автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение топливной экономичности на эксплуатационных режимах при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя

На правах рукописи

Мацулевич Михаил Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ экономичности НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ ПРИ СМЕШАННОМ РЕГУЛИРОВАНИИ МОЩНОСТИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ОКТ 2013

Челябинск - 2013

005534950

Работа выполнена на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ») (Национальный исследовательский университет).

Научный руководитель - Лазарев Евгений Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (Национальный исследовательский университет), г. Челябинск.

Официальные оппоненты: Малоземов Андрей Адиевич,

доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник НП «Сертификационный центр автотракторной техники», г. Челябинск;

Морозова Вера Сергеевна,

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта» ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (Национальный исследовательский университет), г. Челябинск.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

авиационный технический университет», г. Уфа.

Защита состоится 30 октября 2013 г., в 13 : 00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1001 гл. корп. E-mail: D212.298.09@mail.ru, тел/факс (351)267-91-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в двух экземплярах по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан <30» ОЭ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ; < Лазарев Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение топливной экономичности и снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами являются основными направлениями совершенствования рабочего цикла бензиновых двигателей. Хорошо организованные рабочие циклы на режимах номинальной мощности и максимального вращающего момента не полностью обуславливают высокие эксплуатационные показатели двигателей. Почти 70% времени бензиновые двигатели работают на частичных нагрузках (эксплуатационных режимах), которые сопровождаются дросселированием потока свежего заряда на впуске. Дросселирование приводит к увеличению работы совершения насосных ходов и снижению полноты сгорания топлива. Повышение топливной экономичности бензинового двигателя на основных эксплуатационных режимах является одним из условий достижения высокого технического уровня бензиновых двигателей.

Один из способов повышения технического уровня бензинового двигателя является использование рециркуляции охлажденных отработавших газов (РООГ) при снижении дросселирования воздушного потока на впуске. Повышение топливной экономичности бензинового двигателя на режимах частичных нагрузок использованием рециркуляции охлаждаемых отработавших газов, снижения степени дросселирования свежего заряда с корректировкой угла опережения воспламенения является актуальной научной задачей. При реализации, поставленных задач, техническое решение повышения топливной экономичности бензинового двигателя проверялось сравнением удельных индикаторного и эффективного расходов топлива при количественном и смешанном регулировании мощности.

Цель работы. Повышение топливной экономичности бензинового двигателя при работе на частичных нагрузочных режимах применением смешанного регулирования мощности с изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлаждаемых отработавших газов.

Для достижения цели предусматривается решение следующих задач:

1. Разработать способ и устройство, которые позволяют повысить топливную экономичность бензинового двигателя на режимах частичных нагрузок.

2. Разработать математическую модель рабочего цикла бензинового двигателя, с учетом переменных степеней рециркуляции и охлаждения отработавших газов.

3. Выполнить расчетно-аналитическую оценку эффективности использования рециркуляции отработавших газов, снижения дросселирования свежего заряда и корректировки угла опережения воспламенения в бензиновом двигателе.

4. Экспериментально оценить эффективность разработанных способа и устройства при совершенствовании показателей рабочего цикла бензинового двигателя.

5. Разработать рекомендации по использованию системы рециркуляции охлаждаемых отработавших газов в бензиновых двигателях.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель синтеза рабочего цикла бензинового двигателя со смешанным регулированием мощности за счет комплексного изме-

нения степеней дросселирования свежего заряда, рециркуляции и охлаждения отработавших газов, угла опережения воспламенения топлива.

2. Установлены закономерные связи продолжительности и показателя характера процесса сгорания со степенью рециркуляции отработавших газов, коэффициентами наполнения и избытка воздуха в бензиновом двигателе.

3. Уточнена зависимость среднего давления механических потерь бензинового двигателя, учитывающая степень дросселирования свежего заряда на впуске.

4. Выявлена зависимость времени прогрева бензинового двигателя от степени охлаждения рециркулируемых отработавших газов жидкостью системы охлаждения.

Методология и методы исследования. Математическое моделирование внутрицилиндровых процессов при разных степенях дросселирования потока свежего заряда и рециркуляции отработавших газов, нагрузке и угле опережения воспламенения. Экспериментальные исследования рабочих циклов бензинового двигателя с использованием стандартных и оригинальных измерительной аппаратуры и методов испытаний.

Объект исследования. Рабочие циклы бензинового двигателя с изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденных отработавших газов при работе на частичных нагрузках.

Предмет исследования. Влияние смешанного регулирования мощности изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденных отработавших газов на параметры процесса сгорания и основные показатели рабочего цикла бензинового двигателя.

Практическая ценность.

1. Разработана программа синтеза рабочего цикла бензинового двигателя со смешанным регулированием мощности за счет комплексного изменения степеней дросселирования свежего заряда, угла опережения воспламенения топлива, рециркуляции и охлаждения отработавших газов.

2. Достигнуто повышение топливной экономичности бензинового двигателя на эксплуатационных режимах применением смешанного регулирования мощности изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденных отработавших газов с корректировкой угла опережения воспламенения.

3. Разработано техническое решение, защищенное патентом Российской Федерации, обеспечивающее поддержание температуры охлаждающей жидкости использованием теплообменника системы рециркуляции отработавших газов в бензиновом двигателе.

Реализация результатов. Математическая модель синтеза рабочего цикла бензинового двигателя с разной степенью рециркуляции и охлаждения отработавших газов, методические указания формирования исходных данных используются в учебном процессе кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ЮжноУральского государственного университета. Программа синтеза рабочего цикла «ЕвЯ» использована в НП «Сертификационный центр автотракторной техники» при оценке показателей бензиновых двигателей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на региональных, межрегиональных и международных научно-технических конференциях: Челябинск: ЮУрГУ, 2011-2013 гг.; Тамбов: ТГТУ, 2012 г.; Протвино: ГНИУИИО РАО, 2012 г.; Челябинск: ЧГАА, 2012-2013 гг.

Диссертационная работа одобрена на научном семинаре кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета.

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы изложены в 8 работах, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 - в материалах международных конференций, в патенте РФ на полезную модель.

Личный вклад автора заключается в:

- разработке математической модели рабочего цикла бензинового двигателя с учетом различных степеней рециркуляции и охлаждения отработавших газов;

- создании программы, позволяющей выполнить синтез рабочего цикла бензинового двигателя с различными степенями рециркуляции и охлаждения отработавших газов;

- разработке методики проведения испытаний и рекомендаций выбора исходных данных при синтезе рабочего цикла двигателя с рециркуляцией отработавших газов и снижением степени дросселирования свежего заряда на впуске;

- подготовке и проведении стендовых испытаний двигателя.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (61 источник) и приложения. Диссертация содержит 155 страниц, 12 таблиц, 58 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается, что улучшение эксплуатационных свойств бензинового двигателя зависит от качества организации рабочего цикла. Более 70% срока эксплуатации автомобильный двигатель работает при частичных нагрузках с дросселированием потока свежего заряда на впуске. Применение рециркуляции охлаждаемых отработавших газов для уменьшения степени дросселирования с целью повышения топливной экономичности на этих режимах является актуальным направлением развития рабочего цикла бензиновых двигателей.

В первой главе рассматриваются перспективные направления совершенствования рабочих циклов, а именно повышение топливной экономичности и снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Известно, что эксплуатация ДВС на частичных нагрузках сопровождается увеличением работы насосных ходов, вследствие дросселирования, и неполноты сгорания топлива.

Известны способы регулирования мощности, какими являются количественное, качественное и смешанное регулирование. Отмечается эффективность качественного регулирования мощности бензинового двигателя с использованием рециркуляции охлажденных отработавших газов при среднем эффективном давлении рабочего цикла ре = 0,80...0,89 МПа. С целью повышения топливной экономичности бензинового двигателя на характерных эксплуатационных режимах (ре = 0,35...0,65 МПа) целесообразно смешанное регулирование мощности с применением комплекса мероприятий: рециркуляции охлажденных отработавших газов, понижения степени дросселирования свежего заряда и увеличения угла опережения воспламенения.

Смешение отработавших газов со свежим зарядом, изменяя его физические свойства, оказывает влияние на процессы наполнения цилиндра и сгорания топлива. Имеющейся данные не дают полной информации о моделировании рабочих циклов с рециркуляцией охлаждаемых отработавших газов при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя. На основе анализа выполненных ранее исследований (G. Fontana, Е. Galloni, T. Alger, О. A. Kutlar, H. Arslan, А. T. Calik и др.) и рабочей гипотезы сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе приведена разработанная математическая модель синтеза рабочего цикла бензинового двигателя с комплексным учетом различных степеней рециркуляции, охлаждения отработавших газов и дросселирования свежего заряда.

Для учета влияния рециркуляции охлаждаемых отработавших газов на показатели бензинового двигателя, рабочий объем цилиндра разделен на два парциальных объема Vtbc и Vpoor топливовоздушной смеси (TBC) и рециркулируемых охлаждаемых отработавших газов (рис. 1).

Л-

р, тг. К

Ргоог-^гочг- ^гоиг

Рте Тцк'- ^тс

I

а) б)

Рис. 1. Составляющие рабочего тела и параметры, характеризующие его состояние в цилиндре бензинового двигателя без РООГ (а) и с РООГ (б)

При построении математической модели синтеза рабочего цикла бензинового двигателя приняты следующие допущения: термодинамическая система однородна, уравнение состояния Менделеева - Клапейрона справедливо для действительного цикла, состав и свойства рабочего тела зависят от его температуры. Под рабочим телом понимается смесь, состоящая из топливовоздушной смеси, остаточных газов, которые находятся в цилиндре двигателя, и рециркулируемых отработавших газов. Степень рециркуляции отработавших газов оценивается отношением объема рециркулируемых отработавших газов, содержащихся в рабочем теле, к сумме объемов топливовоздушной смеси и рециркулируемых отработавших газов:

к —

роог

V +V

т tbc 1 ' роог

(1)

где кроог - степень рециркуляции охлаждаемых отработавших газов.

Тогда параметры состояния рабочего тела в конце такта впуска определятся: -давление (ра)

(Ттвс ) • ртвс • (l кроог ) {гpoor ) ' Рpoor ' ^р

pr ' ttßc ' т роог

+ Z-, (2)

(3)

(4)

- коэффициент остаточных газов (у)

Лу ' — 0 * г ' Тpoor ' Ртвс ' 0 _ кроог ) Тr ' TjßC ' Рроог ' кроог )

- температура (Та)

_ Тг • у + (Ггас + АГ, )• ДГ, + (Тгоог + АГ2)• К, 1 + Г

где рувс, Рроог, рп - давление топливовоздушной смеси, рециркулируемых охлаждаемых отработавших газов, остаточных газов соответственно; Ттвс, Троог> Тп -температура топливовоздушной смеси, рециркулируемых охлаждаемых отработавших газов, остаточных газов соответственно; ATj, АТ2 — подогрев (охлаждение) топливовоздушной смеси и рециркулируемых отработавших газов от стенок внутрицилиндрового пространства соответственно, е - степень сжатия;

_ _ртвс ' ~ кроог ) • Тpoor_

Ртвс ' (l— кроог )' Тpoor + Рроог ' кpoor ' Ттвс

К.

Рроог ' кроог ' ^твс

Ртвс ' кроог ) " Троог + Рроог ' к

- удельный объем (va)

т

poor * твс

„ Т

V

Po

aj± + J_

mb mtj

(5)

где К,

K

1 -К

Рроог ' Ттвс _ _ кроог

Рроог ' ^твс ' ^твс . п ,, р

---, Ктвс и Кроог — га-

^ Äp^yjf Ртпе^ ^ююг Т,

vpoor У твс * poor 1 ,vpoor г TBC Роог poor

зовые постоянные для свежего заряда и рециркулируемых охлаждаемых отработавших газов; а — коэффициент избытка воздуха; L0' - теоретическое количество воздуха для сжигания одного кг топлива.

Характеристики выгорания топлива описывались уравнением И.И. Вибе. Общая удельная использованная теплота процесса сгорания (с?г):

где Ни — низшая теплота сгорания топлива.

Коэффициент молекулярного изменения это есть отношение числа молей ТВС и РООГ после сгорания к количеству молей ТВС и РООГ до сгорания:

Ш (7)

ß _ Мпрсг.

м + м

IV1 твс "Г 1Y1 роог

_МТВС+МГООГ+АМ =1 |

м +м

lvitbc poo!'

м +м

ivi твс -г 1 vi роог

где мпрсг - число молей продуктов сгорания; мгщ- - число молей топливовоз-душной смеси; \fpoo/' ~ число молей рецеркулируемых охлаждаемых отработавших газов; ДМ - изменение числа молей рабочего тела в конце сгорания.

Считая, что в процессе сгорания отработавшие газы не вступают в химическую реакцию, а являются лишь «акку мулятором» тепловой энергии и стабилизирующим звеном в цепной реакции горения, допустим, что изменение количества молей рециркулируемых отработавших газов не происходит. В силу этого число молей продуктов сгорания разобьем на две составляющие: Мсгм - количество молей сгоревшей топливовоздушной смеси; Мюаг- число молей рециркулируемых охлаждаемых отработавших газов. Тогда: Мцп/ = Мегм+Мгоог-

Изменение числа молей рабочего тела в конце сгорания:

ДМ =МГГЧ+МР,Ю1- - Мгвг - М„яж = М,тч -Мт. , (8)

Максимальное значение коэффициента молекулярного изменения:

н + о _ I

дляа>1 А«. =1+7-4 ^-; (9)

+ —1-0+*.)

— + — + 0.21 • (1 + а)-—— Дляа<1 + -рг-(Ю)

Давление рабочего тела рассчитывается пошагово по зависимости, полученной А.Н. Лавриком. Определение текущей температуры рабочего тела ведется параллельно с расчетом давления.

Мри синтезе рабочих циклов, уравнением Л. Пошнн! и Р. ЕугМ оценивается возникновение детонационного сгорания.

По предложенной математической модели синтеза рабочего цикла бензинового двигателя разработана программа ЕОЯ. Рабочее окно программы изображено на рис. 2.

Рис. 2. Скриншот программы синтеза рабочего цикла ЕС Я

8

В третьей главе приведены рекомендации выбора исходных данных для синтеза рабочих циклов при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя используя программу ЕСЯ. В частности, для оценки кинетических констант процесса сгорания автором предложены зависимости: - продолжительность процесса сгорания

1000 77„

■И

12 • кР,

-36-И

-ТЬ

10

— показатель характера сгорания

3,96-« + 1260

(П)

(12)

и-1,8

Приведенные уравнения применимы в случае если: кРОог = 0...20 %; момент достижения максимального давления циклартах находится в диапазоне 15...23 град ПКВ после верхней мертвой точки при частоте вращения коленчатого вала 2000...3000 мин"1.

Для определения среднего давления механических потерь рм, автором предложена формула:

рм = 0,10565+0,0155'С„ + 0,5 -раср., (13)

где ра ср — среднее давление газа в цилиндре двигателя за такт впуска, С„ — средняя скорость поршня.

Верификация предложенной математической модели производилась путем сопоставления результата расчетов с экспериментальными данными (рис. 3, 4, 6), при этом погрешность не превышает 5 %.

Ф2, град ПКВ 100

10 кр,

10 кр,

б)

Рис. 3. Изменение продолжительности (а) и показателя характера (б) сгорания при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя: ---расчет; - эксперимент

Выполнено теоретическое исследование влияния различных степеней снижения дросселирования свежего заряда и корректировки угла опережения воспламенения вв на основные показатели рабочего цикла при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя (рис. 5). Изменение показателей рабочего цикла бензинового двигателя при различной степени охлаждения рецир-кулируемых отработавших газов приведено на рис. 7.

град 30

О

т„„.к

2250

2100 9.. г/кВт ч 310

270

Рга... МПа 2,9

1.9

''и

0,77

0,75

540 ф, i рад. 0,50 0,51 0,52 0.53 0,54 0,55 0,56 '/,.

Рис. 4. Изменение давления в цилиндре при

работе двигателя с РООГ -расчет, -

эксперимент: 1) ре = 0,67 МПа, кРОог = 7%; 2) ре = 0,35 МПа, кроог = 19%

Рис. 5. Показатели рабочего цикла при различных условиях смешанного регулирования мощности бензинового двигателя (кроог, ре = const; цп 0Н = var)

0,9 /7

Рис. 6. Давление механических потерь при разном коэффициенте наполнения:

---- без учета дросселирования

свеж, заряда;---эксперимент; -

расчет по формуле (13)

300 400 500 600 700 ТР0Г,К

Рис. 7. Влияние охлаждения ре-циркулируемых отработавших газов на показатели рабочего цикла: -кроог = 5%;-кроог =15%

Из анализа можно заключить, что охлаждение рециркулируемых отработавших газов на 280 °С позволяет снизить удельный эффективный расход топлива и максимальную температуру рабочего тела на 4 г/кВт'ч и 102 °С соответственно. При смешанном регулировании достижение необходимой мощности бензинового двигателя может быть различным (рис. 5). При этом, чем больше компенсируется понижение среднего эффективного давления цикла (вследствие рециркуляции отработавших газов) углом опережения воспламенения, тем в большей степени снижается удельный эффективный расход топлива. В таких условиях повышается тепломеханическая напряженность

10

деталей двигателя. Поэтому параметры смешанного регулирования мощности бензинового двигателя, такие как степени дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденных отработавших газов, угол опережения воспламенения зависят от поставленных задач (достижение высокой топлнвной экономичности или снижение выбросов вредных веществе отработавшими газами).

Используя теоретические исследования можно сформулировать основной принцип организации смешанного регулирования мощности бензинового двигателя: для повышения топливной экономичности при сохранении среднего эффективного давления на эксплуатационных режимах в условиях рециркуляции охлажденных отработавших газов необходимо воздействовать на рабочий цикл изменением угла опережения воспламенения и степени дросселирования свежего заряда.

В четвертой главе приведено описание испытательного стенда, измерительной и регистрирующей аппаратуры с приведением их характеристик. Испытуемый двигатель оборудован системой рециркуляции отработавших газов с промежуточным охлаждением и специальным электронным блоком управления (для изменения таких параметров, как угол опережения зажигания и состав смеси в режиме реального времени). Разработана методика проведения испытания. которая позволяет решить следующие задачи: определение количества отработавших газов, перепускаемых в систему впуска: проведения сравнительных испытаний бензинового двигателя при количественном и смешанном регулировании мошности с определением нагрузочных характеристик (при частоте вращения коленчатого вала 2000, 2500 и 3000 мин ').

Смешанное регулирование мощности двигателя осуществлялось изменением степеней открытия дроссельной заслонм <рд, и рециркуляции предварительно охлажденных отработавших газов к^ с корректировкой угла опережения зажигания ft При этом температура ^ рециркулируемых охлажденных отработавших газов в процессе эксперимента поддерживалась равной 80 'С.

Рис. 8. Общий вид испытательного стенда

В пятой главе приведены: результаты расчетно-экспернментального анализа смешанного регулирования мощности бензинового двигателя; разработанные

рекомендации по использованию системы рециркуляции отработавших газов с их промежуточным охлаждением.

Экспериментальные индикаторные диаграммы давления и расчетные температуры газов в цилиндре на различных режимах нагружения при количественном (КРМ) и смешанном (СРМ) регулировании мощности исследуемого двигателя изображены на рис. 9.

в) г)

Рис. 9. Зависимость давления и температу ры рабочего тела в цилиндре двигателя при работе двигателя с КРМ и СРМ — (п = 2000 мин ') (а) - рс = 0.35 МПа: (б) - рс = 0,47 МПа; (в) - ре = 0.58 МПа; (г) - р. = 0.67 МПа

С увеличением нагрузки наблюдаегся рост максимальных давления и температуры газа в цилиндре двигателя. Особенно интенсивное приращение максимального давления имеет место при использовании рециркуляции отработавших газов с понижением степени дросселирования свежего заряда в диапазоне ре = 0.45...0.60 МПа (рис. 9, б и 5, в). Вследствие более раннего угла опережения зажигания в рабочем цикле пэи смешанном регулировании мощности бензинового двигателя наблюдается смешение кривой термодинамической температуры газов к ВМТ.

Интегральные х =J{<p) и дифференциальные dx/dp a w0 = А<?) характеристики выгорания, а также интегральная - J(<p) характеристика тепловых потерь за процесс сгорания топлива на различных режимах нагружения двигателя приведены на рис. 10. Анализ характеристик выгорания при использовании количественного и смешанного регулирования мощности испытуемого двигателя свидетельствует о несущественном изменении продолжительности <рг процесса сгорания, за исключением режимов малых нагрузок (среднее эффективное давление р, = 0,35 МПа).

С падением нагрузки двигателя при РООГ, пониженной степени дросселирования свежего заряда и корректировке угла опережения воспламенения до значений среднего индикаторного давления р, ~ 0,55 МПа улучшается характер теплоиспользования. Это подтверждается тем, что работа при количественном и смешанном регулировании мощности двигателя сопровождается несущественным различием продолжительность (рг сгорания, а показатель характера сгорания т при смешанном регулировании приближается к оптимальному значению т = 1,5.

Смещение максимального значения температуры газов к ВМТ (рис. 9, а, б, в) в сторону меньшей площади поверхности внутрицилиндрового пространства сопровождается снижением тепловых потерь хп0Т в стенки за процесс сгорания (рис. 10, а, б, в).

\ы0, 1/град 0,10

0,08 0,06 0,04 0,02

X -■.:/

/

//^пот

Л' ■ .; /

Хг---, 1 /

1 / \/

л л^пот

/

лП0Т 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

20

40

а)

60

80

20

40 б)

60

«0, 1/град 0,10

0,08 0,06 0,04 0,02

f

// Г

П

_ ш х' 0

/

ХС г

У

/

— \7 /

80 ф, град. ПКВ

*пот 1,0

0,8 0,6 0,4 0,2 0

20

40 В)

60

80

20

40

60

80 ф, град. ПКВ

Рис. 10. Интегральные и дифференциальные характеристики выгорания топлива

при работе двигателя с КРМ-и СРМ-(п = 2000 мин"1)

(а) - ре = 0,35 МПа; (б) - ре = 0,47 МПа; (в) - ре = 0,58 МПа; (г) - ре = 0,67 МПа

На рис. 11 приведены зависимости параметров процесса сгорания и основных показателей рабочего цикла и двигателя в целом при работе по нагрузочной характеристике при количественном и смешанном регулировании мощности.

Из анализа представленных данных следует, что топливная экономичность, характеризуемая удельными индикаторным и эффективным g¡¡ расходами топ-

13

лива, имеет наибольшие значения при нагрузках двигателя сре = 0,4...0,6 МПа. Для нагрузок с ре = 0,35...0,39 МПа при смешанном регулировании мощности двигателя наблюдается несколько увеличенная продолжительность процесса сгорания, что является ограничивающим фактором в достижении высокой топливной экономичности.

При работе со смешанным регулированием мощности двигателя во всем исследуемом диапазоне нагрузок наблюдается повышение максимального давления цикла на 8...22%. Максимальная температура Ттах цикла при средних нагрузках (среднее эффективное давлениере ~ 0,45...0,65 МПа) изменяется незначительно не более 1%, за исключением малых нагрузок (снижение Гтах составляет 149 К). Снижение Ттак объясняется большей продолжительностью процесса сгорания. Максимальная быстрота нарастания давления н>р тах практически не меняется по характеристике. Несколько большие ее значения характерны для смешанного регулирования мощности двигателя вследствие увеличенных значений угла опережения зажигания в. Повышенные значения коэффициента эффективности сгорания £ топлива при работе двигателя с рециркуляцией охлажденных отработавших газов можно объяснить увеличенным коэффициентом избытка воздуха а.

1

«„та*.

1 /град. 0,05

0

Тта*. К

2900

2700

2500

9м г/кВт ч 220

190

0,8

Ф2. град 100

50

к„„г.%

МПа/град 0,15

Ртах*

МПа 4

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 р„ МПа

а)

0,7 р„, МПа

Рис. 11. Зависимость параметров процесса сгорания и показателей рабочего цикла от средних индикаторного р, (а) и эффективного ре (б) давлений при постоянной частоте вращения коленчатого вала п при работе двигателя с КРМ---и СРМ-(п = 2000 мин"1, <рдз = уаг, кроог = уаг, 0 = уаг)

Температура отработавших газов /г имеет меньшие значения (от 20°С до 55°С) при работе двигателя с РООГ, пониженной степенью дросселирования

свежего заряда и корректировкой угла опережения воспламенения, что хорошо согласуется с характером изменения топливной экономичности.

При смешанном регулировании мощности бензинового двигателя дросселирование свежего заряда незначительное даже при малых нагрузках. Изменение коэффициента наполнения составляет 16% относительно его максимального значения, в то время как снижение г|у при количественном регулировании мощности составляет 37%.

На рис.12 приведены диаграммы изменения давления внутри цилиндра двигателя в период смены рабочего тела при количественном и смешанном регулировании мощности.

р, МПа

р, МПа

Рис. 12. Изменение давления рабочего тела на тактах впуска и выпуска

при работе двигателя с КРМ-и СРМ-(п = 2000 мин-1)

(а) - ре = 0,35 МПа; (б) - ре = 0,47 МПа; (в) - ре = 0,58 МПа; (г) - ре = 0,67 МПа

Из анализа изменения давления газа в цилиндре на тактах выпуска и впуска (рис. 12) при различной нагрузке можно отметить, что смена рабочего тела при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя происходит в лучших условиях. В большей степени это проявляется при нагрузке с ре = 0,35...0,55 МПа, что способствует снижению удельного эффективного расхода топлива при большой продолжительности сгорания.

На рис. 13 приведено техническое решение, позволяющее использовать внутреннюю энергию отработавших газов для нагрева жидкости системы охлаждения двигателя.

I

Рис. 13. Двигатель с системой рециркуляции охлаждаемых отработавших газов и использованием теплоты отработавших газов при прогреве.

При этом работа двигателя осуществляется следующим образом (один из возможных вариантов): заслонка 1 перекрывает тракт выпуска отработавших газов. направляя последние через трубку 2 в теплообменник 3 системы рециркуляции отработавших газов. При этом часть тепла отводится в охлаждающую жидкость двигателя. Далее отработавшие газы по трубке 5 через клапан 4 подаются обратно в тракт выпуска отработавших газов за заслонку I. Клапан 6 системы рециркуляции отработавших газов закрыт, клапан 4 открыт. Нагретая охлаждающая жидкость поступает в систему охлаждения двигателя.

Выводы

1. Разработана и реализована в программе ЕС Я математи1еская модель синтеза рабочего цикла бензинового двигателя со смешанный регулированием мощности комплексным изменением степеней дросселирования свежего заряда, рециркуляции и охлаждения отработавших газов, угла опережения воспламенения топлива.

2. Установлены закономерные связи продолжительности и показателя характера процесса сгорания со степенью рециркуляции отработавших газов, коэффициентами наполнения и избытка воздуха в бензиновом двигателе.

3. Использование рециркуляции охлажденных отработавших газов при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя для эксплуатационных режимов сопровождается повышением коэффициента наполнения за счет уменьшения степени дросселирования свежего заряда в среднсм на 14 %.

4. Смешанное регулирование мощности двигателя изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденяых отработавших газов с корректировкой угла опережения воспламенения позволяет уменьшить удельный эффективный расход топлива для эксплуатационных режимов на

8...24 г/кВт'ч (3...9%) в зависимости от нагрузки при некотором повышении максимального давления газов и быстроты его нарастания.

5. Использование системы рециркуляции отработавших газов позволяет сократить время прогрева бензинового двигателя после пуска на 7...8% в зависимости от характеристик промежуточного охладителя отработавших газов.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

Ведущие рецензируемые научные журналы и издания

1. Мацулевич, М.А. Влияние рециркуляции отработавших газов на топливную экономичность бензиновых двигателей / М.А. Мацулевич, Е.А. Лазарев // Транспорт Урала. - 2012. - Вып. 3. - С.30 - 32.

2. Мацулевич, М.А. Математическая модель рабочего цикла бензинового двигателя с рециркуляцией отработавших газов / М.А. Мацулевич, Е.А Лазарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2012. - Вып. 20. - №33 (292). -С.60 - 64.

3. Мацулевич, М.А. Параметры процесса сгорания и показатели рабочего цикла бензинового двигателя с промежуточным охлаждением рециркулируемых отработавших газов/ М.А. Мацулевич, Е.А Лазарев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2013. - Том 13. — №1. — С.127 - 131.

Патенты

4. Патент РФ на полезную модель ГШ № 122126 Ш, МПК Р02С5/00. Силовая установка// Е.А. Лазарев, М.А. Мацулевич. -2012,-Бюл. № 32.

Материалы международных конференций

5. Мацулевич, М.А. Рабочий цикл бензинового двигателя с рециркуляцией отработавших газов / М.А. Мацулевич // Материалы VI международной научно-практической конференции. - Протвино: ГНИУ ИИО РАО. - 2012. - С.439 -443.

6. Мацулевич, М.А. Учет рециркуляции отработавших газов при синтезе рабочего цикла бензинового двигателя / М.А. Мацулевич // Материалы 7-й международной заочной конференции. - Тамбов: издательство ТМБпринт. - 2012. -

С.22 - 25.

7. Мацулевич, М.А. Повышение топливной экономичности бензинового двигателя на режимах частичных и полной нагрузок путем рециркуляции отработавших газов / М.А. Мацулевич // Материалы Ы международной научно-технической конференции. - Челябинск: ЧГАА. -2012. -Ч. IV. - С. 201 -206.

8. Мацулевич, М.А. Повышение топливной экономичности бензинового двигателя на частичных режимах работы рециркуляции отработавших газов / М.А. Мацулевич // Материалы Ы1 международной научно-технической конференции. - Челябинск: ЧГАА. - 2013. - Ч. V. - С. 85 - 88.

Мацулевич Михаил Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ ПРИ СМЕШАННОМ РЕГУЛИРОВАНИИ МОЩНОСТИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 16.09.2013. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 342/669.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ 454080, г. Челябинск, пр. им В.И. Ленина, 76.

Южно-Уральский государственный университет

04201363179

Мацулевич Михаил Андреевич

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ экономичности НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ ПРИ СМЕШАННОМ РЕГУЛИРОВАНИИ МОЩНОСТИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лазарев Евгений Анатольевич

Челябинск -2013

Содержание

Основные обозначения...........................................................................................4

Введение ....................................................................................................................5

1. Повышение топливной экономичности бензинового двигателя......... 11

1.1 Основные мероприятия, направленные на повышение топливной экономичности...................................................................................................................... 11

1.2 Анализ существующих конструкций систем рециркуляции отработавших газов.............................................................................................................................24

1.3 Использование системы рециркуляции отработавших газов для повышения топливной экономичности бензиновых двигателей........................................34

1.4 Цель и задачи исследования................................................................................39

2. Разработка математической модели рабочего цикла бензинового двигателя с рециркуляцией отработавших газов.............................................41

2.1 Допущения, принятые при построении математической модели...................42

2.2 Основные уравнения математической модели рабочего цикла с учетом степеней рециркуляции и охлаждения отработавших газов..................................43

2.3 Программа синтеза рабочего цикла бензинового двигателя...........................61

3. Исследование эффективности смешанного регулирования мощности бензинового двигателя для повышения топливной экономичности....... 64

3.1 Особенности формирования исходных данных для синтеза рабочего цикла с рециркуляцией отработавших газов...........................................................64

3.2 Влияние рециркуляции отработавших газов на показатели рабочего цикла бензинового двигателя..........................................................................................73

3.3 Повышение топливной экономичности рабочего цикла применением смешанного регулирования мощности бензинового двигателя.................... 81

4. Экспериментальная установка, измерительная аппаратура и методика экспериментального исследования.......................................... 87

4.1 Экспериментальная установка и измерительная аппаратура..........................87

4.2 Методика экспериментального исследования...................................................99

4.3 Расчетно-экспериментальная оценка степени рециркуляции охлажденных отработавших газов............................................................................................102

5. Экспериментальное исследование смешанного регулирования мощности с использованием системы рециркуляции охлаяеденных отработавших газов в бензиновых двигателях................................ 109

5.1 Показатели рабочего цикла при смешанном регулировании мощности бензинового двигателя рециркуляцией охлажденных отработавших газов........ 109

5.2 Способ практической реализации рециркуляции охлаждаемых отработавших газов................................................................................................................ 129

5.3 Рекомендации по регулированию мощности бензинового двигателя с рециркуляцией охлажденных отработавших газов по результатам расчетно-

экспериментального анализа..................................................................................... 131

Заключение................................................................................................................134

Список основных обозначений.............................................................................. 136

Библиографический список...................................................................................137

Приложение 1............................................................................................................ 144

Приложение 2............................................................................................................145

Приложение 3............................................................................................................146

Приложение 4............................................................................................................148

Приложение 5............................................................................................................ 150

Приложение 6............................................................................................................151

Введение

Основными направлениями развития двигателей внутреннего сгорания являются: улучшение топливной экономичности; уменьшение выбросов вредных веществ, содержащихся в отработавших газах; повышение надежности; увеличение ресурса агрегатов и систем; снижение уровня шума и вибрации; обеспечение многотопливности. Достижение высоких показателей топливной экономичности и малой токсичности отработавших газов бензиновых двигателей внутреннего сгорания в значительной степени обеспечивается совершенствованием рабочего цикла.

Хорошо организованные рабочие циклы на режимах номинальной мощности и максимального вращающего момента не полностью обуславливают высокие эксплуатационные показатели двигателей. Почти 70% времени бензиновые двигатели работают на частичных нагрузках (эксплуатационных режимах), которые реализуются количественным регулированием мощности с дросселированием свежего заряда. Дросселирование свежего заряда на впуске приводит к повышению работы, затраченной на совершение насосных ходов, пониженному коэффициенту наполнения и, снижению полноты сгорания топлива. Повышение топливной экономичности рабочего цикла на основных эксплуатационных режимах является одним из условий достижения высокого технического уровня бензиновых двигателей.

Один из способов повышения технического уровня бензинового двигателя является использование рециркуляции охлажденных отработавших газов (РООГ) при снижении дросселирования воздушного потока на впуске. Повышение топливной экономичности бензинового двигателя на режимах частичных нагрузок использованием рециркуляции охлаждаемых отработавших газов, снижения степени дросселирования свежего заряда с корректировкой угла опережения зажигания является актуальной научной задачей. Эффективность нового технического решения для повышения топливной экономичности на эксплуатационных режимах оценивалась сравнением параметров процесса сгорания и показателей рабо-

чего цикла при количественном и смешанном регулировании мощности бензинового двигателя.

Степень разработанности темы диссертационной работы. Повышению топливной экономичности бензинового двигателя изменением способа управления его мощностью посвящены работы G. Fontana, Е. Galloni, T. Alger, О. A. Kut-lar, H. Arslan, A. T. Calik и др. Исследование по повышению топливной экономичности бензинового двигателя на эксплуатационных режимах использованием рециркуляции охлажденных отработавших газов, пониженного дросселирования свежего заряда на впуске и корректировки угла опережения зажигания проводится впервые.

Цель настоящего исследования Повышение топливной экономичности бензинового двигателя при работе на частичных нагрузочных режимах применением смешанного регулирования мощности с изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлаждаемых отработавших газов.

Задачи исследования:

1. Разработать способ и устройство, позволяющие повысить топливную экономичность бензинового двигателя на режимах частичных нагрузок.

2. Разработать математическую модель рабочего цикла бензинового двигателя с учетом переменной степени рециркуляции охлажденных отработавших газов.

3. Выполнить расчетно-аналитическую оценку эффективности использования рециркуляции отработавших газов, снижения дросселирования свежего заряда и корректировки угла опережения зажигания в бензиновом двигателе.

4. Экспериментально оценить эффективность способа и устройства при совершенствовании показателей рабочего цикла бензинового двигателя.

5. Разработать рекомендации по использованию системы рециркуляции охлаждаемых отработавших газов в бензиновых двигателях.

Объект исследования. Рабочие циклы бензинового двигателя с изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденных отработавших газов при работе на частичных нагрузках.

Предмет исследования. Влияние смешанного регулирования мощности изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденных отработавших газов на основные показатели рабочего цикла бензинового двигателя.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что: предложены новая конструкция системы рециркуляции отработавших газов с промежуточным охлаждением, уравнения, устанавливающие закономерные связи продолжительности и показателя характера сгорания с коэффициентами наполнения и избытка воздуха, частотой вращения коленчатого вала, степенью рециркуляции отработавших газов; разработан и доказан способ повышения топливной экономичности бензинового двигателя на эксплуатационных режимах, использованием рециркуляции отработавших газов, пониженного дросселирования свежего заряда на впуске, корректировки угла опережения зажигания.

Теоретическая значимость результатов диссертации заключается в:

1. Разработанной математической модели синтеза рабочего цикла бензинового двигателя со смешанным регулированием мощности за счет комплексного изменения степеней дросселирования свежего заряда, рециркуляции и охлаждения отработавших газов, угла опережения зажигания топлива;

2. Установлении закономерных связей продолжительности и показателя характера процесса сгорания со степенью рециркуляции отработавших газов, коэффициентами наполнения и избытка воздуха в бензиновом двигателе;

3. Уточнении зависимости среднего давления механических потерь бензинового двигателя, учетом различной степени дросселирования свежего заряда на впуске;

4. Выявлении зависимость времени прогрева бензинового двигателя от степени охлаждения рециркулируемых отработавших газов жидкостью системы охлаждения.

Практическая значимость результатов диссертационной работы:

1. Разработана программа синтеза рабочего цикла бензинового двигателя со смешанным регулированием мощности за счет комплексного изменения степеней

дросселирования свежего заряда, угла опережения зажигания топлива, рециркуляции и охлаждения отработавших газов.

2. Достигнуто повышение топливной экономичности бензинового двигателя на эксплуатационных режимах применением смешанного регулирования мощности изменением степеней дросселирования свежего заряда и рециркуляции охлажденных отработавших газов с корректировкой угла опережения зажигания.

3. Разработано техническое решение, защищенное патентом Российской Федерации, обеспечивающее поддержание температуры охлаждающей жидкости использованием теплообменника системы рециркуляции отработавших газов в бензиновом двигателе.

Методология и методы исследования. Математическое моделирование внутрицилиндровых процессов при разных степенях дросселирования потока свежего заряда и рециркуляции отработавших газов, нагрузке и угле опережения зажигания. Экспериментальные исследования рабочих циклов бензинового двигателя с использованием стандартных и оригинальных измерительной аппаратуры и методов испытаний.

Реализация результатов. Математическая модель синтеза рабочего цикла бензинового двигателя с разной степенью рециркуляции и охлаждения отработавших газов, методические указания формирования исходных данных используются в учебном процессе кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ЮжноУральского государственного университета. Программа расчета рабочего цикла «ЕвЯ» использована в НП «Сертификационный центр автотракторной техники» при оценке показателей бензиновых двигателей.

На защиту выносятся перечисленные выше основные результаты, имеющие научную новизну, теоретическую и практическую значимость.

Степень достоверности полученных результатов. Для экспериментальных работ результаты получены на современном сертифицированном оборудовании фирмы АУЬ. Эксперимент проводился по разработанной автором методике с использованием рекомендаций действующего ГОСТ 14846-81. Математическая модель рабочего цикла, использованная в теоретическом исследовании, построена

на фундаментальных законах термодинамики и теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЧГАА (Челябинск, 2012-2013 г.г.); международной научно-технической конференции ТГТУ (Тамбов, 2012 г.); международной научно-практической конференции (Протвино, 2012 г.); научно-технических конференции профессорско-преподавательского состава ЮУрГУ (Челябинск, 2011 - 2013 г.).

Диссертационная работа одобрена на научных семинарах кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета.

Содержание диссертации. Диссертационная работа, рассматривающая задачу повышения топливной экономичности использованием смешанного регулирования мощности бензинового двигателя с применением рециркуляции охлажденных отработавших газов, пониженного дросселирования свежего заряда на впуске с корректировкой угла опережения зажигания, состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Во введении отмечается, что улучшение эксплуатационных свойств бензинового двигателя зависит от качества организации рабочего цикла. Более 70% срока эксплуатации автомобильный двигатель работает при частичных нагрузках с дросселированием потока свежего заряда на впуске. Применение рециркуляции охлаждаемых отработавших газов для уменьшения степени дросселирования с целью повышения топливной экономичности на этих режимах является актуальным направлением развития рабочего цикла бензиновых двигателей.

В первой главе рассматриваются перспективные направления совершенствования рабочих циклов, а именно повышение топливной экономичности и снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Эксплуатация бензинового двигателя при частичной нагрузке сопровождаются повышенной работой совершения насосных ходов и снижением полноты сгорания топлива.

Применение отключения цилиндров, послойного смесеобразования, использование механизма газораспределения, позволяющего изменять высоту и время

открытия клапанов, комбинированного наддува сопровождается изменением мощности бензинового двигателя. Известны способы регулирования мощности, какими являются количественное, качественное и смешанное регулирование. Отмечается эффективность качественного регулирования мощности бензинового двигателя с использованием рециркуляции охлажденных отработавших газов и пониженным дросселированием свежего заряда при среднем эффективном давлении рабочего цикла ре = 0,80...0,89 МПа. С целью повышения топливной экономичности бензинового двигателя на эксплуатационных режимах (рс = 0,35...0,65 МПа и п = 2000...3000 мин-1) целесообразно смешанное регулирование мощности с применением комплекса мероприятий: рециркуляции охлажденных отработавших газов, понижения степени дросселирования свежего заряда и увеличения угла опережения зажигания.

Смешение отработавших газов со свежим зарядом, изменяя его физические свойства, оказывает влияние на процессы наполнения цилиндра и сгорания топлива. Имеющейся данные не дают полной информации о моделировании рабочих циклов при организации смешанного регулирования мощности бензинового двигателя. На основе анализа выполненных ранее исследований и рабочей гипотезы сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Вторая глава посвящена выводу уравнений математической модели рабочего цикла бензинового двигателя с учетом различных степени рециркуляции и охлаждения отработавших газов. Указаны принятые допущения. Приводятся особенности расчета процессов впуска и сгорания. Учтена оценка возникновения детонационного сгорания топлива. По предложенной модели синтеза рабочего цикла написана программа «ЕвК».

В третьей главе приведены методические рекомендации выбора исходных данных. Автором предлагаются уравнения для оценки продолжительности и показателя характера сгорания, а также определения механических потерь исследуемого двигателя при разном уровне дросселирования потока свежего заряда на впуске. Сопоставляются данные, полученные расчетным и экспериментальным путем с целью верификации предложенной модели синтеза рабочего цикла.

Проведено теоретическое исследование влияния степени охлаждения и рециркуляции отработавших газов на показатели рабочего цикла. Синтез рабочих циклов производился при постоянных и переменных кинетических константах процесса сгорания в зависимости от степени рециркуляции отработавших газов. Приводится расчетное исследование влияния различных условий смешанного регулирования мощности бензиново�