автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Особенности работы односекционного роторно-поршневого двигателя при разгоне

РГБ С Л

1 п ДПР Г""

На правах рукописи ЧУГУНОВ Александр Александрович

Р»

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ОЛНОСЕКШОННОГО РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАЗГОНЕ

Специальность 05.04. 02 - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 1995 г.

- г -

Работа выполнена на кафедре " Теоретические основы теплотех ки" Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Г.Н. Злотин

Научный консультант кандидат технических наук Е.М. Итю1

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

В. Г. Кривов' кандидат технических наук В.Ф.Рейн Ведущее предприятие СКВ РПД АвтоВАЗа

Защита состоится »28» О. прел А. 1995 Г- в И0-0 часов 1 заседании диссертационного совета К063.76.02 в Волгоградском roc; дарственном техническом университете по адресу: 400066, г. Волго1 рад. проспект Ленина. 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгограде-' кого государственного технического университета.

Автореферат разослан

марш 1995 года

Ученый секретарь диссертационного совета

В. А. Ожогин

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Несмотря на снижение интереса автомобилистов к роторно-пориневк"". двигателям (РПД), работы по их совершенствованию продолжаются рядом фирн и организаций как за рубежом ( John Deer. Cartis 'Wright. Daimler Benz и др.). так и у нас в стране, например ВНИИМОТОпромом. СКБ РПД ВАЗа. Это обусловлено рядом преимуществ РПД: меньшими, по сравнении с поршневыми двигателями {ГШ. металлоемкостью, габаритами и номенклатурой деталей, высокой степенью уравновешенности и др. Известно, что эксплуатационная топливная экономичность транспортного средства з значительной степени определяется особенностями работы нз неустановившихся . (НУ) режимах, в частности на режимах разгона установленного на нем двигателя. Эти особенности влияют таюке на динамику транспортного средства, которая прямо связана с безопасностью автомобиля. К сожалению, до настоящего времени нет данных с влияния этих режимов на показатели работы РПД. не создан математический аппарат, позволяющий вскрыть возкожные причины этих влияний. Устранение этого пробела позволит учесть реальные условия эксплуатации при проектировании и доводке транспортных РПД.

Цель работа. Изучить влияние на показатели РВД неустановившихся режимов, ■обусловленных открыванием дроссельных заслонок, в зависимости от ряда режимных, эксплуатационных и регулировочных факторов, опираясь как на стендовые испытания, так и на вычислительный эксперимент, проведенный на базе созданной математической • модели.

Методы исследования. Натурные стендовые испытания двигателя, а также теоретические исследования процесса смесеобразования во впускном трубопроводе на базе разработанной математической модели.

Объект исследования. Односекционный роторно-поршневой двигатель РПД ВАЗ-ЗН. укомплектованный серийным:: системами питания, смазки и зажигания.

• Научная новизна. Впервые на основе натурных и вычислительных экспериментов получены данные о влиянии НУ режимов, вызываемых открыванием дроссельных заслонок, на крутящий момент РПД при разном сочетании режимных, эксплуатационных и регулировочных факторов.

Отмечено, что важнейшей причиной ухудшения показателей РПД при НУ режимах является нарушение топливного баланса во впускном трубопроводе.

Создана математическая модель процесса смесеобразования во впускном трубопроводе РПД. использование которой позволило получить .новые важные данные как об особенностях этого процесса вообще. так и о роли закона подачи топлива насосом-ускорителем.

Практическая ценность. Результаты теоретических и экспериментальных исследования особенностей работы РПД при открывании дроссельных заслонок могут- явиться основой для оптимизации времени их открывания, а разработанная математическая модель смесеобразования во впускном трубопроводе РПД позволяет уже' на стадии проектирования подобрать рациональный закон подачи топлива насосом-ускорителем. Предложенная математическая модель может быть в основном сохранена при переходе от карбюраторного смесеобразования к впрыску топлива во впускной трубопрород.

Реализация работы. Материалы исследований работы РПД на неустановившихся режимах переданы в СКВ РПД Волжского объединения по 'производству легковых автомобилей (АвтоВАЗ), а также используются в учебном процессе в Волгоградском государственном техническом' университете.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях ВолгПИ - ВолгГТУ ( 1977- 1995 г. г.), на научной конференции МАЛИ ( Москва, 1992 г. ). научной конференции СИМСХ ( Саратов , 1993 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 научные работы.

Объец диссертации. Диссертация состоит из введения, пята глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем работы 133 стр., в том числе 90 страниц основного текста. 37 иллюстраций, 6 таблиц, список литературы включает 109 наименований, в том числе 18 наименований на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во рв^дении обоснована актуальность темы диссертации и дана ее общая характеристика.

В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию работы ПД на неустановившихся режимах". Показана роль отечественных ( Архангельский В. М.. Дьяченко Н.Х., ЗлотинГ.Н.. Рубец Д.А.. Фалбкевич Б.С., Мурашов 0.Д.. Юлдашев Л.К. и др.) и зарубежных ( Aquino C.F.. Хосо В.. Ойяма И..

и др.) ученых в изучении особенностей работы ПД и их систем на этих режимах.

Отмечено, что в литературе практически нет сведений о работе РПД при неустановившихся режимах. Обосновано предположение о том. что влияние НУ режимов на работу РПД должно быть схожим с их влиянием на работу поршневых двигателей.

Констатируется, что. по мнению большинства исследователей, главной причиной изменения показателей двигателей при работе на неустановившихся режимах является нарушение топливного баланса во •впускном трубопроводе, обусловленное пленкообразованием на его стенках. Отмечено отставание теоретических исследований от экспериментальных работ, что обусловлено сложностью протекающих пронес-" сов.

Проанализированное в главе состояние вопроса позволило определить цели настоящего исследования:

- исследовать влияния 'НУ режимов на изменение крутящего момента РПД при разном сочетании режимных, эксплуатационных и регулировочных параметров;

-создать математическую модель смесеобразования во впускном трубопроводе, позволяющую проанализировать нарушение в нем топливного баланса, обусловленное НУ режимами работы двигателя;

- установить на основе экпериментально-расчетных исследований взаимосвязи между нарушением топливного баланса во

впускном трубопроводе и изменением крутящего момента двигателя.

Вторая глава посвящена описанию объекта изучения, экспериментальной установки и методики исследования. Даны характеристики РПД ВАЗ-311. Приведено описание стандартной и оригинальной аппаратуры и устройств, в том числе обеспечивающих создание НУ режимов разной интенсивности, их многократное воспроиззедение, проведение необходимых измерений, включая индицирование рабочей полости РПД.

Неустановившиеся режимы работы создавались открыванием дрос-. сельных заслонок при сохранении, с помощью разработанной на кафедре' ТОГ системы автоматического регулирования, неизменной частоты вращения эксцентрикового вала. В каждой серии экспериментов эта частота была .своей. Степень отклонения от соответствующего установившегося режима ( степень интенсивности НУ режимов) определялась временем открывания заслонок (тлр ), которое варьировалось в интервале 0,2... 6с.

Методика экспериментов предусматривала многократное повторе-

ние каждого варианта НУ режима, причем 'перед каждой серией экспериментов фиксировалась работа РИД на соответствующем установившемся режиме.

Результаты натурных и вычислительных экспериментов рассматривались в большинстве случаев совместно, что давало возможность вскрыть причинно-следственные связи.

В третьей главе приведены, результаты стендовых экспериментов, посвященных изучению влияния НУ режимов, создаваемых- открыванием дроссельных заслонок, ка величину крутящего момента (Ме) РПД.

Эксперименты показали ( рис.1), что, несмотря на малую длину и неразветвленность впускного трубопровода, характер влияния НУ режимов на РПД остается таким же. как и для ПД. -Основное влияние на отставание величины крутящего момента от изменения положения дроссельных заслонок оказывает время ( скорость) их открывания. а частота вращения в исследованном диапазоне ее изменения. практически не сказывается.

Для количественной оценки влияния НУ режимов на Ме на участке движения дроссельных заслонок применена предложенная Г.Н. Зло-тинкм методика, в соответствии с которой использовались средние

значения Ме режимах:

при установившемся (Ме*ср) и неустановившемся (М,

е с р '

Меср

1

«Рдр - Фаро

М,

ср

«Рдрк

/

"Рдро

Фдр» ....../

- соответственно"

1

1

Ч>ДР - <?*

«2 <»др)

*др-

(1)

где фдр0. «йдр! - соответственно' 'исходное и конечное положение дроссельных заслонок, определяемое углом поворота их оси и выраженное в процентах от полного открывания.

При этом изменение динамики нарастания Ме на установившихся и НУ

'еср ■

В результате математи-

реяимах оценивалось отношением м"ср / М, ческой обработки экспериментальных данных для исследовавшегося двигателя серийной комплектации была получена эмпирическая формула:

>ср

0.328 + 0,193 тдр + 0.0038? х

др-

(2)

гср

е

В ходе экспериментов изучалось влияние производительности насоса ускорителя на Мен и на отношение М^ср / МеСр • Показано, что для прогретого РПД серийной комплектации наилучшую динамику обеспечивает насос-ус:соритель с диамдтром жиклера сЗж » 0.4 мм. При снижении теплового режима производительность насоса-ускорителя должна возрастать, что следует учитывать при разработке микропроцессорных систем управления работой ДВС вообще и РПД в частности.

Четвертая глава посвящена описанию разработанной математической модели процесса смесеобразования во впускном трубопроводе РПД. которая позволяла определять в каждый момент времени коэффициент избытка воздуха на входе в двигатель.

При разработке модели исходили из следующей физической кар-' тины. Движущийся по впускному трубопроводу воздух увлекает с собой топливо, которое находится в трех фазах: паровой, капельной и жидкой. Первые две переносятся потоком воздуха со скоростью, практически равной скорости этого потока. В модели они рассматриваются как единая парокапельная фаза. Жидкая фаза перемещается в виде пленки по стенке трубопровода. Между пленкой и парокапельной фазой происходит массообмен: часть капель оседает в пленку, в то же время часть топлива покидает пленку вследствие испарения и срыва капель с ее поверхности . В качестве основных параметров, помимо геометрических характеристик системы. ' приняты: скорость ( »„ ) и плотность ( р„ ) воздуха, определяющие его массовый расход ( Св ): концентрация паров и капель топлива в воздухе ( С ); скорость топливной пленки ( чгпл) и ее толщина ( б™ ), определяющие массовый расход топлива в пленке ( ); интенсивности испарения ( Е ). срыва топлива с поверхности -пленки ( Б ) и осаждения капель в пленку ( я ) .

При создании модели были приняты следующие допущения, основ-яые из которых обусловливались особенностями впускного тракта од-зосекционного РПД ( вертикальное расположение и малая длина впуск-.. . *ог.о тракта, отсутствие разветвлений):

- из-за высокой турбулентности скорость воздуха по сечению -грубопровода постоянна:

- толщина топливной пленки из-за вертикального расположения шускного тракта постоянна по периметру сечения;

- в любом сечении впускного трубопровода концентрация парока-тльной фазы постоянна:

- температура стенок трубопровода постоянна по его длине,

' теплотой, передаваемой от стенок к тошшвовоздушной смеси мо) пренебречь;

- потери давления и торможение воздушного потока из-за тре} его о стенки впускного трубопровода не учитываются;

- толщина и скорость топливной пленки зависят, при про1 равных условиях.' от скорости воздушного потока и массообмена с г рокапельной фазой, причем скорость по толщине пленки линейно мен

■ ется от нуля на стенке трубопровода до скорости, равной скорос • воздуха на поверхности;

- касательные напряжения в пленке, обусловленные вязким тр нием. подчиняются закону Ньютона;

- расход топлива через основные дозирующие системы карбюрат ра при НУ режимах такой же, как при соответствующем установившем режиме.

Количество подаваемого топлива основными системами карбюрат ра и насосом-ускорителем рассчитывалось по введенным в модель эк> периментально полученным регрессионным зависимостям.

Указанные допущения позволили ограничиться одномерной пос новкой задачи: -параметры меняются только по длине трубопровод! Эхо существенно упрощало модель. Так, уравнения неразрывности сохранения количества движения, использованные для расчета парг метров воздушного потока, приняли вид:

дрв д(ра\)

дг дх

д(р„У1в) 3(рвы„г)

0. ( 3 )

о. ( 4 )

дх

Для расчета поля концентраций капель и паров топлива по длин . впускного трубопровода использовано " транспортное " уравнение:

<5(Ср„) дССрл) I ---- + ............. „ -- ( 5 )

ск дх х г?р

где I - " источниковый " член, учитывающий массообмен меад парокапельной и жидкой фазами топлива;

гтр - радиус впускного трубопровода. Скорость пленки и ее толщина по длине трубопровода связан! уравнением:

- + -----— . ' б )

дх 2 * гхв

Замыкание система уравнений (3) ... (67 осуществлялось урав-

гением баланса массы, которым определялось значение " источниково-го" члена:

I - Е + 5 - Н. ( 7 )

Количество испаряющегося топлива Е определялось на основании закона Фика. Срыв капель топлива Б с поверхности принимался в со->тветствии с результатами экспериментов пропорциональным сЮвЛК и толщине пленки. 'Количество топлива Н , осаждающегося в пленку, ¡писывалось уравнениен:

--- + --- . 1 о )

дь дх

В главе предложен метод оценки адекватности модели, оснований на тесной корреляции значений коэффициента избытка воздуха а и. !аксимальных давлений в цикле рг ( рис. 2 ), позволивший констати-ювать адекватность модели.

В пятой главе представлены результаты совместного анализа на-'урных и вычислительных экспериментов. Совместное рассмотрение поученных экспериментально зависимостей Ме « /(т) и найденных рас-етным путем а = т), позволило установить ряд важных закономер-остей.

Отмечено, что фиксируемые изменения ДМе = Мен - Кеу. вызван-ые открыванием заслонок, отстают от изменения Да » ан - ау, что. о-видимому. связано с динамическими процессами в трансмиссии. Это тставание уменьшается с увеличением тдр, и при медленном открыва-ии заслонок ( глр > 2 с ) оно практически исчезает.

Показано, что при НУ/бзссйатриваемого вида имеет место обед-оние смеси. Оно оказывается максимальным во время открывания зас-энок и сопровождается наибольшим " провалом" значений крутящего эмента. Второй, значительно меньший " провал " Не отмечается при зследующем переобогащении смеси, обусловленном подходом к впуск-)му окну накопившейся во впускном трубопроводе топливной пленки зис. 3).

Анализ влияния работы серийного насоса-ускорителя позволил' ¡тановить. что его включение, не меняя общего характера зависи->стей Да - /(т) и ДНе - /(т). почти вдвое сникает Да и сокращает >емя поступления обедненной смеси в двигатель, что сопровождается ютветствующим сокращением величины и продолжительности "провала" . Вместе с тем. работа насоса- ускорителя заметно увеличивает реобогащение смеси в последующий период, что. по-видимому, явля-ся главной причиной увеличения токсичности отработавших газов

(0Г) при разгоне, двигателя.

Значительное место в главе отведено изучению влияния характеристик насоса-ускорителя на состав смеси и Ме при НУ режимах, вызываемых открыванием дроссельных заслонок. Проанализировано влияние количества и времецр подачи топлива насосом-ускорителем. ' а также положения точки максимума подачи им топлива при различных частотах вращения эксцентрикового вала и рагном времени открывания заслонок.

. Анализ влияния количества подаваемого .топлива (.ряс.. 4 ) показал наличие оптимума, обеспечивающего максимальный темп нарастания Ме при открывании дроссельных заслонок.- При меньших подачах ухудшаются динамические качества, а большие подачи,- не влияя на эти качества, приводят к увеличению последующего . переобогащения смеси и росту токсичности ОГ. При сохранении принятых в серийном насосе продолжительности подачи и ее распределен:!:: во времени этот оптимум близок к 0,44 мл/с.

В работе показана принципиальная возможность улучшения топливной экономичности и токсических характеристик при разгоне за счет* оптимизации времени работы, производительности и закона подачи топлива насосом-ускорителем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТУ И ВЫВОДЫ

1. Впервые экспериментально изучено изменение крутящего момента РПД при неустановившихся режимах, создаваемых открыванием дроссельных заслонок. Показано, что, несмотря на малую длину и не-разветвленность впускного трубопровода РПД. в этих двигателях сохраняются основные закономерности изменения Ме. свойственные порш-• невым ДВС.

1.1. Отставание изменения Ме от изменения положения дроссельных заслонок тем значительнее, чем быстрее происходит открытие последних.

1.2. Объективным показателем соотношения между величинами крутящего момента при сходственных неустановившихся и установившихся режимах является отношение их средних значений м£ср/ИеСр на участке открывания заслонок.

1.3. Отношение является Функцией тдр. оно снижается о увеличением скорости открывания заслонок и практически не зави-

- 11 -

сит от частоты Бращения вала двигателя.

1.4. Работа насоса-ускорителя уменьшает различие между М„и и Ме*. причем существует оптимум подачи топлива этим насосом, превышение которого не улучшает динамику двигателя, но должно приводить к ухудшению ег~ токсических показателей. Оптимум смещается в область больших подач при снижении теплового состояния двигателя.

2. Основной причиной снижения показателей РПД при разгоне является обеднение смеси, обусловленное возникающим из-за пленко-образования нарушением баланса между количеством топлива, подаваемого дозирующими системами, и топливом, поступающим в рабочую полость двигателя.

3. Разработана математическая модель, позволившая адекватно, по крайней мере с качественной стсроин. оценить указанное в пункте 2 нарушение топливного баланса и связать его с режимными, эксплуатационными и регулировочными факторами.

4. Совместный анализ материалов натурных и вычислительных экспериментов, проведенных на основе разработанной математической модели, позволил получить ряд новых результатов:

4.1. Показатели рабочего цикла, в частности величина рг. практически синхронно следуют за изменением состава смеси, в то время как изменения значений крутящего момента фиксируются с тем большим опозданием, чем меньше тдр. При тдр > 2 с это отставание практически полностью исчезает.

4.2. Обеднение смеси для рассматриваемого вида неустановившихся режимов наиболее выражено в период открывания дроссельных заслонок. Оно оказывается тем больше, чем быстрее открываются заслонки ( меньше 1ДР ). Этому обеднению соответствует наибольший " провал " крутящего момента. Указанный "провал", по-видимому, определяет главным образом ухудшение динамики разгона транспортного средства.

4.3. Даже при отсутствии насоса-ускорителя при тдр > 1.0 с. а при работе насоса при всех исследованных тдр. вслед за обеднением наступает переобогащение смеси за счет подхода к впускному окну пленки, накопившейся на стенках впускного трубопровода за предшествующий период. Это переобогащение может оказываться столь значительным, что приводит к появлений второго, правда существенно меньшего, чем первый, "провала" Ме.

4.4. Касос-ускоритель, не меняя закономерностей До » /(т) и ДМ, - /{т), почти вдвое снижает максимальное обеднение смеси в пе-

риол открывания дроссельных заслонок, уменьшает продолжительность поступления в РЛД обедненной рабочей смеси, что приводит к соответствующему сокращению величины и длительности первого, основного. "провала" М,.

5.. Вычислительный-эксперимент по разработанной модели позволил получить ряд важных результатов, касающихся роли характеристик насоса-ускорителя в процессе смесеобразования при неустановившихся режимах:

5.1. При неизменных продолжительности работы наооса и времени достижения максимума подачи существует оптимум суммарной подачи топлива, обеспечивающий максимальную динамику нарастания Мен. Увеличение подачи сверх этого значения практически не сказывается на динамике двигателя, но приводит к росту последующего переобогащения смеси, что должно вызывать ухудшение токсических характеристик •двигателя.

5.2. При неизменных производительности насоса и положении, момента максимальной подачи топлива заметное снижение Да,.14Х может быть достигнуто за счет уменьшения продолжительности работы насоса. однако при этом значительно возрастает последующее обогащение смеси. Уменьшить этот отрицательный эффект можно одновременным сокращением продолжительности работы и производительности насоса. Так, снизив подачу насоса до 0,30 мл/с и продолжительность работы до 2 с, можно добиться такого же результата, что и при серийном насосе (GKy = 0,44 мл/с и тну - 3 с), значительно сократив при этом расход топлива и токсичность ОГ.

5.3. Смещение момента достижения максимума подачи топлива на более ранний период ( при тну « Idem и GHy » Idem ) позволяет сократить обеднение смеси на участке открывания заслонок, что должно обеспечить уменьшение "провала" не вызывая при этом переобогащения смеси в последующий период. По-видимому, рациональное объединение положений п. п. 5.2 и 5.3 позволит поднять динамику нарастания ^ при одновременном снижении эксплуатационного расхода топлива и токсичности ОГ.

6. Материалы настоящего исследования переданы в СКВ РПД АвтоВАЗа.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Злотин Г.Н.. Чугунов A.A. О механическом КПД двигателя при неустановившихся режимах// Труды ВПИ: Рабочие процессы в порыне-^ вых две. 1977,- с. 57-62.

2. Злотин Г.Н.. йткис E.H.. Чугунов А.А. Моделирование процесса смесеобразования на неустановившихся режимах. // Двигателестрое-ние. - 1993. - N 3-12. - с.20-22.

3. Злотин Г.Н.. Чугунов А. А. Крутяшй момент роторно-поршневого двигателя (РПД) при разгоне. - Волгоград, 1994. - 20 с. - Деп. в ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, N 1579 - ТС94.

Ме,

Ни

80

60

ко

Г\ к

Ж

■й

Ii

го

40

во

зо

400

Рио.1 Игиененкэ крутящего ыомента РПД ВАЗ-311 при разгоне н разной времени открывания дроссельной гашонкя

(п-2200 шш-1; штатный насос-ускоритель)

1-Тдр-0,2 с;2-тГдр-1,0 с: З-Тдп-З.О С;

4-Мв при ссответстаувщем установившемся режиме.

Рис.2 Изменение Др2 и Да во времени ори быстрой открывании заслонок ОСдр-О.г с; п-2200 мин"1):

1- кзуспонкеДа при выключенном насосе-ускорителе;

2-иаменение Лв при работе с серийным насосом-ус-корнтелем;

3- изменение йрг при работе с серийным насосом- . ускорителей;

4- изменение ¿Рг при выключенном насосе-ускорителе.

нмях tSp (п-2500 шиГ1, серийный насос ускоритель)

а) Хдр-0,2 с; б) tSP-1.0 с; в) Тдс-2,0 с.

Рас. 4. Зависимость Ме-Г(т) и Да-Пт) при разных подачах топлива насосом - ускорителем (п-2600 мин"1, Тдр-0,2 с)

1-Ену-0; 2-Ецу-0,44 ид/с; 3-<3цу-0,6б ид/с.