CC BY
7УДК 621.432-768.3:001.891.3
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ИСКРООБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ ЗАЖИГАНИЯ ПОРШНЕВЫХ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Шуханов С.Н., Алтухова Т.А., Алтухов С.В.
ФГБОУ ВО «Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского»
Аннотация: Одним из основных источников энергии автотракторной техники, широко используемой в сельскохозяйственном производстве, в настоящее время являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В качестве горючего материала при работе ДВС используются дизельное, газообразное топливо, а также бензин. В общей структуре применяемых топлив доля бензина занимает значительную часть. Поэтому модернизация систем бензиновых поршневых двигателей носит актуальный характер. Улучшению функционирования силовых агрегатов во много способствует создание инновационных систем зажигания. Выполнено аналитическое описание процесса искрообразования в системе зажигания поршневого бензинового двигателя внутреннего сгорания, его математическое моделирование, а также исследование поведения полученной модели и ее адекватности. Итогом проведенных исследований является получение математических моделей, а так же данных экспериментов, которые, в свою очередь, могут быть востребованными при проектировании компьютерных СЗ перспективных ДВС, а также для контроля, в том числе управления процессами горения топливовоздушной смеси в них.
Ключевые слова: поршневой двигатель внутреннего сгорания, система зажигания, дифференциальное уравнение, математическое моделирование.
Введение. Решение актуальных вопросов развития агропромышленного комплекса во многом зависит от инновационных научных разработок. Важную функцию при этом выполняет современное техническое и технологическое обеспечение сельскохозяйственного производства.
Сельскохозяйственные предприятия существенно отличаются от промышленных как организацией структуры, так и обширными площадями, занимаемой территории. Значительная часть работ, выполняемых в аграрном секторе, приходится на транспорт, а именно на перевозку сырья сельскохозяйственного происхождения, переработанной продукции, горюче-смазочных, а также других материалов. В том числе большая доля транспортных операций ложится на перевозку работников до объектов производственного назначения, включая общехозяйственные нужды жизнедеятельности людей. Одним из основных источников энергии автотракторной техники, включая мобильные транспортные средства, в настоящее время являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
На современном этапе развития ДВС в качестве горючего материала используются дизельное, газообразное топливо, а также бензин. В общей структуре применяемых топлив доля бензина занимает значительную часть [1,2,3,6,7]. Поэтому модернизация систем бензиновых поршневых двигателей носит актуальный характер. Улучшению функционирования ДВС во много способствует создание инновационных систем зажигания.
Цель работы - выполнить аналитическое исследование процесса искрообразования в системе зажигания поршневого бензинового двигателя внутреннего сгорания.
Проведение экспериментальных исследований. Известно, что воспламенение горючей смеси при функционировании поршневого дизельного двигателя осуществляется за счет образования высокой степени сжатия в его цилиндрах в конце такта сжатия. Тогда как при эксплуатации бензиновых ДВС, в том числе двигателей, использующих альтернативное газообразное топливо [1,2,3,7], воспламенение топливо-воздушной смеси происходит непосредственно от искрового разряда (ИР), путем использования специальной системы -системы зажигания (СЗ).
В мобильных транспортных средствах в настоящее время нашли широкое распространение следующие основные системы:
• контактная;
• бесконтактная;
• электронная (микропроцессорная).
Основные принципы, которым должны отвечать системы различных конструкций это:
- образование искры в рабочем цилиндре в момент, когда поршень находится в конце такте сжатия согласно с порядком функционирования цилиндров;
-максимальная точность собственно момента зажигания;
-достаточная по значению энергия искры.
Контактная система зажигания. Она была создана одной из первых. В них формирование высокого напряжения выполняется в специальном техническом устройстве под названием трансформаторная катушка, а в последующем подача его на рабочие свечи осуществляется с помощью замыкания, а так же размыкания контактов цепи в конструкции прерывателя-распределителя.
Бесконтактная система зажигания. Отличительный элемент конструкции такого устройства представляет собой наличие датчика импульсов, а так же транзисторного коммутатора.
Электронная (микропроцессорная) система зажигания. Наилучшей в настоящее время СЗ является микропроцессорная система. У нее нет контактов механической конструкции. При этом потери напряжения минимальны в отличие от других систем, в том числе каждая рабочая свеча функционирует не зависимо от других свечей. В данной системе реализована точная подстройка величины угла опережения зажигания конкретно в каждом рабочем цилиндре. Это позволяет добиться максимального сжигания топливно-воздушной смеси, что способствует минимизации выброса веществ, наносящих большой урон флоре и фауне, а это в свою очередь значительно уменьшает отрицательное влияние на экологическую обстановку в целом.
Различным по своему техническому устройству, а также многообразным вариантам конструкциям таких систем свойственен ключевой принцип работы - это накопление необходимой энергии для ИР в магнитном или электрическом поле. После этого происходит дальнейшая ее трансформация в искровом зазоре свечи зажигания в требуемый момент времени - в конце такта сжатия в рабочем цилиндре, в соответствии с определенным порядком функционирования цилиндров ДВС и необходимым углом опережения зажигания до достижения поршнем цилиндра его ВМТ. Эти аспекты наилучшим образом выполняются с помощью автоматического регулирования СЗ [2,3].
Однако реальные процессы воспламенения топливовоздушной смеси, происходящие в цилиндрах поршневого ДВС, также как и процессы искрообразования в его СЗ, очень
сложны, скоротечны, имеют переходную природу и, очень трудно поддаются экспериментальному исследованию, в том числе оптимизации [2].
Теоретическое исследование функционирования СЗ, в том числе обоснование оптимальных параметров ИР производили на основе известных уравнений (моделей) Брауна, Майера и Касси [2]. Кроме того, а также путем составления системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы преобразования, включая диссипацию энергии в схеме замещения СЗ с 2 RLC-контурами, сопряженными через общую индуктивность М (рис. 1).
Тогда параметрами, характеризующими ИР, будут являться значение напряжения (U), в том числе тока (I), а также корреляция между ними в ИР, возникающем в свече зажигания СЗ, и будет представлять собой интересующую нас модель (энергетическую). При осуществлении процесса моделирования на первом этапе необходимо найти аналитическое уравнение(я), которое(ые) определяет корреляцию тока и напряжения. На втором этапе, исследовав процесс ИР в реальной СЗ (на стенде) путем выполнения экспериментов, можно получить коэффициенты, включая другие параметры уравнения(ий) модели.
Математическое моделирование ИР реализовывали, решая образованную систему дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта с помощью специализированного ПО Math CAD [5] .
Экспериментальные значения параметров СЗ четырехтактного поршневого бензинового ДВС ЗИЛ-131 были получены путем проведения опытов на типовом контрольно-испытательном стенде СПЗ-16 (тип КИ-968), оснащенном распределителем-прерывателем Р137, а также катушкой зажигания Б114Б, от штатной (контактной) СЗ.
Рисунок 1 - Схема замещения СЗ Действительные значения напряжения на вторичной обмотке применяемой катушки СЗ получали, используя многофункциональную плату АЦП L- 783 с действительной разрядностью 12 бит, тактовой частотой 3 МГц, вмонтированной в ПК. Используемая плата включает в себя 16 каналов ввода/вывода, из которых в эксперименте применялось только 3. Реальная пропускная способность рабочей установки была тождественна примерно 1 МГц на канал (а именно 948 кГц на канал).
В процессе проведения исследований осуществлялись измерения вышеописанных значений с установленной частотой дискретизации. Эти же параметры определялись путем использования АЦП/ЦАП специальной звуковой карты ПК. Применяемый аналоговый сигнал настоящей звуковой карты выражался в цифровом виде, а также записывался в файл. Содержимое файла обрабатывалось с помощью редактора CooL Edit 96, что дало возможность иллюстрировать его в графическом виде, в том числе в форме спектра.
Результаты исследования. Ключевым критерием корректной работы, но нашему
мнению, в настоящее время представляет собой надежность (постоянство) параметров ИР.
Известные теоретические описания различных исследователей процессов в СЗ не позволяют получить желаемые результаты с необходимым качеством по параметрам создаваемого ИР. Это происходит потому, что происходящие тепловые процессы внутри искры характеризуются эффектом запаздывания. Однако они могут с успехом использоваться в качестве базы для его математического моделирования на основе выбранной схемы замещения СЗ [2,4,5].
Выбранная схема замещения СЗ (рис. 1) включает в себя: катушку зажигания, которая моделируется с использованием эквивалентной схемы; пространство между рабочими электродами свечи зажигания (искровой промежуток); распределитель, передающий и распределяющий высоковольтные сигналы (импульсы) на вход катушки зажигания; высоковольтные провода, играющие роль проводящего материала.
Математическая модель работы свечи зажигания, которая рассматривается в этой схеме замещения как заключительная часть электрической цепи, основана на исследовании системы дифференциальных уравнений, которая описывает передачу энергии в соответствующей схеме замещения.
Тогда, в соответствии с тепловым методом Брауна [2,4,5], одним из способов реализации модели ИР будет уравнение:
^ = Ш-Р, (1) где Q - значение теплосодержания;
W и Р - значение мощности тепловыделения, а так же теплоотвода.
При этом за теплосодержание искрового канала целиком отвечает его активная проводимость, так как в нем нет реального накопления энергии электромагнитного поля:
д = рШ (2)
Отвод же тепла от сформированной искры можно описать как функцию ее тока I. Поэтому, после преобразования, получим следующую математическую (теоретическую) модель ИР:
= , (3)
д 41 ¥($) й(} у ; у '
Используя математическое описание ИР из модели Майера, предположим, что диссипация возникающей тепловой энергии в направлении радиального вектора может быть объяснена только теплопроводностью [4]. Это объясняется термической ионизацией, а так же постоянной величиной диаметра ствола ИР в переходном режиме.
Выходная (полная) энергия, формируемая в ИР, является постоянной и не коррелирует с изменением тока, который в то же время влияет на значение температуры образуемой искры:
КО) = 9о*е ; (4) Р = Ро, (5)
где д0, Q0, Р0 - постоянные модели Майера [2].
В итоге получим следующую модель ИР:
= ип- (6)
д М Ро у '
В = ; (7)
а = 1и; (8)
dur. [ а = -. (9)
йь с{
Тогда уравнение (3), в параметрах и и I, выразится так:
1 й1 йиг 1 /и*1 „ \
-*---^ = - *[--1). (10)
I аг м в \р0 )
В модели Касси [1,2] процессы искрообразования описываются в предположении, что
при охлаждении ИР преобладающее значение имеет конвекционный отвод тепла.
Тогда уравнение зарождающегося ИР будет:
1**3. = (-)2- 1, (11)
д М \Щ) у '
которое, аналогично уравнению (10), в параметрах и и I, можно переписать:
2
— = I М и М в |Д"0/
1
(12)
где и0 - напряжение на образующемся ИР в установившемся режиме. Если теперь объединить (унифицировать) обе модели, то получим новое уравнение, используемое нами для моделирования возникающего ИР в СЗ:
ч, йд ~ 1 йд й(ш) ( ч
Т* — + О*-* — + а*-= и* I — Р — а * К. (13)
М д М йг ч \ /
Здесь динамические свойства ИР формируются коэффициентами Q, а, а статическая ВАХ выглядит следующим образом:
и*1 — Р — д * К, (14) где и, 1, g - соответственно, показатели напряжения, тока, проводимости; Р, К - коэффициенты.
Как видно, структура полученной модели соответствует необходимым и достаточным требованиям, а именно: охватывает диапазоны уже известных, распространенных моделей ИР; имеет простую реализацию; легко решается численно. Действительно, при Т = 0, а = 0 данная мод ель превращается в модель Майера, а при Q = 0, а = 0 - в мод ель Касси.
Опытные данные, полученные в проведенных экспериментах [2, 3], при различных условиях и для широкого диапазона значений и и I, показывают, что теория Касси доказана для высоких величин тока (сотни ампер), в то время как теория Майера - для низких величин тока. Поэтому можно сделать вывод, что для систем зажигания, в которых токи в реальном состоянии зажигания от возникшей искры находятся в пределах 21-41 мА, модель Майера более уместна. Поэтому необходимо экспериментально исследовать адекватность и предложенной нами модели, а также определить ее постоянные коэффициенты.
Для этого на стенде СПЗ -16 были исследованы наиболее часто встречающиеся процессы в СЗ и проведен сравнительный анализ с результатами, полученными на предлагаемой модели.
Базируясь на приведенной на рисунке 1 схеме замещения СЗ, были получены 5 дифференциальных уравнений в соответствии с количеством неизвестных величин, для которых необходимо определить их корреляцию от времени:
= к1 * (иг1+к * Г1) + к2* (Пг2 + 12 + Ъ);
йиг1 1
—тг = — *11'>
аЬ с1
2 = кз* (ис1 + 1г* г^ + к4* (иС2 + 12 + Г2У,
йис2 1
с2*152
в \\и0*15\+ Р{
0
где к1 = -0,5 88; к2 = -0,5 85; к3 = -0,5 86; к4 = -0,626 - коэффициенты модели (найдены экспериментально);
Р0 - значение мощности, выделяемой в образуемой искре;
в - величина постоянной времени образуемой искры, при этом условия (начальные) для этих токов, а так же напряжений принимаются из расчета ~1-5% от номинальных величин;
- значение силы тока в первичной обмотке катушки зажигания;
ис1Ю, - величина напряжения на первичной обмотке катушки зажигания;
12 (0 - это ток во вторичной обмотке катушки зажигания;
¿5^) - значение силы тока образуемой искры;
ис2 (£) - величина напряжения на вторичной обмотке катушки зажигания.
Составление первых 4 дифференциальных уравнений базируется на основе правила Кирхгофа для токов, в том числе трансформации напряжений между первичной, а также вторичной обмоток катушки зажигания. Собственно для ИР составляется 5-е нелинейное уравнение = /^(О) [1,2,4].
Экспериментально, в том числе теоретически (на модели) были исследованы такие зависимости, как: корреляция напряжения на свече зажигания в зависимости от времени (ис^); корреляция напряжения на вторичной обмотке конструкции катушки зажигания в зависимости от времени (и2т(ьУ)-, корреляция тока, проходящего через электроды свечи зажигания, в зависимости от функции времени 1св(Ь) [4].
Как следует из рисунка 2, качественно полученный результат оказался подобен реализованному экспериментально. Более того, достоверность предложенной нами модели основывается на совпадении теоретических и экспериментальных результатов, а также результатов, приведенных в учебной и научной литературе [2].
Рисунок 2 - Опытные (1) и расчетные (2-4) кривые временной зависимости величины напряжения на витках вторичной обмотки катушки зажигания Б114Б: 2 - на базе модели
и
о
I
-
мс
Майера; 3 - на базе модели Касси; 4 - на базе оригинальной унифицированной модели
Заключение.
Итогом проведенных исследований является получение математических моделей, а так же данных экспериментов, которые, в свою очередь, могут быть востребованными при проектировании компьютерных СЗ перспективных ДВС [4,5], а также для контроля, в том числе управления процессами горения топливовоздушной смеси в них.
Библиографический список
1. Златин, Г. Н. Регулировка бензинового ДВС при переводе его на сжиженный нефтяной газ / Г. Н. Златин, Е. А. Захарков, А. Б. Кузьмин. - Текст: непосредственный // Двигателестроение. - 2007. - № 2. - С. 29-31.
2. Аверин, Б. В. Математическое моделирование электромагнитных полей и внутренних источников теплоты в многослойных радиопрозрачных укрытиях / Б. В. Аверин. - Текст: непосредственный // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. - 2009. - № 2 (2 4). - С. 192-198.
3. Изерманн, Р. Проектирование двигателей внутреннего сгорания с компьютерным управлением / Р. Изерманн, Н. Мюллер. - Текст: непосредственный // Мехатроника. - 2003. - № 13. - С. 1067- 1089.
4. Петровский С.В. Математическое моделирование процессов дугообразовани в системе зажигания автомобиля / С.В. Петровский // Самарский государственный технический университет. - 2009. - № 2 (24). - 199-204.
5. Алтухов С.В. Анализ гидродинамических характеристик распылителей форсунок ДВС /С.В. Алтухов, С.Н. Шуханов// Тракторы и сельхозмашины. - 2018.-№3. -С.3-6.
6. Сухаева А.Р. Совершенствование стенда для испытания энергоаккумуляторов автомобилей / Сухаева А.Р., Алтухова Т.А., Алтухов С.В.// Актуальные вопросы аграрной науки. 2021. № 38. С. 26-33.
7. Упкунов Ю.Н. Парциальные испытания двигателей машин/ Упкунов Ю.Н. Алтухов С.В., Алтухова Т.А.// Вестник Иркутского регионального отделения Академии наук высшей школы РФ. 2008. № 1. С. 206-208.
Reference
1. Zlatin, G. N. Adjustment of the gasoline engine when transferring it to liquefied petroleum gas / G. N. Zlatin, E. A. Zakharkov, A. B. Kuzmin. - Text: direct // Engine building. -2007. - No. 2. - pp. 29-31.
2. Averin, B. V. Mathematical modeling of electromagnetic fields and internal heat sources in multilayer radio-transparent shelters / B. V. Averin. - Text: direct // Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences. - 2009. - № 2 (2 4). - C. 192 -198.
3. Isermann, R. Design of internal combustion engines with computer control / R. Isermann, N. Muller. - Text: direct // Mechatronics. - 2003. - No. 13. - pp. 1067- 1089.
4. Petrovsky S.V. Mathematical modeling of arc formation processes in the ignition system of a car / S.V. Petrovsky // Samara State Technical University. - 2009. - № 2 (24). - 199-204.
5. Altukhov S.V. Analysis of hydrodynamic characteristics of atomizers of injectors of internal combustion engines /S.V. Altukhov, S.N. Shukhanov// Tractors and agricultural machines. - 2018.-No. 3. -pp.3-6.
6. Sukhaeva A.R. Improvement of the stand for testing energy accumulators of cars /
Sukhaeva A.R., Altukhova T.A., Altukhov S.V.// Actual issues of agrarian science. 2021. No. 38. pp. 26-33.
7. Upkunov Yu.N. Partial tests of machine engines/ Upkunov Yu.N. Altukhov S.V., Altukhova T.A.// Bulletin of the Irkutsk Regional Branch of the Academy of Sciences of the Higher School of the Russian Federation. 2008. No. 1. pp. 206-208.
Шуханов Станислав Николаевич, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского», e-mail: Shuhanov56@mail.ru
Алтухова Татьяна Анатольевна, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского», e-mail: altukhova@bk.ru
Алтухов Сергей Вячеславович, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, e-mail: altukhova@bk.ru
ANALYTICAL DESCRIPTION OF SPARK GENERATION IN IGNITION SYSTEM OF
PISTON GASOLINE ENGINES
Annotation: Piston internal combustion engines (ICE) are currently one of the main energy sources of automotive equipment widely used in agricultural production. Diesel, gaseous fuel, as well as gasoline are used as combustible material during ICE operation. In the total structure of fuels used, the share of gasoline occupies a significant part. Therefore, the modernization of gasoline piston engine systems is relevant. The creation of innovative ignition systems contributes a lot to improving the functioning of power units. An analytical description of the spark formation process in the ignition system of a reciprocating gasoline internal combustion engine, its mathematical modeling, as well as a study of the behavior of the resulting model and its adequacy are performed. The result of the conducted research is to obtain mathematical models, as well as experimental data, which, in turn, may be in demand when computer designing of promising internal combustion engines, as well as for monitoring, including control of the combustion processes of the fuel-air mixture in them.
Key words: internal combustion piston engine, ignition system, differential equation, mathematical simulation.
S.N. Shukhanov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State Agrarian University. A.A. Yezhevsky", email: Shuhanov56@mail.ru
T.A. Altukhova, Ph.D., Associate Professor, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State Agrarian University. A.A. Yezhevsky", e-mail: altukhova@bk.ru
S.V. Altukhov, Ph.D., Associate Professor, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State Agrarian University. A.A. Yezhevsky", e-mail: altukhova@bk.ru
