автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение технико-экономических показателей бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда при закрытом впускном клапане в нижней мертвой точке

На правах рукописи

004604430

МОСКАЛЁВ ЛЕОНИД ВИТАЛЬЕВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЗАВИХРЕНИЕМ ЗАРЯДА ПРИ ЗАКРЫТОМ ВПУСКНОМ КЛАПАНЕ В НИЖНЕЙ МЕРТВОЙ ТОЧКЕ

Специальность: 05.04.02 «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ИЮН 2010

Казань-2010

004604430

Работа выполнена в ФГОУ ВПО

«Казанском государственном аграрном университете»

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Самойлов Николай Павлович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Гафуров Руханил Абдулкадырович

- кандидат технических наук, доцент Ахтариев Марс Рифкатович

Ведущее предприятие: ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия» (ИНЭКА) г. Набережные Челны

Защита состоится 23 июня 2010 года в / 0 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева. Электронный вариант автореферата размещен на сайте КГТУ им А.Н. Туполева (www.kai.ru)

Автореферат разослан « ХО » ¡ХШД._2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета

кащидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, являются основными силовыми агрегатами, которые предопределяют развитие автомобилестроения. Они -неотъемлемая часть в выпуске легковых автомобилей, используемых в народном и промышленном производствах. С выпуском автомобилей потребность в жидком топливе резко возрастает, тогда, как объем нефтедобычи снижается. Известно также, что при эксплуатации автомобильных двигателей, работающих на бензине, появляются потери, которые выбрасываются в атмосферу, в виде продуктов неполного сгорания и паров (углеводороды, оксид углерода, сажи и др.), имеющие большой запас теплоты. Устранение этих потерь приводит к снижению потребности в топливно-энергетических ресурсах, что равносильно увеличению их добычи.

Решение данной проблемы и изыскание путей экономии топливно-энергетических ресурсов следует рассматривать, опираясь на инженерно-технические разработки в области совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, чему и 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 таким образом, когда в зоне свечи зажигания находилась бы обогащенная смесь, а по мере удаления от неё 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.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию бензиновых двигателей путем создания расслоения и дополнительного завихрения заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха при закрытии впускного клапана, когда поршень приходит в нижнюю мертвую точку.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является определение влияния смесеобразования и сгорания в двигателях, модифицированных путем организации расслоения и завихрения заряда за счет дополнительной подами воздуха в такте наполнения при закрытом впускном клапане в нижней мёртвой точке, на технико-экономические показатели бензинового двигателя.

В результате анализа функционирования бензиновых двигателей и изыскания путей улучшения эксплуатационных показателей и их сравнения с опытными двигателями, работающими в тяжелых эксплуатационных условиях, поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ отечественных и зарубежных методов и средств улучшения технико-экономических показателей двигателей при работе в эксплуатационных условиях.

2. Обосновать и рассчитать основные конструктивные параметры подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя и фазу газораспределения процесса наполнения.

3. Создать теоретическую модель и провести числовые расчеты изменения основных эксплуатационных параметров модернизированного двигателя при работе в тяжелых эксплуатационных условиях.

4. Подготовить опытный двигатель с дополнительной подачей воздуха в цилиндры при закрытии впускного клапана в НМТ. Провести лабораторные и стендовые исследования, установить его мощностные и экономические характеристики.

5. Провести анализ полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, разработать рекомендации для практического использования.

Научная новизна.

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

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

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

Практическая и научная ценность работы.

- Применение подачи в цилиндр дополнительного воздуха при закрытии впускного клапана в нижней мёртвой точке позволяет повысить мощность, снизить удельный расход топлива двигателя, а также уменьшить концентрацию оксида углерода в отработавших газах.

- Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, дают возможность осуществлять модернизацию при проектировании новых бензиновых двигателей.

Личный вклад автора.

В работах диссертанту принадлежат основные идеи, математические модели, обобщения и результаты. Из совместных статей в диссертацию включены только те результаты, которые получены лично соискателем.

Результаты работы используются в научных разработках и в учебном процессе кафедры.

Рекомендации по использованию результатов: Результаты работы могут быть использованы при создании новых бензиновых двигателей ВАЗ. Разработанные теоретические положения, основанные на физических законах процесса сгорания в ДВС, дают возможность осуществлять модернизацию при проектировании новых бензиновых двигателей.

Апробация работы.

Достоверность исследований подтверждены положительными результатами испытаний двигателей ВАЗ-11113 и УД-15, оборудованных дополнительной подачей воздуха в нижнюю часть гильзы цилиндра и с изменённой геометрией газораспределительного вала, который позволил закрывать впускной клапан в нижней мёртвой точке. Каждый двигатель обеспечил высокие технико-экономические показатели. Также достоверность подтверждается использованием современной измерительной быстродействующей аппаратуры, обеспечивающей удовлетворительные погрешности.

В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Тракторы и автомобили» Казанского ГАУ, а также кафедры «АДиС» КГТУ им. А. Н. Туполева

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.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ. Из них: 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК России; 4 научных статьи.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка используемой литературы и приложения. Материал изложен на 154 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 51 иллюстрацию. Список используемой литературы включает 104 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава раскрывает общий анализ рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, а так же различные способы расслоения заряда, которые представлены мировыми японскими и немецкими компаниями: Mitsubishi, Volkswagen и Audi, научными деятелями: В.В.Махалдиани, ВМКушулем, Рик-кардо, А.Н.Анисимовым и ряд других.

Концерн Volkswagen создал серию силовых агрегатов с непосредственным впрыском и послойным смесеобразованием FSI (Fuel Stratified Injection) (рисунок 1).

^частота вращения вала деигвтвпя

!—■■■■.....■ ■ Расход воздуха и его температура

.............- Температура охлаждающей жидкости

Рис. 1. Схема работы двух-вального газораспределения двигателя РЭ!

Двигатели FSI превосходят двигатели с впрыском бензина во впускные каналы по показателям экономичности, выброса вредных веществ и динамики за счет ввода новой конструкции. Наряду с положительными показателями имеются и недостатки. Необходимо качественное топливо, иначе двигатель быстро выходит из строя.

На рисунке 1 представлена система изменения фаз газораспределения, которая предназначается для оптимизации работы двигателя на режимах холостого хода, максимальной мощности и максимального крутящего момента, а также для облегчения рециркуляции отработавших газов. Она широко применяется фирмой Volkswagen на двигателях V6 с рабочим объемом 2,8 л. и V5 рабочим объемом 3,3 л.

Каналы подвода и отвода масла к кольцевым ijro«5? проточкам на рвепредвпитвпь ных вапвх \2\ ..J^. Y

Г/дроупраалявмая муфта поворота выпускного вала

Гидроуправпявмая муфта поворота

Рис.2. Кулачковые валы для впуска и выпуска, устанавливаемые на двигатели Audi и

Volkswagen

Заметим, что многие из этих способов имеют существенный недостаток, завихрение в цилиндре осуществляется через впускной клапан, а это не достаточно эффективно. При этом способе не вся энергия вихревого потока заряда, полученная в процессе наполнения, сохраняется до конца сжатия смеси, что подтверждается многими отечественными и зарубежными учеными. У нижней мертвой точки, а затем при перемещении поршня к верхней мертвой точке, вихревой поток замедляется и вихревое движение заряда уменьшается на 80... 85% от первоначальной скорости вращения. Избежать затруднений в указанных выше способах завихрения и расслоения заряда, как с использованием импульсной подачи воздуха, так и с использованием непосредственного впрыска топлива, можно, если вводить в цилиндр дополнительный воздух под некоторым избыточным давлением в процессе наполнения и в начале сжатия в нижнюю часть гильзы цилиндра (рисунок 3). То есть реализовать некоторую разновидность наддува, минуя основной всасывающий тракт, одновременно обеспечивая расслоение заряда, и закрывать впускной клапан точно в нижней мёртвой точке. Это предотвратит обратный выброс смеси, поступающий через основной впускной канал.

Впуск

НМТ,

1 - поршень;

2 - клапан, подающий заряд дополнительного воздуха.

Рис.3. Схема двигателя с расслоением заряда

Если ограничиться при таком способе наддува лишь доведением давления в конце наполнения до атмосферного и закрыть впускной клапан в нижней мёртвой точке, то требуемое давление наддува может быть небольшим. При таком наддуве представляется возможным предотвратить обратный выброс свежей смеси, несколько повысить максимальную мощность. При значении максимальной мощности, как у стандартного двигателя, удается существенно обеднить смесь, снизить концентрацию окислов углерода в отработавших газах до допустимого санитарными нормами значения и ниже, существенно улучшить топливную экономичность на полных, частичных и малых на1рузках.

На всех режимах работы двигателя, при правильном подборе параметров дополнительного воздуха, предоставляется возможность, за счет некоторого снижения температуры сгорания, уменьшить концентрацию окислов азота в отработавших газах или сместить максимум образования их в сторону более бедных смесей, на которых двигатель работает практически очень редко. Ввод дополнительного воздуха в цилиндры в бензиновом двигателе характеризуется коэффициентом подачи дополнительного воздуха «С», который представляет отношение дополнительно введённого в цилиндр воздуха (вд) к основному (вв), поступившему в цилиндр через основную впускную систему: С=Од/Ов-

Из анализа эксплуатации двигателей внутреннего сгорания видно, что они работают, в основном, в тяжелых условиях, притом процессы, протекающие в двигателях, исследованы не полностью.

Наиболее важными параметрами при оценке эксплуатационно-технических качеств двигателя, на которые необходимо обратить особое

внимание при исследовании, являются динамические, экономические, экологические, надежность и долговечность в работе.

Результаты исследования, которые имеются в рассматриваемых работах, не дают существенного улучшения технико-экономических и экологических показателей двигателя. Поэтому назрела необходимость изыскать пути комплексного улучшения мощностных, экономических и экологических показателей. Наиболее перспективным в получении наилучших показателей является установка на автомобиль двигателя с дополнительным завихрением и расслоением заряда в цилиндре при закрытом впускном клапане, когда поршень находится в нижней мертвой точке.

Двигатели, устанавливаемые на автомобили, работают с большими перегрузками, чаще при постоянной загрузке, где приходится затрачивать большую мощность, которой иногда недостаточно. Для преодоления перегрузки, особенно в тяжелых дорожных условиях, двигатель начинает работать на очень богатом составе смеси, при этом приходится увеличивать расход топлива, что приводит к появлению в выхлопных газах большого количества токсичных веществ - оксида углерода (СО). В настоящее время для улучшения технико-экономических и токсических показателей при работе двигателя применяют автоматическое регулирование, которое самостоятельно устанавливает нужный режим за счет изменения качества и количества смеси. Этим добиваются более высокой мощности двигателя, минимального расхода топлива и снижения токсичных компонентов в отработавших газах в процессе выхлопа. Считаем, что решить проблему можно, если использовать в двигателе систему подачи в цилиндры дополнительного воздуха и изменить фазы газораспределения. Схематично представлена подача дополнительного воздуха на рисунке 4.

н<

оо

.2

Двигатель ВАЗ-11ИЗ

Двигатель УД-15.

(_3—1

1 - ресивер; 2 - впускной трубопровод, 3 - цилиндр. Рис.4. Схема подачи дополнительного воздуха в цилиндр двигателей

Опыты и практика показывают, что если двигатель работает на мощностных режимах, то состав смеси готовится обогащенным (а~ 0,85...0,95), где содержание СО в выхлопных газах достигает 3-4% по объему и увеличивается расход топлива.

В связи с этим перед настоящей работой были поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ отечественных и зарубежных методов и средств улучшения технико-экономических показателей двигателей при работе в

эксплуатационных условиях.

2. Обосновать и рассчитать основные конструктивные параметры подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя и фазу газораспределения процесса наполнения.

3. Создать теоретическую модель и провести числовые расчеты изменения основных эксплуатационных параметров модернизированного двигателя при работе в тяжелых эксплуатационных условиях.

4. Подготовить опытный двигатель с дополнительной подачей воздуха в цилиндры при закрытии впускного клапана в НМТ. Провести лабораторные и стендовые исследования, установить его мощностные и экономические характеристики.

5. Провести анализ полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, разработать рекомендации для практического использования.

Во второй главе был произведён теоретический анализ влияния дополнительного воздуха, введенного в цилиндр, на дозарядку двигателя.

Для определения величины дозарядки или обратного выброса необходимо предварительно рассмотреть такие величины: давление газов во впускном трубопроводе - Ртр, находим по выражению (1), силу инерции газов при впуске - Ри - по выражению (2) и давление газов внутри цилиндра - Рх - по выражению (3), используем диаграмму рисунка 5 и таблицу 1. _Таблица 1

<р после НМТ в гр. 0 20 40 60 80 100

УЛх 1,00 1,02 1,10 1,25 1,55 2,11

Ртр = 0,5(Р0 + РД (1)

где Рв - давление окружающей среды,

Ра - давление в цилиндре в конце наполнения равно (0,08...0,09) МПа. От силы инерции воздуха, движущегося во впускном трубопроводе, переходим к давлению этой же силы, и находим ее по выражению (2)

п 0.75 - , Кг

где £тг - коэффициент, учитывающий сопротивления впускного трубопровода;

¡тр - длина трубопровода, м;

Рв - плотность воздуха в трубопроводе в кг/м3;

У/, - рабочий объем цилиндра, м3; /тр - площадь трубопровода, м2; п - частота вращения коленчатого вала, мин'1.

Рис.5. Диаграмма начала процесса сжатия

где П) - показатель политропы сжатия (1,32...1,35); Уа - объём в конце наполнения, м3; Ух - объём сжимаемых газов, м3.

Соотношение этих давлений на разных режимах работы двигателя различны и при этом возможны следующие физические явления: дозарядка, выражение (4)

Ртр + Ри> Рх! (4)

Или обратный выброс воздуха, выражение (5)

Ртр + Ри < Рх- (5)

При небольших частотах вращения зависимость давления от сил инерции и сжатия можно изобразить кривыми, как показано на (рисунке 6).

В этом случае в течение первых 30° опаздывания закрытия впускного отверстия происходит дозарядка, а в течение последующих 20° - обратный выброс. Поэтому величину дозарядки или обратного выброса по выражению (б) целесообразно определять не сразу за весь угол опаздывания закрытия впускного отверстия, а последовательно за каждый угол, равный 15°.

Соп = 74.104/4-„ +Ри ~Рх)р. , кг/цикл, (6)

где С?0/7 - масса воздуха, поступившего в цилиндр во время опаздывания впуска.

ц - коэффициент расхода клапана, равный 0,75.. .0,85;

- время, в течение которого происходит дозарядка или обратный выброс, в с.

закрытии впускного клапана в нижней мертвой точке,

-------двигатель ВАЗ-11113с дополнительный подачей воздуха.

Рис.7. Изменение массового количества основного, дополнительного, суммарного ввода воздуха, вводимого в цилиндр, и коэффициента наполнения в зависимости от изменения коэффициента подачи дополнительного воздуха

Теоретические исследования и опыты показывают (рисунок 7), что с увеличением подачи дополнительного воздуха в цилиндр (Сдоя) количество основного заряда (Goch) вытесняется и постоянно снижается, а при закрытии впускного клапана в НМТ достигается наиболее полное наполнение цилиндра, так как отсутствует обратный выброс через основную впускную систему.

В процессе наполнения (рисунок 8), когда впускной клапан в н.м.т., не закрывается, наполнение осуществляется по х - а. Давление в конце наполнения (точка а) Ра ниже атмосферного. У двигателя, в цилиндре, у которого впускной клапан закрывается в н.м.т., процесс протекает иначе: в момент открытия цилиндрового подпружиненного клапана давление в цилиндре (точка х") увеличивается до давления равному давлению в дополнительной системе. Давление Р'х = Рд падает, а затем оно обратно повышается до давления Р'г = Рд . Затем начинается процесс сжатия. В начале сжатия подпружиненный цилиндровый клапан закрывается, начинается политропное сжатие смеси в цилиндре с давления РИз рисунка 8 видно, что давление Р 'а больше давления Ра, и давление интенсивней повышается у двигателя при закрытии впускного клапана в Н.М.Т., так как отсутствует обратный выброс через основную впускную систему, следовательно, выше будут мощностные характеристики двигателя.

-стандартный двигатель,

— двигатвпь с дополнительной подачей воздуха,

-двигатель с дополнительной подачей воздуха

при закрытии впускного клапана в Н.М. Т.

Рис.8. Диаграмма начала процесса сжатия

Массовое наполнение стандартного бензинового двигателя воздухом за цикл (цикловое наполнение) при их работе с полной нагрузкой на разных частотах вращения коленчатого вала не остается постоянным.

По мере роста частоты вращения коленчатого вала уменьшается давле-

ние впуска Ра и несколько увеличивается температура газов в н.м.т. В результате этого цикловое наполнение постепенно уменьшается. Если впуск точно заканчивается в н.м.т., то коэффициент полноты заряда будет равен 1,0 (так как и дозарядка и выброс полностью отсутствуют), а цикловое наполнение будет определяться кривой 1 (рисунок 9).

Однако, если учесть, что впускное отверстие в основном, на всех стандартных двигателях закрывают, когда поршень приходит в н.м.т. и коленчатый вал повернется на 40...60°, то в начале подъема поршня происходит дозарядка, позднее переходящая в выброс, что отражается на цикловом наполнении.

На малых частотах вращения вала преобладает обратный выброс, а на больших - дозарядка. С учетом этого цикловое наполнение определяется уже не кривой 1, а кривой 2 (рисунок 9).

г 1,0

0,8

0,6

✓ \Х 1 ^ 2

0 800 1300 1800 2300 п, мин* Рис.9. Цикловое наполнение двигателя ВАЗ-11113

1 - при закрытии впускного клапана в НМТ;

2 - при закрытии впускного клапана через 50* после НМТ

Аналитически цикловое наполнение, как указывалось выше, может быть определено по приведенной ниже формуле, если учесть, что, согласно ранее доказанному, при положении поршня в н.м.т. объем, занимаемый воздухом,

V

к е-1к'

(7)

где ё - степень сжатия;

б - коэффициент, определенный значениями Ра, Рг, Та и Тг (равен ~ 0,5); Масса воздуха

г - Р<У гс

Ьпл -

RT:

(8)

Масса воздуха, поступившего в цилиндр за один цикл, то есть цикловое наполнение к моменту закрытия впускного отверстия

Оцикл ~ v Goch • (9)

Расчеты, подтвержденные опытами, показывают, что у опытного двига-

теля с подачей в цилиндры дополнительного воздуха, при равных частотах вращения коленчатого вала, за счет подачи дополнительного воздуха увеличивается частота вращения коленчатого вала. Наибольшее увеличение п при малых частотах вращения (800...1100 мин'), где прирост частоты вращения составил Дп в среднем 150... 160 мин1. Наименьшее увеличение An ~ 45...55 мин1, при большей частоте вращения (1600...1800 мин1). Причем, приращение массового циклового наполнения у опытного двигателя с дополнительным воздухом наблюдается на всех эксплуатационных режимах. Тогда как у стандартного двигателя наблюдается снижение циклового наполнения на этих скоростях вращения коленчатого вала. Это видно из выражения (9), где коэффициент полноты заряда v, при закрытии впускного клапана стандартного двигателя, равен единице. У опытного двигателя, кроме основного заряда, поступает в цилиндр под избыточным давлением Glian. Следовательно, цикловой заряд в цилиндре будет составлять:

j цикл

= (l+QGoc*.

(10)

Поэтому, цикловое наполнение двигателя с рабочим объемом V/, будет получено из выражения:

JЦИКЛ '

S&.

. RTa g-1 ■ £-8

(11)

Если в эту формулу подставить давление впускных газов Ра, определенное ранее, то в окончательном виде цикловое наполнение будем иметь:

(*ЦИКЛ ~ V

520-10

U

\(s-S

cp /

£U-1

k

RT„ g-1 ' e-6

(12)

где (1 +С) = у.

Как было сказано, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала «С» снижается. Однако это снижение будет до значения давления дополнительной системы (Рд), которое как видно больше, чем давление в цилиндре. Следовательно, подача в цилиндр дополнительного воздуха (Сд) заменит дозарядку С?доз> где Сд > О доз и О выв- Если произвести дозарядку цилиндра дополнительным воздухом и осуществить закрытие впускных клапанов в н.м.т., то это приведет к резкому увеличению цикловой подачи в цилиндре. Следовательно, повышение подачи топлива, при тех же частотах вращения коленчатого вала, повышает технико-экономические показатели двигателя.

Массовое наполнение двигателя воздухом в единицу времени, например, в минуту, равно сумме фактических цикловых наполнений, осуществленных в течение данного отрезка времени.

Массовое наполнение двигателя в минуту Омш при числе 8 циклов в минуту и цикловом наполнении Сдают можно определить из следующего выра-

жения:

Gmuh ~ GijHKJl к •

(13)

Для четырехтактного двигателя при п мин1

г -г 1

" мин ~ ЦИКЛ 2 •

Массовое наполнение четырехтактного двигателя в час

G4ac -30 Gmiiain кг/ч. (14)

У двигателя с подачей дополнительного воздуха цикловая подача

Gцикл. д. ~ Goai+ (15)

Если это выражение написать через коэффициент подачи дополнительного воздуха «С», то оно будет выглядеть в следующем виде:

Gцикл. д.= Goch (1 + о-

Следовательно, у двигателя с дополнительной подачей воздуха цикловая подача (вцикл) будет зависеть не только от основного количества заряда, поступившего в цилиндр через трубопровод, а также и от количественной подачи в цилиндр дополнительного воздуха. Значит минутная подача воздуха, составит:

GMU«.ß. = GifHKß. н у (16)

или

Gмии д - Gurm —. (17)

Массовое наполнение двигателя с дополнительной подачей воздуха в цилиндры будет

(18)

Подставляя ранее найденное значение фактического циклового расхода воздуха Gцикл.у получаем

(19)

Kla е -1

Для двигателя с подачей в цилиндры дополнительного воздуха

Счос = 30(1 + , кгЫ. (20)

К1а £-1

У двигателя с вводом дополнительного воздуха часовой расход воздуха увеличивается до определенного предела, затем его рост замедляется. Такое увеличение часового расхода воздуха наблюдается даже в то время, когда расход основного заряда несколько снижается.

Расчеты показывают, что у двигателя с дополнительным завихрением

заряда достигается наилучшие технико-экономические показатели при вводе в цилиндр дополнительного воздуха, когда впускной клапан закрывается и поршень находится в нижней мертвой точке.

При подводе дополнительного воздуха получаем наибольший прирост мощности на 6...8% и наименьший расход топлива на 7...10%.

При прочих равных условиях массовое наполнение бензиновых двигателей на 5...8% выше, чем у двигателя без дополнительного завихрения заряда (стандартный) и. выше на 4...6% дозарядка свежей смеси, при этом отсутствует обратный выброс свежего заряда во впускную трубу системы питания.

В третьей главе исследуются объект, программы и методики экспериментальных исследований, а также излагается конструктивная особенность модернизированного двигателя с дополнительной подачей воздуха и с закрытием впускного клапана в нижней мёртвой точке. Составленная методика исследований позволила получить необходимые данные для реализации теоретических основ работы двигателя. Определена точность измерения регистрируемой аппаратуры и дана оценка погрешностей измерения опытов.

Опыты с расслоением и дополнительным завихрением заряда в цилиндре за счет подачи дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия, впускной клапан закрывается, поршень в это время находится в нижней мертвой точке и наполнение цилиндра основной смесью прекращается, проводились на различных двигателях: двухцилиндровом ВАЗ-11ПЗ; одноцилиндровом двигателе УД-15 - при различном способе ввода дополнительного воздуха.

Исследования осуществлялись по ГОСТу-14846-81 и ГОСТу-1484б-95. При экспериментах переход от модернизованного к серийному варианту осуществлялся путём выключения подачи дополнительного воздуха.

На установке (рисунок 10), было проведено изучение влияния дополнительного завихрения заряда и его расслоения на технико-экономические и экологические параметры при работе двигателя, а также динамические и кинетические показатели, характеризующие в целом двигатель на различных составах смеси и разных скоростных и нагрузочных, установившихся и неустановившихся режимах работы двигателя. На ней были определены изменения скоростей распространения фронта пламени в камере сгорания в процессе горения, используя метод ионизации, разброс параметров характеризующих двигатель по устойчивости работы.

Работа позволила рассмотреть влияние закрытия впускного клапана в нижней мертвой точке на технико-экономические показатели двигателя с дополнительным завихрением заряда. Исследования, в основном, сводились к снятию различных характеристик и особенно к снятию скоростных, нагрузочных и регулировочных характеристик двигателей при различных относительных количествах подаваемого дополнительного воздуха, оцениваемых коэффициентом подачи дополнительного воздуха «С».

В зависимости от подаваемого дополнительного воздуха в цилиндры двигателя, испытания были проведены при избыточном давлении в системе расслоения и дополнительного завихрения заряда 0,05...0,06 МПа при С = 0,08...0,30. Обкатка установки, проверка надежности системы питания, охлаждения и смазки, а также контролирующих приборов осуществлялась при работе двигателя без расслоения и дополнительного завихрения заряда. Надежность систем зажигания и питания проверялась перед каждым этапом испытания.

Установка состояла из следующих основных агрегатов:

1) двигателя, оборудованного системами питания, зажигания и подачи дополнительного воздуха в нижнюю часть цилиндра для расслоения и дополнительного завихрения заряда;

2) тормозной системы - электротормоз постоянного тока;

3) устройства для замера расхода основного и дополнительного воздуха;

4) системы замера расхода топлива;

5) пульта управления с контрольно-измерительными приборами.

Опыты проводились на испытательном стенде «RAPIDO».

Максимальный разброс измерений составил около 4%.

В четвёртой главе «Анализ результатов исследования бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда на безмоторных и стендовых установках» представлены основные результаты опытных данных.

Преимущество двигателя с дополнительным завихрением и расслоением

Рис. 10. Опытная установка на базе двигателя ВАЗ 11113

заряда с закрытым впускным клапаном в НМТ при малых нагрузках очевид-

ВАЗ-11113 в зависимости от количества и качества смеси

Если у двигателя без дополнительного завихрения заряда допускаемый диапазон изменения состава смеси на самых малых нагрузках находится по а и 0,75 и, если провести незначительное изменение состава смеси, то процесс горения выводится за границу устойчивой работы двигателя. Между тем, у двигателя с дополнительным завихрением и расслоением заряда допускаемый диапазон изменения состава смеси на малых нагрузках находится в пределах по а« 1,07. Следовательно, для выхода за пределы устойчивой работы может быть значительное изменение состава смеси.

Результаты регулировочных испытаний двигателя ВАЗ-11113с дополнительным завихрением заряда, где дополнительный воздух поступает в цилиндры под углом 12... 15° к осевой и диаметральной плоскостям цилиндра и расположением сопла на 10 мм выше от днища поршня, когда он находится в НМТ, приведены на (рисунке 12). Дана скоростная внешняя характеристика, снятая при мощностном составе смеси и оптимальных углах опережения зажигания. Как видно из графика, подача дополнительного воздуха оказывает влияние на энергетические показатели двигателя, которые имеют:

- максимальную мощность - 25,2 кВт (34,5 л.с) при 5500 мин

- максимальный крутящий момент - 51 Н.м (5,2 кгс.м) при 3300 мин';

- минимальный удельный расход топлива - 264 г!кВт. ч (194 г/л. с. ч).

Положительные результаты получены в испытаниях с подачей дополнительного воздуха 10...30% от общего расхода воздуха - при всех нагрузках и частотах вращения (кроме птщ,) при этом улучшаются энергетические и экономические показатели.

- двигатель стандартный,

-------- двигатель с дополнительным завихрением заряда,

-- двигатель с дополнительным завихрением заряда

при закрытии впускного клапана в Н.М.Т.

Рис.12. Внешняя скоростная характеристика. Двигатель ВАЗ-11113

На (рисунке 13) показано изменение скорости распространения передней кромки фронта пламени по длине камеры сгорания возле различных ионизационных датчиков в зависимости от количественной подачи дополнительного воздуха с закрытым впускным клапаном в НМТ при неизменной величине п (2000, 2400 и 3000 лшн'1), постоянном оптимальном угле опережения зажигания Уз и нагрузке (80,60 и 15%).

Средняя скорость движения передней кромки фронта пламени возрастает по мере передвижения пламени по камере сгорания. У опытного двигателя максимальная величина скорости распространения пламени выше, чем у стандартного двигателя, что способствует наилучшему сгоранию топлива. При этом, максимальная скорость распространения фронта пламени, на всех режимах работы двигателя, получается при вводе в цилиндр оптимального количества дополнительного воздуха С = 0,15.

! 1— _

1 /Г* ¡¡\" /'/!» // / ' - 1 \ -1

/// 1 /// П—1 Илгл к ч \\ х-о \

Ь Л У [ 1 \ \ \ , N \ \

" " / 1' 1

-нагрузка-15%

п=3000мин'\

-----нагрузка-60%

п=2400 мин',

-----нагрузка-80%

п=2000 мин'1,

. -с=о,оо,

<■-0=0,19,

• -С=0.15 при закрытии впускного клапана в ИМ Т.

20 \30 ; 40 50; 60 Ч, мм

4 1 3 2 №№ датчиков

Рис. 13. Изменение средней скорости распространения фронта пламени по длине камеры сгорания. Двигатель УД-15

Основными продуктами неполного сгорания в бензиновых (стандартных) двигателях, работающих на богатых смесях, является оксид углерода (СО), максимальное содержание которого достигает 90...95% от общей токсичности. Причем, как показывают опыты, выход СО не зависит от конструктивных особенностей двигателя, а определяется лишь составом смеси и коэффициентом наполнения. Предельно допустимое содержание СО в местах длительного пребывания человека не должно превышать 0,02 г/м3. Поэтому гигиенисты считают, что проблема загрязнения воздуха оксидом углерода должна выдвигаться на одно из первых мест.

Опыты автора и других ученых показывают, что оксид углерода образуется в условиях недостатка воздуха (кислорода). Правда, оксид углерода может образовываться и при наличии избытка кислорода в результате диссоциации молекул С02 при температурах выше 1800°С, а также в пристеночных слоях, где температура реакции еще достаточна для развития окислительных процессов, но недостаточна для сгорания оксида углерода в углекислый газ (СОг).

Полученные автором в результате опытов (рисунок 14) зависимости концентрации оксида углерода от коэффициента избытка воздуха имеют некоторые особенности. Например, при составе смеси а = 1,00 концентрация оксида углерода в отработавших газах сохраняет величину около 1,2% и лишь при а = 1,1. ..1,2 падает до малых значений, порядка 0,1%, дальнейшее увеличение а, в стандартном двигателе, снова приводит к некоторому увеличению концентрации СО. Поскольку в диапазоне значений коэффициента избытка воздуха от 1 до 1,2 имеется избыток кислорода, следовательно, обычное объяснение причин неполноты сгорания малоубедительно.

со, со,, ж

12

В

4

°0,5 0,7 0,9 1,1 Ой«

Рис.14. Концентрация токсичных веществ в отработавших газах бензинового двигателя УД-15 с дополнительной подачей воздуха при закрытии впускного клапана в НМТ в зависимости от коэффициента избытка воздуха

Появление оксида углерода в этом диапазоне можно объяснить двумя причинами: первая из них, как было сказано выше, является диссоциация СОг, вторая причина может заключаться в том, что при а > 1,20, в стандартном двигателе, сгорание сильно обедненных смесей замедлено и неполно, в особенности в пристеночных слоях в условиях быстрого снижения температур и давлений в процессе расширения, что нельзя сказать о двигателе с дополнительным завихрением и расслоением заряда при закрытом впускном клапане в НМТ. Анализ диаграмм двигателя и температуры по углу поворота коленчатого вала показывает, что в двигателе с дополнительным завихрением и расслоением заряда, по сравнению с обычным стандартным двигателем, максимальное давление сгорания значительно выше, но максимальная температура сгорания ниже. Для процесса сгорания в двигателе с дополнительным завихрением и расслоением заряда характерно то, что сохраняется более высокая температура и давление на большой части расширения, вплоть до открытия выпускного клапана, это способствует доокислению СО даже в выпускной системе двигателя.

В пятой главе «Экономическая эффективность дополнительного завихрения заряда при закрытом впускном клапане в НМТ в бензиновых двигателях» показана цель экономических расчетов и была оценка показателей, которые дают возможность судить о целесообразности внедрения.

Расчётами установлено, что годовая экономия топлива при пробеге 50 тыс. км составит 3278 рублей. А годовой экономический эффект при произ-

\ /со

и \ л У,-опт дроссел Е= 7,2 ш. ь- 100% ТО мин' - С = 0,00 С = 0,18

* V \ д \ \ --о - V

водстве 90 тыс. штук двигателей составляет около 54 миллионов рублей, что способствует окупаемости за 2 года 11 месяцев (в ценах на 15.01.2009 год).

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ:

1. На основании рассмотрения современного состояния проблем улучшения технико-экономических и экологических показателей двигателя и их основных компонентов — способов и схем интенсификации горения заряда, фонда количественных данных, и существующих расчетных методов, и проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований предложено схемно-конструктивное решение повышения экономических и экологических показателей двигателя путем установки на него системы дополнительного завихрения и расслоения заряда за счет подачи в цилиндр дополнительного воздуха в конце наполнения и в начале сжатия при закрытии впускного клапана в НМТ.

2. Получены новые положительные теоретические характеристики и уточненные закономерные изменения показателей двигателя, у которого улучшено смесеобразование заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха и закрытия впускного клапана в НМТ.

3. Экспериментально отработана, испытана и установлена на двигатель эффективная конструкция расслоения заряда для двигателей ВАЗ-11113, УД-15:

- конструкция системы расслоения включает: отверстие диаметром 5 мм в цилиндре по высоте 5 мм от кромки поршня (двигатель УД-15); отверстие диаметром 7 мм в цилиндре по высоте 10 мм от кромки поршня (двигатель ВАЗ-11113), находящегося в НМТ, обратный пластинчатый подпружиненный клапан, ресивер, воздуходувку (компрессор), соединительные трубки и трубопроводы, измененная геометрия кулачка газораспределительного механизма;

- в оптимальном режиме работы система обеспечивает регулируемый ввод в цилиндры, при постоянном избыточном давлении 0,05...0,06 МЛа, дополнительного воздуха 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 в количестве от 10 до 30%; затраты мощности на привод воздуходувки не превышает 2,5% от максимальной мощности двигателя;

- двигатель, при равных основных параметрах, работает с более высоким коэффициентом избытка воздуха а= 1,5...1,6 (против 1,25...1,35 серийного двигателя).

4. На основании теоретического исследования и экспериментальных данных выявлено новое перспективное направление, которое позволило улучшить эксплуатационные показатели двигателей. Применив, в новом направлении способ работы, включающий подачу в цилиндр дополнительного воздуха и сообщение ему вращательного движения. При использовании разработанного направления представляется возможным: предотвратить обратный выброс и повысить сжатие воздуха поршнем, а также организовать впрыск бензина во вращающийся поток сжатого воздуха через топливную форсунку.

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 научных работах автора. Из них: 1 публикация в изданиях, рекомендованных ВАК России; 4 научных статьи.

Научная статья, опубликована в издании, рекомендованном ВАК России:

1. Москалев JI.B. Снижение оксида углерода в бензиновом двигателе путем дополнительного завихрения заряда в цилиндре / Самойлов Н.П., Москалев Л.В. // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева, 2009. №4. С.31-34. Научные работы:

1. Москалев JI.B. Влияние дополнительного завихрения заряда на процесс наполнения бензинового двигателя. /Самойлов Н.П., Москалев JI.B. II Материалы V Международной юбилейной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», Казань, 28-30 ноября 2007 г., Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та 2008. С.198-199.

2. Москалев Л.В. Виляние дополнительно завихрения и расслоения заряда в цилиндре на процесс наполнения. /Самойлов Н.П., Самойлов Д.Н., Михеев А.А, Москалев Л.В. // Вестник.- Казань. Изд-во Казанский ГАУ. №2(8).2008.С. 153-156.

3. Москалев Л.В. Определение основных параметров системы подачи в цилиндры дополнительного воздуха. /Самойлов Н.П., Самойлов Д.Н., Москалев Л.В. // Вестник.- Казань. Изд-во Казанский ГАУ. №4(10).2008.С.125-127.

4. Москалев Л.В.Улучшение технико-экономических показателей бензиновых двигателей с дополнительным завихрением заряда при закрытом впускном клапане в нижней мертвой точке. /Самойлов Н.П., Москалев Л.В. //Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. 12-13 октября 2009 года. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2009. С.31-36.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л.1,5. Усл.печ.л. 1,39. Уч.-изд.л. 1,27.

_Тираж 100. Заказ Н90._

Типография Издательства Казанского государственного Технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

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.

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.