автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение показателей двигателей с искровым зажиганием на режиме холостого хода путем снижения межцикловой неидентичности рабочего процесса

11-6

3029

Костычев Владимир Николаевич

УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ НА РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕИДЕНТИЧНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волготрад - 2011

На правах рукописи

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Федянов Евгений Алексеевич;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Славуцкий Виктор Михайлович;

кандидат технических наук, доцент Овчаров Сергей Александрович

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Защита состоится 23 декабря 2011 г. в 10 ч 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005 г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Ожогин

Р0ССИ1" 'АЯ ГОС. С, ,_г;!!АЯ В-; ГГКД

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость дальнейшего снижения эксплуатационных расходов топлива автомобильными двигателями обусловливает, в том числе, необходимость поиска путей улучшения показателей режима холостого хода. В условиях современного городского движения на этот режим в среднем приходится около 40% от общего времени работы автомобильных двигателей. Для двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажиганием режим холостого хода характеризуется особо неблагоприятными для сгорания топлива условиями: велика доля остаточных газов, понижена интенсивность турбулентности. При этом особенно заметной становится негативная роль межцикловой неидентичности (МЦН) рабочего процесса, свойственной двигателям указанного типа. МЦН оказывается одним из факторов, влияющих на выбор частоты вращения коленчатого вала двигателя на режиме холостого хода. При уменьшения уровня МЦН появляется возможность снижения частоты вращения и, тем самым, сокращения расхода топлива. Сказанное определяет актуальность исследований, направленных на выяснение факторов, в наибольшей степени влияющих на уровень МЦН в режиме холостого хода, и выбор путей повышения стабильности рабочего процесса.

Цель диссертационной работы - снижение уровня межцикловой неидентичности рабочего процесса в двигателях с искровым зажиганием на режиме холостого хода, обеспечивающее возможность уменьшения на этом режиме устойчивой частоты вращения коленчатого вала.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

- разработка стохастической математической модели рабочего процесса двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажиганием, позволяющей теоретически исследовать влияние условий режима холостого хода на статистики МЦН.

- проведение теоретических исследований с целью выяснения роли отдельных факторов в формировании уровня МЦН на режиме холостого хода и на этой основе определения путей снижения уровня МЦН на этом режиме.

- создание специальных измерительных систем и разработка методик для экспериментального изучения особенностей проявления МЦН на режиме холостого хода и для экспериментальной проверки результатов теоретических исследований.

- проведение экспериментальной проверки результатов теоретических исследований и оценки эффективности выбранного способа снижения уровня МЦН на режиме холостого хода.

Методы исследования. Теоретические исследования с помощью математического моделирования влияния состава топливовоздушной смеси,

турбулентности, нестабильности пробивных напряжений на процессы формирования начального очага горения и распространения пламени и их межцикловую неидентичность. Экспериментальные исследования с целью получения необходимых для математического моделирования данных и проверки результатов теоретических исследований моделирования . включающие лабораторные испытания и стендовые испытания ДВС.

Научная новизна работы

1. Впервые для режима холостого хода двигателей с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием теоретически изучена относительная роль влияющих на уровень МЦН основных факторов, включая нестабильность пробивных напряжений.

2. Предложен и реализован способ математического моделирования МЦН рабочего процесса двигателей с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, основанный на расчете связанной последовательности рабочих циклов с выделением в каждом из них расчета случайного процесса образования начального очага горения.

3. Определены особенности влияния на уровень МЦН характерного для режима холостого хода повышенного содержания остаточных газов Получены уточненные формулы, отражающие косвенное влияние условий холостого хода на случайные вариации процесса образования начального очага горения.

4. Показана возможность снижения уровня МЦН в двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием на режиме холостого хода путем установки установке свечей зажигания с определенным фиксированным положением массового электрода относительно поверхностей камеры сгорания.

Практическая ценность

1. Разработанная стохастическая математическая модель рабочего процесса двигателя с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием является инструментом для исследования природы МЦН и поиска путей снижения ее уровня.

2. Предложенный способ снижения уровня МЦН может быть использован для улучшения показателей двигателей с искровым зажиганием.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и одобрены на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета, г. Волгоград 2008-2010 гг.; международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», г. Волгоград 2009 г.; международной конференции "Двигатель-2010", посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 2010 г.; международной конференции "5-ые Лу-канинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе" в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ), г. Москва, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 работы - в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы - 116 страниц машинописного текста, в том числе 44 рисунка и 1 таблицу. Список использованной литературы составляет 118 наименований, в том числе 62 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование темы диссертации и приведена общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ результатов ранее выполненных исследований особенностей работы двигателей с искровым зажиганием на режиме холостого хода, представлений о природе и роли МЦН в двигателях указанного типа и воздействии различных факторов на это явление, возможностей использования для изучения природы МЦН и ее влияния на показатели двигателя математических моделей рабочего процесса. Рассмотрены, в том числе, посвященные изучению МЦН известные работы В. А. Звонова, Г. Н. Злотина, Г. М. Пешкина, Б. Я. Черняка, Е.А. Федяно-ва, N. Ozdor'a, М. Dulger'a, Е. Sher'a, М.В. Young'a, C.S. Daw и др. Исходя из содержания этих работ выделена роль, которую играет в формировании уровня МЦН процесс образования начального очага (НО) горения от электрической искры.

На основе результатов исследований, проведенных, в том числе, Г. Н. Злотиным, В. В. Маловым, В. В. Башевым, В. В.Староверовым, С. Н. Шумским, Ю. И. Моисеевым, Шароновым Г. И., Францевым С. М. и др, проанализировано влияние на развитие НО параметров искровых разрядов.

Глава завершается формулировкой цели и задач исследования.

Во второй главе описывается разработанная стохастическая математическая модель рабочего процесса двигателя с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, в основу которой положен расчет индикаторного процесса в выборке последовательных циклов с учетом случайного варьирования от цикла к циклу основных факторов, определяющих МЦН. Для того чтобы учесть роль стадии образования и развития НО в формировании уровня МЦН, в каждом из циклов выполняется расчет этой стадии с учетом случайного воздействия турбулентных пульсаций, а также межцикловых вариаций состава рабочей смеси и энергии емкостной фазы искрового разряда, пропорциональной величине пробивного напряжения между электродами свечи зажигания. Расчет основной стадии процесса сгорания базируется на вычислении скорости распространения турбулентного пламени по камере сгорания. Начальное состояние рабочей смеси в цилиндре при расчете каждого текущего цикла определяется с

учетом параметров остаточных газов, полученных в результате расчета предыдущего цикла. Случайные межцикловые вариации коэффициента избытка воздуха и пробивных напряжений задаются по известным статистикам распределения значений этих величин, полученным в результате обработки экспериментальных данных.

За основу взята разработанная в ВолгГТУ двухзонная математическая модель индикаторного процесса, опирающаяся на уравнения:

1) сохранения энергии для зон свежего заряда и продуктов сгорания:

Ьци'Щ ~Т~-Р----3---> (-1)

яф ри аф со

щ р ъ щ ю щ (2)

где р, V, Г, р - соответственно давление, объем, температура и плотность, ¿¡ги- удельная теплота сгорания топливовоздушной смеси, потери теплоты в стенки камеры сгорания в зоне продуктов сгорания, с^, с0 - изохорные теплоемкости свежего заряда и продуктов сгорания, соответственно, тпи- масса исходной смеси, тп^ - масса продуктов сгорания, Ни, Ль - характеристические газовые постоянные исходной смеси и продуктов сгорания;

2) сохранения массы в цилиндре;

ти+тпь ~т0, (3)

где т0 - общая масса газов в объеме цилиндра;

3) изменения объемов:

+ = (4) ¿Ф ¿ф ¿ф

где объем всей камеры сгорания при текущем положении коленвала.

Для расчета динамики выгорания топлива вместо формулы И. И. Вибе в модель введен расчет процесса распространения по камере сгорания турбулентного пламени. Он опирается на представление о механизме «погружения» турбулентных молей во фронт пламени с последующим их выгоранием с ламинарной скоростью ип. Скорость выгорания смеси во фронте пламени определяется по формуле

¿Щ _ ™е-Щ /гч

Дф СО • Ту

где тпе- масса свежего заряда, "погруженного" во фронт пламени, т^-масса продуктов сгорания, со- угловая скорость вращения коленвала, <р—

угол поворота коленвала, Ту - характерное время выгорания турбулентных молей.

Значение т í находится как

(6)

где - микромасштаб Тейлора для турбулентных пульсаций; ип - нормальная скорость распространения ламинарного пламени. На основе литературных данных принято, что Х( =0,02Пе^-Ь, где I - интегральный

макромасштаб турбулентных пульсаций, Ие^ - число Рейнольдса, в котором за определяющий размер принят микромасштаб Тейлора. Для условий холостого хода принято Яе^ =150.

Для нахождения массы тпе свежего заряда, погруженной во фронт пламени, предварительно вычисляется величина скорости погружения: <Ьп„ = Р и'АГщ ¿ф со

где щ - скорость турбулентного пламени, Лу - площадь фронта пламени.

Значение щ определяется из соотношения

— « 0,15 •Рг0,5-!^. (8)

ип

Величина ип принималась на основе полученных экспериментально в камере сгорания постоянного объема данных о скорости распространения пламени в сильно забалластированных топливовоздушных смесях. В ходе расчетов учитывалось влияние на ип температуры и давления в камере сгорания.

Для замыкания системы (1)...(7) использованы уравнения состояния для каждой из зон, формула Вошни для оценки величины потерь теплоты в стенки камеры сгорания, а также выражения для теплофизических характеристик свежего заряда и продуктов сгорания.

Процесс формирования и развития НО во времени рассматривается в модели как последовательность двух стадий. В течение первой из них происходит формирование ядра НО в результате выделения энергии емкостной фазы искрового разряда. На второй стадии протекает развитие НО вследствие образования зоны горения и ее перемещения в пространстве. Вторая стадия завершается, когда размеры НО достигают величины интегрального масштаба турбулентности.

Для описания первой стадии использованы предложенные К. В. При-ходьковым формулы, связывающие размеры ядра НО с энергией емкостной фазы искрового разряда и, соответственно, с величиной пробивного напряжения II^. Влияние условий режима работы двигателя на статистики распределения значении \]м\ среднее значение и коэффициент ва-

риаций, учитывалось полученными в ВолгГТУ Ю. И. Моисеевым линейными зависимостями, в которые кроме слагаемых, отражающих влияние межэлектродного зазора, коэффициента наполнения и интенсивности турбулентности были добавлены слагаемые, учитывающие влияние остаточных газов.

Вторая стадия описана с помощью разработанной в ВолгГТУ стохастической математической модели развития НО, учитывающей, в том числе, случайный характер влияния на процесс параметров турбулентности: ее интенсивности и масштаба. Это влияние учитывается уравнением, связывающим изменение площади поверхности НО с воздействием турбулентности:

где Лда. - площадь реальной искривленной поверхности НО, Кт - ос-редненный коэффициент, учитывающий интенсивность вытягивания фронта пламени турбулентными молями или турбулентными вихрями; у

- скорость уменьшения фронта пламени, учитывающая три механизма отрицательного воздействия турбулентности: отрыв, пересечение и сглаживание. Значения величин Кт и определяются в модели с учетом существования широкого спектра масштабов турбулентности в камере сгорания. При этом учитывается спектр масштабов в диапазоне от Колмого-ровского масштаба щ до интегрального масштаба турбулентности Ь.

Реальный фронт пламени, перемещающийся с ламинарной скоростью, заменяется в модели развития НО условной гладкой сферической поверхностью, распространяющейся с турбулентной скоростью

где Aj - площадь условной гладкой сферической поверхности НО.

Модель второй стадии развития НО непосредственно учитывает две причины, приводящие к возникновению МЦН - неустойчивый характер турбулентности и неидентичность от цикла к циклу состава топливовоз-душной смеси: коэффициента избытка воздуха и коэффициента остаточных газов,

При моделировании неустойчивого характера турбулентности считается, что скорости различных молей одного и того же размера /отличаются случайным образом друг от друга. Каждый турбулентный моль масштаба I характеризуется своей пространственной координатой х и величиной случайной скорости и(х), которая связана с мгновенной степенью диссипации турбулентной кинетической энергии st(x):

dA

—~ = Кт Аш - Rf,

(9)

(10)

(П)

Статистические характеристики распределения локальных значений б((дг) задаются законом распределения, параметры которого изменяются для каждого заданного масштаба I.

При моделировании цикловых вариаций состава смеси принимается, что коэффициент избытка воздуха в районе свечи является случайной величиной, которая меняется от цикла к циклу по нормальному закону.

Верификация модели проведена путем сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными. При этом сравнивались как показатели осредненных циклов, так и значения коэффициентов межцикловой вариации индикаторной работы. Результаты сравнения свидетельствуют о том, что различие данных эксперимента и моделирования как по осредненным показателям цикла, так и по статистикам МЦН не превосходят 3%. Были также сопоставлены экспериментальная и расчетная зависимости нестабильности частоты вращения коленчатого вала двигателя от средней частоты вращения. Как видно на рис. 1, расчетная кривая дает не только качественное, но и удовлетворительное количественное совпадение с экспериментом.

— Результаты моделирования -»- Экспериментальные данные Рис. 1. Зависимость уровня МЦН от частоты вращения двигателя

В третьей главе приведено описание моторного стенда и стенда с камерой сгорания постоянного объема, контрольно-измерительной аппаратуры, специальных измерительных систем, созданных для сбора и обработки данных о вариациях пробивных напряжений на свечах зажигания и нестабильности частоты вращения коленчатого вала двигателя. Изложена методика экспериментального определения нормальной скорости распространения пламени в топливовоздушных смесях, забалластированных остаточными газами.

В четвертой главе проведены результаты теоретических исследований влияния на уровень МЦН случайных вариаций коэффициента избытка воздуха, доли остаточных газов, пробивного напряжения, а также интенсивности турбулентных пульсаций и их масштаба. Интервалы варьирова-

ния значений указанных факторов на холостом ходу выбраны исходя из литературных данных и данных собственных экспериментов. В частности, обработка большого массива данных о значениях пробивных напряжений на свечах зажигания двигателя ВАЭ-21083 позволила найти для режима холостого хода при п = 800 мин"1 среднее значение указанной величины -II¡¡¿т = 7кВ, и коэффициент ее вариации - 5= 20 %. В соответствии с принятыми значениями были прокалиброваны коэффициенты формул, отражающих зависимость [/¿¿т и от межэлектродного зазора Д5, интенсивности турбулентности ш>', коэффициентов наполнения т^ и остаточных газов уг:

1^=17.77'По А, + 0,02464 •да'+1,Ьуг+ 2,37, (12)

5(£/и) = 0,21-11о + 0,122-ш'+0,5-уг -0,070 (13)

Исследования показали, что случайные вариации коэффициента избытка воздуха в пределах, характерных для современных систем топливо-подачи, не играют существенной роли в формировании уровня МЦН на режиме холостого хода. Относительно слабым оказывается непосредственное влияние интенсивности турбулентности, в большей степени на уровне МЦН сказывается масштаб турбулентных пульсаций.

Показано, что увеличенное содержание остаточных газов в рабочей смеси является одной из причин повышенного уровня МЦН на холостом ходу. Вместе с тем, результаты расчетов свидетельствуют о том, что при высоком среднем значении коэффициента остаточных газов уг случайные изменения этого коэффициента, обусловленные межцикловыми различиями в динамике процесса сгорания, относительно малы и практически не сказываются на уровне МЦН. В связи с последним можно предполагать, что на режиме холостого хода не должно наблюдаться той заметной корреляции в очередности появления "плохих" и "хороших" циклов, которая отмечена многими исследователями, анализировавшими статистики МЦН на нагрузочных режимах.

Заметное влияние на уровень МЦН в режиме холостого хода, как показали результаты стохастического моделирования, оказывают случайные межцикловые вариации пробивного напряжения на свечах зажигания. На рис. 2 в качестве примера показан разброс значений индикаторной работы цикла в зависимости от разброса цикловых значений пробивного напряжения. Если рассматривать только стадию образования НО, то влияние вариаций пробивного напряжения на стабильность процесса оказывается, как и следует предполагать, еще более заметным.

Р1, МПа 0,235 -

0,23 -

0,225 -

0,22 -

0.215 -

0,21 -

0,205 -

0,25000 6000 7000 8000 9000 ЫЬй, В

Рис. 2. Влияние нробивного напряжения на среднее индикаторное давление в цикле

В пятой главе проанализированы возможности уменьшения уровня МЦН за счет увеличения стабильности пробивного напряжения. Так как положительный эффект от увеличения межэлектродного зазора в свечах зажигания хорошо известен, рассмотрены возможности воздействия на локальные параметры турбулентности в зоне межэлектродного зазора. В соответствии с формулами (12) и (13) некоторое понижение интенсивности турбулентных пульсаций в зоне межэлектродного промежутка свечи зажигания должно приводить к снижению вариаций пробивного напряжения в существенно большей степени, чем к уменьшению энергии емкостной фазы разряда. Положительный эффект может дать и уменьшение макромасштаба турбулентности. Исходя из сказанного было изучено влияние на нестабильность пробивного напряжения положения стойки массового электрода свечи зажигания относительно направления потоков заряда в камере сгорания. Экспериментам на двигателе предшествовали опыты с продувкой разрядного промежутка свечи зажигания стационарным потоком. Эти опыты подтвердили предположение о том, что положение боковой стояки массового электрода свечи зажигания, которая является источником некоторых дополнительных возмущений в потоке, оказывает заметное влияние на статистики распределения значений пробивного напряжения в серии последовательных искровых разрядов. Результаты, полученные на физической модели, были подтверждены опытами на двигателе ВАЗ 21083. Эти опыты заключались в сравнении вариаций пробивного напряжения и нестабильности частоты вращения коленчатого вала двигателя при различном положении боковой стойки массового электрода

♦

♦ < ♦ «А ♦ ►

V >

* ♦ ♦

♦

♦

относительно поверхностей камеры сгорания. Положение свечи в камере сгорания регулировалось изменением толщины прокладки между свечой зажигания и головкой блока цилиндров. При этом изменение положения бокового электрода сопровождалось осевым перемещением межэлектродного зазора в пределах 1,25мм. За исходное (нулевое) положение бокового электрода было принято такое, при котором его стойка расположена диаметрально противоположно от впускного клапана. Исходное положение бокового электрода иллюстрирует рис. 3.

Рис. 3. Исходное (нулевое) положение бокового электрода свечи зажигания

Результаты экспериментов показали, что с изменением положения

стойки бокового электрода меняются статистики как распределения значений пробивных напряжений, так и, соответственно, распределения цикловых значений угловой скорости коленчатого вала. На рис. 4 приведена круговая диаграмма, иллюстрирующая изменение коэффициента вариации частоты вращения коленчатого вала при изменении положения стойки массового электрода. Как следует из приведенной диаграммы, максимальное и минимальное значения коэффициента

Рис. 4. Влияние положения бокового электрода на коэффициент вариации частоты вращения коленчатого вала

вариации различаются почти на 60%. Минимальный уровень МЦН достигается, когда боковой электрод повернут на 135° или на 225° по часовой стрелке от исходного положения.

Для оценки возможности снижения минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу за счет выбора положения массового электрода свечей зажигания были проведены опыты, в ходе которых была определена минимально устойчивая частота вращения при двух предельных случаях. В первом случае положение стоек массовых электродов свечей зажигания во всех цилиндрах соответствовало максимальному уровню вариаций частоты вращения коленчатого вала - на рис. 4 это положение, при котором боковой электрод повернут на 45° против часовой стрелки от исходного положения. Во втором случае стойки массовых электродов занимали положение, соответствующее минимальному уровню МЦН - свечи были повернуты против часовой стрелки на угол в 135° относительно нулевого положения. Результаты опытов представлены на рис. 5. Сравнение минимально устойчивых частот вращения для двух указанных выше положений боковых электродов свечей зажига-

1 Максимальный уровень МЦН п, об/мин

2 -ш- Минимальный уровень МЦН

Рис.5. Зависимость уровня МЦН от частоты вращения коленчатого вала двигателя

ния позволяет сделать вывод о том, что во втором случае такая частота вращения примерно на 10% меньше, чем в первом. По отношению к варианту установки массовых электродов всех свечей случайным образом возможное снижение частоты вращения составит в среднем примерно 5%. Снижению частоты вращения коленчатого вала двигателя на указанную величину будет соответствовать примерно такое же сокращение расхода топлива.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложен и экспериментально подтвержден способ решения задачи снижения уровня межцикловой неидентичности рабочего процесса двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажиганием на режиме холостого хода, что дает возможность уменьшения частоты вращения коленчатого вала двигателя на этом режиме и, тем самым, расхода топлива.

2. Предложен способ моделирования межцикловой неидентичности в двигателях с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажиганием, основанный на расчете последовательности рабочих циклов с выделением в каждом из них стохастического процесса образования и развития начального очага горения от электрической искры. Получены уточненные формулы, отражающие косвенное влияние условий режима холостого хода на процесс образования начального очага горения от электрической искры через величину пробивного напряжения.

3. Разработана и программно реализована оригинальная стохастическая математическая модель рабочего процесса ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажиганием топливовоздушной смеси, воспроизводящая МЦН на основе расчета последовательности рабочих циклов и отличающаяся взаимосвязанным описанием случайных процессов как на основной стадии сгорания топлива, так и на стадии образования и развития начального очага горения.

4. На основе результатов проведенных с помощью созданной математической модели исследований сделаны следующие основные выводы:

4.1. На режиме холостого хода существенный вклад в формирование уровня МЦН вносят случайные межцикловые вариации значений пробивного напряжения на свечах зажигания.

4.2. Характерная для режима холостого хода двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажиганием повышенная забалластированность рабочей смеси в камере сгорания приводит к снижению нормальной скорости распространения пламени и увеличению нестабильности пробивных напряжений, что способствует росту МЦН и повышает вероятность пропусков зажигания. В то же время случайные межцикловые вариации коэффициента остаточных газов при его высоком среднем значении практически не влияют на уровень МЦН. В силу последнего на холостом ходу не следует ожидать той заметной корреляции в последовательности "плохих" и "хороших" циклов, которая наблюдается во многих случаях на нагрузочных режимах.

4.3. На режиме холостого хода снизить уровень МЦН можно путем уменьшения интенсивности турбулентных пульсаций в зоне разрядного промежутка свечи зажигания.

5. Предложен способ воздействия на параметры турбулентности в зоне разрядного промежутка свечи зажигания с целью снижения уровня

МЦН и минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя путем установки свечей зажигания с фиксированным положением стойки массового электрода относительно поверхности камеры сгорания. Экспериментальная проверка предлагаемого способа показала, что по сравнению с вариантом установки массовых электродов всех свечей случайным образом возможное снижение частоты вращения и, соответственно, расхода топлива составит в среднем примерно 5%.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

В изданиях, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов» рекомендованных ВАК:

1. Влияние вариаций величины пробивного напряжения на динамику развития начального очага горения в двигателях с искровым зажиганием на режиме холостого хода / Е.А. Федянов, С.Н. Шумский, К.В. Приходь-ков, В.Н. Костычев // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 10. -С. 141-143.

2. Влияние положения электродов свечей зажигания на межцикловую неидентичность рабочего процесса бензиновых двигателей на режиме холостого хода / Е.А. Федянов, С.Н. Шумский, К.В. Приходьков, В.Н. Костычев // Изв. ВолгГТУ. Серия "Процессы преобразования энергии и энергетические установки". Вып. 3 межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. -№ 8. - С. 17-19.

3. Шумский, С.Н. Моделирование стохастичности рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием на режиме холостого хода / С.Н. Шумский, К.В. Приходьков, В.Н. Костычев // Изв. ВолгГТУ. Серия "Процессы преобразования энергии и энергетические установки". Вып. 2 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 7. - С. 84-86.

В прочих изданиях:

4. Влияние положения электродов свечей зажигания на межцикловую неидентичность рабочего процесса на холостом ходу двигателя с искровым зажиганием / Е.А. Федянов, С.Н. Шумский, К.В. Приходьков, В.Н. Костычев Н 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе тез. докл. юбил. науч.-техн. конф. (14 марта 2011 г.) / Московский автомобильно-дорожный гос. техн. ун-т (МАДИ). - М., 2011. - С. 59-60.

5. Изучение причин МНЦ в двигателях с искровым зажиганием на режиме холостого хода / В.Н. Костычев, К.В. Приходьков, Е.А. Федянов, С.Н. Шумский // Сборник научных трудов международной конференции Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (16 окт. 2010 г.) / МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М., 2010. - С. 189-191.

6. Нестабильность рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием на режиме холостого хода / В.Н. Костычев, К.В. Приходьков, Е.А. Федянов, С.Н. Шумский // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2011. - № 8. - С. 68.

9 5 5 5 1

7. Повышение стабильности работы двигателя с искровым зажиганием на режиме холостого хода / В.Н. Костычев, К.В. Приходьков, С.Н. Шум-ский, Е.А. Федянов // Транспортные и транспортно-технологические системы матер, междунар. науч.-техн. конф. (20 апр. 2011 г.) / ГОУ ВПО "Тюменский гос. нефтегаз. ун-т". - Тюмень, 2011. - С. 146-149,

8. Приходьков, К.В. Критерии воспламенения при стохастическом моделировании рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием / К.В. Приходьков, В.Н. Костычев // Системные проблемы надёжности, качества, инф.-телекоммуникац. и электрон, технологий в управл. инновационными проектами (Инноватика-2008) матер, междунар. конф. и рос. науч. школы / Науч. центр "АСОНИКА" [и др.]. - М., 2008.-Ч. 2. - С. 129-132.

9. Приходьков, К.В. Учёт межцикловой неидентичности в системах диагностики и управления двигателями внутреннего сгорания / К.В. Приходьков, В.Н. Костычев // Системные проблемы надёжности, качества, инф.-телекоммуникац. и электрон, технологий в управл. инновационными проектами (Инноватика-2008): матер, междунар. конф. и рос. науч. школы / Науч. центр "АСОНИКА" [и др.]. - М., 2008. - Ч. 2. - С. 124-129.

10. Федянов, Е.А. Моделирование рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием на режиме холостого хода с учётом влияния коэффициента остаточных газов / Е.А. Федянов, К.В. Приходьков, В.Н. Костычев // Прогресс транспортных средств и систем - 2009 матер, междунар. науч.-практ. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г. В 2 ч. Ч. 1 / ВолгГТУ [и др.]. -Волгоград, 2009. - С. 265-266.

Личный вклад автора. Во всех опубликованных работах [1-10] автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке программы и методики экспериментальных исследований, проведении лабораторных и моторных исследований, обработке и анализе их результатов. Автором проведены теоретические исследования процесса формирования начального очага горения тогшивовоздушной смеси с учетом влияния на него параметров искрового разряда, коэффициента остаточных газов, разработана стохастическая математическая модель рабочего процесса ДВС.

Подписано в печать ^///.2011 г. Заказ № 9Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.

400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

201 ^ё!!!^

/

61 12-5/1701

На правах рукописи

КОСТЫЧЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ НА РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕИДЕНТИЧНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Е.А. Федянов.

Волгоград - 2011

Стр.

Введение............................................................................................................................................................4

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования..................................................6

1.1. Особенности работы двигателя с искровым зажиганием

на режиме холостого хода..................................................................................................................6

1.2. Межцикловая неидентичность и её влияние на показатели двигателя..............................................................................................................................................................10

1.3. Факторы, влияющие на уровень МЦН........................................................................13

1.4. Математическое моделирование рабочего процесса с учетом

МЦН..........................................................................................................................................22

1.5. Постановка задач исследования..........................................................................................31

2. Разработка стохастической математической модели рабочего процесса в ДВС..............................................................................................................................................33

2.1. Принципы построения стохастической модели рабочего процесса. 33

2.2. Математическая модель индикаторного процесса..............................................34

2.2.1. Основные уравнения модели индикаторного процесса................................35

2.2.2. Определение скорости распространения турбулентного пламени 37

2.2.3. Расчет процесса теплоотдачи в стенки рабочей полости....................39

2.2.4. Определение теплофизических свойств свежего заряда и продуктов сгорания................................................................................................................................40

2.3. Математическое моделирование процесса образования начального очага......................................................................................................................................40

2.4. Верификация модели..................................................................................................................52

2.5. Заключение по главе....................................................................................................................57

3. Экспериментальные установки, оборудование и методики..........................59

3.1. Стенд и оборудование для экспериментальных исследований на двигателе........................................................................................................................................................59

3.1.1. Испытательный стенд............................................................................................................59

3.1.2. Система зажигания....................................................................................................................60

3.1.3. Система регистрации цикловых значений пробивных напряжений....................................................................................................................................................61

3.1.4. Методика определения коэффициента вариации частоты вращения коленчатого вала двигателя...............................................64

3.2. Установка с камерой сгорания постоянного объема и методика определения нормальной скорости распространения пламени......................66

3.2.1. Оборудование установки с камерой сгорания постоянного объема................................................................................................................................................................66

3.2.2. Регистрация распространения пламени в камере сгорания................67

3.2.3. Методика проведения эксперимента и обработки

экспериментальных данных..........................................................................................................68

3.3. Заключение по главе....................................................................................................................71

4. Исследование особенностей межцикловой неидентичности на режиме холостого хода......................................................................................................................73

4.1. Выбор интервалов варьирования основных факторов................................73

4.1.1. Интенсивность турбулентных пульсаций............................................................73

4.1.2. Коэффициент избытка воздуха........................................................................................74

4.1.3. Вариации содержания и параметров остаточных газов..........................75

4.1.4. Пробивное напряжение........................................................................................................75

4.2. Результаты экспериментов по определению нормальной скорости распространения ламинарного пламени в забалластированных смесях 77

4.3. Определение влияния основных факторов на уровень межцикловой неидентичности работы двигателя на холостом ходу.. 80

4.3.1. Влияние турбулентных пульсаций............................................................................80

4.3.2. Влияние вариаций коэффициента избытка воздуха....................................82

4.3.3. Влияние вариаций коэффициента остаточных газов................................86

4.3.4. Влияние вариаций пробивного напряжения....................................................89

4.4. Заключение по главе....................................................................................................................92

5. Снижение уровня межцикловой неидентичности работы двигателя

на режиме холостого хода..............................................................................................................93

5.1. Выбор способа снижения уровня МЦН на режиме холостого хода 93

5.2. Экспериментальное исследование влияния положения электродов свечи зажигания на уровень межцикловой неидентичности работы двигателя на холостом ходу........................................................................................................96

5.3. Снижение минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя за счет выбора положения массового электрода свечи зажигания............................................................................................................100

5.4. Результаты и выводы по главе............................................................................................102

Основные результаты и выводы..................................................................................................103

Список литературы..................................................................................................................................105

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость поиска путей дальнейшего снижения эксплуатационного расхода топлива автомобильными двигателями обусловливает, в том числе, актуальность углубленных исследований работы двигателя на режиме холостого хода. В силу современных особенностей движения автомобилей в городах на этот режим приходится более 40% от времени работы двигателя.

Расход топлива двигателем на режиме холостого хода напрямую зависит, при прочих равных условиях, от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для двигателей легкого топлива с принудительным искровым зажиганием одним из факторов, ограничивающих возможности снижения частоты вращения на холостом ходу, является повышенная межцикловая неидентичность (МЦН) в протекании рабочего процесса, следствием чего является повышенная неравномерность угловой скорости коленчатого вала. При уменьшении уровня МЦН на рассматриваемом режиме появляется возможность снизить частоту вращения коленчатого вала двигателя при выполнении всех требований по экологичности и комфорту и, тем самым, понизить расход топлива.

Настоящая работа посвящена выяснению влияния характерных для режима холостого хода условий в камере сгорания на уровень МЦН и на этой основе выбору путей его снижения. При этом изучено не только непосредственное, но и косвенное влияние этих условий на МЦН через их воздействие на стабильность пробивных напряжений и, тем самым, на стабильность процесса образования и развития начального очага горения, который в значительной степени определяет нестабильность всего процесса сгорания.

В связи с тем, что экспериментальным путем сложно выделить роль факторов, оказывающих прямое и косвенное воздействие на уровень МЦН, в работе значительное место отведено созданию стохастической математической модели рабочего процесса, отражающей физические механизмы влияния случайных вариаций состава топливовоздушной смеси и параметров ис-

кровых разрядов, а также турбулентности на показатели осредненного рабочего цикла и статистики МЦН.

Для получения исходных данных, необходимых для моделирования МЦН, и подтверждения выводов теоретического анализа оборудованы специальные испытательные стенды с камерой сгорания постоянного объема и поршневым ДВС.

На основе результатов проведенных с помощью созданной модели теоретических исследований установлена возможность снижения уровня МЦН и, соответственно, минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя с искровым зажиганием, работающего на холостом ходу. Эти возможности подтверждены результатами испытаний.

Работа выполнялась на кафедре "Теплотехника и гидравлика" Волгоградского государственного технического университета в период с 2007 по 2011 гг. Автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю доктору технических наук профессору Федянову Евгению Алексеевичу за неоценимую помощь и поддержку, оказанную при выполнении работы. Особую признательность автор выражает кандидату технических наук доценту Приходькову Константину Владимировичу, который был инициатором исследований, и кандидату технических наук доценту Шумскому Сергею Николаевичу, который оказал большую помощь в аппаратурном оснащении стендов. Автор также благодарен всем сотрудникам кафедры "Теплотехника и гидравлика" за содействие и помощь в выполнении

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности работы двигателя с искровым зажиганием на режиме холостого хода

Работа автомобильного двигателя на режиме холостого хода занимает значительную долю времени в условиях современного городского движения. Согласно ГОСТ Р 41.84-99, основанном на Правилах ЕЭК ООН № 84, при испытаниях автомобилей на топливную экономичность в городском цикле на холостой ход приходится 35,4% общего времени испытания. При эксплуатации автомобилей в современных мегаполисах, расход топлива, приходящийся на режим холостого хода, достигает 40% от общего расхода.

Работа бензинового двигателя с искровым зажиганием на режиме холостого хода характеризуется повышенной токсичностью отработавших газов. На холостом ходу выбрасывается 20% СО и 13% СН [21] от общей эмиссии этих компонентов за ездовой цикл. Для того чтобы оценивать расход топлива и токсичность отработавших газов на режиме холостого хода, снимается специальная характеристика холостого хода [2].

Режим холостого хода характеризуется особо неблагоприятными для сгорания топлива условиями внутри цилиндров: велика доля остаточных газов, низок коэффициент наполнения, недостаточна интенсивность турбулентности. Так, согласно широко известным данным [1] коэффициент наполнения на холостом ходу снижается до 0,2 ...0,3 (рис. 1.1.), а коэффициент остаточных газов возрастает до 0,35...0,45 [2]. Последнее иллюстрирует график [1] на рис. 1.2, на котором представлена зависимость коэффициента остаточных газов уг от величины давления раъо впускном трубопроводе для карбюраторного двигателя. Меньшие значения рн соответствуют работе с прикрытым дросселем. С ростом степени сжатия коэффициент остаточных газов становится меньше, однако характер его изменений ■ в зависимости от положения дроссельной заслонки сохраняется.

%

0,8 0,6 ол

V

1

г—-и 1 ,

то 2000 то то п^/мин

Рис. 1.1 Коэффициент наполнения автомобильного двигателя при разных нагрузках: 1 - 100%; 2 - 50%; 3 - холостой ход

Г 0,2

О,Г О

0,8 0,6 ра,кгс/смг

Рис. 1.2. Коэффициент остаточных газов при дросселировании карбюраторного двигателя

Увеличенная доля остаточных газов оказывается одной из причин снижения интенсивности турбулентных пульсаций. Другой, более важной причиной является относительно низкая частота вращения коленчатого вала двигателя. Как известно [8] интенсивность турбулентных пульсаций меняется прямо пропорционально частоте вращения.

Дросселирование на впуске уменьшает величину давления во впускном трубопроводе примерно до половины (или даже меньшей части) величины давления в выпускном трубопроводе, что приводит к расширению остаточных газов до поступления свежего заряда топливовоздушной смеси. При перекрытии клапанов возникает обратный поток отработавших газов из выпускного трубопровода через камеру сгорания во впускной трубопровод, где

7

они могут перемешиваться со свежим зарядом горючей смеси, после чего во время такта впуска они опять поступят в камеру сгорания. Глубокое дросселирование на впуске, которое имеет место в режиме холостого хода, является основной причиной низкого коэффициента наполнения и увеличенной доли остаточных газов в камере сгорания.

Следствием повышенного содержания остаточных газов в рабочей смеси является пониженное значение нормальной скорости распространения пламени и, соответственно, увеличенная продолжительность процесса сгорания. Последнему способствует также пониженная интенсивность турбулентности заряда в камере сгорания.

На рис. 1.3. представлены полученные в ВолгГТУ [21] индикаторные диаграммы карбюраторного двигателя ВАЗ 2103, работавшего на холостом ходу при двух различных углах опережения зажигания (направление линий на диаграмме справа - налево). Как видно, и в обоих случаях значительная часть процесса тепловыделения происходит на линию расширения, причем в

гуттугттуутугг^^

Рис. 1.3. Индикаторные диаграммы,

снятые при углах опережения зажигания 0° и 10°

случае отсутствия опережения зажигания горение не успевает завершиться вплоть до открытия выпускного клапана.

Условия в камере сгорания на режиме холостого хода затрудняют протекание не только процесса распространения пламени, но и процесса искрового зажигания топливовоздушной смеси.

Как известно [51], критическая энергия воспламенения обратно пропорциональна давлению смеси в момент воспламенения и нормальной скорости распространения пламени. Так как давление смеси к моменту воспламенения прямо пропорционально коэффициенту наполнения [2], то за счет уменьшения коэффициента наполнения от 0,6 (нагрузочный режим) до 0,2 (режим холостого хода) критическая энергия воспламенения возрастает в 2,5 раза. Разбавление смеси остаточными газами, как было отмечено выше, приводит к снижению нормальной скорости распространения пламени. В работе [51] Целковича Б.М. отмечается, что при переходе к режиму холостого хода уменьшается не только плотность заряда, нормальная скорость сгорания, но и теплота сгорания смеси. В результате действия указанных факторов критическая энергия воспламенения увеличивается более чем в 3 раза. Соответственно растет критический диаметр начального очага горения [19].

Многочисленные исследования [19], свидетельствуют о том, что именно режим холостого хода особенно критичен к параметрам искрового разряда системы зажигания. При недостаточной энергии искры, в частности, при недостаточной длительности индуктивной фазы разряда, возможно даже появление пропусков воспламенения.

В рассмотренных выше характерных для холостого хода условиях протекания процессов воспламенения и сгорания топлива становится особенно заметной негативная роль МЦН рабочего процесса, в первую очередь МЦН процесса образования начального очага горения, которая не только приводит к повышенному уровню вибраций, но увеличивает вероятность пропусков воспламенения и остановки двигателя. Для того чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу, приходится либо обогащать топливовоздушную смесь, что ведет к повышению содержания оксида углерода в отработавших газах, или увеличивать частоту вращения коленчатого вала, вследствие чего возрастает расход топлива.

В целом, проведенный анализ специальной литературы свидетельствует о том, что исследований особенностей протекания индикаторного про-

цесса в ДВС с принудительным зажиганием на холостом ходу относительно немного. Еще меньше исследований касаются особенностей проявления на этом режиме МЦН процессов воспламенения и сгорания.

1.2. Межцикловая неидентичность

и её влияние на показатели двигателя

Неидентичность протекания процесса сгорания в последовательных циклах является характерной особенностью работы ДВС с искровым зажиганием. Согласно некоторым экспериментальным данным [117] невоспроизводимость циклов, оцениваемая коэффициентом вариации среднего индикаторного давления, достигает 30% и более.

Считается, что наличие межцикловой неидентичности (МЦН) приводит к ухудшению мощностных и топливно-экономических показателей двигателя, вызывает неравномерность вращения коленчатого вала. Многие исследователи [73, 118] полагают, что, снизив МЦН, можно получить улучшение показателей работы двигателя. Так, Е Шер и М. В. Дульгер в своей работе [73] утверждают, что устранение МЦН позволило бы улучшить топливную экономичность двигателя с искровым зажиганием на 6%. Какого-либо обоснования указанного значения при этом не приводится. По-видимому, оно получено исходя из предположения, что все рабочие циклы при устранении МЦН будут приближаться к наилучшим циклам в их исходной последовательности.

Детальное изучение возможностей улучшения показателей двигателей легкого топлива с искровым �