автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Интенсификация смесеобразования в пленочно-вихревых системах центрального впрыска бензина автомобильных двигателей

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

. , ~ п п На правах рукописи

с 1 V 4 1

/ 6 [под 1г::з

УДК 621.43

АБРАМОВ Павел Валериевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ПЛЕНОЧНО-ВИХРЕВЫХ СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ВПРЫСКА БЕНЗИНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 — тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 1998 г.

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Владимирского государственного университета.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор Эфрос В.В.

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

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Кустарев Юрий Степанович;

кандидат технических наук, доцент Столбов Михаил Сергеевич.

Ведущее предприятие — АО "Московский завод автотракторного электрооборудования" (МЗАТЭ-2).

Защита диссертации состоится " 2>0 " ¡м-сиЛ 1998 г. в часов на заседании специализированного совета К 063.65.04 во Владимирском государственном университете по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан лигЛ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

Соцков Д. А.

-1-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большинство выпускаемых в мире бензиновых двигателей оснащается системами впрыска топлива с электронным управлением. Их применение позволяет удовлетворительно решить задачу повышения точности дозирования топлива, но не исключает необходимости дальнейшего улучшения качества смесеобразования. В большей степени недостаточное качество приготовления смеси проявляется при центральном впрыске топлива (ЦВТ). В этом случае различие в составах смеси по цилиндрам может достигать 20...35 % при одновременном активном образовании топливной пленки (ТП) на стенках впускного трубопровода (ВТ), ухудшающей показатели двигателя на переходных режимах и способствующей неравномерному распределению топлива. Однако несмотря на указанные недостатки системы ЦВТ продолжают широко использоваться благодаря простоте конструкции, более высокой надежности и меньшей стоимости по сравнению с системами распределенного впрыска топлива.

Улучшение качества смесеобразования позволит полнее использовать потенциал систем ЦВТ и в конечном итоге должно привести к снижению расхода топлива и выброса вредных веществ.

Наиболее полно проблема повышения качества смесеобразования в системах ЦВТ может быть решена при пленочном испарении топлива в условиях интенсивного вихревого движения воздуха. В этом направлении проведено большое число исследований, однако продолжает оставаться актуальной проблема создания компактных пленочно-испарительных систем с эксплуатационными характеристиками, приемлемыми для автомобильных двигателей, работающих в условиях смены нагрузочных и скоростных режимов.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является определение возможностей улучшения качества смесеобразования в системах ЦВТ за счет использования пленочного испарения топлива и вихревого движения воздуха.

Задачи исследования:

— выявить особенности пленочного испарения топлива в условиях вихревого движения воздуха;

— разработать метод экспериментального исследования испарения топлива с горячей поверхности при наличии воздушного потока;

— исследовать влияние на испарение топлива различных факторов (температуры поверхности испарителя, скорости воздушного потока, давления впрыска и др.);

— провести сравнительное исследование качества смесеобразования с различными системами подачи топлива;

— разработать рекомендации по созданию компактных пленочно-вихревых систем ЦВТ для автомобильных двигателей.

Методы и объекты исследования. Теоретическое исследование особенностей испарения топлива в пленочно-зихревой системе (ПВС) ЦВТ выполнено на математической модели образования и испарения топливной пленки з закрученном воздушном потоке.

Закономерности испарения топлива с горячей поверхности исследовались экспериментальным путем на безмоторной установке с использованием разработанного на основе принципа термоанемометра нового метода определения времени испарения цикловой дозы топлива.

Сравнительное исследование качества смесеобразования с различными системами топливоподачи проведено на двигателе МеМЗ-245 с карбюратором, прямоточной и вихревой системами ЦВТ путем определения неравномерности распределения топлива по цилиндрам, отбора топливной пленки из впускного трубопровода, измерения температуры смеси во впускных каналах.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель для определения условий образования и протяженности топливной пленки на испарителе при впрыске топлива на горячую поверхность.

2. Получены экспериментальные данные о времени испарения топлива с горячей поверхности при движении воздуха в зависимости от различных факторов (температуры поверхности испарителя, скорости воздушного потока, величины цикловой подачи, давления впрыска и др.).

3. Методом планирования многофакторного эксперимента получена зависимость, связывающая время испарения топлива с величиной цикловой подачи, температурой поверхности испарителя и скоростью воздушного потока.

4. Определена неравномерность распределения топлива по цилиндрам двигателя, оснащенного разработанной ПВС ЦВТ. Показаны возможности улучшения качества смесеобразования и параметров двигателя при ее использовании.

Практическая ценность. Разработаны:

— метод экспериментального исследования испарения топлива с горячей поверхности при наличии воздушного потока;

— пленкоотборник оригинальной конструкции, оказывающий незначительное воздействие на газодинамические процессы во впускном тракте;

— рекомендации для проектирования ПВС ЦВТ.

Практическая реализация. Результаты исследования переданы АО "МЗАТЭ-2" и применяются в разработках перспективных систем впрыска топлива.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на научно-технических конференциях ВлГУ 1995/96 гг., на VI Международном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (г. Владимир, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы — 222 страницы, в том числе 115 страниц основного текста, 7 таблиц и 104 иллюстрации. Список литературы содержит 111 наименований.

Основные положения, представляемые на защиту.

1) Метод.экспериментального исследования испарения топлива с горячей поверхности.

2) Результаты экспериментов по определению:

— времени испарения цикловой дозы топлива в зависимости от различных факторов;

— неравномерности распределения топлива по цилиндрам и структуры смеси во впускном трубопроводе двигателя с различными системами топли-воподачи.

3) Определение резервов улучшения показателей бензинового двигателя с разработанной ПВС ЦВТ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализировано развитие систем топливоподачи автомобильных бензиновых двигателей, рассмотрены проблемы внешнего смесеобразования и пути их решения, сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

ЦВТ является закономерным этапом развития систем топливоподачи двигателей с принудительным воспламенением. Системы этого класса сочетают возможности оптимизации дозирования топлива с относительно невысокой стоимостью и взаимозаменяемостью с карбюратором, что создает предпосылки для их внедрения на выпускаемых карбюраторных двигателях с целью повышения технического уровня.

Главный недостаток систем ЦВТ, препятствующий полному раскрытию их потенциала в оптимизации дозирования топлива, — отсутствие гомогенизации смеси до ее поступления во впускной трубопровод. Поэтому развитие систем ЦВТ связывается, прежде всего, с совершенствованием смесеобразования.

Анализ работ по смесеобразованию в бензиновых двигателях, выполненных Д.А.Рубцом, Г.П.Покровским, И.Я.Райковым, А.В.Дмитриевским, К.А.Морозовым, В.И.Андреевым, Л.М.Соболевым, А.Р.Бенедиктовым,

Б.Я.Черняком, С.Г.Драгомировым и др., позволил определить, что проблемы приготовления смеси при ЦВТ обусловлены недостатком времени на испарение топлива в блоке топливоподачи и неравномерным перемешиванием его паров и капель с воздухом. В результате часть топлива выпадает в пристеночную пленку, которая распределяется по каналам ВТ неравномерно, и является одной из причин поступления в двигатель при разгоне обедненной смеси. Кроме того, из-за неоднородности смеси неравномерно распределяются по цилиндрам паровая фаза и взвешенные в потоке капли. Дискретность подачи топлива форсункой также способствует неравномерному распределению состава смеси, при этом неравномерность может достигать 20. ..35 %.

Для получения качественного смесеобразования необходимо интенсифицировать процессы испарения топлива и его смешивания с воздухом до того, как смесь поступит в ВТ. Обзор работ по проблемам смесеобразования показал, что наиболее совершенным способом приготовления смеси является пленочное испарение топлива с горячей поверхности в вихревом потоке воздуха. Полное испарение топлива различного фракционного состава в пределах смесеобразующего устройства достигнуто именно при такой организации смесеобразования. Большой вклад в изучение пленочного испарения топлива применительно к ДВС сделан Ю.Б.Свиридовым, В.А.Скворцовым, В.Н.Афросимовой, Э.Л.Китаниным, Н.Н.Пашенко и др. Результаты их исследований позволили определить, что проблема создания пленочно-испарительных систем заключается в разработке устройства, обладающего приемлемыми для автомобильного двигателя габаритными размерами, эффективной работой на переходных режимах, простотой конструкции. Существующие пленочно-испарительные системы имеют значительные размеры, достаточно сложны в конструктивном отношении, инерционны по тепловому состоянию.

Перспективной является схема смесеобразования, сочетающая пленочное испарение топлива с интенсивным вихревым движением воздуха (рис. 1), в которой реализуется идея испарения пленки не только в условиях нарастающего температурного поля, но и в нарастающем поле скоростей воздушного потока. Данная схема смесеобразования положена в основу пленочно-вихревых систем ЦВТ.

На основании проведенного анализа были определены и сформулированы основные задачи исследования:

— выявить особенности пленочного испарения топлива в условиях вихревого движения воздуха;

— разработать эффективный метод экспериментального исследования испарения топлива с горячей поверхности при наличии воздушного потока;

— исследовать влияние на испарение топлива различных факторов (температуры поверхности испарителя, скорости воздушного потока, давления впрыска и др.);

— провести сравнительное исследование качества смесеобразования с различными системами подачи топлива;

— разработать рекомендации по созданию компактных пленочно-вихревых систем ЦВТ для автомобильных двигателей.

Рис. 1. Схема пленочно-вихревой системы ЦВТ.

I - дроссель; 2 - вихревая камера; 3 - форсунка; 4 - тангенциальный входной канал;

5 - испаритель

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию смесеобразования в ПВС ЦВТ.

Интенсивность испарения топливной пленки во многом зависит от устойчивости пленочного течения. Оценка устойчивости течения пленки в ПВС ЦВТ по условию Зубера-Штауба показала, что при входном диаметре испарительного канала 60...80 мм и расходах топлива до 5 кг/ч разрушение пленки термокапиллярными силами может произойти при плотности теплового потока свыше 20...30 кВт/м2. При больших расходах топлива плотность критического теплового потока увеличивается до 80...90 кВт/м2. Практика показывает, что такой тепловой поток может быть достигнут, поэтому следует принять меры для регулирования степени подогрева испарителя ПВС ЦВТ.

Разработана математическая модель испарения топливной пленки, позволяющая определять длину ее пробега в зависимости от размеров и температуры испарителя, степени закрутки потока, расхода топлива и других факторов. В ее основу положены уравнения нестационарной теплопроводности для движущегося элемента пленки, массообмена на поверхности жидкости в закрученном воздушном потоке и средней скорости течения пленки. Приняты

А±.

1

В двигатель

следующие допущения: пленочное течение ламинарное и установившееся от начала испарителя; капиллярные силы на поверхности пленки отсутствуют; тепло передается к поверхности испарения только теплопроводностью.

Для описания распространения тепла в элементе пленки, представляющем собой изолированный по боковым граням параллелепипед, взято уравнение теплопроводности для плоской плиты в нестационарной постановке

8(ш

дт ду"

где у — поперечная к пленке координата.

Граничные условия на стенке задавались в виде полиномиального распределения температуры топлива вдоль испарительного канала; на поверхности пленки задавался тепловой поток, затрачиваемый на испарение топлива и теплообмен с воздухом:

'пл ~'ст*.А/> ЛПЛ 5 ~ г, , л В а '

ду г ах ду где х — продольная координата по образующей испарителя; г — теплота испарения; ^ — площадь поверхности испарения; тп — масса испарившегося топлива.

Массообмен на поверхности пленки в закрученном потоке рассчитывается по предложенному В.К.Щукиным и А.А.Халатовым уравнению, обобщающему экспериментальные данные:

/ л0,82

(1 + 1,20Ф°'976).

тв = 0,023Яеоя 5с0'4

\P~Pn.

Здесь Ми в =$с11 — диффузионное число Нуссельта; Ке - рв |1В — среднее число Рейнольдса; 1¥в — среднерасходная скорость воздуха в канале, которая берется относительно поверхности пленки; с1 — диаметр канала; £)п — коэффициент диффузии паров топлива в воздухе; цв — коэффициент динамической вязкости воздуха; Р — коэффициент мас-соотдачи; р — статическое давление в потоке; рп — парциальное давление паров топлива на поверхности массообмена; 5с=\'п/С)п — число Шмидта, где Уп — коэффициент кинематической вязкости паров топлива. Степень закрутки потока Ф определяется отношением Ф ~М/(КХЯЪХ), где М— осевая составляющая потока момента количества движения; Кх — осевая составляющая потока количества движения; Лвк — радиус вихревой камеры.

Плотность потока испаряющегося вещества связана с коэффициентом массоотдачи зависимостью

^ = Pp(Pn-Pnк)>

где рр — локальный коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений паров топлива у поверхности пленки и в потоке, определяемый по формуле Р^ =(3 /(КпТц); ЯП и Тп — соответственно, газовая постоянная паров топлива и их термодинамическая температура у поверхности пленки; р„ к — парциальное давление топливных паров в потоке.

Скорость перемещения элемента пленки определялась с учетом материального баланса по зависимости, выведенной П.А.Семеновым:

Зцт

Ст=Гпл5Ярт

где От — часовой расход топлива; ф — угол наклона образующей испарителя к горизонтали; 5 — толщина пленки в соответствующий момент времени;

2 / 0 25

П—периметр канала; т^ = 0,0395рв^в / Яе ' —касательное напряжение на границе раздела фаз, вычисляемое по закону сопротивления Блазиуса.

Задача решалась в численном виде. Сравнение расчетных параметров пленки с опубликованными экспериментальными данными показало, что разработанная модель качественно верно описывает действительный процесс испарения топливной пленки.

Проведенные численные эксперименты дали следующие результаты. При работе двигателя с гТ/,=1,1...1,2 л по внешней скоростной характеристике длина топливной пленки может составлять 60... 150 мм. Наиболее существенное влияние на ее пробег до полного испарения оказывают входной и выходной диаметры испарительного канала, степень закрутки воздушного потока и распределение температуры испарителя по длине. Особый интерес представляет влияние входного диаметра испарительного канала: с его уменьшением пробег пленки сокращается, несмотря на то, что при этом уменьшается поверхность тепломассообмена и увеличивается начальная скорость жидкости, т. е. можно ожидать увеличения длины пленки. Однако в силу того, что при уменьшении входного диаметра испарителя возрастает скорость воздуха в канале, являющаяся значительно интенсифицирующим испарение фактором, топливо испаряется на меньшем отрезке.

Степень закрутки потока целесообразно выбирать в пределах 1,2...2,0, т. к. при меньших значениях длина пленки может быть значительной даже

при достаточно высокой температуре испарителя, при больших — возрастает аэродинамическое сопротивление вихревой камеры.

Расчеты показали, что конусность испарительного канала приводит к увеличению пробега пленки, несмотря на то, что по длине конического канала скорость воздушного потока возрастает во второй степени. Это может быть объяснено следующими причинами. Конический испаритель равного начального диаметра с цилиндрическим имеет меньшую поверхность тепломассообмена: меньше площадь поверхности пленки, контактирующей как с горячими стенками испарителя, так и с воздушным потоком. Кроме того, из-за постепенного сужения конического канала толщина пленки убывает медленнее, и путь, проходимый ею за один и тот же промежуток времени, больше. Все вместе это приводит к возрастанию длины пробега пленки при увеличении конусности испарительного канала.

Третья глава посвящена проведению безмоторного эксперимента по изучению закономерностей испарения топлива с горячей поверхности.

Для своевременной гомогенизации смеси большое значение имеет скорость испарения впрыскиваемого топлива, поэтому при экспериментальном исследовании на безмоторной установке была поставлена цель определить условия, при которых достигается минимальное время испарения заданной дозы бензина с горячей поверхности при наличии воздушного потока.

В ходе исследования разработан новый метод определения времени испарения топлива с горячей поверхности, позволяющий исследовать влияние на этот процесс различных факторов. Основой измерительной системы является термоанемометр (ТА) постоянной температуры, чувствительным элементом (ЧЭ) которого служит никелевая пленка, нанесенная на керамическую подложку. Никелевая пленка включается в плечо электрического моста как терморезистор. Отличительной особенностью использования термоане-мометрического принципа в разработанном методе от его обычного применения является дополнительный подогрев ЧЭ отдельным источником. Подводимая мощность компенсирует теплообмен поверхности ЧЭ с воздушным потоком и регулируется таким образом, чтобы падение напряжения на сопротивлении ЧЭ при отсутствии топлива всегда находилось на одном уровне.

Принцип действия измерительной системы следующий. При смачивании топливом ЧЭ охлаждается, что приводит к снижению его сопротивления и выходу из состояния равновесия моста. Электронная схема ТА увеличивает ток через ЧЭ. В результате никелевая пленка прогревается и восстанавливает свое сопротивление. По мере испарения топлива требуется меньшая мощность для поддержания постоянства сопротивления ЧЭ, поэтому напряжение на нем постепенно уменьшается и при полном испарении топлива возвращается на исходный уровень. Типичная форма сигнала измерителя при различ-

ных цикловых подачах, регистрируемого одновременно запоминающим осциллографом и компьютером, показана на рис. 2. На осциллограмме виден крутой подъем кривой, говорящий о малой постоянной времени измерительной системы, которая не превосходит 2 мс. Задний фронт более пологий, но возвращение линии сигнала на исходный уровень видно отчетливо. Таким образом, моменты начала взаимодействия топлива с поверхностью ЧЭ и конца испарения фиксируются четко и однозначно.

U, В

20 30

Время испарения

т, мс

(для 7 мг)

Рис. 2. Осциллограммы сигнала термоанемометра при различных цикловых дозах бензина Аи-93: t„=200 °С; Wb=20 м/с

Созданная на основе этого метода экспериментальная установка позволяет регистрировать время испарения топлива в зависимости от температуры испарителя, величины цикловой подачи, давления впрыска, угла наклона форсунки, скорости и давления воздуха. В экспериментах использовалась штифтовая форсунка Bosch.

Во всех опытах время испарения доз бензина Аи-93 массой до 16 мг при температуре испарителя 90...220 °С не превышало 100 мс. Наибольшее значение средней скорости испарения достигало 0,63 г/с, что в 5 раз меньше расхода топлива на номинальном режиме двигателя с рабочим объемом 1,1. ..1,3 л.

Наиболее существенное влияние на продолжительность испарения бензина оказывают температура испарителя и скорость воздушного потока. При повышении температуры от 90 до 200 °С время испарения дозы бензина 16 мг

уменьшается от 50 до 30 мс. Визуальное наблюдение за испаряющимся бензином показало отсутствие сфероидального кипения при температурах вплоть до 220 °С. Увеличение скорости воздуха от 0 до 26 м/с снижает продолжительность испарения той же массы бензина от 40 до 25 мс при температуре 180 °С.

При исследовании испарения различных доз топлива было обнаружено, что с увеличением цикловой дозы средняя скорость испарения значительно возрастает. Например, при температуре 220 "С скорость испарения 16 мг бензина в 6 раз больше, чем дозы 1 мг. Более интенсивное испарение больших подач объясняется большей поверхностью тепломассообмена в начальной стадии взаимодействия жидкости с горячей поверхностью и фракционированием топлива: сначала относительно быстро испаряются легкокилящие фракции, затем более медленно — тяжелые. Отсюда можно заключить, что одними из ключевых факторов, определяющими время гомогенизации, являются параметры орошения испарителя: плотность, площадь и равномерность.

Зависимость времени испарения топлива от угла наклона форсунки по отношению к испарителю выражена неярко, однако прослеживается тенденция его сокращения с уменьшением угла.

Давление впрыска влияет на динамику испарения в значительно меньшей степени, чем температура испарителя и скорость воздуха. При его увеличении со 100 до 250 кПа время испарения уменьшается примерно на 20 %, причем в интервале 100...200 кПа снижение составляет только 8. ..10 %. Возможно, испарение в большей степени интенсифицируется с повышением давления более 200 кПа из-за улучшения распыливания форсункой.

При проведении многофакторного эксперимента за целевую функцию было принято время испарения топлива. В число факторов включены температура испарителя, величина цикловой дозы топлива и среднерасходная скорость воздушного потока. В качестве плана был выбран ортогональный центральный композиционный план 2-го порядка. В результате проведения эксперимента получена расчетная зависимость, связывающая время испарения бензина с перечисленными тремя факторами:

ти = 147,7 + [/„ (1.208Ж, + 23,5 ^ - 731,3) + + 1¥в(32,0Вёи -1485)-3407£ц +1,074/с2т +

+ 8,97 - 77,64 ^ц ] 10~3.

Данная формула позволяет в первом приближении оценивать время (в миллисекундах) испарения топлива в следующем диапазоне изменения факторов: Дт=90...210 "С, £ц=3...15 мги Жв=6...54м/с.

С помощью полученной зависимости была оценена степень испарения топлива в пленочно-вихревом смесеобразующем устройстве при работе двигателя рабочим объемом 1,1 л по внешней скоростной характеристике. Получено, что при двукратном впрыске за оборот коленчатого вала отношение периода впрыска (т. е. располагаемого для испарения времени) к расчетному времени испарения подачи лежит в пределах 20...70 %. При допущении постоянства скорости испарения это отношение приближенно равно степени испарения топлива. Увеличить степень испарения можно при переходе к однократному впрыску путем одновременного ввода нескольких струй топлива, равных по массе одной цикловой дозе. Таким же образом можно повысить интенсивность испарения и при двукратном впрыске, но при однократном в любом случае степень испарения топлива будет выше.

В четвертой главе приведены результаты моторного эксперимента по исследованию качества смесеобразования и его влияния на показатели двигателя при карбюраторном питании, с прямоточной и пленочно-вихревой системами ЦВТ. Определялись распределение топлива по цилиндрам двигателя, количество и распределение топливной пленки во впускном трубопроводе, температура топливовоздушной смеси.

Эксперимент проведен на двигателе МеМЗ-245 автомобиля ЗАЗ-1102 "Таврия". Конструктивные параметры испытуемых систем топливоподачи следующие: диаметр смесительных камер (СК) карбюратора ДААЗ-21081 — 32 мм; диаметр СК блока топливоподачи прямоточной системы ЦВТ — 32 мм; диаметр вихревой камеры ПВС ЦВТ — 70 мм; выходной диаметр конического испарителя — 36 мм; длина испарительного канала — 100 мм; воздух входит в вихревую камеру по трем тангенциальным каналам; дросселирование — золотниковое. Испаритель имел газовый подогрев (отработавшие газы подводились от 2-го и 3-го цилиндров).

Неравномерность распределения топлива по цилиндрам определялась по известной методике, основанной на зависимости температуры газов в цилиндре от а. Для отбора топливной пленки из впускного трубопровода создана установка, имеющая пленкоотборники оригинальной конструкции. Их особенность заключается в минимальном изменении геометрии каналов трубопровода, благодаря чему они могут применяться на двигателях с различной компоновкой впускных систем, а также оказывают незначительное воздействие на газодинамические характеристики впускного тракта.

Исследование проводилось по внешней скоростной характеристике в диапазоне частот вращения от 1500 до 3500 мин'1, т. к. на этих режимах работы двигателя условия смесеобразования во впускном тракте особенно неблагоприятные. Эксперименты показали, что по неравномерности распределения

топлива карбюратор и прямоточная система ЦВТ находятся примерно на одном уровне (рис. 3).

5Т ср> %

'лл ср> %

1000 1500 2000 2500 3000 3500

п, мин

Рис. 3. Средняя по цилиндрам неравномерность распределения топлива, топливной пленки и подогрева смеси во впускном трубопроводе на режиме полной нагрузки с различными системами топливоподачи -&- Карбюратор —О— ЦВТ —К- — ПВС ЦВТ

С карбюратором средняя неравномерность распределения топлива по цилиндрам 5 т ср составляет 2,5...7,5 %, с прямоточной системой ЦВТ — 1,5...7 %. При работе двигателя с ПВС ЦВТ 8 тср уменьшается до 1,5...3,8 %, причем разница в расходе топлива по 2, 3 м 4-му цилиндрам в диапазоне частот вращения 3000...3500 мин*1 практически отсутствует. Максимальная степень неравномерности распределения топлива при карбюраторном питании достигает 18 %, с прямоточной системой ЦВТ — 19 % и с ПВС ЦВТ — 9 %.

Отбор ТП из ВТ производился на тех же режимах, что и определение неравномерности распределения топлива. Наибольшее количество топлива выпадает в ТП при карбюраторном питании (рис. 4), особенно при низких частотах вращения. Меньшее количество ТП на этих режимах при ЦВТ объясняется достаточно хорошим распиливанием топлива форсункой. С увеличением частоты вращения доля пленки значительно уменьшается и при л=3500 мин"1 составляет 1,5...3 %.

По каналам ВТ ТП распределяется неравномерно. При этом характер неравномерности согласуется с неравномерностью распределения топлива и можно заключить, что существенный вклад в неравномерное распределение состава смеси по цилиндрам вносит неравномерное распределение по ним ТП.

Температура смеси в каналах трубопровода также неодинакова. Неравномерность подогрева с карбюратором и прямоточной системой ЦВТ изменяется в пределах 6...14%.

-13' пя »

1000 1500 2000 2500 3000 3500 л , мин'1

Рис. 4. Относительное количество топливной пленки во впускном трубопроводе двигателя при работе на режиме полной нагрузки с различными системами топливоподачи

В ходе исследования структуры смеси в ПВС ЦВТ установлено, что при частотах вращения до 2000 мин'1 и полном дросселе интенсивность испарения топлива недостаточная и в пленку выпадает до 5% топлива. Это обусловлено невысокой температурой испарителя на этих режимах (менее 120 °С) и малой (до 10 м/с) скоростью воздуха. Но, тем не менее, и на этих режимах доля ТП в 3 раза меньше, чем с карбюратором, ив 1,2... 1,5 раза меньше, чем с прямоточной системой ЦВТ (см. рис. 4). Поэтому неравномерное ее деление уже не может оказать существенного влияния на распределение топлива.

Подогрев смеси в каналах ВТ при работе двигателя с ПВС ЦВТ на 3...5 °С выше, чем с другими системами, что свидетельствует о меньшем отводе тепла к ТП на стенках трубопровода вследствие меньшего ее количества. Неравномерность подогрева смеси практически постоянна во всем исследованном диапазоне и составляет примерно 11%.

Улучшение качества смесеобразования при использовании ПВС ЦВТ позволило повысить предел эффективного обеднения смеси до а =1,2... 1,3 на режимах частичных нагрузок при частоте вращения до 3000 мин'1. По внешней скоростной характеристике (рис. 5) получен прирост крутящего момента на 2...4 %, удельный эффективный расход топлива & снизился на 2...12 % в большей части скоростного диапазона. При «=3000...3800 мин"1 выбросы СО и СН уменьшились, соответственно, на 10...50 % и 20...30 % (большее значение — по сравнению с карбюратором). При работе двигателя по нагрузочным характеристикам (рис. б) ge снизился в среднем на 2...7 %, содержание в отработавших газах СО и СН уменьшилось, соответственно, на 5...60 % и 10...40 % в большей части диапазона изменения нагрузки.

Рис. 5. Внешняя скоростная характеристика двигателя МеМЗ-245 с различными системами топливоподачи

Карбюратор —о — ЦВТ —х- — ПВС ЦВТ

Рис. б. Нагрузочные характеристики двигателя МеМЗ-245 с различными системами топливоподачи при п = 2500 мин"1 (обозначения соответствуют рис. 5)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработанная модель испарения топлива позволяет определять протяженность топливной пленки в зависимости от режимных и конструктивных параметров ПВС ЦВТ. Теоретически установлено, что при испарении пленки решающее значение на длину ее пробега оказывает скорость закрученного воздушного потока. Показано, что конусность испарительного канала приводит к увеличению длины пробега пленки по сравнению с цилиндрическим испарителем равного начального диаметра.

2. Разработанные новый метод экспериментального исследования испарения топлива с горячей поверхности и комплекс измерительной аппаратуры обеспечивают определение времени испарения впрыскиваемого топлива с погрешностью до 3 мс в зависимости от температуры испарителя, величины цикловой подачи, скорости воздушного потока, направления и давления впрыска топлива.

3. Экспериментально установлено, что скорость испарения топлива с горячей поверхности в наибольшей степени зависит от температуры испарителя, скорости воздушного потока и величины цикловой подачи. При испарении бензина минимум кривой Т„=/ (/ст) с увеличением скорости воздуха смещается в область меньших температур.

4. Направление впрыска топлива относительно оси канала и давление впрыска оказывают незначительное влияние на динамику испарения топлива.

5. В результате проведения многофакторного эксперимента получена расчетная зависимость, связывающая время испарения топлива с температурой испарителя, скоростью воздушного потока и величиной цикловой подачи, которая в качестве первого приближения может быть использована при расчетах смесеобразующих устройств пленочно-испарительного типа.

6. Проведено сравнительное исследование качества смесеобразования с тремя различными системами топливоподачи: карбюраторной, прямоточной и пленочно-вихревой системами ЦВТ. При первых двух в пристеночную топливную пленку выпадает от 5 до 15 % топлива, вызывая значительную неравномерность его распределения по каналам впускного трубопровода. При работе двигателя с пленочно-вихревой системой ЦВТ в пленку выпадает не более 5 % топлива, а неравномерность распределения топлива по цилиндрам по сравнению с карбюратором и прямоточной системой ЦВТ уменьшается в 1,5...2 раза.

7. Более совершенное смесеобразование в пленочно-вихревой системе ЦВТ позволило повысить предел эффективного обеднения смеси до а =1,2...1,3 на режимах частичных нагрузок при частоте вращения до 3000 мин"1, по внешней скоростной характеристике мощность возросла на 2...4 %, расход топлива снизился на 2.. Л2 %, выбросы СО и СН уменьши-

лись, соответственно, на 10...50 % и 20...30 %. При работе двигателя по нагрузочным характеристикам ge снизился в среднем на 2...7 %, содержание в отработавших газах СО и СН уменьшилось, соответственно, на 5...60 % и 10. ..40 % в большей части диапазона изменения нагрузки.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Разработка вихревых систем центрального впрыска топлива для автомобильных двигателей / Отчет о НИР по гранту Г93-8/2, тема 1328/93. — Владимир, 1994. — 41 с.

2. Система отбора топливной пленки из впускного трубопровода бензинового двигателя внутреннего сгорания / Сост.; С.Г.Драгомиров, Ю.Г.Горнушкин, П.В.Абрамов: Информ. листок № 59-96 — Владимир: ЦНТИ, 1996, — 4 с.

3. Абрамов П.В. Интенсификация смесеобразования при центральном впрыске топлива в автомобильных двигателях // Совершенствование мощно-стных, экономических и экологических показателей ДВС: Материалы VI Ме-ждунар. науч.-практ. семинара. —Владимир, 1997. — С. 180-183.

4. Абрамов П.В., Драгомиров С.Г., Горнушкин Ю.Г. Исследование образования топливной пленки при использовании карбюратора и системы центрального впрыска топлива // Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Материалы VI Междунар. науч.-практ. семинара. — Владимир, 1997. — С. 184-185.

5. Драгомиров С.Г., Абрамов П.В., Скавронов ВН. Результаты поисковых работ по созданию вихревых систем центрального впрыска топлива бензиновых двигателей // Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Материалы VI Междунар. науч.-практ. семинара.— Владимир, 1997. — С. 194-196.

6. Абрамов П.В. Возможности улучшения смесеобразования в бензиновом двигателе при использовании локально-пленочного режима испарения топлива // Диагностика и ремонт агрегатов машин: Сб. — Владимир, 1997. — С. 73-79.

Изд. лиц. № 020275 от 13.11.96. Подписано в печать 2-5.05.98.

Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,98. Тираж 80 экз. С - 8 4.

Заказ 22 2-9$.

Владимирский государственный университет. Подразделение оперативной полиграфии Владимирского государственного университета. Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 600026, Владимир, ул. Горького, 87.