автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Аэродинамические характеристики пленочно-вихревых систем центрального впрыскивания бензина и их влияние на показатели автомобильных двигателей

/~> г „ .. ,/" ^ __....... ,,

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СКАВРОНОВ Вадим Николаевич

УДК 621.43

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОЧНО-ВИХРЕВЫХ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛЬНОГО ВПРЫСКИВАНИЯ БЕНЗИНА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук ^

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Эфрос В.В.

Научный консультант кандидат технических наук, доцент Драгомиров С.Г.

Владимир - 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..........................................................................7

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ..........................................................................15

1. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ...................................16

1.1. Исторический обзор развития топливной аппаратуры бензиновых двигателей...................................................................................................16

1.2. Пути совершенствования смесеобразования при центральном впрыске топлива........................................... .у, ...........................28

1.3. Перспективы развития внешнего смесеобразования........................45

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ КАМЕР.................59

2.1. Задачи теоретического исследования................................................59

2.2. Основные сведения о закрученных потоках.....................................59

2.3. Методика расчета аэродинамических характеристик вихревой камеры с учетом сжимаемости газа........................................................69

3. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ КАМЕР......78

3.1. Цель и задачи исследования..............................................................78

3.2. Объекты исследования.......................................................................79

3.3. Лабораторная установка и приборы..................................................82

3.4. Методика проведения исследований.................................................88

3.5. Результаты экспериментов................................................................109

3.6. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по аэродинамическому сопротивлению вихревых камер.............................117

3.7. Сравнение результатов экспериментов с различными блоками топливоподачи при их стационарной продувке и холодной прокрутке двигателя....................................................................................................118

3.8. Многофакторная оценка влияния геометрических параметров вихревых камер на наполнение двигателя.................................................122

3.9. Определение геометрических параметров блока топливоподачи с вихревым движением воздуха.....................................................................148

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ НА МОТОРНОМ СТЕНДЕ.......................................................................................150

4.1. Цель и задачи моторного эксперимента............................................150

4.2. Объекты исследований........................................................................150

4.3. Моторный стенд и методика проведения испытаний......................154

4.4. Методика оценки влияния некоторых факторов на величину крутящего момента двигателя с различными блоками топливоподачи. 157

4.5. Анализ результатов экспериментов...................................................161

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ......................................................................171

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................175

Приложение 1. Программа расчета аэродинамических характеристик

вихревой камеры.................................................................................................192

Приложение 2. Приборы и погрешности измерения величин.......................207

Приложение 3. Результаты проведения МФЭ по ОЦКП для получения моделей Лух = /(A 0,d/D) и Рпот = /(Д 0,d/D) на различных

частотах вращения вала двигателя...................................................................209

ВВЕДЕНИЕ

Развитие автомобильных двигателей в ближайшие десятилетия будет неразрывно связано с расширением применения средств электроники для управления их отдельными подсистемами, узлами и агрегатами. Электроника позволяет выйти на качественно новый уровень автоматического управления и повысить целый ряд показателей двигателей.

В области систем топливоподачи доминирующее положение заняли электронные системы впрыска топлива, позволяющие повысить топливную экономичность двигателей, снизить суммарную токсичность отработавших газов (ОГ) за счет возможности применения каталитических нейтрализаторов, улучшить динамические и пусковые качества двигателей. Дальнейшее развитие систем впрыска топлива должно идти не только в направлении совершенствования средств электроники, расширения и усложнения их функций, повышения надежности и т.п., но и по пути совершенствования смесеобразования, повышения точности дозирования, топлива, улучшения равномерности состава смеси по цилиндрам и др.

Совершенствование смесеобразования особенно важно для систем центрального впрыска топлива (ЦВТ), которые нашли применение на автомобильных двигателях с рабочим объемом 0,70...1,75л. Невысокое качество смесеобразования при этой схеме впрыска топлива проявляется в наличии топливной пленки во впускном трубопроводе, неравномерном распределении состава смеси по цилиндрам, невысокой степени гомогенизации заряда и др. Применение различных паллиативных способов улучшения смесеобразования в этих системах не дает значительных результатов, поэтому требуется радикальный пересмотр всей схемы образования топливовоздушной смеси, во многом унаследованной от традиционного карбюратора. Это позволит полнее реализовать потенциал ЦВТ и поднять его на более высокий уровень развития.

Радикальным путем улучшения смесеобразования при ЦВТ является интенсификация гомогенизации топливовоздушной смеси путем использования вихревого движения воздуха и пленочного испарения топлива с нагретой поверхности. При этом обеспечиваются высокие скорости процессов тепломассообмена и смешения топлива с воздухом. Однако использование закрученных (вихревых) потоков при такой схеме смесеобразования требует решения ряда научных и технических задач.

Данная диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению процессов закрутки воздушного потока в вихревых смесительных камерах систем центрального впрыска топлива и выявлению влияния параметров этих процессов на показатели двигателя.

Методы и объекты исследования. Теоретическое исследование влияния геометрических параметров вихревой камеры (ВК) на ее аэродинамические показатели выполнено с помощью специально разработанной компьютерной программы на языке Visual Basic.

Экспериментальное исследование проводилось на моторном испытательном стенде и разработанной лабораторной установки с использованием макетных образцов ВК с различными конструктивными параметрами.

Сравнительные испытания двигателя МеМЗ-245, оборудованного карбюратором и системой ЦВТ с прямоточной и вихревым блоками топливоподачи, позволили показать целесообразность и оценить эффективность пленочно-вихревого смесеобразования.

Научная новизна.

1. Разработана методика расчета аэродинамических характеристик ВК с учетом сжимаемости газа.

2. Определены конструктивные параметры ВК при которых обеспечиваются минимальные затраты энергии для получения эффективной закрутки потока.

3. Получены многофакторные зависимости аэродинамического сопротивления* ВК и коэффициента наполнения двигателя от конструктивных параметров ВК.

4. Определено влияние на эффективные показатели двигателя состава смеси, коэффициента наполнения двигателя и качества смесеобразования при использовании различных систем топливоподачи.

Практическая ценность. Разработаны:

- метод оценки аэродинамического сопротивления смесительных камер различных конструктивных схем;

- метод определения конструктивных параметров ВК, обеспечивающих минимальные энергозатраты, для получения эффективной закрутки потока;

- лабораторная экспериментальная установка для исследования вихревых и прямоточных смесительных камер;

- приборы и методики для определения параметров закрутки потока;

- рекомендации для проектирования смесительных камер пленочно-вихревых систем (ПВС) ЦВТ.

В диссертации под аэродинамическим сопротивлением подразумеваются потери динамического напора потока, рассчитанные в соответствии с уравнением Бернулли

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - коэффициент преобразования скорости; уровень

значимости; коэффициент избытка воздуха;

¡3 - угол между осью входного канала и радиусом ВК;

X - конструктивный параметр конфузора;

8Т. - показатель неравномерности распределения топлива г-

го цилиндра;

5Т - средняя неравномерность распределения топлива между

ср

цилиндрами;

ф - угловая координата;

у - угол наклона входных окон по отношению к оси 2\

Т|у - коэффициент наполнения двигателя;

Г|Л7х - коэффициент наполнения двигателя при его холодной

прокрутке;

Дт^эрод - изменение коэффициента наполнения двигателя из-за аэродинамических потерь;

Лг^1® - изменение коэффициента наполнения двигателя из-за динамических явлений во впускном тракте;

Дг|™догр - изменение коэффициента наполнения двигателя от подогрева заряда на впуске;

Г|вк - коэффициент полезного действия ВК;

|Л - коэффициент расхода;

- комплекс, характеризующий пропускную способность объекта исследования;

^Яе^ " комплекс, характеризующий затраты энергии на

создание определенного режима течения в выходном сечении объекта исследования; V - молекулярный коэффициент кинематической вязкости

воздуха;

Ут - молекулярный коэффициент кинематической вязкости

воздуха при турбулентном режиме течения; р - плотность газа;

рст - плотность газа у стенки ВК;

© - угловая скорость малоинерционной крыльчатки;

- коэффициент сопротивления;

- коэффициент сопротивления входных окон;

вх

\|/вх = агсБШ- - характерный угол ВК;

^вк

а - высота входного окна ВК;

В1 - коэффициент полинома, для факторов представленных в

натуральном виде; Ь - ширина входного окна ВК;

- коэффициент полинома, для факторов представленных в кодированном виде;

6реш - ширина лопаток решетки;

/) - внутренний диаметр ВК;

- наружный диаметр ВК;

^реш " Диаметр спрямляющей решетки;

с1 - диаметр выходного отверстия ВК;

с1т

¿э

Ей е

К

вк

%р'

4

К

вых

к

вх

к

д

к

реш

К

К

- диаметр й смесительной камеры в карбюраторе;

- гидравлический диаметр смесительных камер карбюратора;

- эквивалентный диаметр смесительных камер карбюратора;

- число Эйлера;

- число значимых коэффициентов в полиноминальном уравнении;

- площадь поперечного сечения ВК;

- площадь выходного отверстия ВК;

- площадь входных окон ВК;

- площадь поперечного сечения диффузора;

- площадь проходного сечения спрямляющей решетки;

- расчетное значение критерия Фишера;

- табличное значение критерия Фишера; /ь /2 = {.Р ~ 0 ' ^ ~ число степеней свободы;

в в С*

в.

шах

в

Ц»

массовый расход ; максимальный массовый расход; массовый расход воздуха; расчетное значение критерия Кохрена;

табличное значение критерия Кохрена; массовый часовой расход топлива;

массовый часовой расход топлива г'-м цилиндром;

к к

кр

к

реш к

'хпр

J К

Км

к кц

К

I

м

М,е

ш.

а

АМ

АМ,

см

т т

а

- удельный эффективный расход топлива;

- высота конфузорного участка ВК;

- высота малоинерционной крыльчатки;

- высота спрямляющей решетки;

- расстояние, пройдя которое поток спрямляется;

- номер опыта в МФЭ;

- осевое количество движения закрученного потока;

- коэффициент характеризующий закрутку (вычисляется из показаний спрямляющей решетки);

- показатель адиабаты;

- количество цилиндров двигателя;

- коэффициент эквивалентности;

- высота цилиндрической части ВК;

- осевой момент количества движения закрученного потока;

- эффективный крутящий момент двигателя;

- изменение крутящего момента двигателя в зависимости от состава смеси;

- изменение крутящего момента двигателя в зависимости

от наполнения;

- изменение крутящего момента двигателя в зависимости от качества смесеобразования;

- количество входных окон ВК;

- конструктивный параметр ВК;

N п

Р

Р,

вн

р

вых

АР

вых

л?,

вх

А Д

кр

р.

кон

Р

пот

р,

ст

АР

тр

АЛ

трен

АР

АР,

д

число опытов в многофакторном эксперименте; эффективная мощность двигателя;

показатель степени определяющий профиль тангенциальной скорости; число оборотов двигателя в минуту;

абсолютное статическое давление; вероятность гипотезы в МФЭ;

абсолютное давление внешней среды;

абсолютное давление среды, в которую происходит

истечение;

потери давления на выходе из объекта исследования; потери давления на входе в объект исследования; потери давления на крутку потока;

абсолютное среднее давление перед конфузорным участком;

потери энергии потока при прохождении, через объект исследования;

абсолютное статическое давление на стенке ВК; разница статических давлений между ресивером и

впускным трубопроводом; потери давления на трение;

разница статических давлений; разрежение в диффузоре карбюратора;

р - избыточное статическое давление по отношению к

среде, в которую происходит истечение; количество дублей в опытах;

рст - избыточное статическое давление у стенки ВК по

отношению к среде, в которую происходит истечение; Q - объемный расход воздуха;

Яе^ - число Рейнольдса рассчитанное по диаметру /);

Яе^ - число Рейнольдса рассчитанное по диаметру с/;

Яо - число Россби;

Яр - радиус зоны ВК с нулевым избыточным давлением по

отношению к среде в которую происходит истечение; Ям - радиус зоны ВК, соответствующий максимальной

тангенциальной скорости; Яг - газовая постоянная;

- внутренний радиус ВК; ^вых ~ Радиус выходного отверстия; Яъх = Яш —Ъ/2 - характерный радиус ВК;

- радиус малоинерционной крыльчатки;

г - текущий радиус;

- среднеквадратичное отклонение;

-5 2 - дисперсия коэффициентов полиномов;

- дисперсия опыта;

£у - дисперсия воспроизводимости;

- дисперсия адекватности;

Т - абсолютная температура;

Тст - абсолютная температура стенки ВК;

¿СПр - время спрямления потока в решетке;

¿р - расчетное значение критерия Стьюдента;

¿т - табличное значение критерия Стьюдента;

£УВЫХ - выходное электрическое напряжение с датчика

массового расхода воздуха; и - номер параллельного опыта в МФЭ;

Уг - среднерасходная скорость в сечении ВК с диаметром 0\

Квых - среднерасходная скорость на выходе из объекта

исследования;

Увх - среднерасходная скорость на выходе из

тангенциального окна ВК; ^реш " среднерасходная скорость в спрямляющей решетке;

Кф - среднерасходная скорость в сечении впускного

трубопровода;

"И^ф, м?г - локальные тангенциальная, осевая и радиальная

скорости потока соответственно; И'фшах - максимальная тангенциальная скорость;

- условное значение тангенциальной скорости около

• сх

стенки ВК, полученная в результате аппроксимации профиля скорости , без учета влияния пограничного

слоя;

х^ - фактор в кодированном виде;

У - экспериментальное значение отклика в МФЭ;

А

У - расчетное значение отклика по полиному;

Уj - среднеарифметическое значение отклика ву'-ом опыте;

1 - осевая координата;

■^реш " количество лопаток спрямляющей решетки;

Г - циркуляция вектора скорости;

Фи - интегральная степень закрутки потока;

Ф - геометрическая степень закрутки.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ВК - вихревая камера;

МФЭ по ОЦКП - многофакторный эксперимент по ортогональному

центральному композиционному плану; ПВС ЦВТ - пленочно-вихревая система центрального впрыска

топлива;

ЭМФ - электромагнитная форсунка;

-161. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Исторический обзор развития топливной аппаратуры бензиновых двигателей

Наиболее сложной проблемой, с которой сталкивались создатели первых ДВС, было обеспечение требуемого дозирования топлива.

Сначала в качестве систем питания были применены карбюраторы испарительного типа, в которых поток воздуха вводился в соприкосновение с большой поверхностью топлива (фитильные карбюраторы) или же пропускался через слой топлива (барботажные карбюраторы). Недостатками таких систем являлись громоздкость, опасность возникновения пожара при обратных вспышках во впускном трубопроводе, нестабильность работы. Главной проблемой этих конструкций являлась трудность регулирования состава смеси, что особенно сказывалось при работе двигателей на нестационарных режимах. Поэтому почти одновременно с появлением карбюраторов испарительного типа появилась конкурирующая с ними система впрыска легкого топлива. Первая попытка применения впрыска топлива (керосина) была предпринята еще в 1841г. итальянцем Луиджи Кристофорисом. По имеющимся сведениям [6], в 1873 г. был изготовлен двигатель, в котором бензин впрыскивался в цилиндр. О том, что интерес к системам впрыска в конце прошлого века был достаточно велик, свидетельствует ряд следующих фактов. В 1887-1890гг. Харгривсом были построены двигатели, имеющие непосредственный впрыск [86]. Шпилем в 1894г. был создан четырехтактный двигатель с впрыском бензина на тарелку впускного клапана. В 90-х годах прошлого века были