автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методы исследования и пути совершенствования процессов газообмена и сгорания в бензиновых двигателях

На правах рукописи

Захаров Илья Львович

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА И СГОРАНИЯ В БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа вь полнена в Московском гос\ шрствсином техническом униьер-си1сю «ЧА\Ш» на кафедре «Автомобильные и тракторные двшатети»

Научный руководи гель Макаров Л Р , кандидат технических на) к

профессор

Официальные оппоненш Драгомиров С Г , доктор технических наук,

профессор

11ономарев Ь Г кандидат технических наук Ведущее предприятие ОАО «РУМО» (г Н Новгород)

Защита диссертции сосюится «23» июня 2005 г в 16 00 часов в аудитории Ь-304 на заседании диссертационного совета Д 212 140 01 в Московском 1 осударственном техническом университете «МЛМИ» но адресу 105839 I Москва ул Семеновская, д 38

Ваши оиывы на автореферат в двух экземплярах заверенные печатью учреждения просим направлять по адресу 105839, г Москва, ул Б Семеновская 1 18 МГ ТУ «МАМИ» ученому секретарю диссертационного совета Д 21? И0 01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университега «МАМИ» по адресу 105839. г Москва, \.1 Б Семеновская, д 38

Автореферат разослан «¿0 » мая 2005 г

Ученый секретарь

диссер1ационно1 о совета Д 212 140 01

домор 1с\нических наук профессор^^-г^:?^ С В Ьахмутов

1143

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В ближайшие десятилетия XXI века поршневые бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) не утратят своего доминирующего положения в энергетических установках транспортных средств В связи с этим проблема повышения их экономических и энергетических показателей при постоянно ужесточающихся законодательных требованиях к токсичности отработавших газов остается наиболее актуальной проблемой двига-телестроения

Несмотря на многочисленные работы ведущих высших учебных заведений, научно-исследовательских институтов, моторостроительных предприятий и отдельных авторов, посвященные проблеме повышения технико-экономических показателей бензиновых ДВС, улучшение их топливной экономичности и снижение токсичности происходит крайне медленно. Сложность проблемы заключается в многообразии факторов (конструктивных, регулировочных, эксплуатационных), влияющих на рабочие процессы в двигателях. В совершенствовании этих процессов заключены существенные резервы улучшения характеристик двигателей

Перспективным направлением повышения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов двигателей является оптимизация процесса сгорания рабочей смеси (достижение максимально возможной полноты сгорания, определение закона тепловыделения, обеспечивающего наивысший индикаторный к п д., рациональное обеднение бензо-воздушной смеси и т п ) Оптимизацию и исследование различных факторов, влияющих на процесс сгорания и образование токсичных веществ, целесообразнее всего проводить на математических моделях, так как при численном эксперименте отпадает необходимость в проведении сложных и дорогостоящих экспериментальных исследований Поэтому разработка математической модели процесса сгорания в бензиновом двигателе, позволяющей проводить достаточно достоверный расчетно-теоретический анализ влияния на процесс сгорания как конструктивных, так и режимных факторов, является весьма актуальной задачей

Скорость сгорания рабочей смеси существенно зависит от турбулентности заряда в цилиндре, которая, в первую очередь, определяется величиной его скорости во впускном канале Таким образом, процесс сгорания оказывается тесно взаимосвязан с процессом газообмена Поэтому другим важным фактором, влияющим на формирование технико-экономических показателей двигателя, является совершенство процессов, протекающих во впускной и выпускной системах, и определяемых конструкцией впускных и выпускных каналов Улучшение их газодинамических показателей имеет важное значение и является актуальной задачей

Целыо работы является повышение мощности, улучшение экономичности и снижение токсичности бензинового двигателя (на примере рядного четырехцилиндрового двигателя с рабочим объемом 2,445 л) путем совершенствования процессов газообмена и сгорания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1 Разработать трехзонную математическую модель процесса сгорания в бензиновом ДВС, позволяющую на стадии проектирования получать рациональные характеристики тепловыделения и прогнозировать уровни экономичности и токсичности отработавших газов.

2 Исследовать влияние вихревого движения рабочего заряда, физико-химических свойств смеси, регулировок двигателя на скорость распространения фронта пламени и показатели двигателя

3 Разработать методику экспериментального исследования скорости распространения фронта пламени в камере сгорания бензинового двигателя с помощью ионизационных датчиков и датчиков давления с целью проверки адекватности математической модели.

4 Определить влияние газодинамических характеристик систем впуска и выпуска на показатели двигателя в комплектации испытательного бокса и транспортного средства

5 Разработать методику проектирования газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров с оптимизированными гидравлическими характеристиками

6 Разработать обобщенные эмпирические зависимости для оценки топливной экономичности и токсичности отработавших газов рассматриваемого двигателя в комплектации с системой газообмена транспортного средства в широком диапазоне эксплуатационных факторов.

Научная новизна работы заключается

• в выполненном на математической модели исследовании влияния конструкции газовых каналов и камеры сгорания двигателя, его регулировок и режимов работы на мощностные, экономические и токсические показатели;

• в определении закона тепловыделения, обеспечивающего наивысший индикаторный кпд. двигателя,

• в исследовании влияния параметров турбулентности заряда в цилиндре на скорость сгорания и показатели двигателя,

• в результатах опытной доводки системы газообмена, обеспечивающей одинаковые технико-экономические показатели двигателя в комплектациях испытательного бокса и транспортного средства.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обуславливаются

• подтверждением расчетных результатов экспериментальными, доверительным объемом экспериментов, применением современных методов статистической обработки опытных данных и планирования эксперимента,

• использованием фундаментальных уравнений гидродинамики, теплофизики, термодинамики и химической кинетики с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей,

• применением высокоточных сертифицированных автоматизированных средств измерения параметров рабочего тела и выходных параметров двигателя и газовым анализом отработавших газов

Практическую ценность работы представляют следующие новые методы, уравнения, технические решения, разработки.

• эмпирическая зависимость для оценки экономичности и токсичности по обобщенной единой характеристике бензиновых ДВС с рабочим объемом до 3,2 л в комплектации с системой газообмена испытательного бокса и транспортного средства, позволяющие на стадии проектирования прогнозировать уровень экономичности и токсичности двигателя при работе в широком диапазоне эксплуатационных режимов с погрешностью не более 4%;

• опытная партия головок цилиндров с усовершенствованной конструкцией газовых каналов и камеры сгорания, обеспечивающая на модернизируемом двигателе в комплектации с системой газообмена транспортного средства, бездетанационную его работу с повышенной до 7,5 степени сжатия на низкооктановом бензине, повышение экономичности на полных и частичных нагрузках на 4 7% и снижение токсичности ОГ в среднем по оксидам углерода на 27%, по оксидам азота на 22%, по углеводородам на 43%;

• методы экспериментально-теоретической доводки и оптимизации гидравлических характеристик газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров двигателя на безмоторной вакуумной установке (БВУ)

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований:

• использовались при проектировании и изготовлении опытной партии бензиновых ДВС на ОАО «УАЗ";

• применяются в учебном процессе на кафедре АТД МГТУ «МАМИ», на кафедре «ТСЭУиТ» НГТУ при чтении курсов «Теория и моделирование рабочих процессов ДВС» , при подготовке инженеров по специальности 101200 «Двигатели внутреннего сгорания» и магистров по направлению 552700 «Энергомашиностроение»

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на заседании кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» МГТУ «МАМИ» в 2003 - 2004 г, а также на следующих конференциях:

Международной научно-технической конференции «Двигатель-97» (г Москва, МГТУ им. Н.Э Баумана, 1997 г.),

Региональном научно-техническом форуме «Будущее технической науки Нижегородского региона» (г. Н.Новгород, НГТУ, 2002 г.);

Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (г Челябинск, ЮУрГУ, 2003 г.);

43-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера» (г. Омск, СГАДА, 2003 г);

Международном научно-техническом семинаре «Использование динамических характеристик рабочих процессов тепловых двигателей для проектирования, эксплуатации, диагностики и ремонта двигателей» (г Казань, АН Татарстана, 2003 г.);

Международной научно-технической конференции «АВТО НН 03 Автомобильный транспорт в XXI веке» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2003 г);

5-м Минском международном форуме по тепло- и массообмену (г Минск, институт тепло- и массообмена им. А.В Лыкова, НАНУ, 2004 г.);

Молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2004 г ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе одно учебное пособие (в соавторстве)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 93 наименований и приложений. Результаты изложены на 183 страницах машинописного текста, включая две таблицы и 79 иллюстраций

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность решаемой научной задачи, дается краткая характеристика выполненных исследований и полученных результатов

В первой главе определены и проанализированы актуальные задачи повышения экономичности и снижения токсичности бензинового ДВС путем совершенствования процесса сгорания Важнейшие требования к показателям рабочего процесса диктуются экологическим нормами. Это не только снижение выбросов токсичных компонентов, но и выброс С02 за счет улучшения эконо-

мичности, особенно в широком поле эксплуатационных режимов, а также вовлечение в использование низкооктановых топлив при повышенных степенях сжатия, что особенно актуально для России

Оптимизация закона тепловыделения в процессе сгорания является радикальным средством повышения экономичности и снижения токсичности бензиновых две

Математическое моделирование тепловыделения позволяет ускорить эти работы. Степень замещения экспериментальных работ расчетными зависит от достоверности математических моделей и удобства их использования

Сгорание во всех его стадиях является комплексом сложных взаимодействующих физико-химических процессов Скорость тепловыделения зависит, в основном, от двух факторов: скорости вовлечения свежего заряда в зону горения (эта скорость определяется распространением фронта пламени) и скорости физико-химических процессов в зоне горения. Однако, воплощение в математические модели этих представлений встречает значительные трудности Для того, чтобы отобразить картину движения, тепло- и массопереноса во всем объеме рабочего цилиндра требуется модель, в которой учитывалась бы неоднородность поля температур, составов смеси и скоростей В этой модели должны быть учтены «для каждой точки» условия диффузии и протекающих химических реакций Однако, создание таких моделей является чрезвычайно сложной задачей и требует для своего решения мощной вычислительной техники Поэтому в большинство случаев при моделировании процесса сгорания характеристику подвода теплоты задают либо в виде кривой, полученной экспериментально, либо аппроксимированной некоторой функцией Так широкое признание получила формула И И Вибе, в которой форма кривой задается двумя параметрами Достоинство этой формулы в близком соответствии формы кривой режимным характеристикам тепловыделения и возможности широкого ее варьирования за счет подбора параметров. Имеются попытки связать эти параметры эмпирическими зависимостями с частотой вращения, температурой, давлением, коэффициентами избытка воздуха и остаточных газов Имеются также работы, в которых параметры формулы И И Вибе связываются с представлениями о распространении фронта пламени

Принципиально иной и физически более обоснованный подход дают методы, основанные на расчетах движения фронта пламени, где количество выделившегося тепла за некоторый промежуток времени определяется массой свежего заряда, захваченного за этот промежуток времени переместившимся фронтом пламени Такой подход позволяет сохранить минимальное число наиболее характерных особенностей протекания процесса сгорания, выделить основные явления и установить для них количественные соотношения главных параметров Это дает возможность разработать математическую модель процесса, которая будет исходить из сути явлений, происходящих в процессе распространения пламени, позволит проводить достаточно достоверный расчетно-теоретический анализ влияния на процесс сгорания как конструктивных, так и режимных факторов Основу этой модели может составить схема деления процесса сгорания на три фазьг начальную, основную и конечную Скорость про-

текания процессов преобразования топлива в начальной и конечных фазах сгорания 6} лет определяться, в основном, нормальной скоростью сюрания и, следовательно, факторами, влияющими на скорость химических реакций В основной фазе расчет процессов должен вестись по трем зонам камеры сгорания зоне горючей смеси, зоне горения и зоне продуктов сгорания При этом скорость сгорания в этой фазе определяется, главным образом, скоростью вихревых движений заряда, а химические факторы здесь влияют лишь на ширину зоны горения.

При такой постановке задачи параметры, определяющие рабочий процесс (динамика тепловыделения, состав смеси, угол опережения зажигания) и, в конечном итоге, технико-экономические показатели двигателя, оказываются связанными с турбулентностью заряда, скоростью его движения во впускном канале, совершенством системы газообмена двигателя

Рассмотрение этих вопросов в первой главе позволило сформулировать основные задачи, диссертации

Во второй главе рассматривается экспериментально-теоретическая методика разработки математической модели рабочих процессов бензинового ДВС

Разработка модели заключалась в выборе, адаптации к рассматриваемой задаче и программной реализации общеизвестных математических моделей

Задача об органах впуска и выпуска решалась в квазиодномерной нестационарной постановке для комплектации двигателя с системой газообмена транспортного средства (рис 1). Течение газа на различных участках системы газообмена описывалось системой уравнений (уравнений неразрывности, Эйлера, сохранения энергии и состояния), решаемой численными методами с помощью стороннего пакета прикладных программ WAVE.

Изменений параметров состояния рабочего заряда в цилиндре рассматриваемого двигателя определялось в постановке для открытой термодинамической системы, принималось квазистатическим и описывалось системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения первого закона термодинамики, сохранения массы воздуха и продуктов сгорания. Численное решение данной системы уравнений выполнялось методом Рунге-Кутта IV порядка с помощью собственного пакета прикладных программ, граничные условия для которого были получены при решении задачи об органах впуска и выпуска

Квазиодномерная нестационарная модель течения газа во впускном и в выпускном трубопроводе не позволяла учесть распределение параметров состояния газовой смеси и учесть ее вращательное движение Поэтому для корректного задания граничных условий экспериментальным путем были получены на специально созданной безмоторной вакуумной установке (рис 2) дополнительные характеристики течения газа.

Для определения динамики тепловыделения была разработана трехзонная модель процесса сгорания.

Рис 1 Расчетная схема системы газообмена поршневого Рис 2 Безмоторная вакуумная двигателя в составе транспортного средства установка

Как ранее указывалось, основу предлагаемой математической модели составляют три фазы процесса сгорания В основной, второй, фазе расчет процессов ведется последовательно по трем зонам камеры сгорания (КС) (рис 3).

В первой зоне, зоне горючей смеси, температура при политропическом сжатии изменяется по зависимости

Т =Т

где Р,. и Тс - давление и температура в начале сгорания; Р! - текущее давление

/V, Л „ .\ ¿х ,

где — = - - ^аис)тпщ — - —

Во второй зоне, зоне турбулентного пламени, согласно принятой схеме горения, элементарный объем смеси, вовлекаемый в зону, сгорает при постоянном объеме и затем политропически расширяется. Это расширение вызывает соответствующее поджатие зон горючей смеси и продуктов сгорания Повыше-

ние температуры по фронту пламени происходит за счет тепловыделения, сжатия, догорания в зоье турбулентного пламени 11ри этом было принято, что в ламинарном слое фронта пламени выделяется около 40% от полного тепловыделения, а остальные 60% теплоты выделяются в глубине турбулентного пламени Определяя сначала повышение температуры только за счет тепловыделения в пламени, а затем с учетом сжатия, окончательно было получено выражение для температуры пламени

"2

т = T *

1 ill XQ

. Р.-1У

В третьей зоне продуктов сгорания при адиабатическом процессе температура определится по зависимости

-уКОН _ -уКОН дуКОН * lip СГ — 1 1 ' ^ * roí '

Соотношение между массой и объемом выгоревшего заряда определяем по методу Ю Б Свиридова относительно тепловыделения по зависимости

х =-

Скорость химических реакций окисления паров топлива по методам Н В Лаврова, А.Н Войнова, Г И Козлова определится по зависимости

Wv = А*-

nm * e~E/RT * (l - x)m+n

\m+n

(та)"1 * (4,76 + — ] *(1 + у)т+п I. та)

Это уравнение использовалось для расчетов скорости химических реакций по глубине зоны горения в основной и конечных фазах сгорания

По полученным уравнениям были проведены расчеты скоростей химических реакций при различных коэффициентах избытка воздуха и остаточных газов

Температура, входящая в показатель степени экспоненты, оказывает основное влияние на скорость химических реакций, поэтому характер протекания графика скорости реакции почти целиком определяются характером изменения температуры сгорания

Согласно тепловой теории фронт ламинарного пламени состоит из зоны подогрева и зоны химических реакций Теплота из зоны реакции передается в зону подогрева теплопроводностью и диффузией молекул продуктов сгорания С учетом трудов IIН Семенова, А С Соколика, Н П. Третьякова, Я Б Зельдовича, Д.Л. Франко-Каменецкого, В А. Щукина было получено следующее выражение для нормальной скорости сгорания

U - 1400 U" - VT, +118

aL0(l + y)

vqh-aq^-aq,,

\3 ГктЛ

У 1 E J

1 -w>„

-p0,5p0,10 "P

i-j Г 7

В камере сгорания двигателя с искровым зажиганием имеет место широкий спектр масштабов турбулентных пульсаций газа В начальной и конечной фазах процесса сгорания скорость протекания горения определяется мелкомасштабными турбулентными пульсациями, а в основной фазе - крупномасштабными

Для общего случая наличия мелких и крупных масштабов турбулентности для определения скорости пламени в турбулентной среде использовалась формула Ю.Б Свиридова

Глубина зоны горения в результате проведенного анализа трудов А.Н. Войнова, Н П. Третьякова, М Д Апашева определялась по зависимости

Абсолютные значения и характер протекания турбулентной скорости сгорания во втором периоде почти целиком определяется величинами и закономерностями изменения скорости крупномасштабных турбулентных пульсаций. В предлагаемой математической модели принимается, что среднеквадратичная скорость крупномасштабных пульсаций в камере сгорания пропорциональна текущему значению числа Рейнольдса Фаза видимого горения делится на два периода В первом периоде скорость сгорания определяется крупномасштабными турбулентными пульсациями, созданными струйным течением заряда через щель впускного клапана Во втором периоде скорость сгорания зависит от скорости струйного течения заряда, создаваемого вытеснителем

Текущее значение пути фронта пламени определялось по выражению

Для определения коэффициентов тепловыделения определялись текущие значения объема выгоревшего заряда Для этого определялись текущие значения площадей поперечного сечения камеры сгорания в плоскостях фронта пламени и его задней границы Тепловыделение на элементарном участке перемещения пламени при условии, 40% выделившейся теплоты приходится на объем йУфР и 60% на объем с1 V, гр составит <1х = 0,4скфР + 0,6с1хз ,р.

• Моделирование токсичных продуктов в цилиндре двигателя Реакции образования оксида углерода, оксида азота и углеводородов

Основной причиной образования оксида углерода в бензиновом ДВС является химическая неполнота сгорания при недостатке в горючей смеси воздуха Концентрация СО, образующейся в продуктах сгорания по этой причине, можно рассчитать по формуле

[СО]

42 1-д

1+ К а '

об%.

Другой причиной образования оксида углерода в бензиновом ДВС является частичная диссоциация СО2 и Н20, которая в работе подробно рассмотрена

Особенность протекания реакций в бензиновом ДВС заключается в чрезвычайно малом времени, отводимом на их завершение Расчеты показывают, что химические реакции веществ, требующих большой энергии активизации диссоциация СОг и Н20, окисление N2, за такое малое время не могут завершиться равновесными концентрациями При наличие в продуктах сгорания свободного кислорода образование оксида азота может идти по реакции-

N2 + 02 =2Ш. В работе подробно рассмотрены все способы образования оксидов азота по трех-зонной модели, реакции образования углеводородов и их расчет. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов, полученных с помощью реализованной математической модели процесса сгорания бензинового ДВС (рис. 4), сравнивались с экспериментальными данными, погрешность составила 3-6%. Таким образом, модель позволяет проводить расчетные исследования с приемлемой для концептуального уровня проектирования точностью

Рис 3 Расчетная схема камеры сгорания

с °

г пкв

Рис 6 Процесс сгорания в цилиндре ПБДВС Р4 КЛ=2,445 л, /;=4000 минре-шах, а=0,99 ---моделирование, ::::::- эксперимент

В третьей главе приведено описание объектов, оборудования и методов исследований Объектами исследований являлись одноцилиндровый двигатель с рабочим объемом 0,531 л, рядный четырехцилиндровый двигатель с рабочим объемом 2,445 л в комплектации с системой газообмена испытательного бокса (СГОИБ) и транспортного средства (СГОТС), макеты из дерева газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров.

Испытательным оборудованием являлись' безмоторная вакуумная установка для оценки гидравлических характеристик газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров, специализированный моторный стенд с одноцилиндровым и четырехцилиндровым двигателями

Методика проведения экспериментальных исследований включала научные методы с помощью которых можно получить оптимальные характеристики рабочего цикла, а именно

• метод проектирования газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров бензинового ДВС,

• метод прокручивания коленчатого вала на "одеваемом" двигателе;

• метод определения скоростей фронта пламени в камере сгорания бензинового ДВС,

• метод экспериментального исследования токсичности отработавших газов бензинового ДВС,

• метод сопоставления индикаторной и эффективной мощностей двигателя;

• метод сравнительных рабочих испытаний различных вариантов двигателей

Опытное исследование было проведено в виде многофакторного эксперимента Условия проведения испытаний и точность измерений соответствовали ГОСТ 14846-91 "Двигатели автомобильные Методы стендовых испытаний"

В четвертой главе приведены результаты диссертационного исследования Для проверки адекватности разработанных математических моделей было проведено сравнение расчетных и экспериментальных значений зависимости динамики тепловыделения от состава горючей смеси базового двигателя Р4 Ун=2,445 л (рис 5).

<41

0,04

0,02

бт

-- мм

40

30

20

ч

0.8 0,9 1,0 1,1 а Рис 5 Зависимость динамики тепловыделения состава горючей смеси двигателя Р4 F¿=2,445 л 1 - вычислительным экспериментом, нагрузка 100 %, п = 3800 мин"', 2 - экспериментом, нагрузка 100 %, п = 3800 мин'1, 3 - экспериментом, нагрузка 100 %, п = 3600 мин'

з

п , мин

Рис 7 Обобщенная характеристика базового двигателя Р4 Уь=2,445 л, Ре=Д0л п), П), 1 - СГОИБ, 2 - СГОТС, 3 - нерабочая зона, 4 - Ре=/[п)

20 40 60 и„,см/с Рис б Зависимость глубины зоны горения от нормальной скорости сгорания базового двигателя Р4 ^=2,445 л п=2000 мин"' дроссель 75%

_- расчеты по уравнению,

.......опыты К И Генкина

Анализ этих данных позволяет констатировать, что отличие расчетных значений от экспериментальных не превышает 3 6% На рис. 6 приведены результаты теоретических (по предлагаемой модели) и экспериментальных (полученных другим автором) зависимости глубины зоны горения от нормальной скорости сгорания. Анализ кривых рис. 6 показывает, что расхождение между расчетом и экспериментом не превышает 3. .6%. На основании результатов проведенного анализа кривых рис. 5 и рис. 6 достоверность моделей была признана удовлетворительной, а пригодность моделей для проведения предварительных теоретических исследований достаточной.

Таким образом, можно считать, что трехзначная математическая модель процесса сгорания бензинового ДВС разработана.

В работе приведены результаты разработки экспериментально-теоретической методики (с испольюванием ионизационных датчиков и датчиков давления), апробации и тестирования трехзонной математической модели рабочих процессов бензинового ДВС Методика предусматривала проведение вычислительного и натурного экспериментов каждого явления математической модели При этом на безмоторных установках и моторных стендах проводились всесторонние испытания по предложенным методам и получили необходимые критерии, определяющие параметры, и коэффициенты для повышения точности трехзонной математической модели. Например' фактическая степень сжатия, угол опережения момента зажигания; коэффициентов избытков воздуха, остаточных газов, настройки органов впуска и выпуска, расхода горючей смеси и отработавших газов, вращения турбулентного рабочего тела в цилиндре двигателя и др

В работе приведены результаты исследования экономических, экологических, гидравлических и энергетических показателей базового двигателя Р4 К/,=2,445 л в комплектации с системой газообмена испытательною бокса и транспортного средства с целью их улучшения Например, при испытании методом одевания двигателя получены гидравлические показатели газовых каналов при максимальном расходе воздуха' по головке цилиндров 8%, по впускной трубе 16%, по карбюратору 40%, по воздушному фильтру 36% При этом получены коэффициенты наполнения Т1„=0,72 при п=4500 мин"1, г)н=0,76 при п=4000 мин"'

На рис 7 приведена впервые разработанная обобщенная характеристика базового двигателя Р4 (4=2,445 л в комплектации с системой газообмена испы-V тательного бокса и транспортного средства, показывающая изменение удельного расхода топлива в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала Анализ кривых рис 7 показывает, что удельный расход базового двигателя в комплектации с СГОИБ составляет (630 282) г/кВт ч, а в комплектации с СГОТС - (683 292) г/кВт-ч, то есть в среднем выше на 8 3%

Экспериментальные данные рис 9 формируют двухпараметрические зависимости (поверхности), математическая обработка которых позволила впервые получить достоверные (расхождение в среднем 4%) эмпирические модели для определения удельного расхода топлива по обобщенной характеристике в комплектациях с системой газообмена испытательного бокса и транспортного средства, соответственно'

Бея =(0,0003п2 -1,068п +1672^ +(-0,0003п2 + 0,9132п -1732,1 )ре +

+ (0,0007п2 - 0,2496п + 822,7), (10)

%еб = (0,003п2 - 1,5975п + 2565,3^ + (- 0,0003п2 +1,6971п - 2902,1)ре + + (0,0001п2 - 0,4878п +1137,8), (11)

здесь ge - удельный расход топлива по нагрузочным и внешним скоростным характеристикам, г/кВт-ч, ре - среднее эффективное давление по нагрузочным и внешним скоростным характеристикам, МПа, » - частота вращения вала двигателя, мин"1

3000'

р„ Ша

шло аа

Рис 8 Изменение СО, СН=/(ре, п) базового двигателя

Р4 V),-2,445 л по обобщенной характеристики в двух комплектациях 1 - с СГИБ, 2-е СГОТС, 3 - ре=/(п), 4 - не рабочая зона

Рис 9 Обобщенная характеристика базового двигателя Р4 Уц=2,445 л в комплектации с СГОТС р«=/(0д, п), NOx=f($t, п), а=/(ре, п)

Рис 10 Гидравлические потери газовых каналов впускной трубы и головки цилиндров 1-го цилиндра двигателе Р4 1^=2,445 л в зависимости от расхода воздуха и хода клапана на БВУ - серийная,--модернизированная

4' itjf^t

1 SO Jlo

•be

1} if.

"^At

'"ft,

Рис 12. Обобщенная единая характеристика модернизированного двигателя Р4 1/(1=2,445 л для двух комплектаций с СГОИБ и СГОТС 1 - рс=/(п), 2 - =/(рс, п)

Рис 13 Обобщенная единая характеристика

модернизированного двигателя Р-4, УЬ=2,445 л для СГОИБ и СГОТС 1 - Р»), 2 - СИ, СУ>ДЯ„ и), 3 - •••• <9,.=100%

Рис 14 Конструктивная схема газовых каналов и камеры

сгорания головки цилиндров и впускного трубопровода а) базовая, б) модернизированная

Рис 15 Сравнительная оценка внешних скоростных характеристик двигателя Р4 Уь=2,445 л

......базового в комплектации СГОИБ,

——- модернизированного в комплектации с СГОТС

Аналогичная картина получена по токсичности ОГ, приведенные на рис 8 и 9 Анализ кривых pre 8 и 9 показывает, что токсичность ОГ базового двигателя составит в комплектации с СГОИБ С0=(6,2...0,25)%, СН=(120 140) чнм, Ж\=(500 3200) чн.м; с СГОТС- СО=(6,4. .0,35)%, СН=(133 150) ч н м , N0x=(500 3100) ч н м , то есть в среднем токсичность ОГ двигателя с СГОТС выше по СО на 25 .40% Таким образом, СГОТС ухудшает экономические и токсические показатели базового двигателя и требует повторной доводки двигателя.

Аналогичные зависимости получены для гидравлических потерь органов впуска и выпуска подсистемы газообмена, токсичности отработавших газов, угла опережения момента зажигания, коэффициента избытка воздуха и др Зависимости вида (10-11) необходимы на стадии проектирования и доводки двигателей для оценки эффективных и индикаторных показателей в комплектации с системой газообмена транспортного средства на различных эксплуатационных режимах работы, а также определения путей совершенствования поршневых бензиновых ДВС

В работе обоснована и предложена методика проектирования газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров с оптимизированными гидравлическими характеристиками Определена рациональная конструкция газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров и режимы работы рассматриваемого двигателя, изготовлена опытная партия деталей рис. 14.

На рис. 10 приведены результаты экспериментальной оценки газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров по гидравлическим потерям на БВУ Анализ кривых рис. 10 показывает, что при расходе воздуха 120 м3/час уменьшены, гидравлические потери на 30...34%, диаметр каналов на 18%, а скорость движения воздуха в канале повысилась на 38% по сравнению с базовым двигателем На рис. 11 приведены результаты экспериментальной оценки газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров, обеспечивающие вращения воздуха вокруг продольной оси цилиндра от 2000 до 24000 мин"1 при расходе воздуха 120 м3/час.

На рис 12, 13, 15 приведены результаты экспериментальных исследований экономичности и токсичности на полных и частичных нагрузках, полученные при стендовых испытаниях базового и модернизированного двигателя Р4 Vi,=2,445 л в комплектациях с системой газообмена испытательного бокса и транспортного средства Благодаря оптимизации степени сжатия, геометрии газовых каналов и камеры сгорания, настройки органов впуска и выпуска подсистемы газообмена получена одинаковая экономичность и токсичность модернизированного двигателя при разных комплектациях с системой испытательного бокса и транспортного средства при частоте вращения от 1000 до 4000 мин"1. Положительный эффект от применения модернизированных газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров выражался в повышении показателей модернизированного двигателя:

по мощности

• эффективна;, мощность двигателя на номина. шном режиме п 4000 мин"1 на 4,3%,

• эффективная мощность в среднем на 5,4%,

по крутящему моменту

• максимальный крутящий момент двигателя на 2,3%,

• крутящий момент двигателя на номинальном режиме п=4000 мин"1 на 4,3%;

• крутящий момент в среднем на 5,6%,

по удельному расходу топлива

• минимальный удельный расход топлива на 4,7%,

• удельный расход топлива на номинальном режиме на 3,4%;

• удельный расход топлива в среднем на 4,1%;

по токсичности отработавших газов:

• по окислам азота на 22%;

• по окиси углерода на 27%;

• по углеводородам на 43% Необходимо отметить, что полученное повышение показателей значительно выше погрешности их экспериментального определения

Таким образом, подтверждаются правильность используемой методики экспериментально-теоретических исследований по повышению экономических и экологических показателей экспериментального двигателя в комплектации с СГОТС с повышенной степенью сжатия на низкооктановом топливе и целесообразность понижения номинальной частоты вращения коленчатого вала рассматриваемого двигателя

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработана трехзонная математическая модель рабочих процессов бензинового ДВС, позволяющая на стадии проектирования получать оптимальные характеристики тепловыделения и прогнозировать уровни экономичности и токсичности ОГ по оксидам углерода, по оксидам азота и углеводородам с погрешностью4 ..6%

2 Реализована экспериментально-теоретическая методика (с использованием ионизационных датчиков и датчиков давления) апробации и тестирования трехзонной математической модели рабочих процессов с погрешностью 3 4%

3 Предложена и разработана методика проектирования газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров с оптимизированными гидравлическими характеристиками. В основу методики положен специальный профиль газового канала, обеспечивающий оптимальную круговую частоту вращения горючей смеси в цилиндре двигателя

4 Реализована обобщенная эмпирическая зависимость для оценки топливной экономичности и токсичности ОГ рассматриваемого двигателя в комплектации с системой газообмена транспортного средства в широком диапазоне эксплуатационных факторов, рекомендуемая для многоцилиндровых бензиновых ДВС с рабочим объемом цилиндра порядка 0,8 л

5 Снижение гидравлических потерь на 22% за счет оптимизации газовых каналов головки цилиндров позволили повысить мощность на 6,2%, максимальный крутящий момент на 3,9%, снизить минимальный удельный расход топлива на 2,8%, уменьшить токсичность- по оксидам углерода на 9%,

- по углеводородам на 10%;

- по оксидам азота на 4,2%

6 Повышение степени сжатия на 12% (с 6,7 до 7,5) за счет оптимизации формы камеры сгорания позволило повысить мощность на 3,6%, максимальный крутящий момент на 1,3%, снизить минимальный удельный расход топлива на 2,7%, уменьшить токсичность

- по оксидам углерода на 7%,

- по углеводородам на 7%,

- по оксидам азота на 5,8%.

7 Увеличение периода продувки камеры сгорания на 57% (с 28° до 44° ПКВ) позволило повысить мощность на 1,8%, максимальный крутящий момент на 2,2%, снизить минимальный удельный расход топлива на 1,1%, уменьшить

токсичность'

- по оксидам углерода на 6%,

- по углеводородам на 17%,

- по оксидам азота на 3,6%

8. Введение вращательного движения горючей смеси вокруг продольной оси цилиндра позволило повысить мощность на 1%, максимальный крутящий момент на 1,2%, снизить минимальный удельный расход топлива на 3,1%, уменьшить токсичность'

- по оксидам углерода на 11%;

- по углеводородам на 26%;

- по оксидам азота на 12%

9 С использованием предложенной концепции были определены рациональные конструкция газообмена и режимы работы рассматриваемого двигателя, подготовлена рабочая документация для изготовления опытной партии деталей Всесторонними сравнительными испытаниями модернизированной и базовой конструкции газообмена подтверждена правильность предлагаемого подхода к снижению гидравлических потерь и совершенствованию (процессов смесеобразования и сгорания) рабочего цикла Повышение экономичности и снижение токсичности бензинового ДВС путем совершенствования рабочего процесса позволило получить повышение технико-экономических показателей

двигателя в комплектации с СГОТС в среднем

- эффективную мощность на 12,6%;

- максимальный крутящий момент на 8,6%;

- минимальный удельный расход топлива на 9,3%;

- по оксидам углерода на 33%;

- по углеводородам на 60%;

- по оксидам азота на 25,6%.

Необходимо отметить, что полученное повышение показателей значительно выше погрешностей их экспериментального определения Таким образом, подтверждаются правильность используемой методики экспериментально-теоретических исследований по повышению экономичности и снижению токсичности бензинового ДВС путем совершенствования смесеобразования и сгорания рабочих процессов модернизированного двигателя Р4 Уь=2,445 л в комплектации с системой газообмена транспортного средства с повышенной степенью сжатия на низкооктановом топливе

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Химич B.JI, Захаров И Л Метод выбора окислителей мотороных топлив ДВС // "Двигатель - 97" Материалы международной научно-технической конференции. - М.' МГТУ, 1997, с 136 -137

2 Методика исследования и расчета механических потерь поршневых двигателей внутреннего сгорания ■ Учебное пособие В.Л. Химич, В H Зет-рин, И.Л. Захаров. - Н. Новгород. НГТУ, 1998, 32 с.

3 Химич В.Л., Кузнецов Ю П, Хрунков С H , Захаров И.Л. Выбор критерия оценки рабочего цикла 4-цилиндрового двигателя рабочим объемом 2445 см3. // Транспортные и стационарные энергетические установки и термодинамика Межвузовский сборник научных трудов. - H Новгород' НГТУ, 2000, с 21 -24.

4. Химич ВЛ, Захаров ИЛ., Хрунков СН, Писарев ЮН Методика повышения топливной экономичности поршневого двигателя внутреннего сгорания в комплектации "нетто" и защита окружающей среды. // Энергетические установки и термодинамика. Межвузовский сборник научных трудов. - Н. Новгород НГТУ, 2002, с 46 - 47

5 Кузнецов Ю.П , Захаров И Л , Попов А а. Снижение токсичности поршневых двигателей в комплектации "нетто", работающих на низкооктановых топливах // Энергетические установки и термодинамика Межвузовский сборник научных трудов. - H Новгород. НГТУ, 2002, с 48 - 49

6. Захаров И Л Математическая модель выделения теплоты в бензиновом двигателе для повышения его экономичности // Будущее технической науки Нижегородского региона. Материалы научно-технического форума. - Н. Новгород. НГТУ, 2002, с 234 - 235.

7. Кузнецов Ю.П , Хрунков С H , Захаров ИЛ Повышение экономичности четырехцилиндрового двигателя рабочим объемом 2,445 л в комплектации "нетто" на частичных нагрузках // Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения. Труды Международно-практической конференции Челябинск: ЮУрГУ, 2003, с 199 - 202.

8 Шемагин И.А , Коромысло А H, Зетрин В.Н., Захаров И.Л Универсальный стенд для исследований и доводки рабочих процессов поршневых двигателей в комплектации "нетто" // Проблемы создания и эксплуата-

И 0 4 11

ции автомобилей, специальных и технологических мгг>и г" р " " ~"' ии гЬпн п Сибири и Крайнего севера. Материалы 43-й Междун1 Н Ь , УССКИИ Фонд технической конференции Ассоциации автомобильных

25 сентября 2003 года. - Омск- СибГАДА, 2003, с 63 - 64 2006-4

9. Захаров И.Л , Хрунков С.Н, Шемагин И.А, Зетрин В.Ь

Повышение характеристик поршневого двигателя в кор / /4,7

то" за счет совершенствования процесса горения. // АВ мобильный транспорт в XXI веке Международная научно-техническая конференция 17-19 декабря 2003 г - Н. Новгород: НГТУ, 2003, с 269 -270.

10. Химич В Л., Хрунков С Н, Захаров И.Л., Зетрин В.Н. Динамическая математическая модель исследования процесса сгорания поршневого двигателя в комплектации "нетто" // Сборник трудов международного научно-технического семинара "Использование динамических характеристик рабочих процессов тепловых двигателей для проектирования, эксплуатации, диагностики и ремонта двигателей". - Казань: Изд ФЭН, 2004, 5 с.

11. Захаров ИЛ., Хрунков С Н. Изменение кинетики межфазового перехода в органах впуска поршневого ДВС для обеспечения топливной экономичности на частичных нагрузках. // Научно-техническая конференция

26 - 27 мая 2004 г. Будущее технической науки. - Н. Новгород: НГТУ, 2004, с 185 - 186.

Захаров Илья Львович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

«Методы исследования и пути совершенствования процессов газообмена и сгорания в бензиновых двигателях»

Подписано в печать Заказ '^'-^д Тираж 80

Бумага типографская Формат 60x90/16.

МГТУ «МАМИ», Москва, 107023, Б. Семеновская ул., 38

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА И СГОРАНИЯ В ПОРШНЕВЫХ

БЕНЗИНОВЫХ ДВС.

1.1. Методы математического моделирования рабочего цикла поршневого бензинового ДВС.

1.2. Современное представление о распространении пламени, сгорании и тепловыделении в двигателях с искровым воспламенением.

1.3. Методы моделирования процесса сгорания.

1.4. Математическое моделирование характеристик тепловыделения и исследование процесса сгорания в цилиндре бензинового двигателя.

1.5. Постановка задач исследования.

Выводы по главе

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ПОРШНЕВОМ БЕНЗИНОВОМ ДВС.

2.1. Проектирование газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров.

2.2. Моделирование процессов в цилиндре двигателя и в системе газообмена.

2.3. Математическая модель процесса сгорания в цилиндре поршневого бензинового двигателя.

2.3.1. Температурное поле в камере сгорания бензинового двигателя

2.3.2. Соотношение между массой и объемом выгоревшего заряда.

2.3.3. Скорость химических реакций окисления паров топлива.

2.3.4. Нормальная скорость сгорания.

2.3.5. Турбулентное распространение пламени.

2.3.6. Глубина зоны горения.

2.3.7. Распространение пламени и коэффициент тепловыделения.

-32.4. Образование и моделирование токсических продуктов в цилиндре поршневого бензинового двигателя.

2.4.1. Образование оксида углерода.

2.4.2. Образование оксидов азота.

2.4.3. Образование углеводородов.

2.5. Математическое моделирование образования NOx и СО в поршневом бензиновом двигателе.

2.5.1. Реакции образования оксидов азота.

2.5.2. Реакции образование оксидов углерода.

2.6. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Тестирование математической модели.

Выводы по главе 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Техническая характеристика объекта исследования.

3.2. Безмоторная вакуумная установка и проведение аэродинамических продувок.

3.3. Моторный исследовательский стенд для испытаний ДВС.

3.4. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.5. Планирование эксперимента, условия проведения испытаний и точность измерений.

Выводы по главе 3.

4. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Выбор определяющих параметров и критерия оценки экономичности и токсичности ОГ поршневого бензинового ДВС.

4.2. Исследование организации рабочих процессов поршневого бензинового ДВС. Апробация модели.

4.2.1. Влияние состава рабочей смеси на процесс сгорания.

4.2.2. Зависимость средней скорости пламени и тепловыделения от частоты вращения коленчатого вала в поршневом бензиновом ДВС.

4.2.3. Зависимость скорости пламени и тепловыделения в камере сгорания от угла опережения момента зажигания.

-44.2.4. Зависимость скорости пламени и тепловыделения в камере сгорания от нагрузки.

4.2.5. Влияние формы камеры сгорания на характеристику тепловыделения.

4.3. Исследование экономических, экологических, гидравлических и энергетических показателей базового двигателя Р4 Vh=2,445 л с целью их улучшения.

4.3.1. Результаты экспериментальных исследований влияния элементов системы впуска на наполнение цилиндров при прокручивании вала двигателя.

4.3.2. Результаты экспериментальных исследований экономических, экологических и энергетических характеристик, полученных при стендовых моторных испытаниях базового двигателя Р

Vh=2,445 л.

4.3.3. Вывод эмпирических моделей топливной экономичности и токсичности.

4.4. Разработка модернизированной конструкции газовых каналов и камер сгорания головки цилиндров двигателя Р4 Vh=2,445 л.

4.5. Результаты испытаний модернизированной конструкции газовых каналов и камеры сгорания на двигателе Р4 Vh=2,445 л.

Выводы по главе 4.

Современный транспорт предъявляет все более жесткие требования к экономическим, токсическим и энергетическим показателям поршневого бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), но их улучшение встречает все новые и новые трудности.

Процесс сгорания уже с момента рождения двигателя стал предметом непрерывных исследований. Эти исследования ведутся во многих направлениях и их актуальность непрерывно возрастает. Даже при тщательно отработанном процессе двигатель с искровым зажиганием на многих режимах полностью не использует энергетические ресурсы топлива и во многих случаях потери от процесса превращения топлива в конечные продукты реакции достигают 10.15%.

Возникают проблемы, связанные с необходимостью резко повысить эффективность процесса, а также с тем, что воздушные бассейны больших городов в условиях развивающегося транспорта стали загрязняться большим количеством высокотоксичных продуктов (оксид углерода, оксиды азота, канцерогенные соединения, углеводороды и др.). Многие проблемы можно решить путем усовершенствования конструкций камеры сгорания и газовых каналов органов впуска и выпуска системы газообмена. Однако все это достигается ценой больших затрат времени и средств. Усиленно ведутся исследования в области снижения токсичности отработавших газов, так как загрязнение воздуха в городах во многих странах становится национальным бедствием.

Несмотря на многочисленные работы многих школ высших учебных заведений (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ (МАМИ), МАДИ (ТУ), СПГТУ и др.), научно-исследовательских организаций (НАМИ, НАТИ, НИИУАвтопром, ЦНИДИ и др.), заводов (ОАО ГАЗ, ОАО УАЗ, ОАО ЗИЛ, ОАО ЗМЗ и др.), посвященных проблеме повышения топливной экономичности и, в том числе, экономичности на малых и средних нагрузках ДВС, уровень расхода топлива снижается крайне медленно. Многообразие факторов, влияющих на структурные составляющие топливной экономичности на частичных нагрузках, серьезно затрудняет как экспериментальные, так и (особенно) теоретические исследования этого показателя.

Вместе с тем, конструктивные исполнения бензиновых ДВС сильно различаются по своим характеристикам. Поэтому при исследовании необходимо индивидуально подходить к каждой конструкции двигателя или, по крайней мере, к конкретному семейству двигателей.

Одно из первых мест по массовости выпуска и распространенности в эксплуатации в настоящее время занимает рядный четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,445 л (отечественные производители - ОАО ЗМЗ, ОАО УМЗ, ОАО "Волжские моторы"; зарубежные - заводы КНР). В этой работе проводились изыскания на примере подобного двигателя с системой газообмена транспортного средства (СГОТС). Изучение работы двигателя с СГОТС позволяет учесть индивидуальные особенности совокупной работы органов впуска и выпуска, КШМ и МГР и полнее удовлетворять постоянно возрастающие требования к бензиновым ДВС.

Роль поршневых двигателей внутреннего сгорания в загрязнении атмосферы и потреблении топлива в промышленных странах велика. Нехватка топлива и повышение его стоимости, а также защита окружающей среды явились причинами того, что в последние годы много внимания стало уделяться уменьшению расхода топлива бензиновых ДВС в составе транспортных средств.

В диссертации приводится краткая оценка состояния вопроса и обзор отечественно и зарубежной научно-технической и патентной информации по повышению экономичности и снижению токсичности бензиновых ДВС. Определены пути совершенствования рабочих процессов, дан обзор математических моделей рабочего цикла для оценки характеристик тепловыделения. Проведен анализ двухзонной модели с математическими уравнениями для конкретного типа двигателя с погрешностью 5.7%. На основании подробного критического анализа результатов и эффективности исследований по повышению экономичности и снижению токсичности бензиновых ДВС сформулированы задачи диссертации.

Обоснованы принципы и на их основе предложена концепция и разработана методика проектирования газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров поршневого бензинового ДВС. Разработана трехзонная математическая модель процессов смесеобразования и сгорания рабочего цикла поршневого бензинового ДВС, позволяющей на стадии проектирования получать вычислительным экспериментом оптимальные характеристики тепловыделения и прогнозировать уровни экономичности и токсичности ОГ по оксидам углерода, по оксидам азота и по углеводородам. При разработке трехзонной математической модели рабочего процесса теоретические расчеты подтверждались экспериментами.

Для экспериментальных исследований выбран рядный четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,445 л в комплектации с системой газообмена транспортного средства. Исходя из поставленной задачи, выбраны методы и разработана методика проведения экспериментальных исследований рабочих процессов, включая безмоторные и моторные испытания. Последовательно использовались методы экспериментального определения характеристик рабочих процессов. С планированием эксперимента, определены условия испытаний, точность измерений и апробация трехзонной математической модели. Проведены экспериментальные исследования экономических, токсических и энергетических показателей базового двигателя Р4 Уь=2,445 л с целью их улучшения технико-экономических показателей. Проведена разработка газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров двигателя Р4 Уь=2,445 л и проведены сравнительные испытания на различных эксплуатационных режимах работы.

В работе сформулированы основные результаты и выводы по проведенным исследованиям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана трехзонная математическая модель рабочих процессов бензинового ДВС, позволяющая на стадии проектирования получать оптимальные характеристики тепловыделения и прогнозировать уровни экономичности и токсичности ОГ по оксидам углерода, по оксидам азота и углеводородам с погрешностью 4.6%.

2. Реализована экспериментально-теоретическая методика (с использованием ионизационных датчиков и датчиков давления) апробации и тестирования трехзонной математической модели рабочих процессов с погрешностью 3. .4%.

3. Предложена и разработана методика проектирования газовых каналов и камеры сгорания головки цилиндров с оптимизированными гидравлическими характеристиками. В основу методики положен специальный профиль газового канала, обеспечивающий оптимальную круговую частоту вращения горючей смеси в цилиндре двигателя.

4. Реализована обобщенная эмпирическая зависимость для оценки топливной экономичности и токсичности ОГ рассматриваемого двигателя в комплектации с системой газообмена транспортного средства в широком диапазоне эксплуатационных факторов, рекомендуемая для многоцилиндровых бензиновых ДВС с рабочим объемом цилиндра порядка 0,8 л.

5. Снижение гидравлических потерь на 22% за счет оптимизации газовых каналов головки цилиндров позволили повысить мощность на 6,2%, максимальный крутящий момент на 3,9%, снизить минимальный удельный расход топлива на 2,8%, уменьшить токсичность:

- по оксидам углерода на 9%;

- по углеводородам на 10%;

- по оксидам азота на 4,2%.

6. Повышение степени сжатия на 12% (с 6,7 до 7,5) за счет оптимизации формы камеры сгорания позволило повысить мощность на 3,6%, максимальный крутящий момент на 1,3%, снизить минимальный удельный расход топлива на 2,7%, уменьшить токсичность:

- по оксидам углерода на 7%;

- по углеводородам на 7%;

- по оксидам азота на 5,8%.

7. Увеличение периода продувки камеры сгорания на 57% (с 28° до 44° ПКВ) позволило повысить мощность на 1,8%, максимальный крутящий момент на 2,2%, снизить минимальный удельный расход топлива на 1,1%, уменьшить токсичность:

- по оксидам углерода на 6%;

- по углеводородам на 17%;

- по оксидам азота на 3,6%.

8. Введение вращательного движения горючей смеси вокруг продольной оси цилиндра позволило повысить мощность на 1%, максимальный крутящий момент на 1,2%, снизить минимальный удельный расход топлива на 3,1%, уменьшить токсичность:

- по оксидам углерода на 11%;

- по углеводородам на 26%;

- по оксидам азота на 12%.

9. С использованием предложенной концепции были определены рациональные конструкция газообмена и режимы работы рассматриваемого двигателя; подготовлена рабочая документация для изготовления опытной партии деталей. Всесторонними сравнительными испытаниями модернизированной и базовой конструкции газообмена подтверждена правильность предлагаемого подхода к снижению гидравлических потерь и совершенствованию (процессов смесеобразования и сгорания) рабочего цикла. Повышение экономичности и снижение токсичности бензинового ДВС путем совершенствования рабочего процесса позволило получить повышение технико-экономических показателей двигателя в комплектации с системой газообмена транспортного средства в среднем:

- эффективную мощность

- максимальный крутящий момент

- минимальный удельный расход топлива

- по оксидам углерода

- по углеводородам

- по оксидам азота на 12,6%; на 8,6%; на 9,3%; на 33%; на 60%; на 25,6%.

Необходимо отметить, что полученное повышение показателей значительно выше погрешностей их экспериментального определения. Таким образом, подтверждаются правильность используемой методики экспериментально-теоретических исследований по повышению экономичности и снижению токсичности бензинового ДВС путем совершенствования смесеобразования и сгорания рабочих процессов модернизированного двигателя Р4 Уь=2,445 л в комплектации с системой газообмена транспортного средства с повышенной степенью сжатия на низкооктановом топливе.

1. Апашев М.Д. Динамика сгорания и расчет рабочего процесса в двигателе с принудительным зажиганием. - Докторская диссертация, Институт машиностроения АН СССР, 1953. - 333 с.

2. Апашев М.Д., Бейлин В.И., Михайленко В.Д. Методика расчета тепловыделения по индикаторной диаграмме с учетом утечек. В кн.: Сб. трудов ВЗПИ. Серия. Двигатели внутреннего сгорания, 1973, вып. 80, с. 11 16.

3. Апашев М.Д., Михаленко В.Д. Уравнение, связывающее скорость турбулентного горения с видимой скоростью распространения пламени в двигателе. В кн.: Сб. трудов ВЗПИ. Серия. Двигатели внутреннего сгорания, 1973, вып. 80.

4. Апашев М.Д., Стечкин Б.С. О методах совместного исследования распространения пламени и изменения давления в двигателе с искровым зажиганием. Труды лаборатории двигателей АН СССР, 1957, вып. 3, с. 147 - 151.

5. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М.: АН СССР, 1976.-224 с.

6. Варшавский И.Л., Вахошин Л.И. и др. Закономерности выброса токсичных веществ бензиновыми двигателями с интенсифицированным рабочим процессом. Автомобилестроение, 1969, № 3.

7. Варшавский И.Л., Френкель А.И. Исследование закономерностей выделения окислов азота двигателями с искровым зажиганием. В кн.: Сборник трудов ЛАНЭ. М.: Знание, 1969, с. 215 227.

8. Вахошин Л.И. О некоторых особенностях рабочего процесса бензиновых двигателей с вихревым движением заряда. Тр. НАМИ, 1969, вып. 3, с. 15-26.

9. Вибе И.И. Расчет рабочего цикла двигателей с учетом скорости сгорания и угла опережения воспламенения. Автомобильная и тракторная промышленность, 1957, № 1, с. 15-23.

10. Воинов А.Н. О детонации и воспламенении в двигателе с искровым зажиганием. Сб. тр. Поршневые двигатели внутреннего сгорания. М.: АН СССР, 1956.

11. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.

12. Воинов А.Н. Термодинамический анализ особенностей рабочего процесса бензинового двигателя с расслоенным зарядом. В кн.: Труды костромского сельхозинститута, 1971, вып. 3, с. 37-41.

13. Воинов А.Н., Скороделов Д.И. Изучение особенностей развития пред-пламенных процессов и воспламенения углеводородов различного строения. В кн.: Сборник Кинетика и Катализ. М.: АН СССР, 1967. т. 8, вып. 2, 3, с. 493 -505.

14. Волчок Л .Я. Методы измерений в двигателях внутреннего сгорания. -Л.: Машгиз, 1955.-271 с.

15. Вырубов Д.Н., Элькотб М.М. О расчете скоростей движения воздушного заряда в цилиндре двигателя. Известия ВУЗов, Машиностроение, 1965, № 4, с. 41 -46.

16. Генкин К.И. Рабочий процесс и сгорания в двигателе с искровым зажиганием. Сгорание в транспортных поршневых двигателях, 1949.

17. Генкин К.И. Экономия топлива за счет применения бедных смесей и оптимального регулирования. Автомобиль, 1951, № 5, с. 7 - 9.

18. Генкин К.И., Хазанов З.С. Исследование механизма сгорания в двигателе. В кн.: Горение и взрыв. Материалы третьего всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. М.: 1972, с. 409 - 415.

19. Генкин К.И., Хазанов З.С. Сгорание метано-воздушных смесей в поршневом двигателе. Энергомашиностроение, 1970, № 12, с. 37 - 39.

20. Гийон М. Исследование и расчет гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1964. - 388 с.

21. Гирявец А.К. Теория управления автомобильным двигателем. М.: Стройиздат. 1997. - 173 с.

22. Гитлин H.H., Николенко A.B. Улучшение показателей работы двигателей путем совершенствования организации рабочего процесса. Тр. ЛСХИ, 1971, т. 174, вып. 3.

23. Головина Е.С., Федоров П.Г. Влияние физико-химических факторов на скорость распространения пламени. В кн.: Исследование процессов горения. М.: АН СССР, 1958, с. 44 55.

24. Гольденберг С.А., Пелевин B.C. Влияние давления на скорость распространения пламени в ламинарном потоке. В кн.: Исследование процессов горения. М.: АН СССР, 1958, с. 57 - 67.

25. Гончар Б.М. Уточненный способ расчета и построения индикаторных диаграммы двигателя. В кн.: Труды ЦНИДИ, 1954, вып. 25, с. 30 - 36.

26. Горнушкин Ю.Г. Обрабока индикаторных диаграмм двигателей при помощи ЭВМ. Автомобильная промышленность, 1967, № 5, с. 9 - 11.

27. ГОСТ 148446 91 Двигатели. Методы стендовых испытаний.

28. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. (Д.Н. Вырубов, H.A. Иващенко по ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова). М.: Машиностроение, 1983, изд. 4.-376 с.

29. Егоров A.A. Определение скорости распространения пламени с помощью ионизационных датчиков. Межвузовский сборник "Энергетика" - Алма-Ата, Каз. ПТИ, 1974, вып. 4, с. 51 - 55.

30. Химич В.Д., Захаров И.Л. Метод выбора окислителей мотороных топ-лив ДВС. // "Двигатель 97". Материалы международной научно-технической конференции. - М.: МГТУ, 1997, с 136 - 137.

31. Методика исследования и расчета механических потерь поршневых двигателей внутреннего сгорания.: Учебное пособие. B.JI. Химич, В.Н. Зет-рин, И.Л. Захаров. Н. Новгород: НГТУ, 1998, 32 с.

32. Захаров И.Л. Математическая модель выделения теплоты в бензиновом двигателе для повышения его экономичности. // Будущее технической науки Нижегородского региона. Материалы научно-технического форума. Н. Новгород: НГТУ, 2002, с 234 - 235.

33. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

34. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К. Процессы сгорания в двигателях. М.: Машиностроение, 1949. - 342 с.

35. Карпов В.П., Соколик A.C. О влиянии давления на скорость ламинарного и турбулентного горения. АН СССР, 1960, т. 132, вып. 6, с. 1341 - 1344.

36. Козлов Г.И. Исследование некоторых суммарных кинетических закономерностей горения метана. Кандидатская диссертация. - М.: АН СССР, Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, Лаборатория интенсификации топочных процессов. 1959. - 176 с.

37. Кондратьев В.Н. Кинетика химических газовых реакций. М.: АН СССР, 1958.

38. Корабельщиков Н.И. Инженерный метод расчета рабочего процесса поршневых двигателей на участке сгорания. Омск, СибАДИ, 1974, вып. 5, с. 168- 179.

39. Костров A.B. Исследование процесса тепловыделения и теплоотдачи в карбюраторном двигателе при различных степенях сжатия. Автомобильная промышленность, 1967, № 4, с. 3 - 7.

40. Кошкин В.К. Исследование процесса сгорания в карбюраторном двигателе ионизационным методом. М.: Машиностроение, 1957. 78 с.

41. Лавров Н.В. Физико-химические основы горения топлива. М.: Наука, 1971.-272 с.

42. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1969. - 270 с.

43. Лернер М.О. Регулирование процесса горения в двигателях с искровым зажиганием. М.: Наука, 1972. - 295 с.

44. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968. -589 с.

45. Мандельштам A.A., Черняк Б.Я. Исследование распространения пламени и фаз процесса сгорания в двигателе АЗЛК-412. Труды МАДИ, 1975,вып. 96, с. 39 45.

46. Маркова И.В., Полухин Е.С. Влияние вытеснителей в камере сгорания на рабочий процесс карбюраторного двигателя воздушного охлаждения. -Труды НАМИ, 1964, вып. 70, с. 3 18.

47. Назаров М.М. Влияние формы камеры сгорания на процесс сгорания и экономичность бензинового двигателя. В кн.: Автотракторные двигатели. -М.: Машиностроение, 1968, с. 276 - 284.

48. Назаров М.М. О возможности интенсификации процесса сгорания в бензиновых двигателях. Труды МАДИ, 1974, вып. 71, с. 148 - 155.

49. Нормальная скорость распространения пламени при двухстадийном процессе горения. (В.А. Щукин, A.B. Мосин, А.Ф. Кузин и др.). В кн.: Горение в потоке. Труды КАИ, Казань, 1970, вып. 124, с. 50 - 58.

50. Райков И.Я. Испытание двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1975. - 320 с.

51. Свиридов Ю.Б. Влияние параметров процесса сгорания на индикаторные показатели двигателя. Тр. лаб. двигателей АН СССР, ОТН, 1957, № 3.

52. Свиридов Ю.Б. О природе турбулентного горения. Известия АН СССР, ОТН, 1953, № 11, с. 1577 - 1597.

53. Свиридов Ю.Б. Распространение пламени в условиях двигателя с воспламенением от искры. Кандидатская диссертация. М.: МАМИ, 1949. - 305 с.

54. Семенов H.H. Основные вопросы современной теории гомогенного горения однородных газовых систем. Известия АН СССР, ОТН, 1953, № 5.

55. Семенов H.H., Соколик A.C. Исследование турбулентности в цилиндре поршневого двигателя. Известия АН СССР, ОТН, 1958, № 8, с. 130 140.

56. Соколик A.C. Основы теории процесса нормального сгорания в двигателях с искровым зажиганием. М.: АН СССР, 1951.

57. Соколик A.C. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: АН СССР, 1960. - 427 с.

58. Соколик A.C., Воинов А.Н., Свиридов Ю.Б. Влияние химических и турбулентных факторов на процесс сгорания в двигателе. В кн.: Сгорание втранспортных поршневых двигателях. М.: АН СССР, 1951, с. 57 - 78.

59. Соколик A.C., Карпов В.П. О турбулентном горении газов. Физика горения и взрыва, 1967, № 1, с. 61 - 76.

60. Сороко-Новицкий В.И. Приложение статистических методов к расчету скорости сгорания рабочей смеси в двигателе с воспламенением от электрической искры. Труды кафедры Автомобили и тракторы. ВМИ. - М.: 1957, вып. 1, с. 58 - 65.

61. Сухарева JI.C. Влияние вытеснителя над поршнем на работу карбюраторного двигателя. Автомобильная промышленность, 1962, " 12, с. 6 - 9.

62. Сухарева JI.C. Влияние формы камеры сгорания на протекание рабочего процесса карбюраторного двигателя. Кандидатская диссертация, МАДИ, 1965.

63. Третьяков Н.П. Метод расчетного построения кривой тепловыделения в двигателях с искровым зажиганием. Межвузовский Сборник "Энергетика", Алма-Ата, 1975, вып. 5, с. 29 - 35.

64. Третьяков Н.П., Егоров A.A. Повышение интенсивности турбулизации и сгорания заряда в карбюраторном двигателе. В кн.: Повышение эффективности работы двигателей автомобилей, тракторов, строительных и дорожных машин. Новосибирск, 1977, с. 90 - 97.

65. Третьяков Н.П., Егоров A.A., Шевченко П.Л. Исследование особенностей распространения пламени в карбюраторном двигателе с вытеснителем в камере сгорания. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. Омск, СибАДИ, 1975, № 6, с. 230 - 238.

66. Фельдман Ю.Г. Гигиеническая оценка автотранспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха. М.: Медицина, 1975. -160 с.

67. Хитрин Л.Н., Головина Е.С., Сорокина A.B. Влияние подогрева бензо-воздушной смеси на скорость распространения пламени. В кн.: Исследования процессов горения. М.: АН СССР, 1958, с. 77 - 80.

68. Щелкин К.И. О сгорании в турбулентном потоке. Журнал технической физики, 1943, т. 8, вып. 8 -10, с. 520 - 530.

69. Щелкин К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения. М.: АН СССР, 1963. - 255 с.

70. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: АН СССР, 1965. - 739 с.

71. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС. (С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков, Б.П. Пугачев, В.А. Сребряков и др. по общей редакцией P.M. Петреченко). Л.: Машиностроение, 1990. - 328 с.

72. Groff E.G., Matekunas F. A. The Nature of Turbulent Flame Propagation in a Homogeneous Spark Ignited Engine. - SAE Technical Paper Series, 1980, № 800133 p. 1-25.

73. Singh., Surakamol K. Mathematical Modeling of Combustion Process in a Spark Ignited Engine. - SAE Technical Paper Series, 1979, № 790354 p. 1 - 20.

74. Tabaczynski R., Ferguson C.R. A Turbulent Entrainment Model Spark l£ nited Engine Combustion. - SAE Technical Paper Series, 1977, № 770647 p. 1 -17.

75. Woschni G., Csallner P. Zur Vjrausberechung des Brennverlaufes von Ottomotoren bei geänderten Betriebsbedingungen. MTZ, 1982, № 43. S 195 - 200.

76. G. Lavoie, P. Blumberg. A fundamental model for predicting fuel consumption NOx and HC emission of the conventional S.I. engine. Comb. Sei. and Tech., Vol. 21,1980.

77. E.H. James. Errors in NO emission prediction from Spark Ignition engine. SAE Paper 820046. Pp. 1-21.

78. N. Howe, C. Shipman, A. Vranos. IXSymposium. 1963. - P. 36.

79. Witze P.O., Martin J.K., Borgnakke C. Measurement and prediction of the precombustion fluid motion and combustion pates in a spark ignition engine. -SAE Techn. Pap. Ser. -№831697, 1983.