Научная статья на тему 'К вопросу использования в бензиновых двигателях автомобилей обедненных горючих смесей'

К вопросу использования в бензиновых двигателях автомобилей обедненных горючих смесей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
77
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ / ВПРЫСКИВАНИЕ БЕНЗИНА

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Русинов Ростислав Викторович, Шеломов Владимир Борисович, Добрецов Роман Юрьевич

Предложена методика расчета, позволяющая в первом приближении оценить экономические характеристики бензинового двигателя при переводе на работу на обедненных смесях. Методика проиллюстрирована примером расчета

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Русинов Ростислав Викторович, Шеломов Владимир Борисович, Добрецов Роман Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The design procedure allowing as a first approximation to estimate the economic characteristic of the petrol engine while change for work on impoverished gas. The technique is illustrated by an example of calculation

Текст научной работы на тему «К вопросу использования в бензиновых двигателях автомобилей обедненных горючих смесей»

УДК 629.1.032.001

Р.В. Русинов, В.Б. Шеломов, Р.Ю. Добрецов

К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ АВТОМОБИЛЕЙ ОБЕДНЕННЫХ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ

Особенностью поршневых бензиновых двигателей внутреннего сгорания, снабженных карбюраторами, с которых, собственно, и началась бурная эпоха автомобилизации, было использование ими только гомогенных (однородных) горючих смесей бензина и воздуха.

При этом мощность и экономичность таких двигателей, а также возможность их стабильной работы во всем диапазоне рабочих нагрузок зависели от соотношения бензина и воздуха, оцениваемого "коэффициентом избытка (недостатка) воздуха" а, и количества горючей смеси, которое регулируется степенью открытия дроссельной заслонки карбюратора.

При полном открытии дроссельной заслонки и полном заполнении цилиндров рабочим телом предельно возможная мощность двигателя могла быть получена только при коэффициенте а

статке воздуха (кислорода) для полного сгорания топлива, а максимальная экономичность —

а

По экспериментальным данным в зависимости от степени открытия дроссельной заслонки значение а для вариантов наибольших значений экономичности и мощности двигателей представлены на рис. 1; там же сплошной линией изображена и оптимальная характеристика, позволяющая в максимальной степени использовать мощностные возможности двигателей, правда, с выбросом при этом в атмосферу помимо экологически вредных продуктов сгорания (окись углерода, окислы азота и др.) еще и 10— 15 % несгоревшего бензина. Подобная ситуация с использованием в основном обогащенных смесей имеет место и при работе двигателей на частичных нагрузках, поскольку бедные гомогенные горючие смеси с трудом воспламеняются.

Первые попытки кардинального улучшения экономических и экологических показателей бензиновыхдвигателей путем обеднения смесей были связаны с использованием так называемо-

го форкамерно-факельного зажигания — с воспламенением от обычной электрической искры горючей смеси в малообъемной форкамере (предкамере) с оптимальным соотношением бензина и воздуха, инициирующей в дальнейшем сгорание основной массы обедненной смеси.

Однако из-за невозможности обеспечения стабильной подачи в форкамеру весьма малых по объему запальных порций топлива данный метод практически реализовать не удалось. И только с использованием впрыска бензина непосредственно в цилиндры двигателей в самое последнее время наметился достаточно надежный и эффективный метод использования обедненных смесей, основанный на принципе позон-ного распределения горючей смеси с различным соотношениями топлива и воздуха в ее общем объеме.

На рис. 2 представлена схема конструкции камеры сгорания двигателя фирмы "Тойота" со своеобразной формой днища поршня, обеспечивающей входе сжатия интенсивное вихре-образование и перемешивание бензина и возду-

1 Холостой ход У/ 1 3 \ Полное открытие дросселя

у /у ** ^ —

// / -" / У У У 2

20 40 60 80 Г/Глр, %

Рис. 1. Зависимость коэффициента избытка воздуха при сгорании топлива, а, от степени открытия дроссельной заслонки двигателя, /у/*др: / — при максимальной экономичности двигателя; 2— при максимальной мощности; 3— оптимальная кривая

Рис. 2. Камера сгорания двигателя с непосредственным впрыскиванием бензина: 7—камера сгорания; 2— форсунка;

3— свеча зажигания

ха на режимах максимального заполнения рабочего объема цилиндра и позонное распределение горючей смеси на частичных нагрузках.

По данным [1] на весьма малых нагрузках двигателя с подобной камерой за счет расслоения горючей смеси, обусловленного впрыском бензина лишь в конце процесса сжатия и воспламенения электрической искрой в зоне обогащенной смеси, полное сгорание смеси оказывается возможным даже при осредненных значениях а до 2,3.

При увеличении нагрузки двигателя топливо впрыскивается в два этапа — первоначально в процессе впуска и затем в конце сжатия, а на предельных режимах все большая порция топлива впрыскивается только в процессе впуска.

Таким образом, экономия топлива и существенный экологический эффект в соотносительном плане максимальны на малых нагрузках двигателей и убывают по мере увеличения мощности двигателей вплоть до нулевого значе-

а

уже более единицы.

Очевидно, что имеет практическое значение численная оценка реального эффекта, получаемого при подобном методе организации теплового процесса.

В частности, оценка экономической эффективности связана с изменением состава и общего количества обедненной смеси в общем случае при частичном заполнении рабочего объема цилиндров.

Для этой оценки предлагается метод расчета термодинамического КПД и идеальныхтеп-ловых циклов и условного расхода топлива £усл в зависимости от "приведенных" степеней сжатия 8.

Кстати говоря, для бензиновых двигателей и =1 - где к — показатель адиабатических

процессов сжатия и расширения [2].

В отличие от чисто геометрических степеней сжатия как отношений полных объемов Уа цилиндров двигателей к объемам Ус их камер сгорания (в = Уа/Ус), характерных только для номинального режима работы четырехтактных двигателей, предлагается для промежуточных режимов рассматривать "соотносительные" степени сжатия, обусловленные лишь частичным заполнением цилиндров и приведенные к параметрам горючей смеси в начале процесса сжатия по условиям номинального режима работы.

Принцип расчета по предлагаемому методу рассмотрим на конкретном примере четырехтактного четырехцилиндрового двигателя автомобиля ВАЗ-2108 (4Ч7'^/1) мощностью =

= 47,6 кВт при числе оборотов коленчатого вала п = 5600 мин-1 и степени сжатия е = 9,6.

При диаметре цилиндров Б =1,6 см и ходе поршней 5= 7,1 см рабочий объем одного ци-

пй2 „ 3,14-7,62_ „ з линдра Ун =—р5 =---7,1 = 321,9 см .

В то же время полный объем цилиндра Уа =

= К = у/г

У У +Ук Уь

Поскольку г- — -—-- = 1 + —, то У. =

У У У

с с с

321,9 з

= —— =-= 37,4 см и полный объем равен

Е-1 9,6-1 н

Уа 2 Ус +У/, = 37,4 + 321,9 = 359,3 см"* = 0,3593 л .

В номинальном режиме работы двигателя ВАЗ удельный расход бензина составляет ge = = 0,305 г/кВт ч , а коэффициент избытка воза

Таким образом, при стехиометрическом, или теоретически необходимом для полного сгорания единицы массы топлива, количестве воздуха 1ц = 14,9 кг воздуха/кг бензина общее потребление двигателем воздуха составляет

Счас =с1+св=^е + аСт1о (1 + аЦ) =

= 305-47,6-(1 + 1,15-14,9) = 2,63-Ю5 г/ч .

При этом единичный заряд горючей смеси одного из четырех цилиндров двигателя при коэффициенте тактности т = 2 (двигатель — четырехтактный) равен

£ц=-

(7част_ 2,63-105-2 60л/ _ 60-5600-4

_

8х =

geNem 305-47,6-2

4,5-60ш 4,5-60-5600-4

= 0,48-10 г/цикл.

При этом общий весовой заряд цилиндра при а = 0,65 (рис. 1) будет

£о 2 & + &а4> 2 & (1 + «4)2

= 0,48-10"2 (1 + 0,65-14, 9) = 0,051 г/цикл,

что по условиям номинального режима работы двигателя отвечает объему заряда

7л_47смз

° р 1,09 Соответствующая этому значению степень

сжатия е = — =

47

Следовательно, плотность рабочего тела к моменту начала процесса сжатия на номинальном режиме работы двигателя, соответствующая степени сжатия е =9,6, составляет

Р = «ц=^^ = 1о9г/л = 1,09-1О-3Г/см3.

Уа 0,3593

Далее рассмотрим вариант работы двигателя на холостом ходу при различных коэффициентах избытка воздуха.

Прежде посчитаем, что для преодоления всех механических сопротивлений на холостом ходу необходима 1/4,5 доля расхода двигателем бензина на номинальном режиме (механический КПД им двигателя на номинальном режиме работы равен примерно 0,85). Таким образом, требуемый расход бензина на холостом ходу составит

V 37 4 = итеРмодишмическ™

КПД теплового цикла в данном случае (к = 1,3) равен

и = 1-е-(*-1) = 1-1,26-0'3 =0,07 • Расход топлива в условных единицах —

£усл

3600

3600

ач

- = 1,19 (О" , ккал/кг — 43100-0,07

низшая теплотворная способность бензина). Результаты аналогичных расчетов для зна-а

в табл. 1, а графическая зависимость условных расходов бензина £усл — на рис. 3.

В табл. 1 величина А соотносительного эффекта представлена в отношении к расходу £усл а

расчетные значения этого эффекта 5, определяемые как разнице данных в графах £усл для серийного и предлагаемого вариантов при работе двигателя по внешней характеристике сообразно кривой 1 на рис. 1.

Как видно, полученные результаты полностью соответствуют высказанным ранее соображениям, в частности касающимся заведомо очевидного вывода о нулевом эффекте при работе двигателя на номинальном режиме (табл. 2), а наибольший эффект, как и ожидалось, имеет место при работе двигателя на холостом ходу.

Таблица 1

Условные показатели эффективности работы двигателя на холостом ходу при различных степенях обеднения горючей смеси

а г/цикл К> см" е» Л, ¿уел А

0,65 0,051 47,0 1,26 0,07 1,19 1,00

0,80 0,062 56,9 1,52 0,12 0,70 0,59

0,90 0,069 63,3 1,69 0,15 0,57 0,48

1,00 0,076 69,7 1,86 0,17 0,49 0,41

1,15 0,087 79,8 2,13 0,20 0,42 0,35

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 —

Рис. 3. Зависимость условного расхода бензина g сл на холостом ходу двигателя от коэффициента избытка воздуха а

Особо обращает на себя внимание пропуск в табл. 2 при определении £усл для соотношения F/Fap = 0,80; в этом случае по расчету У0 оказывается меньше объема Ус камеры сгорания.

Это обстоятельство ни в коей мере не дискредитирует предлагаемый метод расчета, поскольку характеризует лишь некоторую условность невольно принятой пропорциональности между степенью заполнения рабочего объема цилиндра двигателя рабочим телом и степенью открытия дроссельной заслонки карбюратора.

Симптоматично, что проведенные расчеты логично объясняют природу получаемого экономического эффекта при использовании обедненных горючих смесей, а именно — ростом степени сжатия, способствующей более полному использованию теплосодержания рабочего тела и увеличению термодинамического и эффективного КПД двигателей.

Так, согласно рис. 3 по мере обеднения смеси (по мере роста осредненного значения а) начиная с а = 0,65 возрастает степень сжатия 80,

а

тель развивает полезную мощность сверх изначально нулевой.

Полученные расчетные данные по экономии топлива, естественно, не являются абсолютными, но они дают определенное представление о количественных соотношениях.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Их некоторая условность в данном случае связана с тем, что анализ рассматриваемых явлений проводится, во-первых, на базе идеальных представлений о протекании тепловых процессов и, во-вторых, при ряде допущений, например о неизменной плотности рабочего тела вне зависимости от соотношений бензина и топлива.

Кстати, при наличии достаточного статистического материала по испытанию двигателей в расчетах экономического и экологического эффекта было бы возможно перейти к реальным расчетным показателям работы двигателей.

Так, для номинального режима работы двигателя ВАЗ при известных значениях механического КПД им = 0,85 и эффективного КПД

U =

3600

3600

$ge 43100-0,305

= 0,27, индикаторный

КПД будет равен и = Че1ии =0,27/0,85 = 0,32 , а относительный КПД и > определяющий связь термодинамического КПД и, и индика-

Таблица 2

Условные показатели расхода бензина двигателем в зависимости от степени открытия дроссельной заслонки

F/F» Заполнение одного цилиндра, % \ г/цикл 1 "Серийный" вариант Предлагаемый вариант при а

а*1 ¿¡уел go, г/цикл r Ut ¿¡уел 8

XX - 0,48 0,65 1,19 0,087 79,8 2,13 0,20 0,42 0,77

40 40 0,86 0,87 0,37 0,156 160 4,30 0,35 0,24 0,13

60 60 1,30 1,02 0,24 0,236 216 5,80 0,41 0,20 0,04

80 80 1,73 1,12 - 0,314 288 7,70 0,46 0,18 -

100 100 2,16 1,15 0,17 0,392 359 9,60 0,49 0,17 0

Примечан и я: см. рис. 1, кривая 1

") geNem 305-47,6-2 , „ ч

; г., 2 2-:-2 0,0216 г/ц (100 % от g„ )

ц 60ш 60-5600-4 ' 4

торного КПД — (л/=Лои)> составит и = = Л//Л =0,32/0,49 = 0,65, поскольку цг=У-_е_(*_>) = 1_9,б-0'3=0,49.

Таким образом, в общем случае ле =ЛмЛоЛг и, зная величину Ло и конкретное расчетное значение и , механический КПД лм (значение которого для номинального режима работы двигателя обычно известно), для частичных нагрузок можно было бы в первом приближении рассчитать, исходя из достаточно реального допущения о сравнительно малом изменении мощности механических потерь двигателя Nмп при изменении его нагрузки.

Так, если для номинального режима ном =

Na

N +N

еном мп

откуда N..n =

то для любого другого N.

N fl-u )

"рнокц1 1м ном J Лм ном

режима работы

Лм N„ + N„

Следовательно, при л = ЛмЛоЛг реальный эффективный удельный расход бензина соста-

вил бы g =

3600

Q"ue

Представленная методика как первая попытка расчетного анализа дает общее представление об эффективности использования в бензиновых двигателях обедненных горючих смесей.

Методика представляется принципиально важной, тем более, что вполне очевидны пути ее дальнейшего совершенствования с целью перехода от соотносительных оценок эффекта позон-ного способа организации теплового процесса бензиновых двигателей к реальным количественным соотношениям.

Для этого помимо сказанного выше еще дополнительно нужны данные о плотности паров бензина при различных парциальных давлениях, соответствующие конкретным пропорциям бензина и воздуха в горючей смеси.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. БурячкоВ.Р., Гук A.B. Автомобильные двигатели // М.: Изд-во НПИКЦ, 2005. С. 78-80, 245-246.

2. Русинов Р.В., Добрецов Р.Ю. Двигатели автомобилей и тракторов // СПб.: Изд—во Политехи. ун-та, 2009. С. 13-16, 55.

УДК 553

Д.В. Чернов

ПРОБЛЕМЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ РОССИИ В УСЛОВИЯХ РЕГУЛИРУЕМОЙ ЭКОНОМИКИ

Россия — одна из ведущих стран в мире по запасам природных ресурсов. Сложившийся за многие годы сырьевой уклад экономики страны продолжает оставаться основой ее энергетического, политического и финансового благополучия.

Воспроизводство минерально-сырьевой базы — одно из основных направлений в структуре взаимосвязанных элементов, обеспечивающих надежное функционирование недропользовательской деятельности, а также других зависимых от нее отраслей производства, главным образом топливно-энергетического комплекса.

Проведение геологоразведочных работ на протяжении многих лет позволяло наращивать запасы сырья, тем самым компенсируя добычу. Однако в последнее десятилетие произошло резкое снижение всех видов геологоразведочных работ, что на фоне естественного истощения недр и в условиях столь явной зависимости экономики от добываемого сырья делает проблему воспроизводства минерально-сырьевой базы весьма актуальной и своевременной. От решения данной проблемы во многом зависит стратегия дальнейшего развития как энергетического сектора, так и всей экономики России.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.