Дослідження впливу конструкції впускної системи двигуна ваз 2101 на поліпшення експлуатаційних характеристик Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43.052

Д-р техн. наук Г. I. Слинько, В. В. Невретов

ЗопорЬький нащональний техтчний умверситет, м.ЗапорЬжжя

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ КОНСТРУКЦП ВПУСКНО1 СИСТЕМИ ДВИГУНА ВАЗ 2101 НА ПОЛ1ПШЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

На пгдставг проведеного моделювання процесу впуска карбюраторного двигуна внутрг-шнъого згоряння ВАЗ 2101 отриманг розподгли тиску та концентраци бензину по площинг базового впускного колектора, якг свгдчатъ про недосконалгстъ конструкци впускноI сис-теми. Для усунення виявлених недолгкгв запропоновано замгнити базовий впускний колек-тор на вдосконалений, що передбачае застосування терцшно-резонансного наддува. Спос-терггаетъся високий позитивний ефект.

Ключов1 слова: ДВЗ, впускна система, резонансний наддув, потужнгстъ, ефективнгстъ.

Кшькють автомобшв на дорогах Укра!ни зро-стае з кожним днем. Значна частина транспорту на теренах СНД приводиться в рух за допомо-гою карбюраторних двигутв внутршнього згоряння, яй не е економ1чними у пор1внянт з сучасними та перспективними двигунами. У бшьшоси карбюраторних двигушв застосовують-ся впускт колектори р1зноман1тних форм, яй не е досконалими i потребують доводки або мо-дертзацп (рис. 1).

Основною вимогою, яку пред'являють до ав-томобшьного двигуна, е отримання задано! по-тужностi при найменших витрат! палива, габаритах та вазь Успiшне вирiшення цiei зад^ визна-чаеться, по-перше, кiлькiстю паливно! сумiшi, яка поступае до цилшдра i, по-друге, удосконален-ням процесу перетворення теплово! енергii в ме-ханiчну. Якщо питанням вивчення процесу зго-

Рис. 1. Загальний вид впускного колектора карбюраторного чотирицишндрового двигуна

© Г. I. Слинько, В. В. Невретов, 2012

ряння придшялося достатньо уваги, то процес наповнення вивчений вщносно мало. Miж тим, вагове наповнення цилщдрш безпосередньо впли-вае на протiкання робочого процесу, так як тиск у юнщ такту впуску е прямо пропорцшним се-редньому тиску циклу. Як наслщок, як1сне наповнення забезпечуе двигуну пщвищену по-тужнiсть при заданому робочому об'емь

Вплив впускно! системи дуже великий в дви-гунах з кiлькiсним регулюванням, в яких по-тужнiсть змiнюeться в залежност вiд кiлькостi паливно! сум1ш, що потрапляе до цилiндрiв двигуна. В двигунах цього типу процес сумшоутво-рення не завершуеться в карбюраторi, а продов-жуеться у впускному колекторi. В залежноси вiд того, як добре впускна система забезпечуе при-готування паливно! сумiшi, двигун працюе бшьш або менш економiчно та ефективно. Тому факторами, яш визначають конструкщю та розмiр впускно! системи карбюраторного двигуна, е не тшьки забезпечуваний коефiцieнт наповнення але й яюсть паливно! сумiшi, яка потрапляе до цилiндрiв двигуна.

При проходжент впускного тракта тиск сумiшi знижуеться, за рахунок мiсцевих втрат та втрат по довжит. За допомогою рiвняння Бер-нуллi, яке являе собою закон збереження енергп для двох довшьних перетинiв трубопроводу, от-римуемо формулу, для знаходження втрат тиску у впускнш системi:

1 2

DPa = (i+Хвп■wKL-р, (1)

де Хвп — коефщент мiсцевих втрат;

l — коефщент втрат на тертя по довжинц l, d — довжина i даметр трубопроводу вiдповiдно; &кл — середня швидк1сть руху заряду в проходному перетинi клапана;

р — густина середовища у трубопроводь

3 отримано'1 формули видно, що на втрати тис-ку впливае довжина та д1аметр впускного тракта, значну частину якого складае впускний ко-лектор. Виникае необхдшсть досл!дження впли-ву конструктивних параметр1в впускного тракта, для якого потр1бно змоделювати тривим1рну те-чдо газа по базовому впускному колектору.

Для виршення поставлено! задач! був обра-ний програмний комплекс FlowVision, який зас-нований на чисельному виршенш тривим1рних стацюнарних та нестацюнарних р1внянь динамь ки р!дини та газу, що включають в себе закони збереження маси, !мпульса та р1вняння стану.

Результатом дослщження е розподш тиску по площиш базового впускного колектора (рис. 2), який вщображае тиск в моменти вщкриття впус-кних клапашв. Як видно з рисунка, при послщов-ному вщкритл впускних клапашв тиск у впускному колектор! змшюеться, утворюючи локальш зони з щдвищеним та пониженим тисками. Р1зни-ця значень тисюв спричиняе коливання, що при-зводить до нер1вном1рного наповнювання цилщдр1в.

Також при дослщженш був отриманий розподш концентрацп бензину в повир по площиш базового впускного колектора (рис. 3). Очевидно, що в патрубки 2 ! 3 поступае бшьш збага-чена сушш. Це обумовлено тим, що в процес сумшоутворення на стшках впускного тракта за карбюратором виникае пл1вка палива. Ця пл1вка, особливо при низькй температур! повпря, не зав-жди встигае випаровуватись ! досягае впускних канал1в у головш блоку цилшдр1в, в першу чергу тих, вщстань до яких коротша.

На шдстав1 отриманих даних, за допомогою комп'ютерно'1 програми DVS-2 [1], був проведений тепловий розрахунок двигуна ВАЗ 2101 при р1зних значеннях тиску в кшщ такту впуска. Отримавши значення основних експлуатацшних характеристик, були побудоваш залежност ефек-тивних показниюв роботи двигуна ВАЗ 2101 в!д тиску в кшщ такту впуску (рис. 4). Збшьшення тиску призводить до зростання ефективних по-тужност!, крутного момента та ККД двигуна, при цьому витрата палива зменшуеться.

Рис. 2. Розподш тиску по площиш базового впускного колектора: 1, 2, 3, 4 — виходи до вщповщних цилшдр1в

двигуна

Рис. 3. Розподш концентрацп бензину в повир1 по площиш базового впускного колектора: 1, 2, 3, 4 — виходи до вщповщних цилшдр1в двигуна

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2012

79 -

Рис. 4. Залежтсть ефективних потужност крутного момета Ме, витрат палива gе та ККД ле двигуна ВАЗ 2101 вщ

тиску в кшщ такту впуска ра

Отже, конструкцш впускного тракта двигуна ВАЗ 2101 та перюдичшсть роботи викликають пульсаци тиску у впускнш систем!, що не дозво-ляе цижндрам наповнюватись в повнй мр!. Конструкцш системи впуску не забезпечуе приготу-вання необидно! паливо-повпряно! сумтш!, в результат! чого сушш в одних цилшдрах значно вщр!зняеться вщ шших за яыстю, як наслвдок, попршуються експлуатацшт показники роботи двигуна.

На щцстав! висновюв, що вказують про недо-сконалу конструкц!ю базового впускного колек-тора, яка знижуе працезцатнiсть двигуна ВАЗ 2101, пропонуемо замшити його на новий, бшьш дос-коналий.

Для зменшення гщравичного опору модерш-зованого впускного тракту приймаемо прямол!-ншну цилшдричну форму колектора. Патрубки нового впускного колектора не з'еднанш м!ж собою, тобто у кожного окремого цил!ндра буде св!й окремий впускний колектор. Така форма колектора виключае вплив сусщтх цишндр!в на процес наповнення та повшстю лжввдуе проблему нер!вномрносп розподлу паливо-повпря-но! сумгш! по цилшдрам двигуна.

Переваги запропонованого впускного колек-тора не виключають коливань тиску, що вини-кають при пер!одичному в!дкриванн!-закриванн! впускного клапана, але цей коливальний процес стовпа паливо-повпряно1 сумш! здатен полш-шити експлуатацшш характеристики двигуна за рахунок використання газодинам!чних якостей. Це можливо при застосуванш шерцшно-резонан-сного наддува.

Принцип шерцшно-резонансного наддуву зас-нований на перетворенш кшетично! енерги ро-

бочого т!ла в процес! такту впуска на енерг!ю тиску, що сприяе збшьшенню наповнення цил!ндр!в [2, 3].

Такий ефект використання шерцшно-резо-нансного наддуву можливий т!льки при в!дпов!д-ному вибор! геометричних розм!р!в впускного тракта — довжини та доаметра.

На п!дстав! забезпечення частоти коливаль-ного процесу стовпа сумгш! вщповщно до часто-ти робочого циклу двигуна була отримана формула, для знаходження довжини впускного ко-лектора:

2 ЛГ 2

_ „ _ , а Уи - ЛV а

I„ = 7,05-10 4 - у - и - т------(2)

' Уа 60-и п ' (2)

де у — коеф!щент, що характеризуе коливальний процес;

и — коеф!щент витрат впускно! системи; т — коефгщент тактност! двигуна; а — швидк!сть звуку в газ!; Уа — об'ем робочо! порожнини; У^ — робочий об'ем цилшдра; Л у — коефгщент наповнення цилшдра; и — швидюсть газового потоку; а — кут повороту колшчатого вала за перюд такту впуска;

п — частота обертання колшчастого вала. Слщ зазначити, що отримане значення довжини складаеться з довжин впускного каналу у головц! блоку цилшдр!в, впускного колектора та карбюратора.

Д!аметр трубопроводу повинен забеспечувати достатнш запас кшетично! енерги стовпа сумгш! при м!н!мальних втратах енерг!! на подолання аеродинам!чних опоргв впускного тракта. Вико-ристовуючи основн! природнич! р!вняння отри-

муемо формулу для знаходження дГаметру трубопровода:

ds = 0,1355

>135^• D4 • (S^nf ,

(3)

де 1 — коефщ1ент втрат по довжиш;

1ф — фжтивна довжина впускного трубопровода;

Т2 — температура в кшщ впускного трубопровода;

Б — д1аметр цплшдра;

5 — хщ поршня;

п — частота обертання колшчастого вала.

Фжтивна довжина впускного трубопроводу — це довжина, в якш вс м1сцев1 опори 1мпуються подовженням основного трубопроводу на деяку вщповщну довжину.

Отримаш величини довжини та д1аметра доз-воляють розробити схему нового впускного ко-лектора двигуна ВАЗ 2101 (рис. 5), що передбачае застосування шерцшно-резонансного наддуву.

80

- —

\\\\\\\\\\\\\\ww\

""1 L.

\ \ \

Рис. 6. ГоризонтальнГ карбюратори WEBER DCOE з паралельно працюючими камерами у зборГ з впускним колектором

Рис. 5. Схема нового впускного колектора двигуна ВАЗ 2101

КонструкцГя нового впускного колектора передбачае встановлення двох горизонтальних кар-бюраторГв WEBER з паралельно працюючими камерами (рис. 6). ДГаметр каналв обраного карбюратора бГльший за отримане значення оптимального дГаметра впускного трубопроводу, тому схема нового впускного колектора мае форму усГченого конусну. РГзниця дГаметрГв вГдносно невелика, тому вплив на роботу наддуву буде незначним.

ДослГдження тривимГрно! течи газу через но-вий впускний колектор, за допомогою програм-ного комплексу FlowVision (рис. 7), показуе, що нова форма впускного колектора сприяе рГвно-мГрному розподГлу тиску по його об'ему при русГ потоку паливо-повпряно! сумГшГ. РГвномГрне зни-ження тиску по всГй довжинГ колектора викли-кано конГчною формою та аеродинамГчними опорами, що, в даному випадку, характеризуються коефГцГентом втрат по довжинГ трубопроводу.

МодернГзована конструкцГя впускно! системи двигуна ВАЗ 2101 за умов використання ГнерцГй-но-резонансного наддуву забезпечуе значення ко-ефГцГента наповнення hv = 1,1, тому, для оцГнки доцГльностГ модернГзацп був проведений тепло-вий розрахунок, за допомогою комп'ютерно'! про-

Рис. 7. РозподГл тиску по площинГ нового впускного колектора

грами DVS-2 [1], результатом якого е отримання значень основних експлуатацГйних показникГв.

Для оцГнки ефективностГ проведено по-рГвняльний аналГз робочих циклГв базового та модернГзованого двигуна використовуючи енер-гетичнГ та економГчнГ показники роботи: ефек-тивнГ потужнГсть, крутний момент, ККД та вит-рата палива (рис. 8).

Застосування модернГзовано! конструкцп системи впуску з використанням ГнерцГйно-резо-нансного наддува призвело до зростання потуж-ностГ та крутного моменту бГльш нГж на чверть (25,8 %). Такий вплив спричинений зростанням тиску в кГнцГ такту впуска, що перевищуе значення атмосферного. Як наслГдок, зростае Гнди-каторна робота циклу двигуна, пропорцГйно якГй зростають енергетичнГ показники роботи двигуна: ефективнГ потужнГсть та крутний момент.

БГльш досконалий процес впуска сприяе полш-шенню економГчних ефективних показникГв: ефективних ККД це та питомо'! витрати палива ge. Завдяки використанню ГнерцГйно-резонансного наддува ККД зросло бГльш нГж на два вГдсотки (2,1 %), а витрата палива знизилась майже на десять (9,7 %).

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2012

- 81 -

Список лггератрури

Егоров Я. А. Физико-математическая модель рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания автотракторного типа : [учеб. пособие на укр. яз.] / Я. А. Егоров. - К. : УМК ВО, 1991. - 60 с.

Инерционно-резонансный наддув поршневых двигателей / [Р. В. Русинов, Г. П. Поршнев, И. М. Герасимов и др.] // Двигателестроение. — 2002. — № 2. — С. 13—16. Оптимальный диаметр всасывающего трубопровода двигателей внутреннего сгорания с инерционно-резонансным наддувом / [Р. В. Русинов, А. Д. Элизов, И. Р. Русинов и др.] // Двигателестроение. — 2003. — № 1. — С. 13—16.

. . Поступила в редакцию 04.11.2011

Отже, пор1вняння отриманих значень з1 зна-

ченнями базового двигуна п1дтверджують

доцшьн1сть модерн1зацп, оскшьки пол1пшення

показник1в роботи двигуна, як1 пор1внювались, е

вагомим у пор1внянн1 з показниками базового.

Слынько Г.И., Невретов В.В. Исследование влияния конструкции впускной системы двигателя ВАЗ 2101 на улучшение эксплуатационных характеристик

На основании проведенного моделирования процесса впуска карбюраторного двигателя внутреннего сгорания ВАЗ 2101 получены распределения давления и концентрации бензина по плоскости базового впускного коллектора, которые свидетельствуют о несовершенстве конструкции впускной системы. Для устранения выявленных недостатков предложено заменить базовый впускной коллектор на усовершенствованный, который предусматривает применение инерционно-резонансного наддува. Отмечен высокий позитивный эффект.

Ключевые слова: ДВС, впускная система, резонансный наддув, мощность, еффективность.

Slyn'ko G., Nevretov V. Research of VAZ 2101 engine inlet system or improving performance

Modeling of VAZ 2101 carburetor internal combustion engine's process of admission are spent. Pressure distribution and concentrations of gasoline on a base intake manifold plane are received which testify the imperfection of inlet system design. For elimination the revealed lacks it is offered to replace a basic intake manifold on new superior one which provides application of inertial-resonant forced aspiration. A high positive effect is marked.

Key words: internal combustion engine, inlet system, inertial-resonant forced aspiration, power, efficiency.

Рис. 8. Пор1вняльш д1аграми енергетичних та економ1ч-них ефективних показник1в роботи базового та модерш-зованого двигун1в

1

2

3