены количественные характеристики и закономерности изменения показателей при сгорании топлива в бензиновых двигателях за счет дополнительного завихрения и расслоения заряда при закрытии впускного клапана в НМТ;

- Разработаны математические модели, устанавливающие связь показателей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками процессов рабочего цикла бензиновых двигателей;

- Получены результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензиновых двигателей при закрытии впускного клапана в НМТ.

На защиту выносятся:

1. Разработанная система для дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндрах бензиновых двигателей с помощью автономной компрессорной установки.

2. Получены количественные характеристики и закономерности изменения показателей при завихрении и расслоении заряда в процессах наполнения, сжатия и горения бензиновых двигателей.

3. Разработаны математические модели, устанавливающие связь показателей завихрения и расслоения заряда в камере сгорания с характеристиками рабочего цикла при различной интенсивности дополнительного завихрения бензинового двигателя.

4. Получены результаты расчетно-теоретических исследований характеристик рабочего цикла при организации дополнительного завихрения и расслоения заряда в цилиндре бензинового двигателя.