CC BY
56
Моделирование смесеобразования в двигателе с расслоением заряда в
цилиндре
д.т.н. проф. Кузнецов И.В., Сычев A.M., д.т.н. проф. Денисов A.B.
ФГБОУВПО «МГИУ», НИИЦ ATЗЦНИИМО РФ 8 (915) 159-44-62, sam61@mail.msiu.ru
Аннотация. Исследована система впуска для подвода в цилиндр расслоенного заряда через тангенциальный разделенный впускной патрубок. Разработана установка, на которой проведено моделирование смесеобразования, в результате которого получены визуальные картины распределения заряда в цилиндре при различных расходах воздуха. Доказана возможность получения устойчивого расслоения заряда в цилиндре при использованной организации процесса впуска.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, впускной канал, вихревое движение, расслоение заряда, моделирование, прозрачный цилиндр, лазер, визуализация смесеобразования
В настоящее время большое внимание уделяется улучшению топливной экономичности и снижению концентрации вредных веществ в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. Для решения этих задач применяется расслоение заряда в цилиндре двигателя, которое подразумевает подачу топлива и воздуха в цилиндр так, чтобы к моменту воспламенения обогащенная топливовоздушная смесь оказалась вблизи свечи зажигания, а обедненная смесь вплоть до чистого воздуха - в противоположной зоне камеры сгорания. Богатая смесь в районе свечи зажигания легко воспламеняется и быстро сгорает, вызывая нарастание температуры и давления в камере сгорания, что способствует сгоранию бедной смеси. Таким образом, расслоение заряда позволяет эффективно сжигать заряд, состоящий из бедной смеси, что улучшает топливную экономичность и позволяет снизить концентрацию вредных веществ в ОГ [1].
Для исследования смесеобразования в ДВС с расслоением заряда могут быть использованы оптические методы исследования. Отличительной особенностью этих методов является отсутствие зондов и пробоотборников, влияющих на распределение потоков в цилиндре. Визуализация смесеобразования позволяет получать картины реального распределения потоков в камере сгорания (КС) и дает возможность детального исследования процесса смесеобразования. Системы фото- и видеосъемки позволяют наблюдать процессы смесеобразования в динамике при различных расходах расслоенного заряда через цилиндр.
Целью данной работы являлось получение картин смесеобразования в цилиндре при тангенциальном подводе заряда в зависимости от расхода воздуха. В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:
• разработан процесс смесеобразования для ДВС с расслоением заряда в цилиндре;
• изготовлены детали системы впуска для подвода в цилиндр расслоенного заряда;
• разработана и изготовлена установка для моделирования смесеобразования;
• проведены исследования по моделированию смесеобразования с визуализацией расслоения заряда в цилиндре.
Для проведения исследований была изготовлена экспериментальная головка цилиндра с тангенциальным впускным каналом, которая состояла из двух частей, в каждой из которых были выполнены части впускного и выпускного каналов, а также полости системы охлаждения (рисунок 1). Половины головки были соединены, и в нее были установлены впускной и выпускной клапаны, а также перегородка во впускной канал. Конструкция впускного канала показана на рисунок 2.
Система впуска включала впускную трубу с двумя отдельными каналами, соединенными с двумя карбюраторами К-127 (рисунок 3).
Для визуализации смесеобразования было решено использовать метод «лазерного ножа» [2]. Метод заключается в том, что поток, содержащий мелкие светоотражающие частицы, проходит через лазерную плоскость («лазерный нож»), образованную пропусканием ла-
зерного луча через короткофокусную линзу. Полученное на лазерной плоскости изображение фиксируется фотосъемкой на высокочувствительную пленку или при помощи кинокамеры выводится на экран монитора.
I
I
ИГ
Рисунок 1. Экспериментальная головка цилиндра
Рисунок 2. Конструкция впускного канала
Рисунок 3. Впускная труба и карбюраторы для подвода в выделенный цилиндр
расслоенного заряда
Исследовательская установка (рисунок 4) содержала стеклянный цилиндр 1 с внутренним диаметром 100 мм и высотой 100 мм, к которому крепилась экспериментальная головка 2 с впускной трубой 8.
Через карбюратор 5 в цилиндр поступал чистый воздух, а через карбюратор 6 - дым, получаемый путем нагрева древесных опилок, находившихся в баке 13, паяльной лампой 14. В процессе исследований дым, имеющий большую температуру и меньшую плотность, моделировал чистый воздух или бедную смесь, а чистый воздух, имеющий большую плотность - богатую смесь. Расходы воздуха через карбюраторы 5 и 6 изменялись заслонками 4 и 7 и измерялись газовыми счетчиками 10 и 11 модели РГ-40. Цилиндр 1 через перфорированную шайбу 22 и магистраль 21, снабженную заслонкой 20 и запорным краном 19, сообщался с баком 18, соединенным с вакуумным насосом 17. Регулирование положения заслонки 20 имитировало изменение скоростного режима работы двигателя, а изменение положения
Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели, дроссельных заслонок 4 и 7 позволяло имитировать работу двигателя при различной нагрузке. Лазерная плоскость 9 образовывалась при прохождении луча лазера 16 через цилиндрическую кварцевую короткофокусную линзу 15. Плоскость направляли на электрод свечи за-
богатой смеси; 6 - карбюратор для подачи бедной смеси; 8 - впускная труба;
9 - лазерная плоскость; 10,11 - счетчики РГ-40; 12 - заслонка; 13 - бак с опилками; 14 - паяльная лампа; 15 - линза; 16 - лазер; 17 - вакуумный насос; 18 - вакуумный бак;
19 - запорный кран; 20 - заслонка; 21 - вакуумная магистраль; 22 - перфорированная
шайба
Для работы экспериментальной установки закрывали запорный кран 19 и откачивали воздух из бака 18 насосом 17. Выставляли заслонку 20 в положение, соответствующее требуемому расходу заряда ОвЕ, поступающему в цилиндр при работе двигателя по внешней скоростной характеристике. Изменением положения заслонки 4 можно было регулировать расход воздуха Ов1 через смесевой канал, а изменением положения заслонки 7 - расход воздуха Ов2 через воздушный канал. Включали лазер, открывали запорный кран 19, и через открытый впускной клапан в цилиндр 1 начинали поступать воздух и дым. Картина смесеобразования фотографировалась на светочувствительную пленку РФЗ. Время экспозиции при мощности лазера 1,5-3 Вт составляло 2 мс.
В результате моделирования было установлено, что картина расслоения в КС зависит от суммарного расхода воздуха в заряде ОвЕ и от расхода воздуха Ов1, поступающего в цилиндр по «смесевому» каналу. Отношение расхода воздуха через «смесевой» канал к общему расходу воздуха можно охарактеризовать коэффициентом расслоения
где: СВ1 - расход воздуха через «смесевой» канал;
Св! - общий расход воздуха через цилиндр.
Коэффициент определяет не только энергию вихрей, но и формирует картину концен-
трационных полей при впуске в цилиндр. При увеличении £ возрастает интенсивность вихревого движения, а при его уменьшении увеличивается расслоение заряда в цилиндре. Результаты моделирования смесеобразования показаны на рисунке 5.
а) б)
б) г)
Рисунок 5. Результаты моделирования смесеобразования: а - фотография смесеобразования при = 24 м /ч, ^ = 0,455; б - картина смесеобразования при = 24 м3/ч, = 0,455; в - фотография смесеобразования при = 48 м3/ч, = 0,455; г - картина смесеобразования при = 48 м /ч, ^ = 0,455
В результате опытов было установлено, что при малых расходах в цилиндре наблюдаются три вихря: вихрь богатой смеси 1, вихрь промежуточной смеси 2 и вихрь бедной смеси 3 (рисунок 5, а). Вихрь богатой смеси образован на периферии камеры сгорания, и его направление задается профилем впускного канала. В центре камеры сгорания имеет место частичное перемешивание бедной и богатой смеси (дыма и воздуха) с образованием вихря, направленного в противоположную сторону от вихря 1. Под впускным клапаном образуется вихрь бедной смеси 3. Вихри вписаны в КС, а под большим вытеснителем наблюдается застойная зона. При резкой отсечке впуска (закрытии заслонки 20) в цилиндре сохранялось вихревое движение заряда. Следует отметить, что при подводе заряда только по «смесевому» каналу на периферию КС движение заряда определялось тангенциальным направлением этого канала, а при подводе заряда только по «воздушному» каналу направление движения заряда в цилиндре менялось на противоположное. Высокая контрастность картины течения в КС указывала на малое перемешивание воздуха и дыма. Можно отметить, что «обогащенная смесь» (чистый воздух) скапливается возле стенок КС. При полном открытии дроссельных заслонок в цилиндре происходит слияние вихрей в один общий: "чистый воздух" (дым) 3 концентрируется на оси цилиндра, а богатая смесь 1 - на периферии (рисунок 5, б).
Выводы
Изготовлена исследовательская установка, позволившая применить оптический метод исследования смесеобразования в цилиндре ДВС с расслоением заряда. Проведено моделирование смесеобразования в ДВС с тангенциальным подводом в цилиндр расслоенного заряда с визуализацией потока. В результате исследования установлено влияние суммарного расхода воздуха через цилиндр Ов2 и расхода воздуха Ов1 через смесевой канал на вихревое движение заряда и формирование картины его расслоения в цилиндре. Доказана возможность получения устойчивого расслоения заряда при использованной организации процесса впуска.
Литература
1. Кузнецов И.В. Увеличение мощности, улучшение топливной экономичности, экологиче-
ских показателей и детонационных качеств в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием. - М.: МГИУ, 2008. - 158 с. 2. Дубнищев Ю.Н., Арбузов В.А., Белоусов П.П., Белоусов П.Я. Оптические методы исследования потоков. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. - 16 с.
Тенденции и перспективы развития усилителя руля
Кутепов П.А., к.т.н. доц. Малеев P.A., к.т.н. проф. Короткое В.И.
Университет машиностроения 8-962-968-97-87, kutepvp@rambler.ru Аннотация. В работе проводится описание гидравлического и электрического
усилителя руля, их конструкции и принцип работы.
Ключевые слова: усилитель руля, гидравлический усилитель руля, электро-усилителъ руля
В начале прошлого столетия для управления автомобилем от водителя требовалась хорошая физическая форма. Чтобы совершить поворот машины, требовалось прикладывать немалые усилия на руль. При этом уменьшение усилия сводилось к увеличению в рулевом управлении передаточного числа, но это не давало итогового положительного результата.
Самым распространенным рулевым механизмом является механизм типа "червяк-ролик" (рисунок 1). Червяк с переменным диаметром связан с рулевым валом. Крутящий момент передается от червяка к ролику, связанному с валом с сошкой. Данный рулевой механизм выдерживает большие нагрузки, поворот колёс можно сделать под большим углом, и при этом практически не ощущаемы ударные нагрузки от колёс. Недостатком механизма такой конструкции является его существенная сложность.
Сегодня такой механизм практически сошел со сцены, уступив место в рулевых приводах грузовых и легковых автомобилей механизму классической компоновки, получившему название - "винт-шариковая гайка-рейка-сектор". Винт, которым оканчивается рулевой вал, через циркулирующие по резьбе шарики толкает вдоль своей оси поршень-рейку, а тот в свою очередь поворачивает зубчатый сектор рулевой сошки.
В дальнейшем такой механизм заменил реечный рулевой механизм, который получил широкое распространение. В нем шестерня, связанная с рулевым колесом, передвигает рейку с зубцами, которая, в свою очередь, поворачивает колёса. Этот механизм оказался более простым.
В 1925 году было запатентовано специальное устройство, названое "гидравлический усилитель рулевого управления". Конечно, такое устройство не сразу обрело успех, но пути для улучшения уже наметились. В 40-х годах в Америке, а потом и в Европе гидравлический усилитель руля (ГУР) стал применяться инженерами-конструкторами при разработке некоторых моделей автомобилей. Сегодня ГУР устанавливается практически на весь автотранспорт. Но большая доля относится к легковым автомобилям.
В настоящее время на автомобилях используются гидро- и электроусилители руля. Конструкция этих усилителей, их достоинства и недостатки рассмотрены ниже.
Усилитель руля является одним из важных устройств современного автомобиля. Он не только облегчает водителю управление машиной, но и повышает ее безопасность.
Усилитель руля понижает усилие, которое водитель прилагает к рулевому колесу, увеличивает «чувство дороги», уменьшая силу ударов, которая передается на руль из-за неровностей дорог, тем самым увеличивает маневренность автомобиля. Поэтому данное устройство позволяет лучше «удерживать» автомобиль на дороге даже и при повреждении одного из передних колес.
Рассмотрим гидроусилитель руля (рисунок 2). Одним из основных элементов гидравлического усилителя руля является насос, который приводится двигателем автомобиля и поддерживает нужное давление жидкости в системе. Это давление жидкости, с помощью
