автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Статистические характеристики пробивного напряжения на свечах зажигания двигателей легкого топлива

РГВ од

2 2 1ЕК Ж

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБИВНОГО НАПРЯКЕНИЯ НА СВЕЧАХ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕГКОГО ТОПЛИВА

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2000

Работа выполнена на кафедре "Теплотехника и гидравлика" Волгоградского государственного технического университета

Научные руководители:

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Г.Н.Злотин, доктор технических наук, доцент Е.А.Федянов доктор технических наук, профессор В.М.Славуцкий, кандидат технических наук доцент В.Н.Гришко ОАО "Волгоградский моторный завод"

Защита состоится "7" декабря 2000 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета К 063.76.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г.Волгоград, проспект Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан "А-" ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А.Ожогин

0ЬЯ>-ОЧ5,О2>-О4б>2> О

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ»

Актуальность проблемы. Состояние топливноэнергетичес'ких ресурсов и экологическая обстановка в мире определяют особую остроту проблем повышения топливной экономичности и снижения токсичности автомобильных двигателей.

Одним из перспективных направлений решения этих проблем применительно к бензиновым ЛВС является реализация в них рабочих процессов на бедных топливовоздушных смесях. Одним из основных препятствий, которое необходимо преодолеть при организации рабочего процесса на обедненной топливовоздушной смеси, является возрастающая по мере обеднения смеси межцикловая нестабильность процесса сгорания.

В настоящее время можно считать установленным, что важнейшую роль в формировании всего процесса сгорания играет его начальная Ф^за, от особенностей развития которой в * значительной мере зависит степень возможного обеднения топливовоздушной смеси. Именно в начальной фазе формируются межцикловая нестабильность и пропуски воспламенения.

Процесс развития начального очага (НО) горения определяется его энергетическим балансом, важную роль в котором играет энергия, выделяющаяся в емкостной фазе искрового разряда. Межцикловые вариации этой энергии могут быть одной из основных причин возникновения межцикловой нестабильности.

В свою очередь, энергия емкостной фазы разряда прямо пропорциональна квадрату пробивного напряжения, поэтому межцикловые различия пробивных напряжений непосредственно связаны с межцикловой нестабильностью.

Сказанное обосновывает актуальность изучения статистических характеристик пробивного напряжения, в частности величины межцикловых вариаций его значения, и выяснения роли основных эксплуатационных и регулировочных факторов в их формировании.

Работа выполнялась.при поддержке гранта 97.25-7.5-708.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование статистических характеристик пробивного напряжения в ЛВС с искровым зажиганием и елиякия на

них основных регулировочных и эксплуатационных факторов.

В диссертации решались следующие задачи:

1. Создание специальной аппаратуры и методик, обеспечивающих получение статистических характеристик пробивных напряжений как в камере сгорания постоянного объема, так и на работающем двигателе.

2. Изучение роли основных термодинамических, режимных и регулировочных факторов в формировании статистических характеристик пробивных напряжений в системах зажигания ЛВС.

Методы исследования. Экспериментальное изучение с помощью созданной аппаратуры и разработанных методик статистических характеристик пробивного напряжения как на физической модели (в камере сгорания постоянного объема), так и на развернутом двигателе.

Объекты исследования. Камера сгорания постоянного объема, серийный четырехцилиндровый двигатель ВАЗ-£1083 (5/0=71/82, £-9,9).

Научная новизна. Впервые с применением оригинальной аппаратуры и специальных методик проведен широкий комплекс исследований статистических характеристик величины пробивного напряжения на свечах зажигания ДВС легкого'топлива и роли основных режимных и регулировочных факторов в их формировании.

Предложена математическая запись закона Пшена для двигателей семейства ВАЗ, принципиальной особенностью которой является учет частоты вращения вала двигателя.

Практическая ценность. Результаты проведенного исследования могут быть использованы при назначении параметров систем зажигания, а также послужить основой для создания различных систе) как стационарной, так и бортовой диагностики.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалоа на межвузовской научно-практической конференции студентов и мо лодых ученых Волгоградской области (1998г.), медународной науч но-практической конференции "Прогресс транспортных средств (г. Волгоград 1999 г.), 10-ом и 12-ом Межгосударственных науч но-технических семинарах "Проблемы экономичности и эксплуатаци ДВС в АПК СНГ" (г. Саратов, 1997г., 1999г.), ежегодных научны конференциях Волгоградского государственного технического уни верситета (г. Волгоград, 1997-1999г.) -

Публикации. По материалам исследования опубликовано четыре статьи.

о&ьем работа. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы 139- стр., в том числе 58 иллюстраций и 5 таблиц . Список литературы включает 105 наименований, в том числе 33 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБСГга

В первой главе. Проведен анализ результатов исследований влияния параметров искровых разрядов на свечах зажигания на показатели поршневых ДВС, а также зависимости этих параметров от режимов работы двигателя.

Исследованиями в области изучения искровых разрядов, влияния их параметров на процесс воспламенения занимались как отечественные: 'В.В.Башев, Г.Н.Бадришвили, А.Н.Войков, Г.Н.Глейэер, Я.Б.Зельдович, Н.Н.Зенгер, Г.Н.Злотин. Г.М.Клячин, В.В.Малов, И.М. Опарин, Н.Н.Симонов, Е.С.Семенов, А.С.Соколик-,В.В.Староверов, С.Н.Шумский и др, так и зарубежные: Н.6.Adelman, R.Maly, Дж.Мик, Д.Морган, Г.Ретер, B.Saggau, Т.Сакаи и др., исследователи. В результате их исследований установлено, что на некоторых режимах работы, в первую очередь на.режимах глубокого дросселирования и на пределе обеднения, изменекиё параметров искровых разрядов заметно сказывается на показателях двигателя. В некоторых случаях отмечается корреляция значений этих параметров и их нестабильности с уровнем межцикловой неиндентичности (МЦН).

Как показал проведенный анализ, можно считать установленным тот факт, что параметры искровых разрядов влияют, в первую очередь, на образование и развитие начального очага (НО) горения. При этом результаты ряда работ указывают на важную роль в формировании начального очага емкостной фазы разряда, следующей непосредственно за пробоем межэлектродного промежутка. Энергия, выделяющаяся в этой фазе, однозначно определяется величиной пробивного напряжения.

Имеющиеся данные о величине пробивных напряжений на свечах зажигания отдельных образцов двигателей и, особенно, о влиянии на них режимных и регулировочных факторов весьма ограничены. В ряде случаев они носят противоречивый характер. Еще меньше изу-

- б -

чены статистические характеристики пробивных напряжений и влияющие на них факторы. Между тем знание статистических характеристик и закономерностей их изменения может в определенной степени помочь в решении проблемы снижения МИН. а также может служить основой для выбора параметров систем зажигания.

Закономерности изменения средних значений пробивных напряжений и их дисперсии в зависимости от факторов, связанных с тех--ническим состоянием двигателя и системы зажигания, могут быть использованы при создании систем диагностики.

Вторая глаза посвящена описанию специальных экспериментальных установок и методик исследования для получения статистических характеристик пробивного напряжения. Созданная оригинальная измерительная система (рис.1.) и разработаные методики ее использования обеспечили не только фиксацию амплитуды короткого импульса высоковольтного напряжения, но и определение с требуемой степенью дискретности спектра значений пробивного напряжения.

Для изучения статистик пробивного напряжения в условиях камеры сгорания постоянного объема последняя была оснащена комплексом регулирующего, регистрирующего и управляющего оборудования, позволявшего изменять состав топливовоздушной смеси, менять ее температуру и степень турбулизации. Использованная в опытах лабораторная система зажигания давала возможность варьировать в широких пределах характеристиками искрового разряда.

Исследования на двигателе проводились на экспериментальном стенде, оснащенном необходимой контрольно-измерительной аппаратурой, в том числе системой регистрации статистических характеристик пробивного напряжения. Объектом испытаний являлся серийный 'четырехцилиндровый двигатель ВАЗ-21083. -

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований статистик пробивного напряжения в камере сгорания постоянного объема.

Установлено (рис.2.), что, при прочих равных условиях, в тех пределах, в которых может от цикла к циклу меняться в ДВС коэффициент избытка воздуха, как величина, так и нестабильность пробивных напряжений остаются практически неизменными.

Исследование влияния температуры на среднее и максимальное

Ряс.1. Схеианзмернтеля цмкловых значений пробивного напряженна:

1 - вход в эныитерный повторитель яз делателя;

2 - вход в многоканальный компаратор;

3 - выход на частотомер;

4 - выход на запоминающий осциллограф;

5 - вход порогового напряжения.

Рнс. 2. Влияние соотнолення топливо-воздух на параметры яскрового разряда

(Рагм ~104-5 ^ <~20 °с> ми> «В/ню):

1- максимальное значение пробивного напряженна;

2 - среднее значевие пробивного напряжения;

3 - нестабильность пробивного напряжения

значения пробивного напряжения, показало, что возможные вариации от цикла к циклу температуры среды в момент пробоя сами по себе не приводят к заметным изменениям величины пробивных напряжений. Влияние температуры проявляется лишь через вызываемое ею изменение плотности среды.

При исследовании влияния параметров потока топливовоздуш-ной смеси на статистики пробивного напряжения ее турбулентное движение обеспечивалось вращением крыльчаток внутри камеры сгорания. Как видно (рис.3.), с ростом частоты вращения крыльчаток, а следовательно скорости среды, как максимальные, так и средние значения пробивного напряжения возрастают. В исследовавшихся пределах изменения этой скорости средняя величина пробивного напряжения ШПт) возросла от 1,8 до 3,5 кВ, а максимальные значения от 2 до 4,5 кВ.

Исследования показали существенное влияние на статистические характеристики пробивного напряжения интенсивности турбулентности. Как следует из рис.4., с увеличением последней нестабильность пробивного напряжения возрастает. Это влияние увеличивается с ростом межэлектродного зазора.

Изучена зависимость статистик пробивного напряжения от коэффициента остаточных газов (ту)• Величина гг может существенно влиять на межцикловую неиндентичность, особенно на режимах глубокого дросселирования, когда гг достигает значений 0,3-0,35. Это же может иметь место при значительной рециркуляции отработавших газов (0Г). Опыты в камере сгорания показали, что увеличение коэффициента остаточных газов от 0 до 0,2 приводит к росту максимальных и средних значений пробивного напряжения примерно на 30£, при этом нестабильность пробивного напряжения увеличивается, с 0,04 до 0,12. Дальнейшее увеличение Гг не приводит к заметным изменениям статистических характеристик пробивного напряжения.

Исследования показали, что увеличение крутизны фронта вторичного напряжения приводит не только к росту средних и максимальных значений пробивного напряжения, но, что очень важно, снижает его нестабильность (рис.5.). Так, увеличение крутизны фронта от 0,6 до 2,5 кВ/мкс привело к двукратному снижению нестабильности пробивного напряжения.

В четвертой глава изложены результаты экспериментальных

Рис. 3. Вдиянне скорости движения среды на амплитудные, средние и нестабильность значении пробивного напряжения (рат=100кПа, /=17°С, 4-0,7км, ёГУ/ёг=2,5 кВ/мкс): 1- максимальное пробивное нагфяжеяне ; 2 - среднее пробивное напряжение '

Рис.4. Совместное влияние межэлектродного зачора и интенсивности турбулентности га нестабильность пробивного напряжения: 1) мм; 2) 4=1 мм; 3) е?„=1,2 мм

исследований статистических параметров пробивного напряжения в ■условиях двигателя, которые полностью подтвердили установленный опытами в камере сгорания постоянного объема характер зависимостей статистик пробивного напряжения от основных факторов.

Показано, что при неизменной частоте вращения вала двигателя, а также при фиксированном значении межзлектродного зазора и коэффициента избытка воздуха, статистики пробивного напряжения линейно возрастают с увеличением нагрузки (рис.6.). Этот рост статистик обусловлен увеличением коэффициента наполнения, т.е. плотности топливовоздушной смеси. Сравнение величин приращения среднего пробивного напряжения к приращению плотности среды в районе межэлектродного зазора, полученных в камере сгорания постоянного объема и в опытах на двигателе, показало их удовлетворительное количественное совпадение.

Опыты подтвердили установленное экспериментами в камере сгорания постоянного объема существенное влияние на статистики пробивного напряжения скоростного режима двигателя - с ростом частоты вращения вала двигателя эти статистики линейно возрастают (рис. 7.).

Исследование влияния угла опережения зажигания (УОЗ) на статистики пробивного напряжения (рис.8.) позволило установить, что увеличение УОЗ приводит к падению значений всех статистик пробивного напряжения. Расчетами показано, что это обусловлено снижением по мере увеличения УОЗ давления и температуры топливо-воздушной смеси в момент разряда и, как следствие, уменьшением ее плотности.

В результате исследования влияния величины межэлектродного зазора (<33) на статистики пробивного напряжения в условиях двигателя установлено, что его увеличение, при прочих равных условиях, не только повышает значения среднего и максимального пробивных напряжений, но вызывает также значительный рост их нестабильности. Статистический анализ распределения значенйй пробивного напряжения при различных с!3 показал, что, как и в камере сгорания постоянного объема, с ростом искрового промежутка медиана этого распределения смещается в сторону больших значений пробивного напряжения, а разброс вокруг среднего увеличивается. Анализ по критерию Пирсона позволил установить, что с увеличением (¡з вероятность нормального распределения уменьшается.

11п.кВ

1.5

0,5

0

0.6

1

2

""" 1 3

0,2

0,1

0,05

О

1-55 сОО'сК, кВ/мкс

Рис. 5. Влияние скорости нарастания вторичного {впрязкения на параметры искрового разряда (ц^ =100 кПа, /=20"С, 4=0,7 им): 1- максимальное пробивное напряжение; 2 - среднее гроб явное напряжение; 3 - коэффициент вариации пробивного налряжешш.

Рис. б. Зависимости максимального и среднего пробивного напряжения от величины крутящего момента дня разных частот вращения: 1) Спт дляп=1500мин;'12) С/пш для п=2500мин; 3) С/птдляп=3500м1ш;'14)СЛппахдляп=1500мин;'' 5)Сгпшахдляп=2500*о1н;'б)С/шпяхдляп=3500мин

Рис. 7. Зависимости максимального, среднего пробивного напряжения и его иестабилыюсти от частоты вращения ги работающем дв игателе (т1у=0Л;^=0,7мм):

1- максимальное пробивное напряжешк ; 2 - среднее пробивное напряжение;3 - коэффициент вариации пробивного напряжения

, XX1 /

п

25

20

15

10

1 1

я

3 /

ч \

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05 ы

0

0 10 20 30 40 50 60 70 @, град

Рис. 8. Зависимости значении максимального, среднего пробивного напряжения и его нестабильности от угла опережения зажигания ( «=1500мин"', А&=25 Н-м);

1- максимальное пробивное напряжение; 2 - средне* пробивное напряжение; 3 - коэффициент вариации пробивного напряжения

Анализ результатов, полученных при исследовании влияния режимных и регулировочных факторов на статистики пробивного напряжения в условиях ДВС, позволил сделать заключение о том, что наиболее существенное влияние на них оказывают три основных фактора: плотность, зависящая от коэффициента наполнения и угла опережения зажигания; частота вращения и межэлектродный зазор.

На основе анализа полученного экспериментального материала установлена связь пробивного напряжения с основными факторами:

Ре

Unn -4• Tiv• ds+B• л+С- А---ds+B-n+C, (1)

flu

—----Pa'tim

lo a

где А,В,С- числовые коэффициенты;

ре- эффективное давление;

Ни- низшая теплота сгорания топлива;

10- теоретически необходимая масса воздуха для сгорания 1кг. топлиЕа;

тц- индикаторный коэффициент полезного действия;

ра- плотность заряда на впуске;

Dm- механический коэффициент.полезного действия.

Коэффициенты А,В,С для каждого конкретного типа двигателя имеют свое значение. Для двигателя семейства ВАЗ-21083 были найдены следующие значения коэффициентов уравнения (1):

t/rm-17,77-Tiv-<is+0.00344-mO,33. . (2)

Установленные закономерности изменения среднего пробивного напряжения позволяют в принципе использовать этот параметр в качестве диагностического признака для различных систем как стационарной, так и бортовой диагностики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые с применением созданных специальной оригинальной аппаратуры и методик проведены комплексные исследования статис-

тических характеристик величины пробивного напряжения на свечах зажигания ДВС легкого топлива и роли основных режимных и регулировочных факторов в их формировании. Полученные результаты позволяют с большей степенью обоснованности задавать требуемые параметры аппаратуры зажигания, они могут быть использованы при разработке способов диагностики двигателей.

2. Впервые выделена роль турбулентного движения заряда в камере сгорания в формировании статистических характеристик пробивного напряжения. Установлено, что как максимальные, так и средние пробивные напряжения увеличиваются по мере возрастания скорости движения среды в камере сгорания. Показано, что с увеличением скорости турбулентных потоков топливовоздушной смеси (TBC) возрастает нестабильность пробивных напряжений, причем тем значительнее, чем больше величина межэлектродного зазора. Выявленное влияние параметров турбулентных потоков TBC на статистики пробивных напряжений требует учета этого фактора при создании аппаратуры зажигания для двигателей с интенсифицированным движением TBC в камере сгорания.

3. Показано, что изменение статистических характеристик пробивного напряжения при изменении термодинамического состояния заряда в камере сгорания практически целиком определяется плотностью TBC, которая в поршневых двигателях однозначно связана с параметрами заряда на впуске и величиной коэффициента наполнения. Роль плотности TBC в формировании статистик пробивного напряжения должна учитываться при разработке систем зажигания двигателей с наддувом, а также при применении систем ограничения детонации, действие которых основано на периодическом уменьшении угла опережения зажигания.

4. Установлено, что вариации величины коэффициента избытка воздуха в пределах от 0,25 до 1,75 не оказывают существенного влияния на статистики пробивного напряжения.

5. Выявлена роль остаточных газов в формировании статистик пробивного напряжения: увеличение коэффициента остаточных газов г г от 0 до 0,2 приводит к росту максимальных и средних значений пробивного напряжения примерно на 30Z и повышению коэффициента вариации с 0,04 до 0,12. Это должно учитываться при выборе параметров систем зажигания для двигателей с рециркуляцией отработавших газов.

6. Впервые установлено, что увеличение крутизны фронта вторичного напряжения приводит не только к росту средних и максимальных значений пробивного напряжения, но и сопровождается снижением его нестабильности. Так, в условиях камеры сгорания постоянного объема увеличение крутизны фронта от 0,6 до 2,5 кВ/мкс привело к двукратному снижению величины коэффициента вариации пробивного напряжения.

7. Получена явная форма функциональной зависимости для закона Пашена применительно к ЛВС, принципиальной особенностью которой является учет частоты вращения вала двигателя. Для двигателей семейства ВАЗ найдены числовые коэффициенты такой зависимости.

6. Разработана и изготовлена оригинальная измерительная аппаратура, обеспечивающая получение статистических характеристик пробивного напряжения; разработаны, обоснованы и реализованы методики ее применения. Созданы экспериментальные установки для исследования статистик пробивного напряжения в условиях камер сгорания постоянного объема и двигателя.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Злотин Г.Н., Федянов Е.А., Моисеев Ю.И. Система для оценки статистических параметров пробивных напряжений //Автомобильная промышленностью.- 2000,- >54.- С. 26-27.

2. Злотин Г.Н., Моисеев Ю.И., Федянов Е.А. Статистические характеристики пробивного напряжения в системах зажигания ДВС,// Прогресс транспортных средств: Материалы международной научно-практической конференции.-Волгоград, 1999.-С. 79-81.

3. Моисеев Ю.И. Измерительная система для оценки статистических параметров пробивных напряжений // IV Межвузовская конференция студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области: Тезисы докладов.- Волгоград, 1999.-С. 83-84.

4. Злотин Г.Н., Моисеев Ю.И., Федянов Е.А. Закономерности изменения пробивного напряжения в условиях ДВС // Наземные транспортные системы: Межвуз. Сб. научн. тр./ ВолгГТУ.- Волгоград, 1999.-С. 27-29.

Подписано в печать 01.11.2000 г. Заказ № 674. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Типография «Политехник» Волгоградского государственного технического университета. 400131, Волгоград, ул. Советская, 35

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИИ О ХАРАКТЕРИСТИКАХ ИСКРОВЫХ РАЗРЯДОВ И ИХ ВЛИЯНИЙ НА ПОКАЗАТЕЖ ДВИГАТЕЛЯ.

1.1. Характеристики искровых разрядов на свечах зажип:"шгядг ТТЙП О л. , 1 . . . м

1.2. Условия развития начального очага горения яря зажигании топливовоздушных смесей электрической иск»-. - Л ^ л риП. .14:

1.3. Оценка роли отдельных фаз искрового разряда в формировании начального очага горения.

1.4. Факторы, влияющие на величину прооивного напряжения

Методы экспериментального изучения параметров искрового разряда.

1.6. Цели и задачи исследования. ст Д ТТГТА П." ТчГП А Т.* lirr--ri-VTTT.iT//, 7ТГГТГ!"1,— А ЦТ.-ГЙ" жшйга 1л г к т мс. х иДшчн.

2.1. Измерительная система для получения статистических данных о величине пробивного напряжения.

2.2. Экспериментальная установка с камерой сгорания постоянного объема.

2.3. Испытательный стенд для исследования статистик пробивного напряжения в условиях двигателя.

2.4. Методики экспериментальных исследовании и статистическом обработки результатов,. иН

2.4.1. Методика обработки результатов исследований в камере сгорания пистоинного ооъема. 5S

2.4.2. Методика проведения испытаний и обработки результатов на двигателе.

2.4.3. Расчет числа наблюдений.

2.4.4. Оценка достоверности результатов измерения пробивного напряжения.

СГ Т~>т ,-!ТГТ Г -ТТ.—. -- ТТЛ-Г. С £Г

С 1 U i 023Ш*-»{ДМ 11U 1ЛДСШ£? • UU

3. ЭКСПЕРИУЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПОСТОЯННОГО ОБЪЕМА..

3.1. Цели экспериментов в камере сгорания постоянного

O'^E/^K'îc^i > л iiiibsaiaslftiatiijiiit =,&n.*«.s».bs.»s*»=.b£.si»,at '—'б

3.2. Влияние соотношения топливо-воздух.

3.3. Влияние параметров турбулентного движения заряда.

3.4. Роль величины межзлектродного зазора.

3.5. Роль температуры среды в межэлектродном зазоре.

3.6. Влияние остаточных газов.

3.7. Влияние скорости нарастания вторичного напряжения. г"!5 О Ri.TT3i""\7TL.Î Г?Г\ Т- ТQ"DLiî-Î

--■• Ь & i^DIiJ'.-jjLiDi UU i. aZ-L'^TiriW-f ^ * ь/U

4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ Pi РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ р урттПРШ^ 7П5П Q'?

4.1. Влияние режимных факторов на статистические характеристики пробивного напряжения. -La J- а. Ь£гДИННИ0 H di ' Р У ' Pi.i'1 1.

4.1.2. Влияние частоты вращения.

4.2. Влияние регулировочных факторов на статистики пробивного напряжения. ни

- 4 » £» * i.» OriiiílJi ill'Ití У i' tiid U- i i w t JTu'w Ü l'Xtf A W'niffbi'li'CliTÍic'iu'l í. i iü

4.2,2, Влияние величины межэлектродного зазора.

4.3. Закон Пшена применительно к двигателям с искровым зажиганием.

Интенсивное развитие автомобилестроения как в нашей стране.» так и за рубежом приводит к тому, что проблема повышения топливной зрюномичности и снижения токсичности становится все более актуальной.

Одним из перспективных направлений улучшения экономических и зкологических характеристик бензиновых две является создание двигателя с рабочим процессом на бедных топливовоздушных смесях, Однако практическая реализация этой идеи требует решения ряда проблем, главная из которых - возрастающая по мере обеднения смеси межцикловая нестабильность процесса сгорания, обусловленная растущим количеством циклов с вялым протеканием процесса, сгорания и пропусками воспламенения. Это приводит к резкому росту расхода топлива и увеличению содержания токсических компонентов е отработавших газах.

В настоящее время можно считать установленным, что важнейшую роль в формировании всего процесса сгорания играет его начальная фаза,. Особенности этой фазы в значительной мере ограничивают степень возможного обеднения топливовоздушной смеси, т.к. тленно в пределах начальной фазы формируются межцнкловая нестабильность и пропуски воспламенения. Как показывают многочисленные исследования, любые меры, обеспечивающие ускорение развития начального очага (НО) горения, позволяют снизить межцикловую нестабильность и расширить пределы эффективного обеднения смеси.

Одной из таких мер является интенсификация процесса зажигания. Как известно, зажигание топливовоздушной смеси обеспечивается искровым разрядом, который состоит из двух фаз - емкостной и индуктивной., причем энергию емкостной фазы разряда определяет величина пробивного напряжения на свече зажигания. Вариации величины пробивного напряжения и, следовательно, энергии емкостной фазы могут приводить к различной интенсивности развития НО и вызывать появление межцикловой нестабильности. Из этого следует актуальность изучения вариаций пробивных напряжений» их статистических характеристик, влияния на них различных факторов.

Решению этих задач посвящена настоящая диссертационная работа. Входе решения этих задач был изготовлен комплекс испытательного измерительного оборудования и разработаны методики, обеспечивающие проведении большой серии экспериментов как в камере сгорания постоянного объема, так и на развернутом двигателе .

Эти исследования позволили выявить роль основных термодинамических и газодинамических факторов в формировании статистических характеристик пробивных напряжений. В частности, установлено существенное влияние на них турбулентного движения среды, что требует дополнить закон Палена слагаемым, учитывающим это влияние .

Установлено влияние на статистические характеристики коэффициента остаточных газов и скорости нарастания вторичного над

Проведенные исследования показали принципиальную возможность использования предложенного измерительного комплекса и результатов экспериментов для диагностики технического состояния двигателя к его системы зажигания.

Работа выполнялась на кафедре "Теплотехника и гидравлика" Волгоградского государственного технического университета в период с 1996 по 2000 гг. Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям - доктору технических наук, профессору ЗлотинуГ.Н., доктору технических наук, профессору

Федянову Е.А.- за неоценимую помощь- и поддержку. Автор признателен кандмтату технических наук, доценту Шуйскому С.Н. за активное содействие в изготовлении, наладке и ремонте экспериментальной аппаратуры, а также всем сотрудникам кафедры, содействовавшим выполнению данной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые с применением созданных специальной оригинальной аппаратуры и методик проведены комплексные исследования статистических характеристик величины пробивного напряжения на свечах зажигания ДВС легкого топлива и роли основных режимных и регулировочных факторов в их формировании. Полученные результаты позволяют с большей степенью обоснованности задавать требуемые параметры аппаратуры зажигания, они могут быть использованы при разработке способов диагностики двигателей. Впервые выделена роль турбулентного движения заряда в камере сгорания в формировании статистических характеристик пробивного напряжения. Установлено, что как максимальные, так и средние пробивные напряжения увеличиваются по мере возрастания скорости движения среды в камере сгорания. Показано, что с увеличением скорости турбулентных потоков топливовоздушной смеси (ТВО) возрастает нестабильность пробивных напряжений, причем тем значительнее, чем больше величина межзлектродного зазора. Выявленное влияние параметров турбулентных штоков TBC на статистики пробивных напряжений требует учета этого фактора при создании аппаратуры зажигания для двигателей с интенсифицированным движением TBC в камере сгорания.

3. Показано, что изменение статистических характеристик пробивного напряжения при изменении термодинамического состояния заряда в камере сгорания практически целиком определяется плотностью, TBC, которая в поршневых двигателях однозначно связана с параметрами заряда на впуске и величиной коэффициента наполнения. Роль плотности TBC в формировании статистик пробивного налряжения должна учитываться при разработке систем зажигания двигателей с наддувом, а также при применении систем ограничения детонации, действие которых основано на периодическом уменьшении угла опережения зажигания.

4. Установлено, что вариации величины коэффициента избытка воздуха в пределах от 0,£5 до 1,75 не оказывают существенного влияния на статистики пробивного напряжения.

5. Выявлена роль остаточных газов в формировании статистик пробивного напряжения; увеличение коэффициента остаточных газов Тг от О до 0,2 приводит к росту максимальных и средних значений пробивного напряжения примерно на 30% и повышению коэффициента вариации с 0,04 до 0,12. Это должно учитываться при выборе параметров систем зажигания для двигателей с рециркуляцией отработавших газов.

6. Впервые установлено, что увеличение крутизны фронта вторичного напряжения приводит не только к росту средних и максимальных значений пробивного напряжения, но и сопровождается снижением его нестабильности. Так, в условиях камеры сгорания постоянного объема увеличение крутизны фронта от 0,6 до 2,5 кВ/мкс привело к двукратному снижению величины коэффициента вариации пробивного напряжения.

7. Получена явная форма функциональной зависимости для закона Пашена применительно к ДБС, принципиальной особенностью которой является учет частоты вращения вала двигателя. Для двигателей семейства ВАЗ найдены числовые коэффициенты такой зависимости.

8= Разработана и изготовлена оригинальная измерительная аппаратура, обеспечивающая получение статистических характеристик

- ±9'-7 пробивного напряжения; разработаны, обоснованы и реализованы методики ее применения» Созданы экспериментальные установки для исследования статистик пробивного напряжения в условиях камер сгорания постоянного объема и двигателя,

- ige

1. Аверети Ä.E., Теория зажигания.-Минск:АНБССР, 1977-ЗЗс.

2. Автомобильные двигатели/ Под. ред. М.С, Ховаха. -М.:Машиностроение, 1977.- 595с.

3. Акимов В.И. Основы электрооборудования самолетов и автомашин.-М. ;Л.: Госэнергоидат, 1955.-384 с.

4. Архангельский Б.М. Злотин Г.Н. Работа карбюраторных двигателей на неустановившихся режимах. -М.: Машиностроение., 197У.-152 U.

5. Бадришвили Г.Н. Исследование влияния очага воспламенения напоказатели карбюраторных автомобильных двигателей: Диссканд. техн. наук / ВолгПИ, Волгоград, 1979. - 142 с,

6. Банников С.П. Электрооборудование автомобиля.-М.: Транспорт,1970.- 288 С.

7. Башев В.В. Улучшение показателей роторно-поршневого двигателя за счет оптимизации инициирущего искрового разряда: Дисс. канд. техн. наук / ВолгПИ, Волгоград, 1986, - 196 с.

8. Бела Еуна, Электроника на автомобиле; Пер. с венгер.-М.: Транспорт, 1979.- 192 с,

9. Ееллес Светт. Зажигание и воспламенение углеводородных топ-лив //Основы горения углеводородных топлив:Сб./ Под.ред. Умгппиря т? Н -М ' -10 ЯП -Р VI

10. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях.

11. М.: Машиностроение, 1977.-288 с. 14» Вопросы зажигания и стабилизации пламени: Сб. статей / Подред. Гольдберга,-М,: Иностр. лит., 1963.-113 с. 15» Глейзер Г.Н. Опарин И.М. Автомобильные системы зажигания.-М.; Машиностроение, 1977.- 144 с.

12. Двигатели автомобильные» Методы- стендовых испытаний: ГОСТ 14846-81.-М.:Из-во стандартов, 1991.-56 с.

13. Жданов Е.П.,Ловцев М.В.,Курячьей В.В. Энергетические характеристика различных систем батарейного зажигания на эксплуатационных режимах //Труды Горьковского политех. ин-та.-Горь1. К-тдиг Кип 1 я -П ОРТ-ЯПiAiAi. ¡г Л. * Л. «. * ъ & &

14. Згут В.М»,Злотин Г»Н»,Малов В.В. Некоторые особенности работы систем зажигания на неустановившихся режимах /7 Неустановившиеся процессы в колесных и гусенечных машинах: Тр. /гггтм с --- — т- •-■ п " " * О 'У ^ —с -ОШ1. ~ ЬилГи! ренц, Х'Й ; й, ии и.

15. Згут В.М.,Злотин Г.Н.,Малов В.В. Некоторые вопросы применения электронного зажигания в карбюраторных двигателях //Ав- Ii-. тг 4 Г;*'-! gc .1. C.-VU и.

16. Зельдович Я.Б.»Симонов H.H. К теории искрового воспламенения газовых взрывчатых смемей /'/ Журнал физической химии.-1949.•Т О'"' --i ГЧ 4 Cfl А ••( orj .<}i.£C<, № U.iöUi ioiü.

17. Зенгер H.H. Исследование воспламенения в искровом разряде //Сгорание в транспортных поршневых двигателях:Сб./ АН СССР.-М.} 1951.- С.60-63.

18. Злотин Г.Н., Кума Ф.Н.К.» Староверов В.В. Исследование возможности гомогенезации смеси в карбюраторном двигателе /Сб. тр. БЗЖ //Рабочие процессы в поршневых ДВС:.Сб.ТР./ВПИ.-Волгоград f1975.-С.25-28.

19. Злотин Г.Н.5 Малов В.В., Згут В.М. Влияние скорости открытия дросельной заслонки и скоростного режима карбюраторного двигателя на параметры искровых разрядов в свечах зажигания //Автомобильная промышленность.- 1974 .»№1.-0.30-33.

20. Злотин Г.Н. Малов В.В., Исследование неконвертированных форм искрового разряда тиристорной системы зажигания с накоплением энергии в емкости / ВПИ.-Волгоград, 1986. 25 с.

21. Злотин Г.Н.» Малов В.В., Овчаров С.А. Устройство для исследования цикловых параметров искрового разряда систем зажигания двигателей //Автомобильная промышленность.- 1979.-№?.п а о U-. и~о,

22. Оптимизация систем впуска и параметров систем зажигания двигателей семейства BAS-2108 со степенью сжатия 10-11: Отчет о НИР/ Волгоградский политехнический институт; Научный руководитель Г.Н.Злотин,- Тема 11/790-84; ГР 81029688.-Волгоград, 1983.-130 с,

23. Разработка технических требований к характеристикам искровых разрядов двигателей, работающих на бедных смесях: Отчет о НИР (заключит. )/ ВолгПИ, № ГР 01900060642; Инв. Ш02910049729. Волгоград. 1991.- 97 с.

24. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах: Пер. с англ. / Под ред, B.C. Комелькова.- М:МИР,1968.-390 с.

25. Сакан Т. Измерение энергии искрового разряда в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания //Кикай-но Кэнкю.-1966. -Т.18, 112,-С. 1490-1494.

26. Оакаи Т. Начальный период горения горючей смеси и энергия искры зажигания //Кикай-но Кэнкю.-1964.-Т.16,.Ш,-С.1017-1024,

27. Сакаи Т. Поджигание горючих смесей искровым разрядом /УНайнен Кикан,- 1970.-Т.9, №10.- 0, 11-13.

28. Семенов Е.0. 0 распределении тепла между зонами подогрева и реакций в сферических пламенах //ПМТФ.-1962.- Ш 6.

29. Семенов E.G., Соколик A.C. Характеристики сферических пламен в стадии формирования //Доклады АН СССР.- 1962,Т. 145, N12.-С. 369-372.

30. Скобликов А,С, Исследование возможности улучшения экономичности карбюраторного двигателя за счет рационального выбора параметров искрового разряда:Дисс. канд. тех,наук,-М., 1967,- 231 с,

31. Скобликов А,С,, Ванеев А,И, Увеличение искровых промежутков свечей и требования к системе зажигания автомобильных двигателей //Автомобильная и тракторная промышленность. -1956.-Ü8.- С,38-41

32. Скоблков А,С, Параметры искрового разряда, улучшающие работу автомобильного двигателя // Автотракторное электрооборудование," 1966,- Ш.-С. 80-85.

33. Смирнов Н,В,, Дунин-Барковекий И,В, Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений.-М,:1. Наука , 1969.-511 с.

34. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / B.C. Королюк, H.H. Портенко, A.B. Скороход, А.Ф, Турбин,- М,; Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985,-640 с,

35. Староверов В,В. Исследование индикаторного процесса двигателя при воспламенении различными типами систем зажигания // Рабочие процессы в ДВС:Межведомственный тематический сборник научных трудов -Волгоград, 1982.-0,60-65,

36. Староверов В.В. Исследование рабочего процесса современного автомобильного двигателя при воспламенении разными типами системы зажигания: Дисс, канд, техн. наук / ВолгШ Волгоград, 1S78. - 222 с,

37. Стекольников И.О. Природа длиной искры.- М.: АН СССР, 1960, -272 с.

38. Таблицы планов экспериментов для факторных и полиномных моделей: (Справочное издание) /Бродский B.S., Бодский Л.й., Голикова Т.И. и др.М.: Металургия, 1982.-752 с.

39. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями / Т.У. Асмус, К, Боргнакке, С,К, Кларк и др., Под. ред. Д. Хилларда, Дж. С. Спрингера: Пер, с англ, А, М, Васильева; Под ред. A.B. Кострова.-М.: Машиностроение, 1988,-504 с,

40. Треплин В.А, Исследование влияния электронного зажигания на динамику и состав отрабоавших газов карбюраторного двигателя при разгоне:Дисс,. канд. техн. наук / ВолгПИ,- Волгоград, 1970.-135 с.

41. Флиегел В.К. Исследование процессов воспламенения топливо-воздушных смесей электрической искрой: Дисс,.,. канд. техн.•1 ОСнаук / ВолгПИ Волгогоал. 1982, - 1У8 с.64, Фрюнгель Ф. Импульсная техника. -М,;Л.: Энергия , 1У65,

42. Целкович В.М, Влияние типа системы зажигания и межэлектродного зазора на токсичность отработавших газов при пуске и прогреве двигателя BAS, //Рабочие процессы в ДВС: Межведомственный тематический сборник научных трудов Волгоград, 1982.-С.30-40.

43. Электрический разряд и пробой в вакууме / Й.Н. Сшшвако- 1 Qp. 1. J. W w

44. U.-.x.—.-i- .-.r-.-.-! //c/ir? , ,.-,4--.-.«Ii n«n ».ss.-i c"liaLubL, «iiiiijäiutta. / / ortE.~rttK3Ui diaa.- i3fu.~

45. Spark Ignition Engines // SAE Techn. Pap.-1QP5

46. Ferraro C.V», Millo F.» Fenoglio C., A Critical Analysis of Knock-Detection Metods Based on Cylinder Pressure Analysis. //Proceeding's of 1st International Conference on Control and Diagnostics in Automotive Applications.i d » r . SO OI.Ä .

47. Combustion and Flame.-1991.-V.83»№l-2.-P.?5-105.

48. Lefebvre, A.H. Ignition Theory and its Application to the High Altitude Relighting Performance of Gas Turbine Combus-tors //Cranfield international Symposium Series, The Cranfi-eld inctitute.1971. Vol. U.S.105-119.

49. Maly P., Saggau B., Wagner E. Neue Erkenntnisse über elektrische Zundf"unken und ihre Eignung zur Entflammung brennbaren Gemische.//Automobil-Industrie.-1978.-2. (2 Teil).-S.15-21.

50. Maly R., Vogel M. Initiation and propagation of flame fronts in lean OH4- air mixtures by the there modes of the ignition spark// 17 th Sympfir (int.) on Combust.-1979.-P. 821-831.

51. Ozdor N., Bulger M., Sher E. Cyclic Variability in Spark Ignition Engines // SAE Techn. Pap. Ser. 1987. - №94098?»p a qq

52. Prospects of ignition enhacement/ Maly R.» Saggau B.» Wagner E. »Ziegler G.// SAE Techn. PaP.Ser.- 1983.- № 830478.-18 p.

53. Spalding, D.B., and Janin. V.K., The Theory of Steady Laminar Spherical Flame Propagation // Combustion and Flame,■<■> q ct ^"f^^pii'uüi. » ? * x j, J. s.

54. Spark Ignition time dependent theory/ Adelman H.G.// Symp. (int) Combust, Waterloo.-1980.- c.1333-1342

55. Spherical Flame Initiation: Theory versus Experiments for Lean Propane-Air Mixtures/ Champion M., Deshaies B., Joulin G., Kinoshita K. // Combustion and Flame.-1986.-V. 65.-P. 319-338.

56. Swarz H.» Bertling H. Einflus der Zundung auf Motor und Abgas. //Bosch. Techn. Berichte 5.-1977.- 516.-S.220-225.

57. Swett» C.C.Spark ignition of Flowing Gases //NACA-TR.