CC BY
12
Машиностроение и машиноведение
УДК 539.3 doi: 10.18698/0536-1044-2022-6-3-10
Об эффективности регулирования степени сжатия двигателя внутреннего сгорания
Д.Г. Агаларов1, Т.Д. Гасанова2
1 Институт Математики и Механики Азербайджанской Национальной Академии
2 Азербайджанский архитектурно-строительный университет
On the Efficiency of Controlling
the Compression Ratio of an Internal Combustion
Engine
J.H. Agalarov1, T.J. Hasanova2
1 Institute of Mathematics and Mechanics of National Academy of Science of Azerbaijan
2 Azerbaijan University of Architecture and Construction
В последнее время наблюдается интерес к двигателям внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия. Однако применение таких силовых агрегатов откладывается, что можно объяснить необходимостью разработки конструкций с дополнительными сочленениями, ограничивающими их мощность. Конструкция двигателя внутреннего сгорания с двумя коленчатыми валами лишена таких недостатков. Обоснована эффективность использования двигателей внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия. При расчете и конструировании двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием большое внимание уделяется детонации, возникающей при его пуске, т. е. при высоком давлении рабочего тела в цилиндре. При последующем же разгоне давление падает, и двигатель оказывается в недогруженном состоянии, что можно компенсировать повышением степени сжатия.
Ключевые слова: частота вращения, фронт горения, степень сжатия, искровое зажигание, коленчатый вал, снижение давления
The article discusses internal combustion engines with variable compression ratio, which have recently aroused interest. However, the use of such power units is being delayed, because the developed structures include additional joints that limit their power. The article proves the effectiveness of the use of internal combustion engines with an adjustable compression ratio. When calculating and designing an internal combustion engine with spark ignition, much attention is paid to detonation that occurs when it is started, i.e., at high pressure in the cylinder. During subsequent acceleration, the pressure drops, and the engine is under-loaded, which can be compensated by increasing the compression ratio.
Keywords: rotation speed, combustion front, compression ratio, spark ignition, crankshaft, fuel pressure reduction
В последнее время наблюдается интерес к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с регулируемой степенью сжатия. Однако существенных технических достижений для их изготовления и применения нет, что, вероятно, связано с усложнением их конструкции дополнительными сочленениями.
В связи с этим актуально рассмотреть ДВС с двумя коленчатыми валами [1-6], конструкция которого лишена указанных недостатков. Обычно при расчете и конструировании ДВС с искровым зажиганием большое внимание уделяется детонации, возникающей при его пуске, т. е. при высоком давлении рабочего тела (РТ) в цилиндре. При последующем же разгоне давление падает, и ДВС оказывается в недогруженном состоянии, что можно компенсировать повышением степени сжатия.
У ДВС с двумя коленчатыми валами давление РТ в цилиндре рассчитывается в зависимости от частоты их вращения и степени сжатия. Даже ориентировочное управление степенью сжатия может существенно повысить экономичность и мощность ДВС.
Рассмотрим процесс сгорания топливной смеси в ДВС с рабочим объемом 400 см3 при двух значениях частоты вращения коленчатого вала (далее частота вращения): п = 2000 и 4000 мин-1. На основании результатов теоретических исследований [7-15] определим изменение давления РТ в процессе сгорания при угле опережения зажигания 9 = 24° и степени сжатия е = 8,6 и 13,0. На примере выбранных частот вращения рассчитаем давление РТ в цилиндре ДВС и возможность повышения степени сжатия.
Исследование проведем для двух значений показателя характера сгорания: т = 1 и 3. При частоте вращения п = 2000 мин-1 угол наклона фронта пламени фг принимаем равным 46°. При частоте вращения п = 4000 мин-1 полагаем, что угол наклона фронта пламени будет превышать 92°, так как плотность РТ за весь путь движения в среднем будет меньше. Однако при фг = 92° давление РТ в цилиндре будет несколько завышенным.
Цель работы — показать снижение давления РТ при увеличении частоты вращения и обосновать эффективность использования ДВС с регулируемой степенью сжатия.
Удельный объем РТ
v = -
1 +
(е-1)/С
= Vl J+£-1
14' -
-1 cos а
+Ivr-I2
81и а
где Уа — удельный объем РТ в начале такта сжатия; X — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, Х = 1,3; а — угол поворота коленчатого вала (УПКВ) от верхней мертвой точки.
Доля топлива сгоревшего на участке г-(г - 1)
определяется выражением
\т+1
Axf-(i-1) = e
Ag>i-(i-i)
Фг
- e
Аф1 -(i-1)
Фг ,
где Дф;-(;-1) — УПКВ на участке г-(г - 1).
Давление РТ в цилиндре в процессе сгорания [8]
Pi =
0,0854gzAxi + pi-1 (kvi-1 - Vi)
кУ; - V;-1
где к — фактор теплоемкости РТ; qz — общая удельная теплота сгорания.
Удельный объем РТ в момент воспламенения топлива уу зависит от угла опережения зажигания 9:
Va J^ е-1 vv =— < 1 +-
1+X' -
-1 cos 9 + -V1 -X2sin20
I X
Начальное давление РТ
/ \Я1
Va
Py =
где ра — давление РТ в начале такта сжатия, ра = 0,8 кг/м2; уа — объем РТ, приходящийся на 1 кг топлива, Уа = 1,24 м3/кг; п1 — показатель политропы сжатия.
Результаты расчета — значения удельного объема у, доли сгоревшего топлива Ах и давления РТ в цилиндре р — при различных значениях УПКВ приведены в табл. 1-3. На рис. 1, а и б показаны зависимости давления РТ в цилиндре от УПКВ при степени сжатия е = 8,6 и угле наклона фронта пламени фг = 46°, на рис. 2 — при е = 13,0 и фг = 92°.
Как видно из рис. 1, при повышении частоты вращения давление РТ в цилиндре падает, а при увеличении степени сжатия — растет, при этом оно зависит от показателя характера сгорания т.
Анализ результатов расчета свидетельствует о том, что восстановление давления РТ в ци-
Таблица 1
Значения удельного объема РТ V, его давления в цилиндре р и доли сгоревшего топлива Дх при степени сжатия е = 8,6 и различных значениях УПКВ
Ф, град V, м3/кг Дх р, кг/см2
Показатель характера сгорания т
1 3
Угол наклона фронта пламени ф2, град
46 92 46 92
0 0,14400 0 0 0 9,00 9,00
2 0,14445 0,01300 0 0 8,40 8,57
4 0,14579 0,03775 0 0 7,80 8,02
6 0,14802 0,06874 0,00200 0 7,36 7,58
8 0,15113 0,06919 0,00202 0 7,05 7,17
10 0,15512 0,09031 0,00900 0,0010 6,78 6,88
12 0,15984 0,09600 0,01700 0,0010 6,91 6,04
14 0,16554 0,09800 0,02600 0,0020 7,52 6,46
16 0,17209 0,09340 0,03900 0,0020 8,68 6,40
18 0,17943 0,08585 0,05350 0,0040 10,65 6,19
20 0,18793 0,07700 0,06900 0,0050 13,43 6,93
22 0,19665 0,06400 0,08400 0,0074 17,32 6,90
24 0,02065 0,05340 0,09700 0,0092 29,18 7,44
26 0,21707 0,04230 0,10580 0,0116 27,90 8,10
28 0,22838 0,03140 0,10000 0,0142 33,98 8,83
30 0,24042 0,02590 0,10730 0,0178 39,74 9,66
32 0,25314 0,01670 0,08860 0,0210 44,63 10,50
34 0,26671 0,01240 0,07110 0,0250 48,35 12,54
36 0,28074 0,00840 0,05210 0,0295 50,00 12,57
38 0,29518 0,00560 0,03470 0,0320 51,00 13,60
40 0,31009 0,00390 0,02080 0,0360 50,00 14,64
42 0,34222 0,00185 0,01100 0,0911 48,37 15,78
44 0,35959 0,00135 0,00510 0,0438 46,25 16,71
46 0,37572 0,00700 0,00210 0,0477 45,53 17,86
48 0,33488 - - 0,0499 44,00 18,50
50 0,41218 - - 0,0158 - 20,09
52 0,43066 - - 0,0536 - 20,05
54 0,44988 - - 0,0537 - 20,06
56 0,46805 - - 0,0529 - 20,37
58 0,46805 - - 0,0515 - 20,29
60 0,48738 - - 0,0494 - 17,79
62 0,50696 - - 0,0460 - 16,92
64 0,52697 - - 0,0422 - 16,10
66 0,54665 - - 0,0379 - 15,86
68 0,56664 - - 0,0332 - 15,30
70 0,58681 - - 0,0284 - 14,39
72 0,60698 - - 0,0238 - 13,84
74 - - - 0,0194 - 12,69
Таблица 2
Значения удельного объема РТ V, его давления в цилиндре р и доли сгоревшего топлива Дх при степени сжатия е = 13,0 и различных значениях УПКВ
ф, град V, м3/кг р, кг/см2 Ах
Показатель характера сгорания т
1 3
Угол наклона фронта пламени фг, град
46 92
0 0,09538 9,00 9,00 0
2 0,09585 8,40 8,40 0,0030000
4 0,97280 8,43 8,01 0,0099200
6 0,99580 9,52 7,92 0,0159200
8 0,10283 12,23 8,24 0,0218300
10 0,10701 15,54 8,88 0,0220200
12 0,11251 19,40 7,58 0,0376700
14 0,11791 23,67 11,18 0,0376000
16 0,12476 28,17 10,80 0,0407100
18 0,13244 32,59 12,77 0,0434300
20 0,14107 36,10 14,90 0,0461700
22 0,15004 38,38 17,39 0,0561200
24 0,16074 42,21 20,64 0,0486800
26 0,17180 44,77 23,57 0,0492000
28 0,18363 47,05 26,30 0,0485100
30 0,19622 48,90 28,78 0,0477800
32 0,20953 50,20 31,01 0,0460700
34 0,22371 50,40 32,69 0,0439800
36 0,23782 50,00 33,92 0,0423100
38 0,25349 48,26 34,76 0,0325600
40 0,26900 48,01 34,76 0,0366900
42 0,28560 46,28 34,72 0,0319700
44 0,30268 44,27 34,40 0,0309500
46 0,32085 41,93 33,55 0,0281600
48 0,33772 39,66 32,69 0,0252300
50 0,35776 37,20 31,50 0,0225610
52 0,37585 - 29,92 0,0999990
54 0,39518 - 28,51 0,0174790
56 0,41588 - 27,03 0,0150460
58 0,43429 - 25,65 0,0133210
60 0,45450 - 24,26 0,0042120
62 0,47497 - 22,71 0,0165590
64 0,49000 - 21,64 0,0090820
66 0,51648 - 20,42 0,0067500
68 0,53739 - 17,95 0,0056210
70 0,55848 - 16,88 0,0096200
72 0,57959 - 16,15 0,0037960
Окончание табл. 2
ф, град v, м3/кг p, кг/см2 Дx
Показатель характера сгорания m
1 3
Угол наклона фронта пламени ф2, град
46 92
74 0,60011 - 15,24 0,0030790
76 0,62182 - 13,92 0,0024902
78 0,64228 - 13,14 0,0019978
80 0,66326 - 12,75 0,0015799
82 0,68441 - 12,19 0,0012550
84 0,70488 - 11,50 0,0009818
86 - - 10,90 0,0007732
88 - - 10,33 0,0005812
90 - - 9,81 0,0004544
92 - - 9,34 0,0003457
Таблица 3
Значения удельного объема РТ V, его давления в цилиндре р и доли сгоревшего топлива Дх
при различных значениях УПКВ
ф, град Дx p, кг/см2
Показатель характера сгорания m
3 1
Угол наклона фронта пламени ф2, град
64 92 64 46
0 0 0 12,70 12,70
2 0 0,0007 10,07 12,56
4 0 0,0257 9,14 10,53
6 0,000500 0,0319 8,38 12,10
8 0,001500 0,0441 7,70 12,06
10 0,001960 0,0531 7,10 13,89
12 0,003980 0,0602 6,77 16,57
14 0,007900 0,0661 6,39 19,80
16 0,010790 0,0689 6,50 23,23
18 0,015430 0,0700 6,89 27,03
20 0,021780 0,0641 7,79 31,47
22 0,027670 0,0670 9,38 35,90
24 0,036480 0,0635 11,60 40,22
26 0,043360 0,0589 14,75 45,57
28 0,051400 0,0531 18,12 53,84
30 0,059700 0,0475 22,00 52,73
32 0,067560 0,0414 25,74 55,07
34 0,072840 0,0356 29,28 55,60
36 0,079290 0,0298 33,00 56,62
38 0,073490 0,0248 36,43 54,87
40 0,075050 0,0203 39,34 53,20
42 0,070780 0,0163 41,85 51,12
Окончание табл. 3
ф, град Дx p, кг/см2
Показатель характера сгорания m
3 1
Угол наклона фронта пламени ф2, град
64 92 64 46
44 0,064020 0,0128 42,97 48,08
46 0,055400 0,0100 43,70 44,77
48 0,045977 0,0074 40,88 41,96
50 0,036057 0,0060 39,0 38,49
52 0,027010 0,0043 37,33 35,36
54 0,019095 0,0052 35,23 32,41
56 0,012757 0,0021 33,59 29,38
58 0,007964 0,0018 31,95 26,88
60 0,004661 0,0011 29,11 24,59
62 0,002536 0,0008 26,85 22,61
64 0,001280 0,0005 24,66 20,53
О 10 20 30 40 50 60 70 80 ср,град 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ср, град
а б
Рис. 1. Зависимости давления РТ в цилиндре p от УПКВ ф при степени сжатия е = 8,6, угле наклона фронта пламени ф2 = 46°, частоте вращения п = 2000 (1) и 4000 мин-1 (2) для различных значений
показателя характера сгорания: а — m = 1; б — m = 3
Рис. 2. Зависимости давления РТ в цилиндре p от УПКВ ф при степени сжатия е = 13,0, угле наклона фронта пламени ф2 = 92°, частоте вращения п = 4000 мин-1, показателе характера сгорания m = 1 (1) и 3 (2)
линдре путем увеличения степени сжатия можно использовать на практике.
Естественно, существует необходимость проведения дальнейших исследований при других значениях частоты вращения и показателя характера сгорания.
Выводы
1. Обоснована эффективность использования ДВС с регулируемой степенью сжатия.
2. Результаты расчета свидетельствуют о том, что восстановление давления РТ в цилиндре путем увеличения степени сжатия можно использовать на практике.
Литература
[1] Agalarov J., Nasibova A., Nuriyev B. Internal combustion engine with opposed pistons. Patent
US 6039011. Appl. 04.03.1998, publ. 21.03.2000.
[2] Klomp E.D., Rask R.B. Variable compression ratio control system for an internal combustion
engine. Patent US 6450136. Appl. 14.05.2001, publ. 17.09.2002.
[3] Moteki K., Fujimoto H., Aoyama S. Variable compression ratio mechanism of reciprocating
internal combustion engine. Patent US 6505582. Appl. 06.07.2002, publ. 10.01.2002.
[4] Cleeves J.M. Variable compression ratio systems for opposed-piston and other internal combus-
tion engines, and related methods of manufacture and use. Patent US 9206749. Appl. 08.04.2013, publ. 29.08.2013.
[5] Turner J.W.G. Opposed piston internal combustion engine with variable timing. Patent GB
2428450. Appl. 15.07.2005, publ. 31.01.2007.
[6] Markazdan qa^ma tanzimlayicisi. Patent (ixtira) i 20140021 Patentin sahibi: Milli Aviasiya
Akademiyasi (AZ). Muallif Haciyev Akif Cafar oglu (AZ), Agalarov Cafar Hasanaga oglu (AZ), Nuriyev Barat Rza oglu (AZ), Cavadov Vuqar Xanali oglu (AZ). Date: 2204.2014.
[7] Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Москва, Свердловск, Машгиз, 1962. 271 с.
[8] Береснев М.А. Метод определения угла опережения зажигания для управления работой
ДВС на бинарном топливе. Дисс. ... канд. тех. наук. Волгоград, ВолГТУ, 2013. 150 с.
[9] Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания. Харьков, ХНАДУ, 2009. 500 с.
[10] Луканин В.Н., ред. Двигатели внутреннего сгорания. Т. 2. Москва, Высшая школа,
1995. 319 с.
[11] Пшихоров В.Х., Дорух И.Г., Береснев А.Л. и др. Система зажигания двигателя. Патент РФ 2446309. Заявл. 22.03.2010, опубл. 27.03.2012.
[12] Береснев М.А. Метод L-вариаций для управления ДВС при работе на бинарном топливе. Известия ЮФУ. Технические науки, 2012, № 3, с. 251-256.
[13] Рудой Б.П. Расчет характеристик двигателя внутреннего сгорания. Уфа, УфАИ, 1986. 107 с.
[14] Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Т. 1. Москва, Машиностроение, 1957. 397 с.
[15] Sawamoto K., Kawamura Y. Individual cylinder knock control by detecting cylinder pressure. SAE Tach. Paper, 1987, no. 871911, doi: https://doi.org/10.4271/871911
References
[1] Agalarov J., Nasibova A., Nuriyev B. Internal combustion engine with opposed pistons. Patent
US 6039011. Appl. 04.03.1998, publ. 21.03.2000.
[2] Klomp E.D., Rask R.B. Variable compression ratio control system for an internal combustion
engine. Patent US 6450136. Appl. 14.05.2001, publ. 17.09.2002.
[3] Moteki K., Fujimoto H., Aoyama S. Variable compression ratio mechanism of reciprocating
internal combustion engine. Patent US 6505582. Appl. 06.07.2002, publ. 10.01.2002.
[4] Cleeves J.M. Variable compression ratio systems for opposed-piston and other internal combus-
tion engines, and related methods of manufacture and use. Patent US 9206749. Appl. 08.04.2013, publ. 29.08.2013.
[5] Turner J.W.G. Opposed piston internal combustion engine with variable timing. Patent GB
2428450. Appl. 15.07.2005, publ. 31.01.2007.
[6] Markazdan qa^ma tanzimlayicisi. Patent (ixtira) i 20140021 Patentin sahibi: Milli Aviasiya
Akademiyasi (AZ). Muallif Haciyev Akif Cafar oglu (AZ), Agalarov Cafar Hasanaga oglu (AZ), Nuriyev Barat Rza oglu (AZ), Cavadov Vuqar Xanali oglu (AZ). Date: 2204.2014.
[7] Vibe I.I. Novoe o rabochem tsikle dvigateley [Something new about working cycle of engines].
Moscow, Sverdlovsk, Mashgiz Publ., 1962. 271 p. (In Russ.).
[8] Beresnev M.A. Metod opredeleniya ugla operezheniya zazhiganiya dlya upravleniya rabotoy
DVS na binarnom toplive. Diss. kand. tekh. nauk [Method for determiantion of ignition advance angle for managing combustion engine on binary fuel. Kand. tech. sci. diss.]. Volgograd, VolGTU Publ., 2013. 150 p. (In Russ.).
[9] D'yachenko V.G. Teoriya dvigateley vnutrennego sgoraniya [Theory of combustion engines].
Kharkov, KhNADU Publ., 2009. 500 p. (In Russ.).
[10] Lukanin V.N., ed. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. T. 2 [Combustion engines. Vol. 2]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1995. 319 p. (In Russ.).
[11] Pshikhorov V.Kh., Dorukh I.G., Beresnev A.L. et al. Sistema zazhiganiya dvigatelya [Engine ignition system]. Patent RU 2446309. Appl. 22.03.2010, publ. 27.03.2012. (In Russ.).
[12] Beresnev M.A. L-variations method for control of IC engine running on binary fuel. Izvesti-ya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya Sfedu. Engineering Sciences], 2012, no. 3, pp. 251256. (In Russ.).
[13] Rudoy B.P. Raschet kharakteristik dvigatelya vnutrennego sgoraniya [Calculating characteristics of combustion engine]. Ufa, UfAI Publ., 1986. 107 p. (In Russ.).
[14] Orlin A.S. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. T. 1 [Combustion engines. Vol. 1]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1957. 397 p. (In Russ.).
[15] Sawamoto K., Kawamura Y. Individual cylinder knock control by detecting cylinder pressure. SAE Tach. Paper, 1987, no. 871911, doi: https://doi.org/10.4271/871911
Информация об авторах
АГАЛАРОВ Джафар Гасанага оглы — доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом «Волновая динамика». Институт Математики и Механики Азербайджанской Национальной Академии (AZ1001, Азербайджан, Баку, ул. Истиглалият, д. 30, e-mail: [email protected], [email protected]).
ГАСАНОВА Тукезбан Джафар гызы — кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений». Азербайджанский архитектурно-строительный университет (AZ1073, Азербайджан, Баку, ул. А. Султанова, д. 5, e-mail: [email protected]).
Статья поступила в редакцию 24.01.2022 Information about the authors
AGALAROV Jafar Gasanaga — Doctor of Science (Physics and Math.), Professor, Head of the Department of Wave Dynamics. Institute of Mathematics and Mechanics of National Academy of Science of Azerbaijan (AZ1001, Baku, Azerbaijan Republic, Istiqlaliyat St., Bldg. 30, e-mail: [email protected], [email protected]).
HASANOVA Tukezban Jafar — Candidate of Science (Eng.), Associate Professor, Department of Exploitation and Reconstruction of Buildings and Constructions. Azerbaijan University of Architecture and Construction (AZ1073, Baku, Azerbaijan Republic, A. Sultanova St., Bldg. 5, e-mail: [email protected]).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Агаларов Д.Г., Гасанова Т.Д. Об эффективности регулирования степени сжатия двигателя внутреннего сгорания. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 6, с. 3-10, doi: 10.18698/0536-10442022-6-3-10
Please cite this article in English as: Agalarov J.H., Hasanova T.J. On the Efficiency of Controlling the Compression Ratio of an Internal Combustion Engine. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2022, no. 6, pp. 3-10, doi: 10.18698/0536-1044-2022-6-3-10
