автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение токсичности автомобильного двигателя путем гомогенизации всасываемой смеси



ШЖПМДСШ ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДА.0 Ч0НГ ТХАНГ

СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ АВТОМОШЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ГОШГЕНИЗАЩИ ВСАСЫВАЕМОЙ СМЕСИ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат • диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

.САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 19 9 2

Работа винолнена в Ленинградском государственном техническое университете, на каЬедрв двигателей внутреннего сгорания.

Научный руководитель - дрофессор Свиридов Ю.Б.

доктор технических наук.

Официальные оппоненгн - Петриченко а.Т.

доктор технических наук.

- Лукин Апй. кандидат тёхиаческлх наук.

Ведущее предприятие - .Иешшградскяй Карбюраторный завод.

Защита состоится апреля 19Э2 г. в на заседании

специализированного совета К 063.38.01 Ленинградского государственного технического университета а<> адресу:

Г. Санкт-Петербург 195251. Политехническая улица, ?.3.

От зил на автореферат в двух экземплярах, заваренный печатью-учреждения, просим надравлть но ваше указанному адрес, на имя ученого секретаря спеидажзкроваяног-о совота.

С диесеотадяен иожно ознакомиться в фундаментальной йяйгшо-теке университета*

Автореферат разослан "____" марта 1992 г.

Ученый секретарь .

специализированного совета, '

кандидат технических яаук, Лгщенц, ' Гряяко JI.iL

.лна

СНИКШИЕ ТОКСИЧНОСТИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДЗИГАШЯ

лц«^ аттЕл.гомогапшш всксшшй сшси

Общая характеристика: работы

Актуальность диссертации. Зробдемы экологии и тошшвной экономичности автомобильного двигателя'занимают" заглавное место в автомобилестроении, так как шлают общечеловеческое значенло. До 502 загрязнений атмосферы городов обязано токсичным выбросам ав-гокобйлей. Как известно, чтобы уменьшить колйчество токсичных ве-цеств в отработавшие газах,- ирименяптся многие средства, самым распространенным среди которых является система каталитической нейтрализации. Однако, по&1. такса средство, недоступно а СССР и, г ем более, здесь сййжеме токсичности достигается Потерей мощно-;ти и экономичности, большой стоимостью» ограничением применения штядвтанаторов. Поэтому техническая политика по совзряенстзова-шо рабочего цикла ДВО путем оптимизаций смесеобразования, позво--'ятазэго осуществить полное сгораМэ бензина в иилгцшэад двигате-щ, является максимально актуальной разработкой в автомобялестро-)нки, закладывающей основы для ЭКОирсцэсса - экологичного и эко-юмичноГо цикла ДВС< "

Целью работы является создание принципиально йовой системы ; 'ошгенного смесеобразования на база пленочного теПломассообмзна ' С-яропесаа"' с использованием теплоты отработавши газов для полюй газификации бэээйна. _

Научная новизна' работы определяется разработкой применитель-о к'бензановым двигателям нового явления мякрепленочного испаро-ия в "С-яроцеса"» ноиззесгного ранее й разрабатываемого з ЛГУ а кафедре ДВС и запатентованного во многий развитых странах мира, актячески ваерв'не достигнута абсолютная гомогенизация топливо-оздушной смеси б ДВО по^тй на всех рабочих режимах аатомобшхьнбго ■ вигателя, что позволило сжигать в цилиндрах двигателя очень бед-ыа.смеси, снизить количесийо токсичных гещэств /С0,СН/ и улучшись кономичность двигателя /го степенью сжатия 5,7/ до уровня алолитраяпых дизелей 185-190 г/лс.ч . Таких аналогов в'двигате-естроения пока нет.' •

Арактичэская ценность рассматриваемой работы заключается в конкретной разработке системы гомогенного смесеобразования для двигателей автомобилей "Волга-ГАЗ 2410" и 1*3, подготавливаемой ж реализации в ближайшие 2-в года. Эта разработка включена в экологическую .программу Ленинградского региона по задан® Российского правительства и рекомекдовага & разработке и внедрению решение« Всесоюзного конкурса 1991 г. ?-'

• Достоверность иредставленных экспериментальных данных базируется на использовании уникальных и современных стендов и приборов ЛКЗ и !ЩИ, обладающих большой гочностьв измерения и объективными магодами регистрации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения» четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 79 наименований и Приложения. Она содержит 145 е.. в том числе SI рисунков, 5 фотоснимков, 4 таблицы, 87 с. основного текста.

Содержание работы

Во введения обоснована актуальность проблема, изложены дели t задачи исследования.

В главе I содержатся обще сведение о проблеме устранения tos с тм ост sí и павшевм аконошшосгя автомобильных, двигателей, о нюхан кзме образования токсичных составляющих отработавших газов в • бензиновых ДВС, о возможности улучшения вкономкчеокях и токсичных показа*еяей этих двигателей путей совершенствования емвоеобразова кия и сгорания обедненной гомогенной смес".

Известно, что бензиновые ДБС при работе выпускают в атмосфер ВИ6СГ8 с ОГ токсичные вещества разных типов как продукты неполно'г сгорания. Поэтому с ростом комплекса требований к. токсичности и эксноивчносгя автомобильных двигателей в настоящее врамя предста! яяет большой интерес проблема усовершенствования процесса смасеос: роаования, способствующего радикальному решению вопроса горения смеси в шшшдрах двигателя до конечных продуктов COg и EgO.

Проведен анализ исследований в мире по цапрааленяо совершен! вования смесеобразование бензиновых двигателей и показано, что Д1 сих пор не было уделено должного внимания вопросу гомогенизации всасываешь смеск - одному яэ главных уоловий обеспечения полног еа сгорания в цилиндрах двигателя..

■■>■ i. - .V '

Отмечается, что ликвидация вдкой фазы во впускном тракте о цельв подачи в цилиндры рабочей смеси в однородном гомогенном виде есть самое главное ¿слоаие для.выполнения экологического и экономичного цикла ДБС.

В глазе 2 изложено теоретическое исследование процесса парообразования пленок жадкостей.

Проблеме парообразования пленок однокошонентннх жадкостей (воды) были посвящены многочисленные труды разных авторов, по мнению которых это! процесс происходит в основном в пяти формах: поверхностное испарение, поверхностное кипение, пузырьковое кипение, парообразование при образовании "сухих пятен" и сферовдальное кипение,

Среди вышеуказанных форм наиболее шнрокопряманяёмым на практика является пузырьковое кипение, особенно коэда пленки движутся завихренными потоками. Установлено, что закрученный поток обеспечивает более интенсивный тепломассообмен зэдких пленок, несмотря на возрастание при этом гидравлических потерь.

Особый интерес вызывает изучение пузырькоьэгр кипения многофракционных топливных пленок. Хотя в литературе крайне мало данных об исследованиях тончайших пленок, но именно вдея "С-пропесса", выработанная в ЦНИГА и получившая дальнейшее развитие на кафедре ДВС ЖГУ, предлагает принципиально новый способ газификации моторных топливо, используя эффект пленочного .'парообразования тонких .. . ■ , топливных пленок при определенных условиях,- -

Суть нового способа заключена в том, что каздый компонент топлива должен газифицироваться (испаряться) при своей температуре кипения, то есть в оптимальном' режиме, С этой целью поле температур испарителя должно отражать кривую фракционной разгонки топлива. Принцип этого способа гомогенной газификация топлив в ДВС, получившего название."С-пропесса",'предусматривает следуюцую схему: теплота отработавших газов воспринимается теплоприемником и транспортируется к испарительному элементу, к противоположному крав которо-' го подводится топливо, растекающееся в виде тончайшей пленки навстречу теплоте. ■

Принимается следующая феноменология тепломассообмена в "С-про-цесс": по поверхности высокотеплопроводаого испарителя (с коэффициентом теплопроводности Ли ) в форме пластай (шириной Вя, ЮЯЕИ-ной Ня и длиной !_и) движется в стационарном режиме со скоростью \МП топливная пленка с начальной толщиной 5п„ • Навстречу дви^у-

щейся топливной массе с часовым расходом в геле испарителя распространяется тепловой погок употребляемый полностью на нагрээ % й испарение топлива, без посторонних потерь;

Яд.® + Я*-

В результате. в теле испарителя формируется температурное па лв по координате X, Принимается, что весь процесс теплообмена завершается на длине 1-н, причем температура испарителя изменяется от начального значения ^о до - температура конца кшения топлива,

Исследование доказывает, что дакоя • язм&нения гешература в теле испарителя ыэжет 'быть выражен в' вале:

а тепловое поток б®1?1 Фзнкцвд первой производной от ^ ;

Коэффициент теялообыеаа мезду испарителей в пленкой может быть представлен р выракенад; .

гу* Д>» Им Ы&А

хде ©■д аД^/ X « X/(в безразмерном вида).

Установлено ?ак*е, что,кроме требования по теялоподводу (пс схема прзт^шз), жт получения "С-цроцесоа" долим <3чгь »ало; лени уолрадя по пленке, Она долада быть максимально равномерной иметь голсциад, не дрейдоздкцую 100 юад,

В э?о«| главе излокевд тепловая карартеристикв испарителя при встречном протвопчтсщв и тецловой расчз? "С-проресса4, кок рый дает рснедедиа л рекамевдации для практического «онструирои вия нсларятедыюто йгрвШй гомогенного смеояобрааовавдл, работ! юздго пд технолога« "С-процеесз",

3 глава 3 ртраяенк всновные пряншшц конструирования слота гомогоируо витания, *отрры«1 должны выполняться системами питан двигателя: воздухоснабкэния, топдипоподачн, елактрокного 5Праьл кия топлавопсдаччй двигателя, теплоподвода и смесеобразования. Помимо свойственных задач для системы вогдухосдабжения как

наполнение двигателя воздухом и поддержание требуемого состава смеси изменением расхода воздуха, в новом 'испарительном агрегате для данной система ciuiiu предъявлена третья -'самая важная и сложная задача - обеспечение эффективного смесеобразования путем формирования необходимого скоростного потока газа. Были отмечены особо положительные свойства, которыми обладают закрученный вихревой поток, так кап при этом будет сохранен профиль скорости для формирования топливной пленки на большом диапазона нагрузок.

В качестве базовой системы была пргаят« схема топлявоподачя АВТЗ, аде топливо подается в испарительный агрегат с помощью форсунок и его расход осуществляется.по частоте и нагрузке двигателя.

Отмечается также, что для управления двигателем била использована электронная система, которая не только может''изменить'в широких пределах подачу топлива путем изменения длительности я чао- " тоты открытия форсунок, но'.в обеспечивает возможность снимать регулировочные характеристики И проведения испытания различного характера.

Особо важно таит проблема подвода теплот» для полной газификации топлива. Было показано, что сложные требовайия по теплопвдво-tty хорошо выполняется в "С-пропессе" о использованием теплоты отработавших газов для испарения бензина. Установлено, что равенство в £ (щв Ил - теплота, поглощаемая пленкой топлива; £ ûgj, -теплота, подводимая от ОТ) имеет место при бедных и ствхиометриче- . зких смесях, когда расход топлива пропорционален тепловыделению,v * i это условие совпадает о требованием по токсичности ограничить' заботу двигателя на богатых смесях. Изложено также, что для пуска I прогрева двигателя нужен электроподогрев, а масса испарителя бы-ia подобрана таким образом, чтобы обеспечить некоторое рассогласо-зание макс яду м в нескольких (Я-5) циклах.

В этой частя содержатся основные требования и условия для фор-«ирования и даижония тонких топливных пленок, точное выполнение соторых гарантирует гомогеянуп газификации топливовоздушной смеси. Гстаяовлено, что тонкая топливная пленка приобретает особые благз-iprjjTHue качества в вахревэм потоке (в отличие от поступательного ютока", где труднее обеспечить "С-процесс" на разных режимах); Кро-ta того, в вихревом потоке эффективность' планочного ташгомасоообме-m возрастает примерно в 4 раза, что очень важно для подвода,наоб-содямой теплоты на гомогенизацию смеси.

Б главе 4 изложены экспериментальные исследования нового спо-

7

. соба гомогенного смесеобразования.

■ Отмечается, что.на основании теоретического анализа "С-про-цесса" были сформулированы основные принципы по конструировании испарительного агрегата, который бил подвергнут всесторонним долголетним испытаниям. "

Опытный образец испарительного агрегата был выполнен с учетом всех туебованйй я рекомендацйй Для выполнения "С-процесса". Длй определения работоспособности; эффективности и надекностя- этого агрегата были проведены испытания в большом объеме, которые разделены яа 3 этапа: этап безмоторных холодала, этап безмоторных горячих и этап моторных испытаний. '

Основной целью безмоторных испытаний, как излонено, является выбор оптимальной конструкции органов управления подачей воздуха и других элементов основной системы .питания, позволяющих сформировать тонкую устойчивую равиомзрнуп пяащф и обеспечить "С-про- ' цесс" на внутренней поверхности испарителя. . ■

Цикл безмоторных холодных испытаний бал проведен на прозрачной модели на вакуумной установке БВУ-7010 Ленинградского карбюраторного завода и вклюда в себя следующие виды работ и исследований*.

. - Олрэдбленвв расходных характеристик фороунок от частота вращения двигателя и длительности импульса ^ф (на открытие форсунок). '

Визуальные исследования формирования и. тения топливной' пленки в эавясамостя от угла открытия заолонкя (разрежения) и величины. топлявоподачи.

В условиях вакуумной установки частота открытия форсунок, равная частоте вращения »V "в условиях работы на двигателе, вое производилась специальным датчиком, вращающимся от электродЕйгатс ля, и определялась как

XV в 1/Г.

Где'Т - период вращения, измеряемый по показаниям осциллографа.

В ходе испытаний йо знятио расходных характеристик форсунок (53т = £ гае - расход топлива, ког рай дают форсунки, в

зависимости от длительности их открытия ^ф) был установлен фак практического отсутствия влияния степени разрежения на эти харак терЕстики и об их прямолинейном характере при разданных значения

дрип. . _ ; •

Визуштша наблюдения после длительных испытаний показали

'следующее: '

- Введение концентрической канавки в-месте выхода топливного канала позволило нескс "ько увеличить угол закрутки и улучпять распределения пленки по поверхности пленки по сравнении со случаем

в. хода топлиБНОг канала на гладкую поверхность без канавки.

- Скорость газа в месте напыления топлива должна быть достаточно большой, чтобы топливное пятно растягивать в сплошную плёнку.

- Напыление топлива долено',осуществляться по касательной к внутренней цилк-дрической поверхности испарителя я спутно вихревому воздушному потоку.

- Топливная пленка должна быть максимально тонкой и иметь в принятых размерах максимальныа путь а время контакта, осуществляемые при спиральном движении. Движение пленка в вихревом потоке способствует осушению гаарвого потока, прякагяю пленки к стенке, что проявляется через рост коэффициента теплообмена и предотвращает срыв капель. .

Рабочий образец испарительного агрегата с названием "С-ГВ" бил выполнен в металле с учетом всех рекомендаций ' был подвергнут моторным испытаниям. В качестве объекта испытаний был выбран двигатель автомобиля "Волга" с маркой УКЗ-414, 8= 6.7.

Целью моторных испытаний была проверка работоспособности новой системы смесеобразования "С-БЗ" и показателей двигателя при работе с ней, ' ' ' ;' , • '

После многократных опытов на различных, режимах работы двигате- , ля были получена регу-лировочрга характеристики изменения Ne, Cje отоL, которые показаны на рис.Г. -

Полученные данные свидетельствуют об отличительно хороших качествах новой системы гомогенного смесеобразования: значительно расширен предел обеднения = 1.4)^ достигнут минимальный расход топлива = (185-190) г/л.с. ч. Наблюдается также•улучшение по токсичности: СО практически отсутствует,., концентрация СН на большом..диапазоне режимов на превышает 150 чнм. Специальные испыта-; ния по определению.степени равномерности распределения рабочей сме-. си по цилиндрам' (рис.2) показывают, что относительно большой раз-••брос■значений по СН наблюдается только на богатых смесях, а на/бедных смесях разброс невелик, '

, , Опыты с системой "C-IB" тоже показали некоторые недоработки ..в ее конструкции,' требующие усовершенствования. . •

. С учетом недостатков, выявленных в ходе испытаний системы

' "■■'''' ' ' - " < 9 -

Регулировочные характеристики УМЗ-414 с . системой "С-1Г" при различных углах опережения зажигания /п.= 2000 мин-1, ДР = 25мм рт. ст./ /•Цифрами показана величины утла 63. Линией соединены оптимальные утлн .Г

Нагрузочная характеристика УЩ-414 о "С-1В"

"C-IB", бил спроектирован испарительный агрегатулучшенной конструкции с названием "С-ГВЕ".' Новый вариант системы гомогенного смесеобразования (Зил подвергнут полному шклу исшг.акий.

Безмоторные холодные исгатания проводились по той же методике, что л для систем« "(MB". Определено, что новые палящие форсунки, . которые в системе "С-ГВ1Г установлена под углом 30°, позволяют получить более качественную топливную пленку, чем в системе "C-IB", в которой струйные форсунки установлены горизонтальным образом. Такая установка форсунки устранила дефект образования паропузыря в ней, мешавшего топяивоподаче.

Весь цикл безмоторных горячих испытаний был проведен на испытательном стенде для изучения структуры смеси, находящемся в Проб-лемнэй лаборатории транспортных двигателей МАКИ, от г. опыты (рис.3) имели пелью определить в целом качество гомогенизация смеси. По результатам опытов впервые были получены количественные оценки по под воду теплота, необходимой для полной гомогеназашш смеси. Установлено, что для этого нужно подвести теплоту в количестве (120-140) ккал на каждый кг топлива, (рис.4).

Таким образом, определены граничные условия гомогенлзации смеси, позволившие рассчитать систему гомогенного смесеобразования. По . казана, что в карбюраторных системах степень гомогенизация сыэся ms , ла -v(60-70)$?..Проведенные расчеты входе испытаний показали, что относительные погрешности, определения долей топлива в паре, пленке и .каплях составляли соответственно 4.8, 7.5, 8.7$.

Цикл, моторных испытаний системы "С-ЙЗП" выполнен на моторном стенде ЛКЗ и полностью подтвердил полученные результаты.

На рис.5 показаны регулировочные характеристики работы двигате ля УШ-414 совместно с системой "С-ЦЗП", подтвердившие эффекг гомогенизации при разных положениях дроссельной заслонка.

На рис.6 приведен для иллюстрации характеристики токсичности СО, СБ и Nox по -С< . Видно, что оптимальный режим работ по токсич! . ста 'и экономичности сдвинут в область -ot-» 1Д5-1.35. при котором отсутствует СО, минимально СН и снижено количество Nox, 'Je L 2i г/л.с. ч.' Полученные при S = 6.7 показатели убеадают в необыкнове: ных качествах сухой смеси, эквивалентных повышению . £ до' 13 и шео гикратному увеличению, мощности искры.

Характеристика структуры смеси при пленочном смесеобразовании/ 1Д5 .&т= 4,1 кг/ч ? <5^ 70 кг/ч/

Зависимость количества подводимой энергии, необходимой' для полной-газификации-/{„ = 0,99/ ори разных режимах—

Ь 4 Рис.4.

б букг/,

регулировочная характеристика УЭДЗ-414, "С-1ВП"

Регулировочная характерно:кз УМЗ-414 с системой "С-1ЬЛ' / 2000 trnT1 25мм рт.ст./

выводы

- • I, На основания исследования идеи "С-процесса" с м.ткрошгеноч-ни.м смесеобразованием были разработаны.рекомендации для создания .• испарительного агрегата "C-IB" с пельв коренного улучшения экономичных и токсичных показателей бензиновых ДВС с искоовым зажиганием.' По рекомендациям был спроектирован и изготовлен опытный образец, подвергнутый всесторонним испытаниям.

2. В ходе безмоторных холодных испытаний были получены рекомендации по формированию топливной пленки, воздушного вихревого потока, по рогударованйэ системы топливоподачи ¿ВТЭ и настройке электронного блока на рабочие режимы. Достигнуто необходимое плен кообразование с равномерным покрытием всей поверхностл. испарителя несмотря на циклический впрыск с толщиной пленки менее 100 мкм

и скоростью движения до 100 см/с.

3. Специальные опыты на установке в МДДИ показала возможное! абсолютной гомогенизации смеси в агрегате "С-ХВ" с пленочным смесеобразованием, обеспечивая осушение смеси и впускного коллектор*

. Определены экспериментально граничные условия получения сухого смесеобразования; Опыты показали, что потребнач теплота на гомок низашш смеси W равна:

■ W = кбт • ( ккал.)

где К = (120-140) ккал/кг. £}„ - часовой расход топлива.

4. Результаты испытаний на моторном стенде показывают, что двигатель с системой "С-IB" работает устойчиво и надежно в широк диапазоне режимов, просто управляется с помозв® электронного бло

5. Установлено значительное расширение пределов обеднения в гомогенной смеси от с< «= 1,2 до о£ др = 1.7 при 0¿3K = 1.35. От чено улучшение топлквзой экономичности двигателя: вместо 210 г/л достигнуто'• ^ьщщ = ISO г/л.с. ч, что для степени сжатия £ = в <3.7 является очень хорошим показателем,

6. Получены хоропяе показатели по токсичности - зафиксяровг снижение токсичности ОГ на 50%: СО отсутствует на бедных смесях, концентрация СП меньше ISO ч.н.ы. Отаечоно гакке полное отсутсп следов неполного сгорания на всех деталях двигателя, включая вн-

16.

пускнэй коллектор после полутора лет ¡забота, что действительно свидетельству? о "сухом", экологически чистом процессе сгорания.

7. Проведенные усовершенствования агрегата смесеобразования переходом на пилящие, установленные с некоторым наклоном форсунки -("С-ШГ ) существенно стабилизировали работу двигателя и позволили получить положительные итоговые результаты:'низкие концентрации

N0X при с< 1.3, низкие СН до <Х = 1.35 при = 185 г/л.о.ч.

8. Результаты испытаний показали на возможность дальнейшего усовершенствования рабочего цикла:

- Целесообразность оптимизация угла опережения зажигания для компенсации замедления распространения пламени при сгорании на бедных рабочих смесях созданием электронного программного управления

г змененяем угла опережения зажигания.

- Усовершенствование впускного тракта._дроссельного узла и завюсривавдегэ устройства с целью максимального уменьшения сопротивления при интенсификации вихря на режшах полных нагрузок, а также пленкообразование на холостом ходу.

- Доводка процесса формирования пленки топлива на холостом ходу. _

- Применение системы гомогенного смесеобразования при высоких степенях сжатия ( £> 10) с целью дальнейшего повышения показателей двигателя, учитывая малую склонность к детонации гомогенной смеси.

- Исследование возможностей мощного искрового зажигания в сочетании с системой гомогенного смесеобразования с цельв расширения пределов обеднения смеси до oi —► 2.0.

Полученные опытные результаты убеждают в реальной возможности "чистого" процесса сгорания, что позволит в сочетания.с электронным" управлением дозированием тоилива^разработать новую перспективную схему рабочего шиша бензиновых ДВС.

Лао Чонг Тханг