автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Научные основы и пути совершенствования токсических характеристик автомобильных двигателей с искровым зажиганием

Государственный научный центр Российской Федерации

Центральный научно-исследовательский автомобильный н автомоторный институт

- ГНЦ НАМИ -

РГ Б Од п'м™х^укописи

1 5 ДЕН ЪаЬ

КАМЕНЕВ ВЛАДИМИР ФЕДОРОВИЧ

УДК 621.43.008

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТОКСИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант. •

д.т.н., профессор КУТЕНЕВ В.Ф.

Москва - 1996 г.

Работа выполнена в отделе токсичности автомобильных двигателей с искровым зажиганием ГНЦ НАМИ

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

на заседании диссертацнош

центре Российской Федерации Центральном научно- исследовательском автомобильном и автомоторном институте ГНЦ НАМИ по

адресу: Москва, 125438, Автомоторная ул., 2 * -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

• Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные печатью) просим направлять на имя ученого секретаря по указанному адресу.

Автореферат разослан ^О 1995 г

д.т.н., профессор Лукашш В.Н.; д.т.н., профессор, Григорьев М.А.; д.т.н., профессор Дьяченко В.Г,

Ведущее предприятие - АО "Волжский автомобильный

завод" (г. Тольятти).

Защита состоится

Ученый секретарь диссертационного Совета, К.Т.Н., с.н.с.

Зубакин А.Г.

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Технический прогресс в деятельности человека оказывает в ряде случаев негативное влияние на экологические аспекты его жизнедеятельности и, в частности, на состояние окружающей среды. Постоянный рост парка транспортных средств, использующих двигатели внутреннего сгорания, является причиной ухудшения состояния атмосферы, особенно в крупных городах и промышленных центрах. Это происходит не только за счет выброса вредных для организма человека веществ с отработавшими газами двигателей, но н за счет потребления из атмосферы необходимого для жизнедеятельности кислорода, участвующего в процессе сгорания топлива, накопления в атмосфере двуоксида углерода, который способствует возникновению так называемомого "парникового эффекта". Это побуждает человеческое сообщество принимать активные меры по защите своей среды обитания.

Экологические действия по охране окружающей среды от вредных выбросов автотранспорта включают ряд мер, среди которых наибрлее важнейшими являются:

- разработка нормативно-правовых актов, ограничивающих выброс вредных веществ автотранспортом;

- исследования воздействия компонентов отработавших плов, на организм человека и окружающую среду;

- прогноз негативных последствий на окружающую среду дальнейшей моторизации человеческой деятельности и выработка защитных мер;

- создание транспортных средств с экологически чистыми двигателями;

'- разработка методов и средств нейтрализации вредных выбросов двигателей транспортных средств.

Все эта меры требуют больших материальных затрат и социальных ограничений.

Поэтому работы в направлении повышения экологической безопасности автотранспорта являются актуальными и имеют большое социальное и экономическое значение.

Цель диссертационной работы.Целями настоящей работы являются разработка научных основ и комплекса технических мероприятий, направленных на создание экологически чистых и высокоэкономичных двигателей с искровым зажиганием, обеспечивающих автомобилям выполнение перспективных

нормативных требований, предполагаемых к введению в 2000 - 2005 годах.

В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследовании:

- разработка прощоза выброса вредных веществ автотранспортом в Российской Федерации до 2005 года и на его основе перспективных региональных нормативных требований с поэтапным их введением;

- критический анализ используемых в настоящее время средств и методов снижения вредных выбросов автомобилями с двигателями с искровым зажиганием;

- развитие основ теории рабочего процесса двигателя с точки зпення его токсических показателен;

- поиск, разработка и исследование перспективных средств и методов снижения вредных выбросов автомобильными двигателями с искровым зажиганием;

- разработка основ управления двигателем и антитоксичными системами при работе т переобедненных составах смеси;

- разработка н стандартизация методик ускоренных испытаний нейтрализаторов на эффективность и долговечность;

- разработка систем питания двигателя спиртосодержащими и водородосодержащими топлнвами;

- разработка и испытания образцов двигателей и автомобилей, на которых реализованы принципиально новые опережающие решения по снижению вредных выбросов автомобильным двигателем;

- поэтапная реализация в промышленности наработанных на прототипах новых технических решений.

Результатом поставленных в работе задач будет являться разработка прототипов автомобилей с малотоксичными двигателями, оснащенными комплексами антитоксичных систем и устройств, на которых будут реализованы принципиально новые опережающие решения по снижению выброса вредных веществ. Поэтапная реализация в промышленности наработанных на прототипах технических решений предусматривается в рамках подпрограмм "Анттокс" и "Водород" Российской программы создания "Экологически чистого автомобиля 2000 года", что должно обеспечить выполнение нормативных требований ЕВРО-2 и ЕВРО-3.

Научная н о в и ч н а. Резервы,'заложенные в рабочем процессе и конструкции двигателя внутреннего сгораннч с искровым зажиганием смеси, позволяют ему выдержать конкуренцию с другими, альтернативными силовыми агрегатами для привода в движение транспортных средств. Возможность сжигания перробсдпениых составов горючей смеси, существенного уменьшения потерь на трение и газообмен, использования новых видов топлнв,

таких как водород н метанол, дают основание утверждать, что к 2000 году будут созданы двигатели с высокими энергетическими и экономическими показателями и низким выбросом вредных веществ с отработавшими газами.

В работе представлен прогноз путей совершенствования рабочего процесса н конструкции двигателя с искровым зажиганием, разработаны теоретические основы оптимизации рабочего процесса из условия минимизации его токсичности и топливной экономичности.

Большое внимание уделено работе двигателя на режимах глубокого дросселирования и малых нагрузок как наиболее используемых при движении автомобиля в городе и при испытаниях его по "ездовым циклам" стандартов на токсичность. В теорию протекания рабочего процесса двигателя в дополнение к коэффициенту остаточных газов введены новые понятия: коэффициенты инертности остаточных газов и химической активности рабочего заряда цилиндров двигателя, позволяющих оценить реальное соотношение топлива, окислителя и инертных продуктов и, тем самым, правильно прогнозировать процессы воспламенения п сгорания рабочего заряда.

Предложен новый метод оценки эффективности рабочего процесса двигателя и применения различных конструктивных мероприятий на режимах малых нагрузок н глубокого дросселирования по критерию сравненння усредненного коэффициента активности рабочего заряда цилиндров с расчетным» теоретическими значениями, что позволяет оценить неполноту сгорания топлива, потерю индикаторного КПД двигателя и предварительно оптимизировать его энергетические показатели, токсичность отработавших газов и топливную экономичность.

В работе теоретически и практически доказана перспективность двигателей, работающих на переобедненных горючих смесях. Однако, для эффективного использования интенсифицированных процессов сжигания смесей переобедненного состава без ухудшения потребительских качеств автомобиля потребовалась разработка адаптивной системы управления топливоподачей и зажиганием по пределам эффективного обеднения смеси. Впервые разработана конструкция такой системы с использованием принципиально новых типов получения устойчивого сигнала обратной связи и алгоритм работы системы.

Научную новизну представляют разработанные методы инициирования процесса катализа путем воздействия на катализатор микроволновыми излучениями. Такие методы воздействия на катализатор обеспечивают начало его эффективной работы практически сразу после пуска холодного двигателя' и исключают

повышенный выброс вредных веществ в начале ездового цикла в период прогрева двигателя.

Научную новизну представляет разработанный метод восстановления оксидов азота в нейтрализаторе при работе двигателя на обедненных составах горючей смеси, то есть при избыточном содержании кислорода в отработавших газах. В результате проведенных исследований разработана методика и система генерирования водорода на борту автомобиля и управляемой в зависимости от режима работы двигателя подачи водорода на вход в нейтрализатор для окисления избыточного кислорода и инициирования процессов восстановления оксидов азота на катализаторе.

Достоверность приведенных в работе научных результатов, выводов И рекомендации подтверждаются большим комплексом исследовании, опубликованных в научно-технических изданиях, их широкой экспериментальной проверкой, выполненной как самим автором, так и под его руководством и при непосредственном участии.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Выполненная работа является частью и базовой основой руководимых автором программ "Антитокс" и "Водород" по созданию комплексных антитоксичных систем для легковых автомобилей, которые должны обеспечить выполнение нормативных требований проектов стандартов ЕВРО-1, -2 и -3 и разрабатываемых при непосредственном участии автора нормативов перспективного стандарта Российской Федерации для этого типа автомобилей. Таким образом практическими результатами работы являются:.

1. Прогноз выброса вредных веществ автотранспортом до 2005 г.

2. Документы по поэтапному региональному нормированию выброса вредных веществ автомобилями массой до 2,5 т.

3. Требования к перспективной системе нейтрализации отработавших газов автомобильных двигателей и комплекс мртоднк ускоренных испытаний нейтрализаторов на эффективность, термо- и виброиерегрузки, надежность и долговечность, которые, с достаточной достоверностью гарантируют его ресурс в эксплуатации в течении 80000 км, оформленых в виде зарегистрированных Руководящих Документов (РД), часть из которых прорабатывается в Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций в виде новых Правил по отиповашио сменных нейтрализаторов.

А. Автором лично или при непосредственном участии разработаны, защищенные авторскими свидетельствами и патентами оригинальные конструктивные решения, улучшающие энергетические, экономические и токсические показатели двигателей с искровым

зажиганием, ряд из которых (система питания "КАСКАД", трехкамерный карбюратор К-156, система впуска дополнительного воздуха на режиме принудительного холостого хода форкамерного двигателя автомобиля ГАЗ-ЗЮ2 и др.) внедрены в массовое производство и использованы в системах пчтания легковых автомобилей Волжского, Горьковского, Ульяновского ' и Запорожского автомобильных заводов.

5. Разработана система управления топливоподачей двигателя, работающего на пределах эффективное обеднения смеси, " по критерию цикловой нестабильности рабочего процесса.

6. Разработана принципиально новая система снижения выброса оксидов азота с отработавшими газами двигателей, работающих на обедненных составах горючей смеси за счет подачи в нейтрализатор в качестве восстановителя водорода.

7. Разработана новая система активации процесса катализа на нейтрализаторе с помощью воздействия СВЧ-излучения, обеспечившая быстрый выход нейтрализатора на • режим эффективной работы после холодного пуска двигателя.

8. Разработаны варианты систем питания двигателя испаренным метанолом и водородной смесью, получаемой путем каталитического разложения метанола.

9. Разработаны и внедрены при личном участии автора два стандарта Российской Федерации, восемь Руководящих методических документов, а также пять Рабочих методик, которые используются в НАМИ и Волжском автомобильном заводе;

В процессе выполнения работы автором получено 18 авторских свидетельств и 16 патентов ведущих зарубежных стран.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах как у нас в стране, так и за рубежом, в том числе на научно-исследовательских конференциях МАДИ в 199/. г., МВТУ в 1980 г., научной-технической конференции "Рабочие процессы в ДВС", Москва, 1982 г.; отраслевого семинара "Улучшение экологических характеристик автомобилей и тракторов, проблемы снижения шума, вибраций и токсичности автомобилей", Москва, 1989 г.; по катализу в Тбилиси в 1989 г., конференциях Ассоциации автомобильных инженеров России в 1994 и 1996 г.г., международных симпозиумах "Защита атмосферы от загрязнения токсичными выбросами от передвижных средств с двигателями внутреннего сгорания", Дрезден, 1988 г., "Двигатели XXI века ", Москва, 1994 г, "Альтернативная энергетика для автотранспортных средств", Москва, 1995 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ в научно-технических журналах и сборниках, в том числе 3 в зарубежных, выпущены 3 отдельные брошюры общим объемом 5,5 печатных листов и книга "Карбюраторы автомобильных двигателей", М, Машиностроение, 1990 г., 14,8 печатных листов, а также получено 13 изобретении и 1й патентов ведущих промышленных стран .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации приведен анализ состояния проблемы снижения вредных выбросов двигателями с искровым зажьганием автотранспортных средств по материалам опубликованных в отечественной и зарубежной научно-технической литературе и ранее проведенных в НАМИ исследований.

Результаты ранее опубликованных исследований, в том числе проведенных автором, показали непосредственную зависимость состава отработавших газов от режим ных (нагрузка и частота вращения) н регулировочных факторов (состав смеси и угол опережения зажигания). Причем, анализ влияния режимов работы двигателя на образование токсичных веществ и содержание их в отработавших газах показывает, что в силу особенностей протекания рабочего процесса наиболее негативное влияние на образование оксида' углерода н углеводородов оказывают режимы глубокого дросселирования двигателя, то есть режимы самостоятельного и принудительного холостого хода и близких к ним частичных нагрузок двигателя. Двигатель работает на этих режимах в основном в условиях городского движения автомобиля. Режим принудительного холостого хода, являясь сам по себе наиболее неблагоприятным в смысле выделения токсичных веществ, как показали исследования автора, кроме того способствует повышению выброса токсичных веществ на последующих насрузочных режимах, Все это способствует образованию локальных зон повыпенной загазованности токсичными веществами на перекрестках и у светофоров.

Влияние внешних факторов, таких как атмосферное давление температура, влажность, условия эксплуатации автомобиля и др проявляется через изменения коэффициентов наполнения и избытк; воздуха.

Под руководством автора проведен расчет выбросов вредны: веществ автомобильным транспортом в странах СНГ я 1994 году I сделан прогноз изменения патового выброса до 2005 года, которьп показал, что, несмотря на уменьшение удельных выбросо:

индивидуально но каждой категории автотранспорта, валовый выброс вредных веществ остается примерно на одном уровне, что объясняется постоянным ростом всего парка автомобилей, lio лтой же причине в общем балансе возрастает роль легкового автотранспорта. Анализируя баланс выбросов по отдельным вредным нормируемым компонентам можно отметить возрастание доли выбросов оксидов азотов.

В заключении раздела сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе диссертации приведено описание методов проведения аналитических и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились на безмоторных установках, отечественных двигателях, на автоматизированных специализированных динамометрических стендах и на автомобилях на стенде с беговыми барабанами с использованием быстродействующей, высокоточной газоаналитической и измерительной аппаратуры ведущих зарубежных фирм.

Для исследования процессов газообмена, смесеобразования и сгорания в двигателе на указанных режимах были разработаны математические модели, в которых использовались . как статистические данные ранее проведенных исследований, так и результаты прямого индицирования процессов в цилиндрах, впускной и выпускной системах двигателя. Предложенные в результате теоретических исследований новые коэффициенты, оценивающие качество рабочего заряда в цилиндре на этих режимах, введенные в обобщенную математическую модель двигателя с нскровым зажиганием, позволили получить инструмент для оценки эффективности использования различных конструктивных мероприятий. Сопоставление результатов аналитических исследований с данными экспериментов позволили оценить достоверность и точность предлагаемых методик.

За основу при решении локальных задач с использованием методов математического моделирования рабочего процесса на рассматриваемых в диссертации режимах работы двигателя принята разработанная в НАМИ под руководством Киселева Б.А. автоматизированная система расчетного исследования рабочих процессов автомобильного двигателя, которая обеспечивает генерацию программ любой допустимой схемы из заданного класса моделей с возможностью расширения системы, а также проведение цикла расчетных исследований по заданной программе.

Так исследование протекания процесса газообмена и изменения параметров газа на режимах глубокого дросселирования и малых нагрузках проводился на основе разработанной Тупикнным В.Н.

математической модели обобщенного типа и разработанных совместно с ним соответствующих прикладных программ на примере двигателей ВАЗ моделей 21011 н 2106 на основе программы обсчета всего рабочего цикла в обобщенной моделируемой системе "впускная труба - цилиндр - выпускная труба". В процессе обсчета принята типовая для карбюраторного двигателя ВАЗ конструктивная схема элементов газообмена.

Принятая за. базу обобщения математическая модель предусматривает одномерное неустановившееся течение потока идеального газа в газовоздушном тракте дпнгателя переменного сечения с тепловыми и механическими воздействиями и квазистационарное рассмотрение процессов в других элементах и включает в себя систему трех уравнен.ш в частных производных гиперболического характера (уравнения массы, движения и энергии) и уравнение состояния идеального газа : д д -( р А) + --(р г А) - 0;

(51

бх

8' д д А

-(р V А) +-(р А + р V2 А) = р-+ Р А;

дI Эх й х

(1)

-(р А ( Е + -) ) +-( А р V ( ь +-) + р V А ) " ЦА;

д г г г х 2 ■

р = р Щ

где С - время; х - длина; А - площадь сечения; р - плотность; V -скорость; р - давление; Т - температура; Р - объемая плотность внешней силы; (2 - мощность объемных источников тепла; е - удельная внутренняя энергия; Я - газовая'постоянная. Граничные условия задаются квазнстационарными математическими моделями процессов в соединительных элементах газовоздушного тракта: открытый и закрытый конец трубы, узел -разветвление, емкость, цилиндр, местное сопротивление и резкие изменения проходного сечення. Модели граничных элементов рассматриваются в квазнстацнонарной постановке, то есть для них мо1уг применяться законы стационарного течения газа. Предполагается также, что смешение газов во всем обьеме происходит мпювеш.о. ■

Для численного решения систем уравнений использован разиостно-характеристнческнй метод. Этот метод позволяет привести гиперболическую систему уравнений к характеристическому виду, то есть систему уравнений в частных производных к эквивалентной системе обыкновенных дифференциальных уравнений Л1Я характеристик н условий совместимости их. Так, для одномерного неустановившегося течения газа в трубе переменного сечения при незначительном изменении площади проходного сечения система характеристических дифференциальных уравнений может иметь следующий вид: (I X / (I I V а;

<1|) 1 ¡1 р <К' I ( а2 р V е| ||| Л/ (1 X + а I' - (к - 1)( (2 - V Г)) (I I - 0; (2) <1 х / <1 I V;

- с| р с,, р <1Т - ( Ц • V I-) (I I -■ 0,

где а - скорость звука в газе; к - показатель адиабаты; ср -теплоемкость газа (при постоянном давлении).

Для математической модели процессов в цилиндре двигателя система характеристических дифференциальных уравнений имеет вид:

(1С. (К ¿пи «Кпи.ш (!(•■*

(I I <1 I <1 I (II

<1р к-1 «Кмш (Юн <1Спын р (IV (11п(к-1)

— ^ -( — I 1 пи- | I н--I цып-) +■ ---+ р-; (3)

(к V .11 (к с1г <к V (Ь ск

к-1 (К.) сК'.ин itC.ii !!(■ пин р (IV

— - -( — I ми!-- ( ¡'ц-- Ни,ш-) )---.

«1г V <к <к <к <к V < 1 г

где О. - массовый расход газа; ¡* - энтальпия газа; вп., вып., в -параметры на впуске, выпуске н в цилиндре.

При ннтегрнровпнин систем уравнений определялись следующие текущие параметры рабочего процесса двигателя: коэффициент наполнения г|к. коэффициент остаточных газов Уг, давления р , плотности р и температуры газов Т в цилиндре, скорости газов V во впускной клапанной щели и массы топливочоэдушиой смеси Мг и свежего заряда цилиндра Мв с учетом коэффициентов инертности остаточных газов ц/ин и активности ч/а рабочего заряда.'

На рис. 1 приведена расчетная схема газовоздушного тракта двигателя ВАЗ, в которой протяженные участки (трубопроводы) и граничные узлы: открытый участок - емкость (воздушный фильтр) -дроссель (карбюратор) - тропинки (разветвления трубопроводов) -емкость переменного объема (цилиндры) - емкость (глушитель)

заменяются моделями происходящих в «шх процессов, хранящимися в библиотеке автоматизированной системы расчета.

Рис. 1. Схема газовоздушного тракта двига-_ „ ^ - l_~J -v теля ВАЗ:

' ~iJJ~Q<J \ ____^-[£|—< >-< - открытий конец

X^j—Lib-/труби; <1> - iioj/iyiiiiii.iii _фн.'П.тр.О - карбюратор;

Ч—Г ® - трощжкоиое соедине-

ние; Ц - цилиндр; Г -IViyilltlTiVI li.

.Проведенные с помощью автоматизированной системы расчеты процесса газообмена двигателя на нензэнтроппческой модели процессов в трубопроводах с учетом явлении обратных' неретечек газов показали хорошее совпадение с экспериментом результатов как качественно,так и количественно. Величина ошибки . определения параметров газообмена (интегральных н текущих) не превышает 23%.

, Исследования параметров сгорания на режимах малых Нагрузок и глубокого дросселирования проводился на участке "сжатпе-сгоранне-расшнрение" в диапазоне угла поворота коленчатого вала от 270 до 500" , то есть от момента закрытия впускного клапана до момента открытия выпускного клапана. Для . определения действительных значений параметров рабочего • процесса производился также расчет полного цикла методом последовательных приближений на основе модели процессов в цилиндре. При этом . процессы в цилиндре рассматривались в кваэнстатнстнческом ■ приближении, рабочая среда принималась однородной с осреднснными по всему текущему объему термодинамическими параметрами. Камера сгорания и газы представлялись как открытая термодинамическая 'система.

Программа лредусматрнвала введение в ЭВМ для расчета: геометрических и регулировочных параметров двигателя, режимных и температурных факторов, индикаторной 'диаграммы в виде давлений ь цилиндре в функции угла поворота коленчатого вала через каждые 5° в диапазоне Ч20-500°С н 2,5° в диапазоне 270-420°С. Результаты первичной обработки индикаторных диаграмм предстакл тигь в виде зависимостей давления и температуры газа в цилиндре, коэффициента тепловыделения, скорости тепловыделения и других параметров по углу поворота коленчатого вала двигателя.

Работа двигателя внутреннего сгорания характеризуется циклоном нестабильностью рабочего процесса, которая существенно возрастает на режимах малых нагрузок н холостом ходу. Поэтому при анализе параметров рабочего цикла необходимо оценить достоверность получаемых средннх значений по результатам обработки многоцнкловых диаграмм и установить допустимое число индикаторных диаграмм, которое необходимо обработать для получения заданной доверительной вероятности оценки. Обработка 77-ми последовательных циклов методами математической статистики с использованием критерия х2'-

I. (П1, - и в>1)

X крит 2: I

II 1134

где 1. - число интервалов; п - число необходимой выборки \ <Р \ -вероятность попадания значения в определенный интервал, ГП| число рассматриваемых последовательных циклов, показала, что распределение вероятностей цикловых отклонении среднего индикаторного давления р| не дает оснований сомневаться в нормальном законе их распределения. Поэтому, исходя из теории математической статистики, необходимое количество рабочих циклов п для достижения требуемой точности с заданной надежностью

находится из уравнения: п а [ Ь ((Р, к) 8 / Д]2, где I - интервал вероятности, к - число степеней свободы.

ч На рис. 2 приведены графики

зависимостей объема необходимой выборки (числа рабочих циклов) из совокупности от показателя неидентачностн последовательных циклов 5 при условии обеспечения заданной точности Д и надежности (Р - 0,95 и 0,98. При определении средних значений параметров рабочего цикла Т, с1 5/(1 <р н ДР- объем выборки принимался 10-15 последовательных циклов, что обеспечивало точность оценки ± 5% с доверительной надежностью 95%. При исследовании влияния качества протекания рабочего процесса предшествующего цикла на параметры рабочего процесса последующих ццклов точность оценки

*л */г щ»

<Р - 0,95

<Р - 0,98 Рис.2.

ы <!

увеличивалась до ± 2% , что требовало увеличения размера выборки до 15 - 20 циклов.

Данная методика принята для решения вполне конкретной задачи - оценки достоверности получаемых средних значений - и позволила ограничить число обрабатываемых рабочих циклов при сохранении достаточной точности определения исследуемых параметров и, таким образом, существенно уменьшить трудоемкость исследования рабочего процесса двигателя на режимах глубокого дросселирования, где ранее разработанные методики оказались менее эффективны.

В третьей главе диссертации рассматриваются особенности протекания рабочего процесса на наиболее экологически неблагоприятных режимах глубокого дросселирования, под которыми понимаются самостоятельный и принудительный холостой ход и близкие к ним режимы малых нагрузок двигателя, которые существенно отличаются от средних н полных нагрузок характерными особенностями протекания процессов газообмена.

Как видно из диаграмм записи развернутых индикаторных диаграмм на рис. 3 с момента открытия выпускноп клапана происходит обратное перетекание газа из выпускной трубы в», цилиндр до выравнивания давлений И лишь затем начинается выталкивание газа из цилиндра в выпускную трубу (участок 1-II). Обратная перетечка газов из цилиндров во впускную трубу наблюдается также в начале такта сжатия до момента закрытия впускного клапана (на участке V-VI). В период "перекрытия" клапанов (участок индикаторных диаграмм III -IV), то есть от момента начала открытия впускного клапана до момента закрытия выпускного клапана, происходит достаточно интенсивное пер текание газов из выпускной трубы в полость цилиндра и из цилиндра во впускную трубу: "обратная продувка цилиндра". Эти явления характеризуются отрицательными скоростями движения газов в указанные периоды на расчетных характеристиках процессов массогазооб.мена в обобщенной моделируемой системе "впускная труба цилиндр - выпускная труба" и падением массы циклового заряда в цилиндре Мп (рис. 4 ).

- - ■ Г"

- - Г ti

- ¥- IU \ / J \ Г %

-1/. * * г i

Рис.З. Индикаторные диаграммы двигателя ВАЗ-2106 на режиме ПХХ:

I - п 1000 об/мни; 2 - п -2000 об/мин; 3 - » = ЗООО об/мин.

Опытами зафиксировано наличие продуктов окислительных реакций (СО и СОу) во впускной трубе. Такой характер протекания процессов газообменп на рассматриваемых режимах приводит к снижению наполнения двигателя, способствует забросу отработавших газов во впускную трубу и, тем самым, повышае" в свежем заряде цилиндров инертную составляющую.

Анализ расчетных индикаторных диаграмм давления газов в цилиндре двигателя в Р - V координатах и иллюстраций реальных свернутых диаграмм на рис. 5а и 56 показывает, что на режимах глубокого дросселирования вид диаграмм существенно трансформируется. Образуется характерная петля, площадь которой ЬЗ определяет отрицательную работу в фазе газообмена за счет обратных перетечек газов от момента открытия выпускного клапана до выравнивания давлений с выпускной системой (участок 1-Н), и петля 1Л, которая появляется за счет потерь на теплообмен в

ческих параметров в период торных диаграмм двигателя

впуска (двигатель ВАЗ-2106): ВАЗ-2106 в P-V координатах:

1 - п = 1200 мин \ нагрузка, р, = а - п = 850 мин'1, холостой ход; б -

255 кПа; 2 - » = 850 мнн холостой 1200 мин , принудительный холостой

хол; 3 - п 1200 мин'1 , принудитель- хо-'1 ими холостой ход, р, - - 340 кПа

процессе сжатия и расширения рабочего тела при пропуске пли неполном сгорании рабочего заряда цилиндра.

Проведенный анализ процессов газообмена и влияния их на показатели рабочего процесса в целом на режимах малых нагрузок, холостом и принудительном холостом ходу показывает, что следует обращать внимание на выбор фаз газораспределения в процессе конструирования новых или модернизации выпускаемых двигателей. Па этих режимах требуется уточнение фаз газораспределения и, в первую очередь, в сторону уменьшения величины периода "перекрытия" клапанов. Конструкции двигателей с регулируемыми фазами газораспределения могут позволить найти компромисс между факторами повышения энергетических показателен за счет увеличения периода "перекрытия" клапанов на высоких скоростных режимах работы двигателя и снижения выброса токсичных веществ на режимах -городской эксплуатации автомобиля путем автоматического уменьшения фаз перекрытия клапанов' в этот период.

Аномальные явления увеличения инертной составляющей свежего рабочего заряда цилиндров за счет заброса продуктов сгорания топлива в рассмотренные выше периоды процессов газообмена требуют корректировки уравнений расчета действительных значений коэффициентов избытка воздуха. Поэтому, действительный коэффициент избытка воздуха, то есть реальное, с учетом продуктов неполного сгорания от предшествующего рабочего цикла, соотношение в цилиндрах- двигателя топлива и воздуха, автор предлагает определять по анализу. состава отработавших газов по следующей формуле:

О,(¡63 (Коа > Ксо2 + 0,Г>Ксо + Я)

а- --(5)

0,08 Ксо + Ксо2 + К го

Так как современные методы газ вого анализа рассчитаны на анализ .сухих газов, объемная концентрация паров воды может быть учтена коэффициентом X ( - 0,5Кводы). Вид функции А. может быть задан графически; таблично или аналитически, как результат аппроксимации экспериментальных данных. В расчетных исследованиях удобно пользоваться следующими выражениями:

( 0.5Ксо] + 0,25Ксо при Ксо > 0,5%

х--! , (6)

V 1.127Ксо2 + 0,083Ксо +5,27 при Ксо < 0,5%

где Ко2,Ксо,Ксо2 нКсн - концентрации кислорода,оксида и двуоксида углерода и углеводородов (анализ углеводородов пламенно-

ионизационным методом по гексану) в сухих отработавших газах у выпускного клапана.

Режимы глубокого дросселирования двигателя характеризует непосредственная зависимость состава заряда цилиндра от полноты сгорания топлива в предшествующем цикле. Так при пропусках воспламенения и неполном сгорании топлива остаточные газы содержат неокнсленное тогмпво, свободный кислород и химически активные продукты неполного сгорания (СО и СН), которые надо учитывать при оценке качества рабочего заряда в цилиндре.

Относительную долю действительно инертного продукта к полной массе остаточных газов предлагается оценивать коэффициентом

V

химической инертности остаточных газов хи (7), а суммарную долю химически активных продуктов в общей массе рабочего заряда цилиндра предлагается оценивать коэффициентом активности

рабочего заряда а (8).

Ф хи - 1 - А • Ко2, (7)

где А определяется ■ следующим выражением: 1 • ^п(1-а)

I + Ьо----( - I при а > 1

Л = 4,77 .-. а 2 ; 5£п(1- а) = <

1 + а«Ьо ^ + I при а < 1

Коэффициент активности рабочего заряда ''а с учетом предыдущих уравнении выражается следующей формулой: 0,23 «Л * у, (1 -''хи)

V* „----(8)

1 + Ъ

где у, - коэффициент остаточных газов

Определение коэффициентов химической инертности остаточных газов "^ин" и действительного избытка воздуха " (X '.' можно вести машинным способом с помощью ЭВМ по энергетическим характеристикам . процесса тепловыделишя, полученным в результате обработки индикаториых диаграмм рабочего цикла двигателя по следующим формулам:

А • Хг

"ни = 1 - 0,23 «Л +- при а < 1 ,

а

0,23 .А . (1 - ъ)

'ин = 1--при а > 1 , (9)

а

7r • (a - г<) + («-/, <l"Xr /<1<р*<1<?)

■»I

. a ( 9 ) =--:---

Yr • u - Xr) + (1 •/' tlx- /Vilcp) »1

где Xr " степень выгорания топлива; <p - угол поворота коленчатого вала двигателя

Использование расчетных коэффициентов качества рабочего заряда, учитывающих реально происходящие в цилиндрах двигателя на режимах глубокого дросселирования процессы, позволяет правильно спрогнозировать протекание процессов воспламенения и сгорания рабочего заряда и оценить эффективность рабочего процесса двигателя в целом. Большое влияние на процессы воспламенения и' сгорания смеси оказывает соотношение в ней топлива, воздуха и инертных газов ог предшествующего рабочего цикла в реальные мгновенные значения времени.

Протекание процессов воспламенения и сгорания на рассматривчемых режимах характеризуется значительным увеличением периода индукции, а период видимого сгорания на режимах глубокого дросселирования, как показывают результаты расчетного анализа, представленные на рис. 6, может перейти в область так называемого "холодного пламени". Это же подтверждает и увеличение в отработавших газах продуктов предпламенных реакций - альдегидов. •

ТаК как реакции "холодного пламени" имеют экзотермический характер, возможны два варианта развития процесса: переход процесса окисления в период види-мого горения - чему способствует большая активность образующихся в этот период пероксидов, или полное прекращение горения. В последнем случае на индикаторной диаграмме отмечается пропуск сгорания смеси. Крупномасштабная турбулентность (например, при ин-тенсивном вихревом движении заряда) на расем триваемых режимах может послужить причиной пропусков воспламенения в результате срыва начального очага воспламенения.

¿1 — М/ —

1 \ 7 ---

1

} —— / (>

ш ЯГ"

Р1К. 6. Параметры сгорания /тух последовательных и1 чело и на режиме холостого хода дпигатмн» НДЗ-210(> — цикл I; - - - чикл 2: 1- текущий коэффициент избытка воздуха (а); '1 - коэффициент и-иловыде-;|гш1и 3 - скорость

ттлоныдмепня (11^/<1ф)

Дальнейшее развитие процесса горения может происходить с повышением • скорости

окислительных процессов за счет диффузии активных центров в смежные слои смеси. Однако, при этом резко увеличивается вероятность обрыва цепей реакции горения. за счет повышения инертных продуктов в зоне горения и, как правило, процесс горения "затухает". 13 другом случае процесс горения развивается с очень низкими скоростями, поддерживается не только за счет диффузии активных центров, ио и за счет теплопередачи в смежные слои смеси тепла, выделяющегося в зоне горения. Процесс горения согласно опытам автора

затягивается в данном случае на такте расширения у некоторых циклов вплоть до открытия выпускного клапана (цикл 2 на рис. 0). На это указывает наличие положительной скорости тепловыделения п момент открытия выпускного клапана.

Следует отметить также влияние на процесс сгорания смеси изменения коэффициента избытка воздуха. По мере вовлечения свободного кислорода в процессе выгорания топлива происходит постепенное переобогащение заряда (кривая коэффпцнета избытка воздуха на рис. 6, то есть соотношение о~тапшегося к этому моменту свободного кислорода и топлива падает), что может вывести смесь за пределы воспламеняемости и содействовать обрыву процесса горения.

' Для оценки эффективности рабочего процесса на режимах глубокого дросселирования и частичных нагрузочных режимах работы двигателя и влияния на него конструктивных параметров двигателя предлагается методика, в основе которой лежит критерии сравнения протекания усредненного по рабочим циклам значения коэффициента активности рабочего заряда цилиндров у, с расчетными теоретическими значениями. Для такой оценки необходимо по экспериментальным и рассчетиым данным исследуемого двигателя построить диаграммы изменения

коэффициентов остаточных газов, химической . инертности остаточных газон и актпшюсш рабочего зарядч смеси в цн.'ипдрах в зависимости от давления во впускном трубопроводе (то есть шчрузкп) и скорости вращения коленчатого нала. Степень приближения экспериментальных значений »|/а к теоретически идеальным является критерием эффективности рабочего процесса рассматриваемой конструкции двигателя и определяется интегралом площади между кривыми 11 ЧЛ'Г-

хЗ

5 - к, [(а,-а,)х2+<ЬгЬ,)хч (<1,н1()]<к , (10)

где н (¡'¡и- - коэффициенты активности для реально рассматриваемых конструкт и! дингчте. 1Я и теоретический.

При выводе уравнения 10, было прннято, что и теоретическую и экспериментальные кривые ч»а можно апрокспмпровать полиномом ¡порой степени. При этом аирокеимпрующая функция имеет вид:

у -- ах2 +Ьх <1, где:

а *- С) + с-2 + с.ч;

■ Ь - с,(х2 + х:1) + с2(Х| х:,) + с:,(х, + с2);

(1 = С|Л':>Хл ■+ С2Х|\ч + С;)Х,Хг;

Уг

У.ч

С)

С;) ~

Индексы 1 и т

(х2-Х,ХХгХз) (Х;ГХ[)(Х.ГХ2)

определяют коэффициенты для конкретно рассматриваемых случаев и теоретического.

На рис.

■ у

V А1.

>/> 2/ щ 1

/V 1

; 1 1 1

« 21 40 » ба ЙР-, КТ1А

Рис 7. Расчетные кривые изменения коэффициентов активности рабочего заряда смеси:

1- ц-чргпг: екая; 2 - форкамернын вариант Лчипис.'П!; ,'5 ■ карбюратор "Озон" г ашомочшы системой -.о.юеюю холя; 4 • папл^р1111,11' клроюраюр " "

7 рассматривается случай сравнения классической схемы карбюратора типа "Вебер" и карбюратора типа "ОЗОН" с автономной системой холостого хода, использования процесса послойного сгорания смеси п сравнении с теоретической криирй >(/.!I, который пока-

зывает, что современный двигатель с искропим зажпгг.нием смеси имеет резервы снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов, связанные с его рабочим процессом: улучшение ироцессоп дозирования и смесеобразования, интенсификация сгорания смеси при одновременном ее предельно эффективном обеднении п уменьшение потерь на газообмен.

В четвертой главе диссертации приведены материалы по предлагаемым автором путям реализации этих резервов исходя из нормативных требований но токсичности и компромисса • но топливной экономичности и энергетическим показателям двигатели. В работе используются два пути реализации этих резераон: применение рабочих процессов, обеспечивающих сгорание переобедненных смесей и переход на качественное регулирование топлнвоподачи, в том числе, путем использования новых видов топлив, например пеп.фешшх спиртов, водорода и их смесей.

Работа двигателя на нерсобедпенных смесях имеет ряд преимуществ. За счет увеличения доли объема газов проходящею через двигатель на единицу мощности снижаются: потери на газообмен, коэффициент остаточных газов и соотлетстн( нно повышается коэффициент активности ч»а рабочего заряда цилиндров двигателя. При одновременной интенсификации процесса сгорания увеличивается полнотл сгорания топлива и снижается выброс оксидов углерода и азота, и углеводородов. Пропорционально снижению расхода топлива уменьшается выброс диоксида углерода.

Несмотря на перспективность и интенсивное развитие за рубежом систем впрыска топлива в силу внутренних экономических трудностей в нашей стране еще достаточно долго будут использоваться карбюраторные системы питания двигателя. Поэтому в этом разделе приведены работы автора но улучшению процессов дозирования и смесеобразования и, в частности, даны материалы по разработанным им автономной системе холостого хода и экономайзере принудительного холостого хода, внедренных в карбюраторах массового производства автомобилей Волжского, Горьковского, Ульяновского и Запорожского заводов, элементам карбюратора К-151 и системы питания форкамерного двигателя автомобиля ГАЗ-ЗЮ2, двухсекционной впускной трубе с регулированием подогрева и интенсивности вихря на входе в цилиндры двигателя.

Однако и работам по электронным системам впрыска топлива уделено большое внимание. Под руководством атора разработаны системы управления распределенным фазированным впрыском топлива, в частности алгоритм работы электронного блока

управления Раменского приборостроительного завода для автомобилей Горьковского, Ульяновского и Ижевского заво/чж

Для получения максимального эффекта двипиелн, работающие на переобедненных горючих смесях должны иметь систему управления, автоматически подстраивающую систему гштания двигателя на состав смеси, соответствующий предельно эффективному обеднению до момента появления цикловой нестабильности процесса сгорания на всех эксплуатационных режимах его работы. В этом случае должна быть решена задача идентификации предельного эффективного обеднения смеси.'

В этом разделе описана защищенная авторским свидетельством система, управляющая топливоиодачеп и зажиганием с использованием датчика давления отработавших газов. Способ управления основан на том, что при обеднении смеси и приближении к пределам воспламенения начинает резко возрастать число так называемых "вялых" рабочих циклов и пропусков сгоранля. Это визите пульсацию давления отработавших газов. Причем характер пульсаций сохраняется вне зависимости от нагрузочного и теплового режимов двигателя, внешних и других Факторов. Система подстраивает топливоподачу на пределы эффективного обеднения смеси по критерию межцпкловой нестабильности процесса сгорания.

Блок-схема МП-системы управления топливоиодачей (распределенным впрыском топлива) и зажиганием, использующая информацию от датчика давления отработавших газов Я'и идентификации межцикловой нестабильности процесса сгорания i цилиндрах двигателя и. автоподстройкн толливоподач'и и угл; опережения зажигания на пределы эффективного обеднения состав; смеси, приведена на рис. 8.

Для- идентификации межцикловой нестабильности процесс; сгорания в качестве критерия принято значение нормирование! автокорреляционной функции последовательности шшульсо давления на фазе выпуска из цилиндра за ряд последоват \пьны рабочих циклов, характеризуемое реализаций пульсаций. 1 физическом аспекте автокорреляционная функция характернее степень зависимости последовательных импульсов Рог в момент] времени, отстоящие друг от друга на заданный интервал т . Для процесса, когда среднее значение Рог ср. «= 0, при объел выборки hr формула выглядит так :

N

R(t) -1/NS Po,(t) Рог(< -1) (И)

^cpr/HV»] 15

Л л Г M If »

Рис. 8. Блок-схема МП-системы управления топлшюподачей и зажиганием >.

Величина R(x) четная функция с максимумом в точке т = 0 и может быть как положительной, так и отрицательной. Для практическою применения обычно используют нормированную автокорреляционную функцию r(t), которая определяется как отношение R(t) к R(u), где R(0) ~ Po<(t) D(t) - дисперсия сигнала за измеряемый интервал, тогда: г<т) - R(i)/R(0) = R(t)/D(t) ' и ее значения лежат в. интервале -1 ^ г(т) '<. 1. При аппаратной обработке (оценке) функции г(т) оказалось удобно пользоваться модифицированной формулой:

Q- |г(т) - 1| 100, %■ (12)

• В дальнейшем-с ее помощью велась обработка (оценка) сигналов Рог. Диалоговые сигналы Рог от датчика 1 через формирователь 9 поступают в блок 10 (рис. 8), где происходит их дискретизация и вычисляется текущее значение Qt, которое с помощью компаратора 11 сравнивается с пороговым значением Qn, поступающим от задатчпка 12. Сигналы счигываются через каждые четыре уСлопых импульса, соответствующих повороту коленчатого вала на фазе выпуска в пределах or 45° до НМТ до 55° после' НМТ. Число отсчетов значений амплитуды зависит от общего числа угловых импульсов на один оборот коленчатого вала и составляет 8 - 10. Интервал отсчета взят с учетом известного положения о том, что, если непрерывная функция не содержит составляющих с частотой выше Fb, то она полностью определяется Последовательностью своих

мгновенных значении, взятых в точках, отсчитываемых через интервалы Лс = 2/Ри или Д(. = Ти/2 , практически Ы --- Те, (5 - 10) , где Т» - период следования Ри.

Па рис. Э приведены кривые пульсации Рог (ансамбль реализации) за ряд последовательных рабочих циклов, полученные в фазе выпуска наиболее "бедного" четвертого цилиндра двигателя ЗМЗ-.КЮ. 10 с системой впрыска топлива при частоте вращения коленчатого нала, равной 1250 мин'1 и 30% открытия дроссельной заслонки.

Для полного представления о процессе нужно исходить из свойств всего ансамбля реализации, присущих изучаемому процессу. В практических же приложениях число реализации ограничив«"«" и

--------

Рис. 10. Зависимость критерия межцнкловон нестабильности

Рис. 9. Цикловой разброс пульсаций давления отработав-газов по углу поворота

процесса сгорания от циента избытка воздуха

тем самым заменяют значение функции оценочное. Получение

коэффи-

истинное г(т) на ансамбля

ишх

коленчатого вала

кривых требует измерений Рш за несколько рабочих циклов двигателя, их усреднения и сравнения с последующими усредненными значениями для вычисления значения 0.1 по формуле (12). Выявлением квазпстатического режима занимается блок 8 (см. рис. 8 ), который вырабатывает импульсы разрешения вычислении, следующие синхронно с импульсами фазы выпуска одного из выбранных цилиндров двигателя. Блок 13 вырабатывает два сигнала управления - дозаторами топлива - (Тд) а момента подачи искры зажигания - (То). Длительность первого переменная, синхронизированная с частотой вращения коленчатого вала двигателя, второго

- равна 3 мс, причем последний задержан относительно импульсов ВМТ пп величину Э, зависящую от тех же параметров, что и сигнал Тд, т.е абсолютного давления на впуске (Ра), частоты вращения коленчатого нала (и), угла открытия дроссельной заслонки (Флр), температуры охлаждающей жидкости (Т\»к) и давления отработавших газов (Рог). Па рис 10 показана зависимость критерия межцикловой нестабильности процесс-- сгорания и цилиндрах двигателя для длинных, приведенных па рис !), и днг'назоц, и коюро.м может быть четко выделен сигнал управления топлнвоиодачей.

Конструкция современного автомобиля сформируется исходя из требований к его экологической чистоте, и частности выброса вредных веществ с отработавшими газами двигателя, с уметом жестких нормативных требовании по токсичности н компромисса но топлшшой экономичности и энергетическим показателям. Дальнейшее? совершенствование традиционной '-гшетрукщш двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением смеси не может обеспечить выполнение вводимых стандартами США и ЕЭ1< < 'ОН новых жестких требований на выброс вредных веществ двигателями. Поэтому в конструкцию автомобиля вводятся дополнительные антитокенчные устройства, в том числе системы нейтрализации выбрасываемых с отработавшими газами вредных веществ.

В пятой главе диссертации даны результаты ироведеиных автором испытаний различных тппо: аититоксичиых устройств ¡1 систем нейтрализации отработавших газов двигателя, анализ которых показывает, что окислительные системы нейтрализации не эффективны по снижению N Ох и могут использоваться для малоразмерных двигателей только • совместно с системой рециркуляции отработавших газов и другими дополнительными антитокепчными устройствами.

В современных двигателях при испытаниях автомобиля по ездовым циклам до 80% выброса вредных веществ приходится на период прогрева двигателя п нейтрализатора. Поэтому разработано немала методов ускорения прогрева нейтрализатора и-выхода его на эффективный режим работы.Так для ускорения прогрева двигателя и нейтрализатора применяется:

- утепление выпускной системы до' нейтрализатора путем керамических покрытий пли днухполостпых сварных труб с воздушным зазором;

- увеличение температуры отработавших газов за счет отключения в этот период вакуум-корректора автомата опережения, зажигания;.

- установка перед основным нейтрализатором стартовых блоков катализаторов;

- устройства электроподогрева нейтрализатора.

Для ио'.шшешш эффективности окисления СО и СН на вход нейтрализатора подают дополнительный воздух через клапан-нульсары, эжекторы или специальные нагнетатели. В период разгона автомобиля подача дополнительного воздуха может отключаться для усиления восстановления К'Ох в этот период.

В карбюраторных системах питания двигателя полезно использовать экономайзеры принудительного холостого хода, позисториые электроиспарителн топлива и системы пленочного испарения топлива.

Варианты такой комплексной системы разработаны для автомобилей ЗАЗ-1102 и ИЖ-2126 "Орбита" под нормы ЕВРО-1. В таблице 1 приведены результаты проведенных автором испытаний по оценке эффективности различных дополнительных систем и устройств на одном автомобиле Иж-2120 "Орбита" по методикам Правил ЕЭК ООН N0 15 (в числителе) и N0 83 (в знаменателе).

_ _ _ _ Таблица 1

Комплектация Оксид углерода Углеводороды Оксиды а лот л

г/пеп Г'/КМ % яфф г/нсп г/км % пфф г/нсп г/км % л-Н,

Серийная 63.89 9.1 5.80 0.773 10.21 2.227

11оГп'р».1и.мти|> фирмы "Кемира" 53.36 5.72 16.5 37.1 6.19 0.73 5.5 6.02 1.85 41.0 16.9

1 Ь-шралииатор фирмы "Кеми- р»" • VI 011.1 СПИI' 111.11 Е\'С1< 47.9 5.15 25 0 43.4 5.98 0.71 8.1 6.24 1.64 38.9 26.3

11енгралтшор ф."Кс.ми|>а" • утепление 1>|,п1>'ск+ст;»)>т. нейтрал. 48.64 5.17 23.9 43.2 6.19 0.72 .6.8 4.98 1.49 38.9 33.1

11ейтрал1и;\тор ф."Кемира" + утепление нмцуск-* старг. иеГпрлл. < нт'ск ьо.1Л>'ха 29.08 3.7 54.5 59.3 4.04 0.42 30.3 45.7 5.54 1.80 45.7 19.2

11снтр.г'ии;>то|> ф. "Кемира" + утепление имиускт сгарт. венгра.'). + впуск ноздуха <:>лект|)онсна|>нт. 21.642.97 66.1 67.4 2.89 0.30 50.2 61.2. 5.07 1.68 50.3 24.6

Централизатор ф.'Кемира" + утешение иыиуск (-старт. нейтрал. (впуск воздуха +;>лектро-иепарпг. ( рециркуляция ОГ 22.17 2.99 65.3 67.1 3.23 0.33 44.3 57.3 2.67 0.69 73.8 69.0

Рассмотренные мероприятия обеспечили эффективную работу основного нейтрализатора в окислительном режиме и соответственно снижение выброса СО и СН на 50 - 70% по циклам Правил 15 и 83.

Трехкимпонентные системы нейтрализации с дополнительными анапоксичными устройствами обеспечивают выполнение треиоиашш стандартов США LEV и ЕВРО 1 и 2 по токсичности и надежности при пробеге 8СООО км, но не использует резерв но топливной экономичности, обеспечиваемый современными рабочими процессами, так как работают на иеоптимальных с точки зрения расхода топлива стехиометрпческих составах смеси.

Альтернативой является разрабатываемый автором и НАМИ двигатель, работающий на переобедненыл. смесях с окислительным нейтрализатором и системой управления топливоподачей по пределам эффективного обеднения смеси, который позволяет снизить выброс оксидов азота на 80% за счет работы на переобедненных составах смеси, а углеводороды на 95% с помощью централизатора с уменьшенным количеством драгметалла. При этом в сравнении с 3-компонентной системой нейтрализации снижается расход топлива до 10%.

В шестой главе представлено описание разработанного автором совместно с НТЦ ВАЗ комплекса безмоторных, моторных и автомобильных методик испытаний нейтрализаторов, часть из которых оформлены в виде Руководящих документов и зарегистрированы в Министерстве стандартизации России.

Подбор нейтрализатора для каждого конкретного двигателя в составе комплексной антитоксичной системы под действующие в стране потребителя нормативные требования по токсичности является сложным трудоемким цроцессом, так как требует оптимизации его конструкции и материала отдельных элементов исходя из условий низкой стоимости, высокой эффективности, надежности и ресурса работы в эксплуатации.

В процессе эксплуатации нейтрализатор подвергается значительным тепловым и термохимическим нагрузкам, связанным с переменными режимами работы автомобиля, изменяющимися расходами отработавших газов и их состава. В связи с тем, что нейтрализатор размещается под автомобилем в непосредственной близости от дороги, он подвергается механическим и вибрационным нагрузкам, обрызгиванию дорожной водой и грязью. Все это потребовало разработки указанных методик ускоренных испытаний нейтрализаторов. • '

В этой главе приведены также результаты испытаний нейтрализаторов ведущих зарубежных фирм, выполненные в НАМИ на контрактной основе. В настоящее' время - при участии автора рассматривается использование нескольких методик. надежностных испытаний в новых Правила ЕЭК ООН по отнповашш сменных

нейтрат »заторов, подготавливаемых рабочей группой СИРЕ в Женеве.

Комплекс включает большой блок методик и среди них основные:

- методики физических измерений параметров нейтрализатора и его блоков;

- методики лабораторных прочностных испытаний с учетом термоперегрузок;

- методики определения температуры начала эффективной работы катализатора;

- методику испытаний нейтрализаторов на термоцпклированне;

- методику испытании нейтрализаторов на ускоренное старение;

- методику испытаний нейтрализатора на водяной термошок;

- методику термовнброиспытаннн;

Рис. 11.Типовое разрушение кера- Рис. 12. Спектрограммы и рент-мнческого блока нейтрализатора генограммы подложки блока ней-при 100-часовом термоциклиро- трализтора:

вашш а " Д° испытаний на термоциюш-

рование; б - после 100 часов тер-моциклирования

- методики испытаний автомобиля по ездовым циклам стандартов США и ЕЭК ООН с модальным анализом текущих состава отработавших газов и температур до и после нейтрализатора и его конверсии.

На рис.11 и 12 приведены т-сколько характерных разрушений, возникающих при испытаниях различных типов нейтрализаторов на термоциклированне, ускоренное старение и термовпброппгружеиия и приведены спектрограммы п рентгенограммы подложки блока нейтрализатора до и после испытаний.

Разработанные методики были использованы при доводке отечественных нейтрализаторов УЭХК, НОТЕК и нейтрализаторов зарубежных фирм УОЛКЕР и КЕМИРА при адаптации их для отечественных двигателей. В настоящее время ведется доработка конструкции неитрализа.opa, который должен быть. поставлен на производство в АО АвтоВАЗагрегат с 1997 г.

Объявленные нормы ЕВРО-3 и Калифорнийские стандарты ULEV и ZEV потребуют разработки принципиально новых технологии снижения токсичности . двигателей и систем контроля работы антитоксичных устропстз з эксплуатации.

Поэтому в седьмой главе диссертации представлены материалы проведенных автором трех исследований в этом направлении, из которых два дали положительный результат.

С целью активизации восстановления оксидов азота при работе двигателя на обедненных составах cweai предложена система подачи водорода на вход нейтрализатора.. Опыты показали, что для поддержания восстановительных процессов оксидов азота достаточно подвести в отработавшие газы до 3-5% водорода. Такие количества водорода могут быть получены на борту автомобиля с помощью электролизеров, каталитических конвертеров, металлогидрпдных аккумуляторов и др.

На рис.13 • представлена принципиальная схема системы активации восстановления оксидов азота'в нейтрализаторе, а на рис. 14- показано влияние подачи водорода на вход нейтрализатора на конверсию оксидов азота, углеводородов ч изменение температуры отработавших газов на выходе нейтрализатора. Разработанная система позволяет снизить выброс с отработавшими ' газами двигателя оксиды азота на 80%, СО и СН'на 95% и расход топлива до 10% в сравнении с 3-компонентной системой нейтрализации.

Рис. 13. Принципиальная схема системы активации восстановления оксидов азота в нейтрализаторе

I - двигатель; 2 - воздухоочиститель; Ч- впускной коллектор; <( - выпускной коллектор; 5 • выпускная труба; 0 - клапан иодачи воздуха; 7 - нейтрализатор; 8

- ка|и)|ораюр; !) - пиогенсратор; 10 - водородный патрубок; II - кислородный патрубок; 12 - до:»атор водорода; 13 - дозатор кислорода; М и 15 - иятруГжн; 10

- аккумулирующая камера; 17 - датчик сигналиаатора критической температуры нейтрал иаатора; 18 - орган управлении нагруакой двигателя; 1!) - электронный блок; 20 - датчик частоты иращения коленчатого вала; 21 - датчик расхода коидуха; 22 - датчик положения . органа управлении нагрузкой; 2.4 - датчик температура охлаждающей жидкости

Как отмечалось в пятой главе диссертации в период прогрева двигателя после его холодного пуска, когда нейтрализатор еще не вышел на режим эффективной работы, выбрасывается более 50% вредных веществ при испытаниях автомобиля по "ездовым циклам". Быстрый п равномерный разогрев катализатора, в особенности при использовании керамических блоков носителей, представляют собой сложную техническую задачу. Известные методы ускоренного разогрева катализатора, такие как повышение температуры выходящих из цилиндров двигателя отработавших газов путем обогащения смеси или уменьшения угла опережения зажигания и повышения температуры отработавших газов непосредственно в выпускной системе двигателя путем применения топливных горелок или управляемого пропуска вспышек в цилиндрах двигателя и последующего окисления продуктов неполного сгорания на пути к нейтрализатору и на поверхности катализатора, методы электрического разогрева каталитических блоков или отработавших газов на входе в нейтрализатор

•....... и II и ы

Рпс.14. Влиянне подвода водоро- • да па вход нейтрализатора на изменение:

л) - окгилои язота; б) - углсподородои; н) - температуры ()Г на пыходе

ведут к ухудшениюю топливной экономичности двигателя и часто к перегреву и блоков носителей гтп.лизатора. Автором было апробировано несколько вариантов разогрева катализатора путем ипгншего физического воздействия: ультразвукового и микроволнового, воздействия магнитного поля. Положительный эффект дало воздействие на . носитель катализатора электромагнитных излучений высокой и сверхвысокой частоты. Поэтому была разрабатана система СВЧ-активации катализатора автомобильного нейтрализатора, некоторые результаты испытаний которой приведены на рис. 15. Как видно из графиков, уже через 3 -5 ,с после воздействия СВЧ-пзлучения за счет локальных зон прогрева катализатора в зонах металлических активаторов начинается окисление оксида углерода.

У0 ф<М1'

/

ы> г.,

Рис.15. Влнлнне СВЧ-излучення на прогрев катализатора и его активность:

а) - параметры СИЧ-шодейспшя;

б) - характернетки разогрева катали-алторл; н) коиксргн)! окиси углерода на катдлнллторе

рабатывается в филиале машиностроительном институте действия системы основан на

Рнс.16. Адсорбционная активность активированных углей:

1 - содержание N0 и отраОотаншйх га:»ах до адсорбера;

2 • насыщение адсорбера N0

Одним из нетрадиционных методов синжения выброса двигателем оксидов азота является адсорбце-днссорбционная система рециркуляции >Юх, которая раз-НАМИ при Луганском при участии автора. Принцип свойстве некоторых материалов

селективно адсорбировать и аккумулировать оксиды азота при определенных температурах и диссорбнровать их при более высоких температурах. На рис. 16 приведены некоторые результаты проведенных автором испытаний, такой системы. В целом проведенный комплекс исследовании подтвердил техническую возможность снижения выброса оксидов азота с помощью такой системы при работе двигателя иа обедненных смесях.

В восьмой главе приведены материалы проводимого под руководством и при непосредственном участии автора комплекса работ по использованию на транспорте топлив ненефтяного происхождения. В рамках этой программы исследуются проблемы применения в качестве топлива на автомобилях с двигателями с искровым зажиганием жидкого и испаренного метанола, чистого промышленного водорода м водородных смесей, генерируемых из метанола путем его каталитического разложения на борту автомобиля.

Применение спиртовых топлив, как видно из представленных в таблице 2 результатов исследований в НАМИ, позволяет при добавке к бензину 15% метанола снизить выброс вредных веществ на 25- 30%, а при работе на чистом метаноле до 50%. Однако весьма серьезной проблемой, возникающей .при применении метанола в качестве моторного топлива, является его высокая коррозионная агрессивность по отношению к конструкционным материалам двигателя, которая может быть уменьшена подачей в двигатель не жидкого, а испаренного метанола. Отмечено также дополнительное в сравнении с жидким метанолом снижение выбросов токсичных веществ с отработавшими газами (см. табл. 2), в том числе и альдегидов, и возможность более глубокого обеднения смеси (до значений 01=1,5-1,7) и, соответственно, увеличения эффективного КПД двигателя на 6 - 9% за счет уменьшения потерь на газообмен и уменьшения коэффициента остаточных газов.

Испарение метанола осуществляется за счет использования тепла охлаждающей жидкости, так как температура испарения .метанола (65°С при давлении 0,1МПа, 84"С при давлении 0,2МПа) ниже рабочих значений температур охлаждающей жидкости и двигателе (85-95 °С). Затраты тепла на испарение метанола составляют около 6% от его энергии сгорания, и очевидно, что использование для этой цели тепловых потерь двигателя позволяет часть их пернуть' в рабочий процесс для совершения полезной работы, дополнительно повысив его эффективный КПД в сумме до 12-15%.

Таблица 2

Нил моторного гоплммн СО СП №х

г/км %:>ф<(>. г/км %:>фф. г/км %:н|>ф.

Ипкшп Л И-!).'( 11},г> - 2,2 2,3 -

1>енлин 1 1 Г>% ипппат Н,0 а:),« 1 ,:»Г) л«,« 1,9 17,4

Жидким мегичол 7,0 1,15 47,7 и 52,2

Испаренный ' мпанол . ъь - о: и 6б>в о, Ш

В НАМИ под руководством и при непосредственном участии автора разработана система питания двигателя испаренным метанолом, результаты испытаний которой приведены в таблице 2. Проблема холодного пуска двигателя в этой системе решет путем использования разработанного совместно с ТОО "Пламя." из Санкт-Петербурга,. пленочно-испарнтельного блока, обеспечивающего полное испарение метанола прп работе на непрогретом двигателе при его пуске, на холостом ходу и частичных режимах, соответствующих городскому движению автомобиля.

Наибольшее снижение выброса вредных веществ автомобильным двигателем дает использование в качестве топлива водорода или бензо-водородных смесей. Проведенные в НАМИ испытания (табл. 3 и рис. 17) покапали, что при сгорании водорода практически не образуются оксид углерода и несгоревшие углеводороды, так как в топливе отсутствует углерод.

Таблица 3

Вид моюрного топдина Нрсдныс имброгы, г/иен

СО СП Ж>х

Гн'Н.шп ЛИ-Ш Л2 к,.ч !),!

ГлЧМПК 1 11<)Л(11'"''( :> 2,К 4,Г>Г>

Мсгаиол чтдпродиан смесь (1|21('.0) Г) 2.5 :».и

Водородная «лить (1ЬК'0) 0 0,4 2,4

Водород 0 0 2,Г>

Рис. 17. Токсические регулировочные характеристики двигателя (VI» - 2, 45 л) при использовании водорода и водородных смесей, п - 2400 мин-1, № - 6,2 кВт,

- бензин;

............ 20% -я добавка Нг;

--------- смесь Иг + СО;

- эффективный КПД двигателя

Т,о .А

Эмиссия оксидов р.гота при работе на водороде в области составов тонливовоэдушнон смеси близких к стехнометрпческому (то есть при нагрузках двигателя, близких к максимальным) выше, чем у бензинового двигателя, вследствие более высоких температур сгорания водорода. Однако, как видно из графиков на рис. 17, при обеднении смеси содержание оксидов азота в отработавших газах двигателя резко падает, и при а=1,7-2,0 (то есть при нагрузке менее 65% от максп.матьной) образование оксидов азота практически прекращается. В отличие от бензиновых двигателей при работе на

водороде такое обеднение смеси не ухудшает устойчивость работы вследствие увеличения цикловой нестабильности рабочего процесса двигателя. Выбросы оксидов азота при работе автомобиля на водородном топливе по "ездовому циклу" в 4-5 раз меньше, чем при работе двигателя на углеводородном топливе (см. табл. 3). Поэтому применение водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей позволяет отказаться от использования дорогостоящих систем нейтрализации отработавших газов. Применение водорода также значительно снижает выброс двуоксида углерода, который является основной причиной образования "парникового эффекта", что не достижимо при использовании углеродосодержащнх' видов моторного топлива.

Вместе с тем, ряд фнзнкохимнческих свойств водорода, определяющих его motoj. .иле качества, ставит серьезные проблемы, без решения которых невозможно осуществить перевод традиционного двигателя на питание водородом. Среди них следует в первую очередь отметить уменьшение эффективной мощности, возникновение явления обратных, вспышек на режимах нагрузок, близких к максимальным, изменение свойств металла в водородной среде за счет насыщения его поверхностного слоя водородом - так называемая "водородная" хрупкость. Но самой трудной проблемой является отсутствие экономически оправданных безопасных средств хранения водорода va борту автомобиля для обеспечения его прнемлимой энерговооруженности и развитой инфраструктуры производства, хранения и заправки автомобиля в эксплуатации, что затрудняет реализацию программы использог.тния чистого водорода в качестве топлива для. автомобиля. Эти зйдачи и технические проблемы, связанные с созданием -мобильного, экономически оправданного в производстве, безопасного и надежного в эксплуатации водородного двигателя связаны с большими затратами н могут быть решены только после 2ООО года. Поэтому в НАМИ при участии автора разработана система' питания автомобильного двигателя водородной смесью - синтез-газом (Нг+СО) или (Н2+СО2), получаемом на борту автомобиля за счет каталитического разложения метанола при использовании тепла отработавших газов, схема которой приведена на рис. 18. '

получаемой путем конверсии метанола:

1 - послушным фильтр; 2 - электртмлпштный кланлн; .') - воздушный клапан; 4 -электронодогронатель смеси; 5 - карбюратор; 0 - регулировочный клапан; 7 -электромагнитный клапан; 8 - топливный ипсос; 9 - вентиль мпанольпый; 10 -вентиль водородной смеси; 11 - редуктор; 12 - патрубок; 13 - рпулягор ланд синя юплииа; М - топливный Сак; 15 - электронасос; 16 иродохрапнтслшый клапан; 17 - рессниер; 18, 19, 27 - малый круг циркуляции охлаждающей жидкости; 11) - игиаритсль; 18, 20, 21, 28 - большой круг циркуляции охлаждающей жидкости; 21а - радиатор для охлаждения водородной смеси; 22 - расширительный бачок; 23 - теплообменник; 24 -вентилятор; 25 - насос системы охлаждения двигателя; 26 - клапан-термостат; 29 - глушитель; 30, 31 - заслонки выпускной системы; 32 - редуктор; 33, 33а -каталитические нагревательные секции реактора; 34 - перегреватель га;ю; 35 -выпускные трубопроводы; 35 - основной клапан-термостата; 37 - перепускной-клапан термостата; 38 - двигатель

Водородная смесь может быть получена из метанола путем каталитического разложения:

СНзОН - 2Нг+СО (сухая конверсия) или в присутствии воды

СН3ОН+Н2О - ЗН2+СО2 (паровая конверсия) при сравнительно низких температурах - до 500°С при использовании традиционных катализаторов на основе благородных

металлов, а при подборе соответствующих катализаторов - 250-350°С. Выход целевого продукта при этом составляет от 80 до 98%. Второй компонент сннтез-газа, получаемого при сухой конверсии метанола, - окись углерода также является горючим. В то же время двуокись углерода, образующаяся при паровой конверсии метанола, может быть также полезна как средство разбавления рабочего заряда для обеспечения более благоприятного (невзрывного) сгорания водорода в двигателе.

Процесс конверсии метанола сопровождается поглощением энергии около 4 МДж на 1кг метанола. Эта энергия в виде тепла расходуется на предварительный нагрев и испарение метанола, перегрев паров метанола до требуемой температуры реакции и на проведение самой эндотермической реакции разложения метанола. В результате энергосодержание водородной смеси увеличивается по сравнению с метанолом на 20% (теплота сгорания метанола 20 МДж/кг, водородной смесн - 24 МДж/кг). Требуемое тепло может быть получено от отработавших газов и от системы охлаждения двигателя. Если . к этому добавить прирост экономичности, который обеспечивает работа двигателя на перебедиых водородовоздушиых смесях, то становится реальностью увеличение эффективного КПД 30-50% на режимах работы двигателя на малых нагрузках, то есть в условиях городской эксплуатации автомобиля.

Водородная смесь, геыерируе 1ая из метанола, позволяет полностью исключить выброс оксида.углерода и углеводородов во всем диапазоне нагрузочных режимов двигателя и оксидов азота до нагрузки 70 - 80% от номинала, то есть практически на всех режимах ездовых циклов стандартов США и Европы. Однако в настоящее время не решены еще вопросы обеспечения достаточной производительности каталитического реактора вследствин эндотермического характера реакций разложения метанола и необходимости подвода в зону реакции большего количества тепла. Поэтому на первом этапе разработана система подачи в двигатель испаренного метанола и водородной смесн, результаты испытаний которой приведены в таблице 3. Для обеспечения холодного пуска и прогрева двигателя до начата эффективной работы реактора по генерированию водородной смеси в необходимых количествах разработана резервная система питания испаренным метанолом в виде отдельного блока пленочно-пспарительпого типа.

При нагрузках выше 70-80% от номинала и в периоды разгона автомобиля, когда производительность каталитического реактора недостаточна в следствии эндотермического характера реакций разложения метанола и необходимости подвода в зону реакции

большего тепла, чем может обеспечить отвод от отработавших газов, резервная система подает дополнительное количество чистого метанола. Регулирование содержания окснда п двуоксида углерода в составе водородной смеси на выходе из реактора исключает явления взрывного горения водорода н связанных с этим вибрации двигателя, уменьшает водородную хрупкость металлов. Смешение водородной смеси с воздухом непосредственно в замкнутом пространстве цилиндров двигателя устраняет пожароопасиость автомобиля.

Истощение ресурсов топлив нефтяного происхождения и возможность получения водорода из метанола, для получения которого имеются большие ресурсы при переработке углей низкого качества, невостребованных промышленностью для других целей, делают метанол достаточно перспективным топливом для автомобильного транспорта и с учетом его высокой экологической ценности это позволяет спрогнозировать расширение работ по созданию нового поколения двигателей, приспособленных для работы па водородных смесях, как продуктах его каталитического рааюження.

В девятой главе расматриваются вопросы организационного, правового, экономического и технического характера, которые необходимы для обеспечения практической реализации в народном хозяйстве мероприятий по 'снижению выброса вредных веществ автотранспортом. В этом разделе дается прогноз развития нормирования экологических показателей автомобилей в рамках Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных наций (ЕЭК ООН) для автомобилей с двигателями с искровым зажиганием, предложена концепция федеральной программы создания экологически чистых автомобилей 2000 года, и перспективы ее поэтапной реализации. На примере города Москвы предлагается Проект регионального нормирования и комплекс мероприятий , необходимых для реализации его в рамках Экологической программы г. Москвы, при успешном выполнении которой, накопленный опыт может быть распространен на другие регионы с особо опасной экологической обстановкой, а затем на всю Российскую Федерацию со смещением по времени введения этапов нормирования в 2-3 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведенные исследования показали, что разработанные мероприятия позволяют обеспечить выполнение автомобилями перспективных европейских нормативных требований ЕВРО-2 и создать предпосылки для выполнения ЕВРО-3 и норм иЬЕУ американского стандарта, а при реализации конструкций двигателей, работающих на водородном топливе имеется возможность выполнения нормативных требований 1ЕУ калифорнийского стандарта.

2. Исследования реальных выбросов вредных веществ двигателем при эксплуатации автомобилей в условиях интенсивного городского движения показали на большую значимость режимов малых нагрузок и глубокого дросселирования, то есть холостого и принудительного холостого хода, и влияния их на последующие режимы разгона.

3. Теоретические н расчегно-экспернменталыше исследования рабочего процесса двигателя на режимах глубокого дросселирования показали на значительные их отличия от нагрузочных режимов:

- процессы газообмена характеризуются обратными перетечкамн газов из цилиндров во впускную систему в период запаздывания закрытия впускного клапана, из выпускной трубы в цилиндры в начальный период открытия выпускного клапана и из выпускной через цилиндры во впускную трубу в период перекрытия впускного и выпускного клапанов; ,

- процессы впуска и смесеобразования характеризуются низкой интенсивностью, разбавлением свежен горючей смеси инертными компонентами остаточных газов не только в цилиндрах двигателя, но н во впускной системе за счет обратных перетечек газов, что приводит к рассогласованию составов смеси, формируемых алгоритмом управления системой питания на входе в двигатель, и действительных текущих значений состава горючей смеси в цилиндрах;

- процессы воспламенения и сгорания смеси характеризуются увеличением периода индукции, низкими скоростями горений смеси, когда период видимого горения может перейти в область холодного пламени.

4. Для более точного описания состояния рабочего зарядД в цилиндрах двигателя во всех фазах рабочего цикла предложено использовать новые коэффициенты: химической инертности остаточных газов и химической активности рабочего заряда цилиндра, позволяющие оценить реальное соотношение топлива, окислителя и инертного продукта и, тем самым, правильно спрогнозировать процессы воспламенения и сгорания рабочего заряда.

5. Предложен новый метод оценки эффективности рабочего процесса двигателя и применения различных конструктивных решений на режимах малых нагрузок и глубокого дросселирования по критерию сравнения усредненного коэффициента активности рабочего заряда цилиндров \\1Л с расчетными теоретическими значениями.

6. Анализ процессов, протекающих в двигателе на режимах малых нагрузок и глубокого дросселирования, позволил предложить ряд конструктивных мероприятий, обеспечивающих улучшение экологических и энергетических показателей автомобиля:

- создание конструкций двигателей с регулируемыми фазами газораспределения позволяют уменьшить или полностью исключить неблагоприятные явления, связанные с обратными пер.течками газов, без ухудшения наполнения двигателя на мощностных режимах его работы;

- подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя в период перекрытия клапанов через клапаны-пульсары усиливает процесс до-окислешш рабочей смеси в конце такта расширения и благоприятно вчняет на прогрев нейтрализатора после холодного пуска двигателя;

- отключение подачи горючей смеси в цилиндры на режимах принудительного холостого хода позволяет уменьшить выброс токсичных веществ и увеличить тормозной эффект двигателя, последнее, в свою очередь, уменьшит выброс в атмосферу твердых частиц от износа асбестовых колодок тормозов;

- использование для управления законами дозирования смеси обратных связей по сигналам на выпуске двигателя (давление, температура, состав отработавших газов л др.) позволяет сформировать алгоритм управления с учетом реально протекающих рабочих процессов н избежать рассогласования между задаваемым и действительными составами горючей смеси на всех возможных эксплуатационных режимах работы двигателя;

- применение впускных систем и камер сгорания с управляемым, вихрем позволяют уменьшить крупномасштабную турбулентность на режимах глубокого дросселирования и близких к ним нагрузкам и в комплексе с системами зажигания с повышенной энергией искрового разряда, особенно индуктивной его составляющей, исключают срыв процесса горения рабочего заряда на такте расширения и делают перспективными на этих режимах двигатели, работающие на переобедненных горючих смесях.

7. В процессе проведения исследовании был разработан ряд защищенных патентами конструктивных решений, улучшающих энергетические и экологические показатели двигателя с искровым зажиганием:

- двухсекционная впускная труба, обеспечивающая управление интенсивность вихря в камере сгорания в зависимости от режима работы двигателя, индивидуальный подогрев стенок патрубков, связанных с первичной камерон карбюратора, полное отключение подачи топливо-воздушной смеси на режиме принудительного холостого хода и возможность подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя через патрубки, связанные со вторичной камерой карбюратора;

- конструкция трехкамерного карбюратора для форкамерного двигателя ЗМЗ-4022.10, обеспечивающая улучшение процесса смесеобразования в форкамерной секции впускной системы на режимах холостого хода и малых нагрузках, и отключения подачи тоиливо-воздушной смеси на режиме принудительного холостого хода;

- система впуска ь здуха во впускной коллектор на режиме принудительного холостого хода, реализованная в конструкции системы питания двигателя серийно выпускавшегося автомобиля ГАЗ-ЗЮ2, для исключения "хлопков" в системе его выпуска^

- система питания "КАСКАД",, внедренная в массовое производство на карбюраторах легковых автомобилей Волжского, Горь-ковского, Ульяновского и Запорожского автозаводов; .

- система и электронный блок программно-адаптивного регулирования топлнвоподачи по критерию дисперсии экстремальных значений пульсации давления отработавших газов в выпускной системе.

8. В рамках выполнения Государственной программы "Экологически чистый автомобиль 2000-го года" разработаны комплексные антнтоксичные системы, обеспечивающие выполнение нормативных требований ЕВРО-1 и ЕВРО-2 для автомобилей категорий М1и N1, включая системы нейтрализации отработавших газов разных типов.

9. Для оценки эффективности, надежности' и ресурса нейтрализаторов разработан комплекс методик лабораторных, стендовых моторных и дорожных испытании нейтрализаторов, оформленных в виде зарегистрированных в государе гвенных органах руководящих документах (РД), часть из которых прорабатывается в рамках рабочей группы по токсичности и энергетике Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций (GRPE ЕСЕ UN) в виде новых правил.

Í0. Для обеспечения перспективных требовании ЕВРО-3 и ULEV н ZEV калифорнийского стандарта предложен ряд принципиально иовых технических решений:

- разработана конструкция и проведены экспериментальные исследования системы активации восстановления оксидов азота в нейтрализаторе за счет регулируемой подачн на него Ьодорода или

водородосодержащнх смесей при работе двигателя на обедненных составах смеси;

- разработана принципиальная схема н проведены экспериментальные исследования системы мнкроволиового разогрева нейтрализатора после холодного пуска двигателя.

11. Выполнен комплекс работ по оценке возможности использования в искровых двигателя топлнв • иенефтяного происхождения, в результате чею:

- разработана конструктивная схема, изготовлен и испытан экспериментальный образец автомобиля "Москвич" АЗЛК-2141 с системой питания двигателя испаренным метанолом, что обеспечивает выполнение нормативных требований ЕВРО-2 по токсичности, экономию нефтяных ресурсов н увеличение КПД двигателя на 5 -10% за счет утилизации потерь тепла охлаждающей жидкости;

- разработана конструктивная схема, изготовлен и нспытывается экспериментальный образец автомобиля "Москвич" АЗЛК-2141 с системой питания двигателя водордной смесью, получаемой путем каталитической конверсии метанола на борту автомобиля, что обеспечивает выполнение нормативных требований ЕВРО-3 и иЬЕУ по токсичности, экономию нефтяных ресурсов и увеличение КПД двигателя на 15 - 20% за счет утилизации потерь тепла охлаждающей жидкости и отработавших газов.

12. Разработаны комплекс организационно-правовых мероприятий, включая прогноз выброса вредных веществ автотранспортными средствами и поэтапное региональное нормирование до 2005 года, в первую очередь для областей с напряженной экологической обстановкой, часть этих материалов включена в проект разрабатываемой Государственной Думой нового закона " О защите населения и окружающей среды от вредного воздействия нефтепродуктов" .

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Прогноз выброса вредных веществ автотранспортом н пути улучшения токсических характеристик автомобильных двигателей. Каменев В.Ф., Кутенев В.Ф., Труды НАМИ, 1993 г., Москва, с. 135147.

2. Метод оценки эффективности рабочего процесса двигателя на режимах малых нагрузок и глубокого дросселирования. Каменев В.Ф. Межвузовский сборник научных трудов "Автомобили и тракторные двигатели", выпуск XII, Москва, 1995 г, с. 189-195

3. О факторах, влияющих на процессы воспламенения и сгорания рабочего заряда в цилиндре на режимах глубокого дросселирования. Кутенеь В.Ф., Каменев В.Ф. Межвузовский сборник научных трудов "Автомобили н тракторные двигатели", выnvcк XII, Москва, 1995 г, с. 25-36 . '

4. Способ управления двигателем, работающим на обедненных топливовоздушных смесях. Каменев В.Ф., Ефременков С.А. Автомобильная промышленность, NoNo 3 и 4, 1995 г.

5. Автомобиль на водороде. Новый взгляд на старую проблему. Никитин И.М., Кузнецов В.М., Каменев В.Ф. Autoshop Magazine. No XI- XII. 1994 г.

6. Российское н международное нормирование вредных выбросов автотранспортных средств. Каменев В.Ф., Куров Б.А. Автомобильная промышленность. No 12. 1993 г. с. 30-33.

7. Резерлы бензиновых ДВС. Проект "Ahtiitokc". Кооннлоп Г.С., Каменев В.Ф. Автомобильная промышленность. No 2/ 1992 г. с.14-15

8. Разработка методик и проведение сравнительных испытаний некоторых фнзнкохимических свойств очистки отработавших газов ДВС. Юхтанов Е.Д., Каменев В.Ф., Логунов С.И., Моисеев С.П., Панчишиын В.И., Чадпна Г.П. Доклады отраслевого семинара "Улучшение экологических характеристик автомобилей и тракторов, проблемы снижения шума, вибраций и токсичности автомобилей". Москва. 1989 г. с.38-46

9. Перспективы совершенствования антитокенчных систем автомобильных двигателей принудительным зажиганием. Кутенев В.Ф., Каменев В.Ф. Доклады отраслевого семинара "Улучшение экологических характеристик автомобилей и' тракторов, проблемы снижения шума, вибраций и токсичности автомобилей". Москва. 1989 г. с....

10. О достоверности обработки индикаторных диаграмм на режимах глубокого дросселирования малотоксичных двигателей. Дмитриевский A.B., Каменев В.Ф. Межйузовский сборник "Защита окружающей среды в связи с развитием автомобилизации". 'Москва. 1980 г. с. 18-27.

11. Карбюраторы автомобильных двигателей. Дмитриевский A.B., Каменев В.Ф. Машиностроение. Москва. 1990 г. 224 стр.

12. Питание бензинового форкамерного двигателя на режимах глубокого дросселирования. Каменев В.Ф. "Автомобильная промышленность", No б. 1985 г. с. 21-22.

I6.I0.bor._ойъс.м 2,6л. л. _Тьп. lou ' ■

T;jj. ЬУ/ii, Орд.хон.лс.щза, о