автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Улучшение показателей многоцилиндровых бензиновых двигателей с отключением группы цилиндров

Міністерство освіти і науки України Український транспортний університет

Ковбасеико Сергій Володимирович

УДК 621. 43. 004. 15

ПОКРАЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ БАГАТОЦИЛІНДРОВИХ БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ З ВІДКЛЮЧЕННЯМ ГРУПИ ЦИЛІНДРІВ

Спеціальність 05.05.03 - “Теплові двигуни”

Автореферат на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському транспортному університеті (УТУ) на кафедрі “Двигуни і теплотехніка”.

Науковий керівник: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Гутаревич Юрій Феодосійович, завідувач кафедри “Двигуни і теплотехніка” УТУ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Головчук Андрій Федорович, завідувач кафедри “Трактори і автомобілі” Уманської сільськогосподарської академії, м. Умань;

кандидат технічних наук, доцент Жерновий Анатолій Сергійович, доцент кафедри “Експлуатація і ремонт будівельних машин” Київського національного університету будівництва і архітектури, м. Київ.

Провідна установа: Національний аграрний університет, кафедри “Трактори і

автомобілі” та “Експлуатація машинотракторного парку”, м. Київ.

спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 при Українському транспортному університеті за адресою: м. Київ, вул. Суворова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці УТУ за адресою: м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Захист відбудеться

2000 р. о го

годиш на засіданні

Автореферат розісланий “ ‘-і ” Сі./1 С О2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

МатейчикВ.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження, що проводились на протязі багатьох рокіп, засвідчили, що при відключенні частини циліндрів поряд із зниженням витрати палива і зменшенням викидів оксиду вуглецю СО і вуглеводнів СтНп зростають викиди оксидів азоту №Ох, внаслідок чого в окремих режимах роботи збільшується сумарна токсичність двигуна, зведена з врахуванням шкідливості кожного компонента до викидів оксиду вуглецю. Тому для покращення екологічних показників двигуна при роботі на частині циліндрів доцільно застосувати рециркуляцію відпрацювавших газів (ВГ), яка серед всіх відомих методів зниження викидів оксидів азоту є найбільш простим у застосуванні і при цьому має досить високу ефективність. Встановлення оптимальної степені рециркуляції ВГ і визначає актуальність даної роботи.

Крім того, не досліджувались економічні і екологічні показники автомобіля з двигуном з системою відключення групи циліндрів і рециркуляцією ВГ за їздовими циклами, які найбільш повно відображають реальні експлуатаційні умови. До останнього часу оцінка впливу різних факторів на екологічні показники, як правило, проводилась за трьома основними компонентами і не враховувались викиди таких шкідливих складових, як оксид сірки та сполуки свинцю.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових робіт УТУ, зокрема по темі, що виконувалася на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” - “Дослідження і удосконалення систем регулювання та живлення транспортних двигунів”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є покращення економічних і екологічних показників багатоциліндрових бензинових двигунів, потужність яких регулюється відключенням групи циліндрів, шляхом застосування рециркуляції ВГ.

Для досягнення мети вирішувались такі задачі:

1. Уточнення математичної моделі розрахунку робочого процесу та вихідних показників двигуна при застосуванні рециркуляції ВГ.

2. Дослідження на математичній моделі впливу рециркуляції ВГ на економічні, енергетичні та індикаторні показники двигуна з відключенням циліндрів.

3. Розробка методики визначення оптимальної степені рециркуляції ВГ.

4. Уточнення математичної моделі руху автомобіля з двигуном, потужність якого регулюється відключенням групи циліндрів, за режимами їздового циклу з врахуванням рециркуляції ВГ.

5. Експериментальні дослідження показників робочого процесу, економічних, енергетичних і екологічних показників двигуна з відключенням групи циліндрів за різної степені рециркуляції ВГ.

6. Розробка схеми системи живлення для двиїуна з відключенням циліндрів і рециркуляцією ВГ.

7. Дослідження на математичній моделі економічних і екологічних показників автомобіля під час його руху за режимами їздового циклу з

врахуванням показників роботи двигуна при рециркуляції ВГ та визначення оптимальної степені рециркуляції.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають:

1. Методика визначення оптимальної степені рециркуляції ВГ.

2. Уточнена математична модель розрахунку робочого процесу і вихідних показників бензинового двигуна під час відключення частини циліндрів при застосуванні рециркуляції ВГ.

3. Уточнена математична модель для визначення економічних, екологічних і енергетичних показників автомобіля під час його руху за їздовим циклом при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів з врахуванням рециркуляції ВГ.

Практична цінність одержаних результатів. Практичну цінність роботи складають:

1. Числові значення оптимальної степені рециркуляції ВГ під час роботи двигуна на частині циліндрів для різних режимів роботи.

2. Програма і результати розрахунку робочого процесу і вихідних показників двигуна з відключенням групи циліндрів при застосуванні рециркуляції ВГ.

3. Програма і результати розрахунку економічних, екологічних і енергетичних показників автомобіля під час його руху за режимами їздового циклу при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів з врахуванням рециркуляції ВГ і величина оптимальної степені рециркуляції.

4. Результати, отримані під час експериментальних досліджень, а саме: показники двигуна при роботі па частині циліндрів при різних степенях рециркуляції; підтверджено, що відключення циліндрів приводить до суттєвого зменшення витрати палива.

Особистий вклад здобувача. Роботу виконано в Українському транспортному університеті на кафедрі “Двигуни і теплотехніка”. Здобувачем розроблено методику визначення оптимальної степені рециркуляції ВГ, уточнені математична модель розрахунку економічних, екологічних і енергетичних показників автомобіля під час його руху за їздовим циклом при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів з врахуванням рециркуляції ВГ та модель для розрахунку робочого процесу і вихідних показників двигуна з відключенням циліндрів при застосуванні рециркуляції ВГ, проведено експериментальні дослідження, здійснено подальше їх опрацювання на ЕОМ, виконано розрахункові дослідження та визначено оптимальні значенім степені рециркуляції ВГ. В співавторстві розроблено схему системи живлення з рециркуляцією ВГ при регулюванні потужності двигуна відключенням групи циліндрів і подано заявку № 68094965, по якій отримано позитивне рішення Науково — дослідного центру патентної експертизи від 01.03.99 р.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені та схвалені на конференціях професорсько - викладацького складу УТУ в 1997 -

1999 рр.; на міжнародних науково - технічних конференціях “Проблеми

з

транспорту та шляхи їх вирішення” в 1997 р. (м. Київ), “Metody oblic/.cniowc і badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych і maszyn robochych samojezdnych” в 1998 p. (м. Жешув, Польща), “Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і дорожніх машин” в 1998 р. (м. Київ) і на Третьому конгресі двигунобудівників України з іноземною участю “Прогресе - ІСачество -Технология” в 1998 р. (Київ — Харків — Рибаче).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в десяти статтях: дві - в збірнику наукових праць “Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів” (УТУ), по одній - в журналі “Автошляховик України”, в збірнику наукових праць “Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів” (Асоціація підприємств України по виробництву автобусів “Автобус”), в Віснику Східноукраїнського державного університету, в збірнику “Automotive and internal combastion engines construction and technology. Management and marketing in motorization” (Краків, Польща), три — в матеріалах трьох міжнародних науково — технічних конференцій, одна - в матеріалах конгресу двигунобудівників України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 289 сторінок, у тому числі 41 - рисунки (42 рисунки), 12 -таблиці (15 таблиць), 123 - додатки (9 додатків), 13 - перелік використаних літературних джерел, який включає 116 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкрито стан вирішення наукової задачі, обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і задачі досліджень, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, особистий вклад здобувача, апробацію результатів та публікації матеріалів дисертаційної роботи.

В першому розділі проведено аналіз робіт по дослідженню впливу регулювання потужності зміною робочого об'єму шляхом відключення групи циліндрів па показники двигуна і по можливих способах зниження викидів оксидів азоту.

Регулювання потужності двигуна відключенням групи циліндрів є ефективним способом покращення паливної економічності і зниження викидів продуктів неповного згорання в часткових швидкісних і навантажувальних режимах, які в експлуатаційних умовах є основними режимами роботи бензинових двигунів. Цей спосіб дозволяє знизити витрату палива на 5 - ЗО %.

Проведені дослідження показують, що поряд з покращенням економічних показників і зниженням продуктів неповного згорання при відключенні групи циліндрів зростають викиди оксидів азоту.

Якщо оцінити сумарну токсичність, зведену з врахуванням агресивності кожного компонента до викидів оксиду вуглецю, то виявляється, що токсичність

двигуна з відключенням групи циліндрів в окремих режимах роботи вища в порівнянні з двигуном з дроселюванням паливоповітряної суміші.

ГІршщипіальні шляхи зниження викидів оксидів азоту: зниження

температури в циліндрі і зменшення кількості вільного кисню в робочій суміші.

Досягги зниження викидів оксидів азоту можна такими заходами: забезпеченням стійкої роботи двигуна па дуже збідненій суміші, встановленням в основних робочих режимах більш пізнього запалювання, застосуванням каталітичних нейтралізаторів та ін. Але всі перераховані заходи мають суттєві недоліки: спричиняють погіршення паливної економічності, значне ускладнення конструкції або їх впровадження пов'язане з досить високою вартістю.

Найбільш простим і ефективним способом зниження викидів оксидів азоту є застосування рециркуляції ВГ.

Аналіз літературних джерел свідчить, що не досліджувався вплив рециркуляції на економічні, екологічні і енергетичні показники автомобіля та його двшуна при регулюванні потужності відключенням групи циліндрів.

В другому розділі вибрано метод та уточнено математичну модель і програму розрахунку робочого процесу та вихідних показників двигуна. Для цього була використана математична модель розрахунку робочого процесу в надпоршневій порожнині, запропонована проф. Глаголєвим Н.М. і допрацьована проф. Шокотовим ГІ.К. і Дяченком В.Г. В її основу покладено рівняння об'ємного балансу та рівняння адіабати в диференціальній формі:

М=ДГп ~с!У3 Л-йУв -с!Удт +сіУдх +сІУм (1)

ф = (2)

де (іУп, сІУч, сІУв, с!Ум, ‘■!У()Х > С^<2Т ~ елементарні зміни об'єму,

обумовлені відповідно переміщенням поршня, поступанням свіжого заряду, виходом робочого тіла в випускний трубопровід, хімічними реакціями, теплопідводом, тепловідводом в стінки;

к — показник адіабати.

У зв'язку з тим, що при застосуванні рециркуляції збільшується кількість ВГ, які приймають участь в робочому процесі, змінюється склад робочого тіла, в математичну модель внесено низку змін. Вони, головним чином, стосуються параметрів свіжого заряду.

Маса свіжого заряду, що поступає в циліндр, включає масу палива, масу повітря і масу ВГ, які перепускаються на впуск в циліндри:

Мсв.З — &Ц + Мцов + М Щ'

(3)

де Я - степінь рециркуляції ВГ, %.

Середня молярна теплоємність робочого тіла на ділянці впуску і стиснення розраховується за формулою:

де апов, ап, ау, Ьпов, Ьп, Ьу - постійні коефіцієнти для повітря, парів

палива і продуктів згорання;

гпов> гп ’ ґу ’ гуг " об'ємні долі в суміші відповідно повітря, парів палива,

залишкових газів і ВГ, що перепускаються па впуск в циліндри.

Зміна кількості молів газу в циліндрі внаслідок хімічних реакцій при горінні сІМх за розрахунковий проміжок часу визначається за залежністю:

де /3 - коефіцієнт молярної зміни; щ - коефіцієнт наповнення циліндра;

М/, - потенціальний заряд циліндра в умовах навколишнього середовища; у - коефіцієнт залишкових газів;

уг - коефіцієнт, який враховує ВГ, що поступають па впуск в циліндри; х - закон згорання.

Математична модель розрахунку робочого процесу та вихідних показників двигуна дозволила дослідити вплив степені рециркуляції для окремих режимів роботи двигуна, результати розрахунків наведені нижче. Разом з тим ця модель не дає можливості визначити оптимальну степінь рециркуляції ВГ для різних навантажень та режимів руху автомобіля.

В третьому розділі викладено розроблену методику визначення оптимальної степені рециркуляції, описано уточнену математичну модель руху автомобіля за їздовим циклом при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів з врахуванням рециркуляції ВГ.

Методика визначення оптимальної степені рециркуляції включає:

1. Уточнення математичної моделі руху автомобіля з двшуном, потужність якого регулюється відключенням групи циліндрів, за режимами їздового циклу з врахуванням рециркуляції ВГ.

ї1СутСуМ — іапов 'гпов 'гп +ау -гу+ау Гуг ) + + 0,5 • (6И08 • Гуюв + Ьп ■ г)г + Ьу ■ Гу + Ьу ■ Гуг )•(?’ — 273)

<1МХ ■(1 + у + гг)-——(1<р ,

а<р

(6)

2. Проведення експериментальних досліджень по впливу рециркуляції ВГ на показники двигуна в різних режимах роботи на частині циліндрів.

3. Визначення за результатами випробувань апроксимуючих коефіцієнтів і складення за ними поліноміальних моделей, які описуготь двигун як споживач палива і повітря, джерело енергії і джерело викидів шкідливих речовин.

4. Дослідження на математичній моделі руху автомобіля за режимами їздового циклу впливу степені рециркуляції на економічні, екологічні і енергетичні показники при різних навантаженнях автомобіля.

5. Визначення оптимальної степені рециркуляції для кожної величини маси вантажу, що перевозиться автомобілем.

6. Порівняння показників автомобіля за результатами руху за їздовим циклом при регулюванні потужності двигуна відключенням групи циліндрів і застосуванням визначеної оптимальної степені рециркуляції з показниками автомобіля при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів без застосування рециркуляції.

Згідно з методикою визначення оптимальної степені рециркуляції на ЕОМ було змодельовано рух автомобіля ГАЗ 53 - 12 з регулюванням потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів при застосуванні рециркуляції ВГ за режимами їздового циклу.

Для цього був вибраний стандартний міський їздовий цикл згідно ГОСТ 20306 - 90 для автомобілів повного масою понад 3,5 т.

їздовий цикл складається з таких режимів: робота двигуна в режимі мінімальної частоти обертання холостого ходу, рушання автомобіля, розгін автомобіля, переключання передач, рух з постійного швидкістю і уповільнення, їздовий цикл в математичній моделі задається у вигляді універсальної матриці, в якій послідовність режимів руху визначається сукупністю різних параметрів (шлях, час, прискорення та ін.), і за допомогою перебирання елементів якої визначаються умови руху на кожній ділянці їздового циклу.

На відміну від існуючих математичних моделей в даній моделі враховано регулювання потужності двигуна відключенням групи циліндрів і застосування рециркуляції ВГ під час роботи двигуна на частині циліндрів, а також особливості руху автомобіля з таким двигуном за їздовим циклом.

Математична модель являє собою ряд диференціальних та алгебраїчних рівнянь, які описують закономірності руху автомобіля, витрати палива і повітря, вмісту шкідливих речовин у ВГ гга кожній елементарній ділянці їздового циклу.

Наприклад, розгін двигуна від мінімальної частоти обертання холостого ходу птіПхх до частоти п$0, при якій відбувається включення зчеплення,

здійснюється гга частині циліндрів і описується рівнянням:

іпд ™ 30 -г- = мкФд\ЬРКк>-г-------

ш 1д'к

сгпл . _1 -і

де —— - прискорення колінчастого вала двигуна, хв ■ с ;

Ж

Мкфд-,Ьрк;Ю - ефективний круглий момент двигуна при роботі на чотирьох циліндрах, Н-м\

щ - частота обертання колінчастого вала двигуна, хв~~^;

Арк - розрідження за дросельною заслінкою (визначалося як функція положення дросельної заслінки ср,)р і частоти обертання ), кПа\

, ■ ... 2

Ід - момент інерції двигуна, кг • м .

Положення дросельних заслінок в процесі розгону розраховується за залежністю: . .

Фдр4 ~ ^др4тіп + ^др ' * > (8)

де (Рдр4тіп * положення дросельних заслінок при роботі двигуна на чотирьох циліндрах з мінімальною частотою обертання холостого ходу птіПхх

Кф - швидкість відкриття дросельних заслінок, %/с;

І - час відкриття дросельних заслінок, с.

Переключення двигуна з роботи на частині циліндрів на всі циліндри відбувається при виконанні умови:

<Рдр4 —Фдрп > (9)

де <Рдрп -к-пд - максимально доцільне з точки зору витрати палива

відкриття дросельних заслінок при роботі двигуна на частині циліндрів.

Рівність крутного моменту в процесі переключення забезпечується зменшенням кута відкриття дросельних заслінок в три рази, а закон відкриття дросельних заслінок після переключення на всі циліндри має вигляд:

*Рди4

(Рдр8~ ^ ^др-і, (10)

Рушання автомобіля із зчепленням, що пробуксовує після закінчення

переміщення дросельних заслінок описується рівняннями:

^-(Мк4іпд-&рк;Я)~М3)- -3° - • (11)

ш (Ід + Я) • п

або

де Мк$(<Рдр>пд) " ефективний крутиий момент двигуна при роботі на

восьми циліндрах, II -м;

М3 - момент тертя зчеплення, Н ■ м;

Я - експериментальний коефіцієнт неусталеного режиму.

Аналогічно описані інші режими руху автомобіля в циклі.

В навантажувальних режимах під час роботи двигуна на всіх циліндрах витрата налива, концентрації в ВГ оксиду вуглецю СО, двооксиду вуглецю СО2, вуглеводнів СтГІп і оксидів азоту ЫОх визначаються за двофакторпим поліномом третьої степені, який мас вигляд:

у = а0+аі-пд +а2 -Арк +«з-пд2 + а4-пд -Арк +а5 - Арк2 + + аб-пд3 + ат пд2 • Арк + а&-пд- Арк2 + а9 • Дрк3

де а0, а\, а2, аз, сц, а5, а6, а7, а&, а9- дослідні коефіцієнти.

Під час роботи двигуна на частині циліндрів витрати палива і повітря та концентрації шкідливих речовин визначаються за поліномами другої степені від трьох факторів: частоти обертання колінчастого вала двигуна , розрідження у впускному трубопроводі Ар к і степені рециркуляції ВГ Я:

У~ай+а\ •пд +а2 -Арк +а3-К + а4 ■пд2+а5 -Арк2 +

+ ^6 +атПд - Арк + а%-щ ■+ •Арк -11

де сіо, а\, сі2, «з, а а, а$, а^, а-/, а<$, ад - дослідні коефіцієнти.

В режимі активного і примусового холостого ходу ці показники визначаються, виходячи з роботи двигуна на частині циліндрів без застосування рециркуляції ВГ, за поліноміальнимн залежностями другої степені, які мають вигляд:

у = а0+агпд+а2-пд2 , (15)

де аи а2 “ ДОСЛІДНІ коефіцієнти.

Масові викиди оксиду вуглецю, двооксиду вуглецю, вуглеводнів і оксидів азоту за проміжок часу Аг визначаються за концентраціями цих речовин та витратами палива Оп і повітря Спов.

Масові викиди сполук сірки і сполук свинцю розраховуються за витратою палива Сп з врахуванням вмісту сірки та сполук свинцю.

Сумарні викиди шкідливих речовин, зведені за допомогою коефіцієнтів агресивності до викидів оксиду вуглецю, визначаються за залежністю:

с£СО = °С0 + 3>16' вСтН„ + 4М' °МОх + 22 • С$02 + 22400' аРЪ С1 б)

Математична модель використовувалась для визначення оптимальної степені рециркуляції ВГ і оцінки її ефективності по зниженню масових викидів оксидів азоту і сумарних масових викидів під час руху автомобіля за режимами їздового циклу при регулюванні потужності двигуна відключенням групи циліндрів.

В четвертому розділі наведено мету, задачі, програму експериментальних досліджень та схему експериментальної установки. Описано об'єкт експериментальних випробувань - багатоциліндровий бензиновий двигун 84 9,2/8, методику, прилади і обладнання експериментальних випробувань. Приведено результати досліджень. . .

Програма експериментальних досліджень включала:

а) Визначення характеристик самостійного і примусового холостого ходу двигуна при роботі на всіх і па частині циліндрів.

б) Визначення серії навантажувальних характеристик під час роботи двигуна на всіх і на частині циліндрів.

в) Визначення серії характеристик двигуна з відключенням групи циліндрів з заміром концентрацій шкідливих речовин у ВГ і витрати палива при різних степенях рециркуляції ВГ. Характеристики знімалися в режимах з частотами

обертання п$ - 1600; 2000; 2400 хв~^ і з розрідженнями у впускному трубопроводі Ар к = 10; 25; 40 кПа при зміні степені рециркуляції Я від 0 до 8 %.

г) Визначення серії індикаторних діаграм працюючого циліндра при різних степенях рециркуляції ВГ Я в різних швидкісних і навантажувальних режимах.

На рис. 1, для прикладу, показано вплив степені рециркуляції Я на показники двигуна 84 9,2/8 при роботі на чотирьох циліндрах при частоті

обертання колінчастого вала двигуна п$~ 2000 хв~1 і розрідженні у впускному трубопроводі відповідно Арк= 10 кПа.

Показана характеристика свідчить, що при збільшенні степені рециркуляції ВГ до 5 % витрата палива Сп, питома витрата палива %е, крутний момент М]с і потужність двигуна Nе майже не змінюються, а при степені рециркуляції, яка перевищує 5 % , ці економічні і енергетичні показники погіршуються. Витрата повітря Спов і коефіцієнт надміру повітря а при збільшенні степені рециркуляції зменшуються, а концентрації СО і Ст1Іп зростають. Концентрація С02 у ВГ майже не змінюється, а вміст оксидів азоту МОх у ВГ різко зменшується завдяки зменшенню вільного кисню (із збільшенням степені рециркуляції Я коефіцієнт надміру повітря а зменшується) і зниженню температури згорання, про що свідчить зменшення температури ВГ (щ- на випуску з циліндра. Для цього режиму роботи двигуна оптимальна степінь рециркуляції ВГ Яопт буде близька 5 %. При такій степені рециркуляції ВГ концентрація оксидів азоту ИОх у ВГ

зменшується в два рази, але при цьому дещо зростає концентрація оксиду вуглецю CO.

Аналогічні результати по впливу рециркуляції ВГ на показники двигуна були отримані і для інших режимів роботи двигуна.

Оптимальна степінь рециркуляції для всіх режимів Ronm складає 4 - 5 %.

Значне збільшення степені рециркуляції негативно впливає па процес згораппя і, як наслідок, дещо збільшується нерівномірність робочих циклів, визначена за знятими індикаторними діаграмами. Наприклад, при роботі двигуна з частотою обертання 2000 хв! і розрідженням у впускному трубопроводі Ар£ = 40 кГІа при збільшенні рециркуляції від 0 до 8 % нерівномірність робочих циклів 5 зросла на 4 %.

В цьому ж розділі наведено розроблену в співавторстві схему системи живлення з рециркуляцією ВГ при регулюванні потужності двигуна відключенням групи циліндрів, по якій подано заявку № 68094965 (дата подання 22.09.98) на видачу патенту і отримано позитивне рішення Науково - дослідного центру патентної експертизи.

В п’ятому розділі наведено деякі результати експериментальних випробувань, представлено складені поліноміальні залежності і результати розрахункових досліджень на математичних моделях робочого процесу та показників автомобіля при русі за режимами їздового циклу, визначено оптимальну степінь рециркуляції для різних навантажень автомобіля.

ГІрн збільшенні степені рециркуляції в різних режимах відмічається зростання концентрацій оксиду вуглецю і вуглеводнів. Тому для визначення сумарної токсичності, зведеної до викидів оксиду вуглецю, по знятих експериментальних характеристиках, виходячи з концентрацій шкідливих компонентів, були розраховані масові викиди окремих шкідливих компонентів і сумарні масові викиди.

З рис. 1 видно, що питома сумарна токсичність двигуна S^co зменшилась

з 970 до 600 г/(кВт год), тобто на 38 %.

Аналогічні результати розрахунків питомих масових викидів шкідливих речовин одержано і для інших режимів роботи двигуна.

Отже розраховані за результатами експериментальних досліджень питомі масові викиди шкідливих речовин свідчать, що рециркуляція ВГ приводить не лише до зменшення викидів оксидів азоту, а і до зниження сумарної токсичності двигуна, зведеної до викидів оксиду вуглецю.

Приведено робочі таблиці експериментів і складені за ними поліноміальні моделі. Перевірено їх адекватність за критерієм Фішера.

Проведені дослідження па математичній моделі розрахунку робочого процесу і вихідних показників двигуна.

На рис. 2 показано вплив степені рециркуляції ВГ на показники двигуна 84 9,2/8 під час роботи на чотирьох циліндрах з частотою обертання колінчастого

вала rift- 2000 хе-1 і розрідженням у впускному трубопроводі Ар£= 25 кПа. Як видно з даної характеристики при збільшенні степені рециркуляції від 0 до 8 %

індикаторний тиск р; і тиск насосних втрат рив зменшуються. Годшша витрата палива Оп майже не змінюється, питома витрата палива зростає, тому гцо ефективна потужність двигуна Не при 11 > 5 % починає суттєво знижуватись.

Проведені теоретичні дослідження на математичній моделі розрахунку робочого процесу і вихідних показників двигуна свідчать, що результати розрахунків мають досить високу збіжність з експериментальними характеристиками, що дає підстави вважати точність отриманих результатів прийнятною. А використані в математичній моделі поліноміальні залежності по визначенню концентрацій шкідливих речовин також дали близькі результати до замірених експериментально.

У відповідності до розробленої методики визначення оптимальної степені рециркуляції на математичній моделі руху автомобіля ГАЗ - 53 - 12 за режимами міського їздового циклу для автотранспортних засобів повною масою понад 3,5 т згідно ГОСТ 20306 — 90 були проведені розрахункові дослідження.

На рис. З показано зміну показників автомобіля та його двигуна під час руху автомобіля за режимами їздового циклу.

На рис. 4 показано характеристику впливу степені рециркуляції ВГ па питомі витрату палива і масові викиди автомобілем па 1 км їздового циклу при масі вантажу Мв= 1000 кг. Оптимальною для цього навантаження автомобіля є рециркуляція близько 5 % ВГ. Питома витрата палива £п при цьому майже не змінюється, питомі масові викиди оксиду вуглецю %£о збільшуються майже на 40 %, а питомі масові викиди оксидів азоту знизились майже па 35 %.

Сумарна токсичність двигуна g•£CO знизилась на 16 %.

Подібні результати отримано і для інших навантажень автомобіля. Таким чином оптимальною можна вважати степінь рециркуляції близько 5 %. Сумарна токсичність двигуна з відключенням групи циліндрів і застосуванням оптимальної степені рециркуляції ВГ на 12 — 18 % нижче, ніж у двигуна з відключенням групи циліндрів.

Проведені дослідження показали, що застосування рециркуляції ВГ і регулювання потужності відключенням групи циліндрів дозволяють покращити економічні і екологічні показники багатоциліндрових бензинових двигунів.

Рис.1 Вплив степені рециркуляції ВГ на показники двигуна 84 9,2/8 під час роботи на чотирьох циліндрах

пд~ 2000 хе-1; Дрк= 10 кПа

Рис.2. Розрахункові і експериментальні залежності показників двигуна 84 9,2/8 під час роботи на чотирьох циліндрах від стелені рециркуляції

пд= 2000 хв~Д/>£“25кПа

------ характеристики, розраховані на

математичній моделі -----експериментальні характеристики

со2,

%

16

12Н

1—^ ІГІУ1--------------------А

СтІІп,

мли 1 6000

0 1000

Рис. 3. Зміна показників автомобіля та його двигуна під час руху автомобіля за їздовим циклом згідно 1'ОСТ 20306 - 90

8есо,

г/км

Рис. 4. Вплив степені рециркуляції ВГ на витрату палива і масові викиди шкідливих речовин автомобілем на 1 км їздового циклу

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Для багатоциліндрових бензинових двигунів ефективним способом покращення паливної економічності і зниження викидів продуктів неповного згорання в режимах малих навантажень і холостого ходу є регулювання потужності двигуна зміною робочого об’єму шляхом відключення частини циліндрів. Проведені раніше дослідження показують, що застосування цього способу дозволяє знизити витрату палива на 5 - ЗО %. Експериментальні випробування, проведені автором, показали, що в режимі самостійного холостого ходу відключення половини циліндрів двигуна 84 9,2/8 приводить до зниження витрати палива на 15 - ЗО %, в режимі примусового холостого ходу — на 25 - 36 % і в середньому швидкісному і навантажувальному режимі — на 5 - 25 %.

2. Поряд із зменшенням витрати палива і викидів продуктів неповного згорання при відключенні групи циліндрів відмічається зростання викидів оксидів азоту М5Х, внаслідок чого сумарна токсичність двигуна, зведена до викидів оксиду вуглецю, вища в порівнянні з двигуном з дроселюванням паливоповітряної суміші.

3. Рециркуляція ВГ є одним з найбільш ефективних, дешевих і простих методів зниження викидів оксидів азоту. Проведений аналіз показує, що до теперішнього часу не досліджувався вплив рециркуляції ВГ на токсичність і паливну економічність двигуна і в цілому дорожнього транспортного засобу при регулюванні потужності двигуна відключенням групи циліндрів.

4. Теоретичне дослідження на математичній моделі робочого процесу показало, що рециркуляція ВГ призводить до погіршення ефективних- показників двигуна. Однак при степені рециркуляції в межах 5 % ВГ погіршення економічних, енергетичних та індикаторних показників двигуна незначне.

5. Експериментальні дослідження двигуна 84 9,2/8 з відключенням групи циліндрів показали, що застосування рециркуляції ВГ є ефективним методом зниження викидів оксидів азоту. Наприклад, для режиму роботи двигуна пд =

2000 хв'1 і Аріс— 10 кПа рециркуляція 5 % ВГ дає змогу знизити концентрацію оксидів азоту у ВГ в два рази. Розрахунки за результатами експериментальних досліджень питомих масових викидів шкідливих речовин показують, що рециркуляція ВГ приводить не лише до зменшення викидів оксидів азоту, а і до зниження сумарної токсичності двигуна, зведеної до викидів оксиду вуглецю. Визначено оптимальні степені рециркуляції для різних режимів роботи двигуна. Вони становлять 4 — 5%.

6. Розроблено методику визначення оптимальної степені рециркуляції ВГ та уточнено математичну модель руху автомобіля за режимами їздового циклу, які дозволяють оцінити ефективність рециркуляції по зниженню масових викидів оксидів азоту і сумарних масових викидів шкідливих речовин автомобілем при регулюванні потужності двигуна відключенням групи циліндрів.

7. Результати розрахунків на математичній моделі руху автомобіля за режимами їздового циклу показали значне зменшення викидів оксидів азоту і сумарних масових викидів при незмінній витраті палива і деякому збільшенні викидів оксидів вуглецю. Визначено оптимальну степінь рециркуляції, яка складає близько 5 % для всіх навантажень автомобіля.

8. Застосування оптимальної степені рециркуляції дозволяє знизити сумарні викиди шкідливих речовин автомобіля при регулюванні потужності його двигуна відключенням групи циліндрів на 12 - 18 % при практично незмінній витраті палива.

9. В співавторстві розроблено схему системи живлення з рециркуляцією ВГ при регулюванні потулшості двигуна відключенням групи циліндрів і подано заявку № 68094965 (дата подання 22.09.98) на видачу патенту, по якій отримано позитивне рішення Науково - дослідного центру патентної експертизи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ковбасенко С.В. Покращення екологічних показників бензинового двигуна з відключенням групи циліндрів шляхом застосування рециркуляції відпрацювавших газів // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: 36. наук. пр. - Київ, УТУ, ТАУ. -Вип. 6,- 1999.-С. 33-37.

2. Ковбасенко С.В. Математична модель розрахунку показників двигуна з відключенням групи циліндрів при застосуванні рециркуляції відпрацювавших газів // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: 36. наук. пр. - Київ, УТУ, ТАУ. - Вип. 8. - 1999. -С. 37-41.

3. Ковбасенко С.В. Покращення екологічних та економічних показників автомобілів // Вісн. Східноукр. держ. ун - ту. - 1999. - № 1. - С. 85 - 88.

4. Гутаревич Ю.Ф., Матейчик В.П., Ковбасенко С.В. Моделювання руху автомобіля за їздовим циклом при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів з врахуванням рециркуляції відпрацювавших газів // Автошляховик України. Окремий випуск № 2. Вісник Центрального наукового центру Транспортної Академії України. - 1999. - С. 36 - 37.

5. Гутаревич 10., Матейчик В., Ковбасенко С. Зниження токсичності бензинового двигуна з відключенням групи циліндрів шляхом застосування рециркуляції відпрацювавших газів // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів / Асоціація підприємств України по виробництву автобусів “Автобус”. - 1998. - № 5. - С. 21 - 22.

6. Gutarevych Y., Mateychyk V., Kovbasenko S. Simulation of the vehicle movement in driving cyclc for an effectives estimation of a patrol engine power regulation by cut - off of the part of cylinders // Automotive and internal combastion engines construction and technology. Management and marketing in motorization. -Cracow (Poland). - 1999. - Vol. 19. - P. 43 - 52.

7. Матейчик В.П., Ковбасенко C.B., Колодійчук A.K., Куць Н.Г. Оцінка екологічних показників бензинових двигунів з відключенням циліндрів в експлуатаційних умовах // Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення. -Матеріали міжнародної науково - технічної конференції (12 ... 13 червня 1997 p.), Київ, УТУ, 1997. - С. 117 - 118.

8. Ковбасенко С.В. Рециркуляція відпрацювавших газів як метод

покращення екологічних показників бензинового двигуна з відключенням

циліндрів // Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і дорожніх машин: 36. наук. пр. - Матеріали міжнародної науково -технічної конференції (17 ... 20 червня 1998 p.), Київ, УТУ, 1998. - С. 131 - 133.

9. Матейчик 13., Ковбасенко С., Куць Н. Моделювання руху вантажного

автомобіля за їздовим циклом при регулюванні потужності бензинового двигуна відключенням групи циліндрів // Metody obliczeniowe і badawcze w rozwodu pojazdow samochodowych і maszyn roboczych samojczdnych. - Матеріали IX

міжнародної конференції (23 ... 26 вересня 1998 p.). - Женгув (Республіка

Польща). - С.257 - 260.

10. Гутаревич Ю.Ф., Матейчик В.П., Ковбасенко С.В., Куць Н.Г. Шляхи

покращення екологічних показників бензинового двигуна з відключенням

циліндрів // Прогресс - Качество - Технология: 36. наук. пр. - Материалы Третьего конгресса двигателсстроителей Украины с иностранным участием, Киев - Харьков — Рыбачье, 18-22 сентября 1998 г. - С. 207 - 211.

АНОТАЦІЯ

Ковбасенко С.В. Покращення показників багатоциліндрових бензинових двигунів з відключенням групи циліндрів. - Рукопис. .

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - Теплові двигуни. - Український транспортний університет, Київ, 2000 р.

Дисертацію присвячено зниженню витрати палива регулюванням потужності багатоциліндрових бензинових двигунів відключенням групи циліндрів і зменшенню при цьому викидів шкідливих речовин шляхом застосування рециркуляції відпрацювавших газів.

Уточнено математичну модель розрахунку робочого процесу та вихідних показників двигуна, розроблено методику визначення- оптимальної степені рециркуляції відпрацювавших газів. Для реалізації методики уточнено математичну модель руху автомобіля і проведено експериментальні дослідження по відключенню групи циліндрів двигуна і застосуванню рециркуляції відпрацювавших газів, що дозволяють визначити оптимальну степінь рециркуляції, яка забезпечує найменшу сумарну токсичність, зведену до викидів оксиду вуглецю, при незмінних економічних і енергетичних показниках.

Отримано значення оптимальної степені рециркуляції для різних навантажень і режимів роботи, яке складає близько 5 %.

Ключові слова: бензиновий двигун, відключення циліндрів, сумарна токсичність, відпрацювавші гази, степінь рециркуляції.

АННОТАЦИЯ

Ковбасенко С.В. Улучшение показателей многоцилиндровых бензиновых двигателей с отключением группы цилиндров. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - Тепловые двигатели. - Украинский транспортный университет, Киев, 2000 г.

Диссертация посвящена снижению расхода топлива регулированием мощности многоцилиндровых бензиновых двигателей отключением группы цилиндров и снижению при этом выбросов вредных веществ путем применения рециркуляции отработавших газов.

Известно, что регулирование мощности отключением цилиндров является эффективным методом снижения расхода топлива и выбросов продуктов неполного сгорания, но при этом возрастают выбросы оксидов азота, вследствие чего суммарная токсичность двигателя выше в сравнении с двигателем с дросслированием топливовоздушной смеси. Это подтверждено исследованиями в данной работе.

Рециркуляция отработавших газов является одним из наиболее эффективных и простых методов снижения выбросов оксидов азота.

В теоретической части уточнено математическую модель расчета рабочего процесса и выходных показателей двигателя с отключением группы цилиндров и применением рециркуляции отработавших газов. В связи с тем, что при применении рециркуляции отработавших газов увеличивается количество отработавших газов, которые принимают участие в рабочем процессе, изменяется состав рабочего тела, в математическую модель внесён ряд изменений, которые в основном касаются параметров рабочего тела. Проведение исследования показали, что увеличение степени рециркуляции приводит к значительному уменьшению эффективной мощности и индикаторного давления в цилиндре и к ухудшению экономических показателей двигателя. Однако, еще при степени рециркуляции, близкой к 5 %, ухудшение экономических, экологических и энергетических показателей двигателя с отключением группы цилиндров незначительно.

Разработано методику определения оптимальной степени рециркуляции отработавших газов.

Для реализации методики уточнено математическую модель движения автомобиля ГАЗ 53 - 12 по режимам ездового цикла с учетом регулирования мощности бензинового двигателя отключением части цилиндров и применения рециркуляции отработавших газов. В качестве ездового цикла принят стандартный городской ездовой цикл для автомобилей, полной массой более 3,5 т. Матсматичесхсая модель представляет собой ряд дифференциальных и алгебраических уравнений, которые описывают закономерности движения автомобиля, расхода топлива и воздуха, содержания токсичных веществ в отработавших газах на каждом элементарном участке ездового цикла.

Для определения влияния степени рециркуляции отработавших газов на показатели двигателя 84 9,2/8 при работе па четырёх цилиндрах и получения коэффициентов полиномиальных моделей проведены экспериментальные исследования. Они позволяют определить оптимальную степень рециркуляции для отдельных режимов работы, которая обеспечивает наименьшую суммарную токсичность, приведенную к выбросам оксида углерода, при неизменных экономических и экологических показателях. Исследования проводились в разных скоростных и нагрузочных режимах.

Экспериментальные исследования свидетельствуют, что применение рециркуляции отработавших газов приводит к значительному снижению концентрации оксидов азота при некотором увеличении концентрации оксида углерода.

По результатам экспериментальных испытаний по известным зависимостям были расчитаны удельные масовые выбросы вредных веществ. Они показывают, что рециркуляция отработавших газов приводит не только к снижению выбросов оксидов азота, но и к снижению суммарной токсичности, с учетом агрессивности каждого компонента. Определены оптимальные степени рециркуляции для разних режимов работа двигателя. Они составляют 4 — 5%.

Проверена адекватность составленных полиномиальных зависимостей, которые описывают двигатель, как источник энергии, потребитель топлива и воздуха и источник выбросов вредных веществ.

В соответствии с разработанной методикой определения оптимальной степени рециркуляции на математической модели движения автомобиля но режимам ездового цикла были проведены расчетные исследования.

Проведенные исследования на математической модели движения автомобиля по режимам ездового цикла свидетельствуют, что оптимальная степень рециркуляции для разных нагрузок автомобиля составляет около 5 %. При этом экономические и энергетические показатели практически ие ухудшились, а суммарные массовые выбросы уменьшились на 12 - 18 % в зависимости от массы перевозимого груза.

Ключевые слова: бензиновый двигатель, отключение цилиндров, суммарная токсичность, отработавшие газы, степень рециркуляции.

ABSTRACT

Kovbasenko S.V. Improvement indexes multicylinders petrol engines with switching - off of group of cylinders. - Manuscript.

Dissertation for the academic degree of the candidate of technical on a speciality 05.05.03 - Thermal engines. - Ukrainian transport university, Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to lowering of fuel consumption by regulation of power multicylinders of petrol engines by switching - off of group of cylinders and reduction ejections of harmful emissions by application of a exhaust gas recirculation.

The mathematical model of working process and output indexes of a engine is improved and a procedure of definition of an optimum extent of a exhaust gas recirculation is designed. For realization of procedure is improved mathematical model of movement of the automobile and is carried out experimental researchs on switching -off of group of cylinders of a engines and application of a exhaust gas recirculation, that allows to define an optimum extent of a recirculation, which ensures least summary toxisity, reduced to ejections of an oxide of carbon, at constant economic and ecological indexes.

The value of an optimum extent of a recirculation for different loadings and regimes of work is obtained, which makes about 5 %.

Key w’ords: a petrol engine, switching - off of cylinders, summary toxisity, exhaust gases, extent of a recirculation.