автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Улучшение экономических и экологических показателей бензинового двигателя путем завихрения смеси дополнительной подачей воздуха

№

од

Па правах рукописи

ЗЛРИПОВ РЛВИЛЬ ХАММАТОВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ЗАВИХРЕНИЯ СМЕСИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ

ВОЗДУХА

Специальности: 05.07.05 "Тепловые двигатели летательных аппаратов" и 05.04.02 "Тепловые двигатели"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

КАЗАНЬ. 1996г.

Работа выполнена в Научно-техническом центре ПО "ЕлАЗ" "Наука, техника и образование"

Научный руководитель: -Доктор технических наук, профессор

Н. П. Самойлов

Официальные оппоненты: - Доктор технических наук, профессор

Р.А.Гафуров

- Доктор технических наук, профессор В.З.Махов

Ведущее предприятие: Казанское моторостроительное

производственное объединение

Защита состоится в {/ часов на заседании

диссертационного совета Д. (Ш.43.01 в Казанском государственном техническом университете им.А.Н.Туполева (КАП) по адресу: г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева (КАИ).

Автореферат разослан"

■' ¿7 " (¿¿¿СШ/Ц^ 99 С.

Ученый секретарь г

диссертационного совета, I М I

доктор технических наук ■ А.П.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине (ДВС), являются основными силовыми агрегатами, разработка которых - важнейший фактор развития малой авиации и автомобилестроения, что, в свою очередь, определяет актуальность исследований по улучшению качественных эксплуатационных характеристик ДВС.

Эти исследования направлены на повышение экономичности и КПД двигателя и в конечном счете на создание все более энергосберегающих двигателей внутреннего сгорания. Как известно, ДВС является одним главных потребителей нефти, разведанные мировые запасы которой в 1996 году составили 139,2 млрд. тонн при добыче 3,1 млрд. тонн в 1995 году. Другим важнейшим аспектом исследований является снижение токсичности выбросов от ДВС. Эта проблема становится все более актуальной в связи с критическим состоянием экологии. В этой связи более жесткие требования предъявляются к экологическим параметрам работы двигателя.

Таким образом, топливно-энергетические и экологические требования являются в настоящее время основными факторами, определяющими требования к авто- и авиационному транспорту.

Указанные проблемы повышают требования к организации процесса сгорания в двигателях и заставляют изыскивать средства предотвращеЕШЯ нарушений процесса сгорания, что достигается на основе глубокой интенсификации рабочего процесса в двигателях.

Одним из путей улучшения рабочего процесса ДВС является конструкционное обеспечение оптимального распределения горючего в камере сгорания таким образом, чтобы в момент зажигания в зоне свечи зажигания находилась обогащенная смесь, а по мере удаления от. свечи зажигания смесь постоянно обеднялась (завихрение или расслоение заряда).

Завихрение может достигаться с использованием различных конструктивных решений - методами форкамерно-факельного зажигания, непосредственного впрыска топлива в цилиндры или во впускной коллектор, установкой ширм, завихрителей, ввода в цилиндры дополнительного воздуха и рядом других способов. Каждый способ имеет право на жизнь, доказанное своим успешным применением в ДВС. Однако, все эти способы не лишены и недостатков: имеет место усложнение конструкции двигателя, наблюдается повышенная жесткость работы на больших нагрузках, неполное сгорание топлива, вплоть до появления сажи и т.д.

Комбинированные конструкции, сочетающие достоинства различных способов завихрения и в принципе позволяющие продвинуть решение проблемы повышения эффективности быстроходных ДВС, сталкиваются в практическом применении со значительными трудностями из-за сложности определения оптимальных сочетаний используемых способов организации рабочего цикла в бензиновых двигателях. Кроме того большое количество экспериментальных данных о влиянии различных факторов на обобщенные

показатели эффективности ДВС получены лишь для отдельных, зачастую устаревших, типов двигателей.

Метод дополнительного завихрения заряда за счет дополнительной подачи воздуха в такте наполнения в нижнюю часть цилиндра (Самойлов Н.П., Анисимов А.Н., Залога Б.Д., Оканици Наши и др.) опробован в основном лишь для тихоходных двигателей, и до логического завершения не доведены актуальные вопросы возможности его использования в современных быстроходных ДВС, таких как ВАЗ-21083.

Цель работы

Основной целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных показателей быстроходных двигателей путем завихрения смеси подачей воздуха в цилиндры.

Для решения основной цели поставлены конкретные задачи:

1. Выполнить математический расчет и прогноз показателей смесеобразования в двигателе, содержащим систему завихрения заряда за счет дополнительной подачи воздуха в такте наполнения и сжатия.

2. Создать эффективную конструкцию системы завихрения заряда в цилиндре двигателя.

3. Получить новые экспериментальные данные о показателях смесеобразования и сгорания в двигателе, содержащем систему завихрения заряда за счет дополнительной подачи воздуха в такте наполнения и сжатия.

4. Уточнить достоинства и недостатки существующих методов повышения эффективности ДВС и разработать новый способ работы ДВС.

Научная новизна

Научную новизну работы составляют:

- разработанная для быстроходного двигателя конструкция завихрения заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха в конце такта наполнения и начале сжатия в нижнюю часть цилиндра через каналы, расположенные выше нижней мертвой точки;

- количественные характеристики и уточненные закономерности изменения энергоэкономических и экологических показателей быстроходного бензинового двигателя за счет создания дополнительного вихревого движения заряда в цилиндре двигателя;

- предложенный способ работы ДВС, включающий подачу воздуха в цилиндр, сообщение ему вращательного движения и сжатие и впрыск топлива во вращающийся поток воздуха.

Практическая ценность

Практическая ценность работы состоит:

в создании эффективной конструкции системы подачи дополнительного воздуха в цилиндры быстроходного двигателя, обеспечивющая повышение его топливной экономичности и улучшение антидетонационных, мощностных и экологических характеристик;

- в уточнении и расширении границ возможного практического использования известных математических моделей и систем расчетного прогнозирования показателей смесеобразования и индикаторных величин ДВС;

- в разработке и обосновании нового схеино-конструкгивного варианта подачи в цилиндры дополнительного воздуха, обеспечивающего улучшение эксплуатационных показателей ДВС.

Реализация

По результатам исследования по теме диссертации изготовлен один опытный образец модифицированного двигателя для автомобиля ВАЗ-21083, который эксплуатируется более двух лет с лучшими технико-экономическими и экологическими показателями , чем серийные автомобили ВАЗ-21083.

На защиту выносятся:

1. Разработанная система смесеобразования для быстроходного бензинового двигателя с организацией в цилиндрах вихревого движения путем подачи дополнительного воздуха через каналы, расположенные выше нижней мертвой точки.

2. Количественные соотношения и расчетные формулы, используемые для установления связи энерго-экономических и экологических показателей рабочего цикла от показателей дополнительного вихревого потока заряда при реализации дополнительного завихрения заряда в двигателе.

3. Результаты экспериментальных исследований энерго-экономических и экологических показателей двигателя ВАЗ 21083, оснащенного системой завихрения заряда дополнительной подачи воздуха.

4. Новый способ работы ДВС, включающий подачу вращающегося потока вогздуха в цилиндре и впрыск топлива.

• Апробация

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции "Механика Машиностроения" ММ-95, апрель 1995г. г. Набережные Челны: на 11 Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан", ноябрь 1995г. На первом

Международном конгрессе "Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего". 3...6 июня 1996г. г. Тюмень.

• Публикация

По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе одна монография. Получено положительное решение на патент Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит рисуноков 71, таблиц

Библиография включает 83 литературных источника.

Содержание работы ' Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее основные цели и задачи, намечены пути их решения, кратко изложены содержание и основные результаты диссертации.

В первой главе проанализированы некоторые способы завихрения заряда в цилиндре двигателя, позволяющие улучшить топливо-экономические и экологические показатели двигателя.

Положительными в форкамерно-факельном способе зажигания является экономия топлива. Но при этом несколько усложняются конструкции двигателя и карбюратора. На режиме холостого хода из-за неблагоприятных условий для воспламенения смеси искрой в форкамере увеличиваются концентрации несгоревших углеводородов в основной камере. Это приводит к появлению ударных волн, вызывающих стуки, сходных со слабой детонацией. На больших нагрузках наблюдается эффект повышенной жесткости работы.

Применение специальных завихрителей и впускных патрубков, направленных тангенциально к оси цилиндра и дросселирование в самой клапанной щели усиливают начальное завихрение заряда и тем самым создают благоприятные условия качественного протекания процесса сгорания. Однако, не вся энергия вихревого потока заряда, полученная в процессе наполнения, сохраняется до конца сжатия смеси. Вихрь заряда сохраняется до прихода поршня к нижней мертвой точки (НМТ). При перемещении поршня к верхней мертвой точки (ВМТ) вихревой поток замедляется на 80...85% от первоначального.

В настоящее время широко используют в двигателях впрыск топлива во впускную трубу или непосредственно в камеру сгорания. При этом достигается достаточно экономичная работа на малых нагрузках. Однако, процесс сгорания остается несовершенным как на режимах полных, так и

очень малых нагрузок. Переобогащение смеси з зоне теплового факела на больших нагрузках приводит к термодинамически неравновесному процессу сгорания вплоть до образования в продуктах сгорания сажи.

Два основных положительных эффекта, характерных для метода подачи в цилиндры дополнительного воздуха: быстрое и стабильное сгорание бедных смесей в результате сильной закрутки смеси струей дополнительного воздуха и уменьшение концентрации окислов азота в отработавших газах за счет уменьшения общей максимальной температуры сгорания.

Рассматривая все существующие методы завихрения заряда: установкой завихрителя, форкамерно-факельное зажигание, непосредственный впрыск топлива, подачи в цилиндр дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия и сопоставив их с аналогичными данными стандартных двигателей можно сделать предположение о том, что метод подача в цилиндр дополнительного воздуха позволяет сконструировать быстроходный ДВС с улучшенными экологическими и экономическими показателями.

Во второй главе описаны результаты расчегно-теоретического анализа процессов, происходящих в двигателе при организации дополнительной подачи воздуха в цилиндр (рис.]). Для анализа использовали известные в литературе закономерности и количественные соотношения.

Впуск

Поршень

с_

Выпуск

сГ

о

Доп. воздух

Рис. 1. Схема подачи в цилиндр дополнительного воздуха в конце такта наполнения и начале сжатия

■ Остановимся на описании методик и результатов расчетно-теоретического анализа проведенного в главе 2 диссертации.

Физическая модель процесса базировалась на следующих предположениях:

I. Если сумма смеси поступившей в цилиндр во время открытия впускного клапана и количество дополнительного воздуха в цилиндре будет больше, чем количество смеси, которая могла бы поместиться в цилиндре при давлении и температуре в конце сжатия, то дополнительный воздух не

только создает дополнительное завихрение, но и вытесняет основной заряд обратно во впускной коллектор.

2. Основным аэродинамическим параметром, определяющим качество смесеобразования в цилиндре, является тангенциальная составляющая скорости движения воздушного потока, вычисляемая формулой

Wt = 4 Г тс г ( Cosai + Cosct2),

где г - расстояние от рассматриваемой точки до оси вихря по перпендикуляру; ai и аг - углы, образованные между осью вихря и отрезками, соединяющими рассматриваемую точку с концами вихря;

Г = 2гс гл2 co-t - циркуляция заряда; cm - угловая тангенциальная скорость.

Дополнительный воздух, перемещаясь с тангенциальной скоростью в цилиндре, оказывает существенное влияние на циркуляцию заряда и создает усиленную эжекцию основной смеси. Осевая скорость направлена навстречу скорости основного потока горючей смеси и она оказывает влияние, в основном, на количественное наполнение цилиндра. Расчеты показывают, что максимальной тангенциальной скорости перемещения дополнительного воздуха в цилиндре двигателя соответствует средняя полость на половине высоты цилиндра (примерно 30...40 мм от нижней мертвой точки).

3. Расчет давления в вихре - воздушного потока определяли при некоторых допущениях по отношению, полученного из уравнения Эйлера. Анализ показывает, что в ВМТ в процессе перемещения дополнительного воздуха в цилиндре двигателя давление дополнительного воздуха снижается по мере увеличения осевого расстояния.

4. Термодинамический анализ двигателя с дополнительным завихрением заряда осуществляли по наиболее полной изложенной методике, предложенной Самойловым Н.П.

5. Расчеты состава продуктов сгорания выполняли по стандартным методикам на примере сгорания n-гептана при различных коэффициентах избытка воздуха в смеси.

С учетом конструкционных особенностей бензинового двигателя проанализированы количественные параметры изменения вихревого движения дополнительного воздуха по высоте и радиусу цилиндра; скорости движения дополнительного потока воздуха в цилиндре; изменения осевой скорости и давления дополнительного воздуха в цилиндре в зависимости от осевого расстояния; изменения давления в цилиндре в начале сжатия в зависимости от поворота коленчатого вала и подачи дополнительного воздуха; изменения момента количества движения и тангенциальной скорости движения заряда по высоте камеры сгорания в зависимости от радиуса цилиндра; изменения нормальной скорости распространения пламени и массовой скорости горения смеси; изменения давления, доли и скорости выделения тепла в процессе горения; изменения массового количества основного, дополнительного, суммарного ввода воздуха в цилиндр и коэффициента наполнения в зависимости от коэффициента подачи дополнительного воздуха; изменения коэффициента

наполнения и индикаторного к.п.д. в зависимости от температуры дополнительного воздуха. Кроме того, осуществлен анализ влияния подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя на образование токсичных элементов.

В целом, полученные результаты находятся в качественном согласии с ранее известными данными. Ввод дополнительного воздуха способствует расширению диапазона устойчивой работы и улучшению энергетических показателей двигателя, снижению токсичности выхлопных газов, возрастанию коэффициента наполнения, а оптимальные расчетные параметры рабочего процесса соответствуют более позднему зажиганию. Подтверждается отрицательное влияние на эффективность работы двигателя температуры дополнительного воздуха. Увеличение температуры приводит к уменьшению плотности заряда, снижению дозарядки цилиндра и снижению к.п.д. двигателя.

Вместе с тем, получены ряд новых количественных результатов, обусловленных особенностями быстроходного бензинового двигателя ВАЗ 21083. Во-первых, наиболее равномерному распределению дополнительного воздуха в цилиндре соответствует его подача под углом 12... 15 градусов к диаметральной и осевой плоскости цилиндра (для сравнения тихоходному двигателю УД-15 соответствует оптимальное направление 10...15 градусов). Во-вторых, несколько ниже, чем ожидалось, получилось расчетное значение прироста степени сжатия за счет увеличения вихревого движения и охлаждающего эффекта дополнительного воздуха (10..Л 2%, вместо ожидаемого 11,..13%). В-третьих, наиболее эффективной с точки зрения топливной экономичности является подача от 10 до 20% от общего расхода воздуха, что заметно отличается от литературных данных по тихоходным двигателям (до 30%). И, наконец, из-за относительно высоких оборотов и степени сжатия современного двигателя появляются новые требования к конструкции дополнительной впускной системы - организация регулируемой оптимальной подачи дополнительного воздуха при различных частотах вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Расчеты показывают, что для получения хороших показателей рабочего процесса двигателя необходимо осуществлять регулируемую, в зависимости от частоты вращения и нагрузки, подачу дополнительного воздуха при оптимальной температуре до 25...30 градусов.

В целом, выполненный в работе расчетный анализ свидетельствует о достаточной адекватности использованных в работе модельных представлений, результаты которых значительно расширяют фонд расчетных количественных параметров, характеризующих рабочий процесс в ДВС с подачей дополнительного воздуха в цилиндр.

У двигателя с подачей дополнительного воздуха возле свечи зажигания сосредотачивается обогащенная смесь. Она легко воспламеняется и сгорает с относительно высокой скоростью в сравнении с гомогенным зарядом. Из-за высокой концентрации горючего, а также увеличения момента количества движения свежей смеси дополнительным воздухом, возрастает не только скорость химической реакции, но и увеличивается доля

выделившегося тепла и скорость выделения теплоты по углу поворота коленчатого вала. Рис.2 показывает, что у двигателя ВАЗ-21083 с завихрением заряда величина Ртах выше, чем у стандартного (соответственно 3,45 и 2,91 МПа). Значе НИ6 Ртач сдвигается к ВМТ на 4 °п.-к.в., оптимальная подача искры на 3...120 п.к.в. в сторону позднего зажигания.

Результаты расчетов и их экспериментальная проверка показали, что у двигателя с завихрением заряда, при среднем значении коэффициента избытка воздуха а = 1,23, по сравнению с двигателем с

Рис.2. Изменение давления, сгоревшей массы, скорости изменения объема по углу поворота коленчатого вата

1 - с дополнительным завихрением;

2 - стандартный двигатель ВАЗ-21083.

гомогенной смесью а = 1,00, содержание окиси углерода и окислов азота снижаются в среднем на 50...85%.

В соответствии с использованной теоретической зависимостью (зависимость содержания СО от количества дополнительного воздуха С определяли из выражения X = [1 - СХисх(1 - С)] 3 х 0,23 Ьо / 4 Ст, где X - часть углерода топлива, содержащего в СО; Ст - количество углерода в топливе) количество СО, экспериментально определенная в продуктах сгорания, снижается прямо пропорционально С.

При теоретическом рассмотрении процесса сгорания в двигателе с дополнительной подачей воздуха было отмечено, что ширина зоны реакции в процессе турбулентного горения увеличивается, плотность заряда

уменьшается, следовательно, скорость образования окиси азота будет снижаться.

В третьей главе представлена общая программа и сведения о методиках экспериментальных исследований, Дается описание экспериментальной установки с устройством для подачи дополнительного воздуха в двигателе ВАЗ-2ЮЗЗ.

Эксперименты проводились на современном четырехцилиндровом двигателе ВАЗ-21083, который был оборудован системой дополнительной завихрения заряда, согласно схемы (рис.3).

четырехцилиндрового двигателя ВАЗ-21083

Установка состоит из двигателя, оборудованного системой дополнительной подачи воздуха; электротормоза постоянного тока; устройств для замеров расхода основного и дополнительного-воздуха; системы питания и приборов для замера расхода топлива; пульта управления с контрольно-измерительными приборами.

На расстоянии 10 мм выше НМТ в гильзе цилиндров просверливали отверстие, куда устанавливали штуцера с внутренним диаметром б мм. В соответствии с расчетами отверстия просверливали под углом 13...14° к диаметральной и вертикальной плоскостям цилиндра. Продолжительность периода впуска дополнительного воздуха составила 86° п.к.в. Конструкция обеспечивала надежную изоляцию масляного картера от поступающего в цилиндр дополнительного воздуха, который подавали компрессором через ресивер под давлением 0,06 Мпа.

Для исключения возможного влияния на результаты испытаний изменения атмосферных условий, эксперименты на двигателях с дополнительным завихрением заряда и без него проводились в одних и тех же условиях. Переход от одного варианта к другому осуществлялся путем закрытия и открытия обратных клапанов дополнительной системы.

Расход топлива двигателя регулировался изменением проходного сечения главного жиклера. Контрольно-измерительные ' приборы обеспечивали точность замера параметров, предусмотренных ГОСТом . требований.

Интенсивность дополнительного завихрения заряда изменялась количественной подачей дополнительного воздуха, замерялась воздухомером роторного типа и оценивалась коэффициентом подачи

дополнительного воздуха С = ОдЮв; где Од- количество дополнительного воздуха, введенного в цилиндр, Ов - количество основного воздуха, поступившего в цилиндр через карбюратор.

Оптимальная интенсивность завихрения заряда подбиралась по коэффициенту подачи дополнительного воздуха, обеспечивющему минимальную величину расхода топлива при сохранении мощностных показателен двигателя.

Влияние дополнительного завихрения заряда на экономические и токсические показатели модифицированного двигателя оценивали путем сравнения с характеристиками аналогичных серийных двигателей, полученными в идентичных условиях.

Четвертая глава диссертации посвящена описанию результатов экспериментальных исследований двигателя ВАЗ-21083 с завихрением заряда за счет подачи в цилиндр дополнительного воздуха.

Показано, что завихрение смеси дополнительной подачей воздуха обеспечивает сохранение мощности и устойчивую работу двигателя при относительно щироком, чем у стандартного двигателя, диапазоне коэффициента избытка воздуха а = 1,2... 1,5 (работа стандартного двигателя становится неустойчивой при а = 1,20... 1,25). При этом максимальным величинам индикаторного давления и к.п.д. соответствуют а = 1,05...1,15 и а = 1,2...1,3, соответственно.

У такого двигателя значительно расширяются пределы эффективного обеднения смеси с сохранением мощностных показателей и устойчивой работы двигателя и на частичных нагрузках. Например, у двигателя ВАЗ-21083, при при п = 2600 минЛ-1, при нагрузке 60% с а = 1,09 до 1,23; при нагрузке 40% с а =0,95 до 1,10. Расширение границ устойчивой работы на малых нагрузках в сторону бедных смесей у модифицированного двигателя достигает значения коэффициента избытка воздуха 1,05, тогда как у стандартного двигателя он составляет всего 0,75.

В соответствии с теоретическими воозрениями, увеличение подаваемого дополнительного воздуха приводит сначала к возрастанию, а затем к некоторому снижению изменения величин эффективного давления (рис.4).

Экспериментально подтверждено, что величина оптимального коэффициента подачи дойолнителыюго воздуха зависит от частоты вращения (рис.5) - с повышением частоты вращения оптимальный коэффициент подачи дополнительного воздуха снижается, а с уменьшением - увеличивается.

Рис.4. Изменение эффективного давления в зависимости от коэффициена подачи дополнительного воздуха Двигатель ВАЗ 21083, п=3300 минЛ-1, Уз - оптим. Дроссель - 80%

Рис.5. Изменение удельного расхода топлива в'зависимости от коэффициента подачи дополнительного воздуха. Двигатель ВАЗ 21083, V; - оптим. Дроссель - 80%. 1 - п=800; 2 - п=1800; 3 - п=3000; 4 - п=4300 минЛ-1

Результаты, сходные с теоретическими выводами, получены и в отношении коэффициента наполнения - у модифицированного двигателя

коэффициент наполнения rj'v отличается от r\v стандартного двигателя в близком соответствии с уравнением:

T|'v —= (Goch = Ga) / GTeop = Goch/ Greop + Gn/ GTeop — T|v + Cr|v — Tlv(l +C), где С - коэффициент подачи дополнительного воздуха. Эксперименты подтвердили, что у двигателя с завихрением заряда максимальная величина r|i смещается в сторону позднего угла зажигания, что объясняется выделением основной массы тепла преимущественно в первой фазе горения. Опытная величина степени сжатия повысилась на 11... 13%. Превышение этой величины не увеличивает коэффициент наполнения и приводит к преждевременному воспламенению смеси и появлению детонации. По-видимому, охлаждающий эффект и вихревое движение дополнительного воздуха полностью не обеспечивает подавления очагов детонации.

Максимальное эффективное значение а ограничено значениями С > 0,30, превышение которых приводит к интенсивному снижению поступления основного воздуха.

Интересно отметить, что если создать условия, препятствующие .обратному выбросу основной смеси во впускную систему (например, за счет непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания двигателя без впускных клапанов), то за счет увеличения плотности заряда можно будет увеличить суммарный коэффициент избытка воздуха. Тогда и при С более 0,30 можно получить надежное и стабильное воспламенение, устойчивое и интенсивное сгорание более бедных смесей.

Экспериментальные исследования регулировочных, скоростных и нагрузочных характеристик подтвердили, что наибольший эффект на расход топлива модифицированного двигателя BA3-21083 оказывают частота вращения, нагрузка и количество вводимого в цилиндр »дополнительного воздуха. Максимальной экономичности соответствуют малые и средние частоты вращения. Нпример, при С = оптим. Уз - оптим. п = 1000 мин-1 расход топлива составляет 0,8 кг/ч. (у стандартного двигателя -1,08 кг/ч.), при п = 2350 мин-1, соответственно, 2,20 и 2,29 кг/ч.

При С = оптим., нагрузке Ne = 10 кВт и частоте вращения л =2000 мин1 удельный и часовой расходы топлива составляют, соответственно, 400 г/кВт.ч. и 8,0 кг/ч. (у стандартного, соответственно, 450 г/квт.ч., и 10 кг/ч.); при С = оптим., нагрузке Ne = 30 кВт - 300 г/кВт.ч., и 4,0 кг/ч (у стандартного, соответственно, - 312 г/кВт.ч. и 4,3 кг/ч.).

Экспериментальные величины экологических характеристик двигателя BA3-21083 с завихрением заряда также находятся в качественном соответствии с выполненными нами термодинамическими расчетами. Выявлено, что на полных нагрузках при а = 0,87...0,95 содержание СО снижается на 30...35%, при а 1,06 - на 85...95%; на половинной нагрузке при а = 0.92 - на 20...26%. При фиксированных показателях двигателя (дроссель 100%, п 2000 мин-1 , Уз - оптим., С = 0,12) концентрация NiOs снизилась следующим образом: при а - 1,00 с 2,7 до 0,6 мг/л, при а = 1,20 с 3,8(man) до 1,0 мг/л, то есть, соответственно, на 78% и 73%.

В заключении главы 4 на основе выполненного цикла исследований и проведенного литературного анализа выдвигается новый способ работы двигателя внутреннего сгорания, развивающий преимущества способа завихрения смеси дополнительной подачей воздуха путем создания условий, препятствующих обратному выбросу основной смеси во впускную трубу.

Предлагаемый способ работы ДВС включает подачу воздуха в цилиндр, сообщение ему вращательного движения, сжатие воздуха поршнем, впрыск топлива во вращающийся поток, воспламенение заряда от свечи зажигания.

Новый способ лишен недостатка известных методов повышения мощности ДВС применением традиционного турбонаддува (на средних и малых нагрузках нагнетаемый воздух частично выбрасывается в атмосферу) и недостатка рассмотренного выше способа интенсификации путем подачи дополнительного воздуха (наряду с отмеченными недостатками, на больших частотах вращения нарушается синхронность автоматических пластинчатых подпружиненных клапанов) и слабой стороны метода впрыска топлива во впускную трубу во время открытия впускного клапана (при работе двигателя на полной мощности и высоких частотах резко ухудшаются экологические показатели двигателя).

Предварительные результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских (НИОКР), проведенные в ПО "ЕлАЗ" с целью выяснения возможности реализации научно-технических и эколого- экономических преимуществ предлагаемого способа, в целом подтвердили возможность изготовления и эксплуатации по этому способу экологически чистого и экономичного ДВС. При это на стадии НИОКР выполнены следующие основные работы: а)анализ и выбор показателей эффективности двигателя с учетом особенностей его схемно-конструктивного исполнения, режимов и условий эксплуатации, а также характеристик отечественных и зарубежных аналогов; б) анализ возможных схемно-конструктивных вариантов построения ДВС и выбор оптимального варианта; в) разработка программ и методик испытаний опытного образца.

• На новый способ получено положительное решение на патент Российской Федерации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании рассмотрения современного состояния проблемы улучшения экономических и экологических показателей бензиновых двигателей и ее основных компонентов - способов и схем интенсификации горения заряда, фонда количественных данных и расчетных методов, и проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований предложено схемно-конструктивное решение повышения эколого-экономических показателей быстроходных ДВС завихрением заряда за счет дополнительной подачи воздуха в конце такта наполнения и в начале сжатия через каналы, расположенные выше нижней мертвой точке.

2. Получены новые количественные характеристики и уточненные закономерности изменения показателей смесеобразования и индикаторных величин при завихрении заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха.

3. Экспериментально отработана и испытана эффективная конструкция завихрения заряда для двигателя ВАЗ-21083:

- конструкция системы завихрения включает: отверстие диаметром 6 мм в цилиндре на высоте 10 мм от кромки поршня, находящегося в НМТ, обратный пластинчатый подпружиненный клапан, ресивер, компрессор, соединительные трубки и трубопровод;

. - в оптимальном режиме работы система обеспечивает регулируемый ввод в цилиндр при постоянном избыточном давлении 0,06 МПа дополнительного воздуха в количестве от 10 до 30%. Затраты мощности на привод компрессора не превышают 1,5% от максимальной мощности двигателя;

- в сравнении с серийным двигателем удельный расход топлива снижается на 8...12%, максимальное давление и тепловыделение - на 10...12%; двигатель при равных основных параметрах работает с более высоким коэффициентом избытка воздуха схе = 1,55...1,65 (против 1,25...1,35 серийного двигателя);

- в сравнении с серийным двигателем оптимальный угол зажигания смещается в сторону более поздних на 6...10° поворота коленчатого вала и снижается время горения на 10... 15 градусов поворота коленчатого вала.

4. В результате количественного анализа выхлопных газов выявлено, что разработанная конструкция подачи дополнительного воздуха в двигатель ВАЗ-21083 позволяет снизить суммарное содержание токсичных компонентов в выхлопных газах на 60...80%, в частности, содержание углеводородов - на 60...70%, окись углерода на 80...90%, а .концентрацию окислов азота в диапазоне рабочих режимов (а = 1,00...1,30) - на 50...70%.

5. Проведенные дорожные испытания автомобиля ВАЗ 21083, оснащенного двигателем, имеющим систему дополнительной подачи воздуха в цилиндры, показали работоспособность системы. Расчетный экономический эффект для программы производства ВАЗ по ценам 1.03.96г. составляет 7,5 миллиарда рублей.

6. Выявлено новое перспективное направление улучшения эксплуатационных показателей ДВС с применением нового способа работы ДВС, включающего подачу воздуха в цилиндр, сообщение ему вращательного движения, сжатие воздуха поршнем, впрыск топлива во вращающейся поток сжатого воздуха через топливную форсунку и воспламенение заряда от свечи зажигания.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. ЗариповР.Х., Самойлов Д.Н.. Самойлов Н.П. Бензиновые двигатели с подачей в цилиндры дополнительного воздуха. Издательство Форт Диалог. 1995. 70с.

2. Зарипов Р.Х. Самойлов Н.П. Увеличение вихревого потока смеси в ДВС за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха. Тезисы. Международной технической конференции. Набережные Челны. 1995. 118...119с.

3. Зарипов Р.Х., Самойлов Н.П., Самойлов Д.Н. Защита окружающей среды от токсичных элементов, выбрасываемых с отработавшими газами автотракторных двигателей. Тезисы докладов 2-ой Республиканской научной конференции. Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан. Академия наук Татарстана. Казань. 1995. 114...115 с.

4. Зарипов Р.Х. Результаты опытов на высокофорсированном двигателе с дополнительным завихрением заряда. Издательство КГТУ им.А.Н.Туполева (КАИ). 1996. 21 стр.