CC BY
373
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ. ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 656.13/73.31.41
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОМ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ВО ВПУСКНОМ КОЛЛЕКТОРЕ ДВИГАТЕЛЯ
И. В. Карнаухова
Аннотация. В статье рассмотрен вопрос влияния изменения температуры воздуха во впускном коллекторе на работу и пуск двигателя и определен оптимальный расход топлива при оптимальной температуре во впускном коллекторе. Одним из приоритетных направлений повышение экономичности автотранспортных средств с бензиновыми и дизельными двигателями является улучшение конструкции автотранспортных средств и эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Автором выявлена и обоснована необходимость применения систем регулирования параметров воздуха во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания.
Ключевые слова: экономия топлива, подогрев воздуха, давление, температура.
Введение
Известны системы впуска двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС) как с искровым зажиганием (бензиновые ДВС с впрыском топлива и карбюраторные версии), так и с воспламенением от сжатия (дизельные двигатели), обеспечивающие качественное наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом. Качественная подготовка горючей смеси подразумевает не только обеспечение подачи горючей смеси или воздуха в зависимости от скоростного и нагрузочного режима ДВС, но и подготовку воздуха или смеси для ее качественного воспламенения в цилиндрах двигателя, то есть обеспечение заданной температуры смеси или воздуха поступающего в камеру сгорания с целью успешного пуска двигателя при низких температурах для получения более высокой мощности и экономичности двигателя, а так же низкой токсичности выхлопа. В современных конструкциях впускных систем ДВС за счет применения различных конструктивных решений, в первую очередь, обеспечивают высокие экономические показатели и низкую токсичность выхлопа. В то же время мощностные показатели ДВС отошли на второй план, что вызвано ужесточением международных и национальных стандартов по токсичности и расходу топлива в мире. С этой целью постоянно ужесточаются международные стандарты лимитирующие показатели пуска двигателя в условиях
низких и даже высоких температур окружающей среды
Параметры эффективности сгорания рабочей смеси
Многочисленными исследованиями,
проведенными на кафедре Эксплуатация автомобильного транспорта Тюменского государственного нефтегазового университета, установлено, что температура воздуха на впуске в камеру сгорания начинает оказывать заметное влияние на топливную экономичность при температуре выше +10°С. Повышение степени сжатия е (е=^/^<, где Vh - полный объем цилиндра, Vk - объем камеры сгорания) до 14-17 приводит к незначительному повышению температуры в конце такта сжатия, но почти не отражается на экономических и мощностных показателях двигателей, при этом повышение пусковых оборотов от минимальных на 10 % увеличивает температуру воздуха в камере сгорания на 14 -16 %. Эти показатели улучшают пуск двигателей и стабильность их работы на холостом ходу. Эффективность сгорания рабочей смеси напрямую зависит от интенсивности подогрева воздуха,
поступающего в цилиндр двигателя. Повышение температуры воздуха ведет не только к экономии топлива, но и к уменьшению выбросов углеводородов СН до 3-5 % [6].
При любых технических расчетах инженеры используют параметры сухого воздуха. Поправки на влажность вносят только при расчетах топливной экономичности
двигателей. Для повышения топливной экономичности необходим так же подогрев воздуха на впуске на частичных режимах работы двигателей, так как это позволяет повысить гомогенизацию топливовоздушной смеси, что заметно улучшает и токсические показатели двигателей. Основными компонентами горючей смеси являются воздух и углеводороды. Воздух представляет собой механическую смесь азота, кислорода (по объему соответственно 78 и 21 процент) и других газов (углекислый газ, аргон и др.). Азот, вдобавок, является еще и внутренним балластом топлива и его содержание в различных частях топлива находится в пределах 0,5-1,5 %. Суммарно только содержание азота в топливе и воздухе сокращает содержание кислорода в цилиндрах двигателя на 1-3 % [4], что увеличивает выброс вредных веществ N0), в атмосферу.
Целесообразность, применения систем регулирования параметров воздуха
Основными параметрами, характеризующими состояние воздуха в текущий момент, являются:
1. Давление.
2. Температура.
3. Плотность.
Сжатый воздух обычно рассматривается как идеальный газ, но реальный газ отличается от идеального наличием сил внутреннего трения, причем, чем выше плотность воздуха, тем более он отличается от идеального газа [3]. Но во всех расчетах упрощенной моделью атмосферного воздуха служит идеальный газ, так как объем, занимаемый его молекулами, мал по сравнению с объемом всего газа и степени расхождения свойств идеального и реального газов (воздуха) зависит от условий, в которых находится газ. При понижении давления и повышении температуры воздуха свойства реального газа приближаются к свойствам идеального газа.
Температура - это мера средней кинетической энергии газовых молекул. Величины, характеризующие состояние воздуха - давление, удельный объем и температуру - зависят друг от друга, то есть из трех величин, если две известны, то третью можно определить как функцию двух первых.
Для четырехтактных двигателей при отсутствии наддува выполняются следующие требования Рк=Р0 и Тк=Т0 (Р0 и Т0 давление температура в начале пуска; Рк и Тк давление и температура в цилиндре в конце пуска). Следует иметь в виду, что с применением
компрессора Рк и Тк давление и температура после компрессора [9]. При условии, что давление на впуске не меняется работа компрессора приводит к росту наполнения цилиндров воздухом. При уменьшении интенсивности темплообмена в стенках впускного коллектора, величина ДТ уменьшается, а коэффициент наполнения (п^ увеличивается. Таким образом, приращение температуры воздуха в конце впускного коллектора определяется по следующей формуле:
ДТ = ДТ , + ДТ , (1)
в подогрева коллектора 4 '
где ДТподогрева - повышение температуры воздуха вследствие подогрева в подогревателе, ДТколлектора - повышение температуры воздуха вследствие подогрева или охлаждения в коллекторе.
На полноту наполнения цилиндров двигателя воздухом влияет его подогрев, который выражается через величину ДТв. В Тюменском государственном нефтегазовом университете в результате экспериментов установлено, что при температуре подогрева воздуха во впускном коллекторе выше 67°С наполнение цилиндров уменьшается на 3-5 %, при подогреве до 90-100°С более чем на 8 %, поэтому подогрев впускного воздуха нецелесообразен более 67-76°С. Степень подогрева зависит от скорости давления воздуха чрез нагревательный элемент и его площади, времени движения воздуха через нагревательный элемент и разности температур.
Условия теплообмена определяются разностью между температурой воздуха и телопередающимися поверхностями. Время, в течение которого происходит теплообмен, особенно сказывается при пуске холодного двигателя, когда время в течение которого происходит сжатие относительно велико и как следствие происходит утечки воздуха чрез компрессорные и маслосъемные кольца поршней, что особенно влияет на давление воздуха в конце такта сжатия и на изменение числа оборотов двигателя. Коэффициент наполнения воздухом цилиндра прямо пропорционален средней скорости поршня, поэтому в настоящее время все двигатели в основном создаются быстроходными от 500010000 об/мин, на спортивных автомобилях 10000-15000 об/мин, но средняя скорость поршня при увеличении числа оборотов двигателя увеличивается весьма
незначительно с 12 м/сек до 14 м/сек на быстроходных ДВС.
Расчет влияния коэффициента наполнения воздуха на мощность двигателя
Большое количество воздуха поступает в камеру сгорания за счет объема остаточных газов. При повышении скорости воздуха во впускном коллекторе, среднее давление впуска Ра в двигателях без турбонаддува всегда меньше атмосферного Р0 из-за сопротивления впускного трубопровода ДТк тр. Сопротивление впускного трубопровода определяется по формуле [2]:
М = Рп - Р - Р ктр 0 а к
(2)
где Рк - давление затрачено на увеличение кинетической энергии воздуха, Ра - давление в конце впуска, Р0 - атмосферное давление.
Корпорации Субару и Тойота в 2013 году выпустили новый оппозитный мотор «атмосферник», то есть без наддува воздуха, потому что по данным этих заводов только такой двигатель может обеспечить моментальные реакции при нажатии на педаль акселератора. В этих моторах за счет конструкции впускного коллектора и клапанов давление впуска колеблется в узком интервале от 0,9-0,95 кг/см2.
Особенно это актуально для работы дизельных двигателей, так как все дизели работают на бедных смесях - коэффициент избытка воздуха не ниже 1,3 (т.е. его на 30 % больше, чем необходимо для полного сгорания топлива в идеальных условиях). К таким же результатам приводит и повышение степени сжатия у дизелей до £=16-17, так как в этом случае в цилиндры двигателя поступает большее количества воздуха, а, следовательно, и кислорода. Таким образом, степень сжатия, а, следовательно, плотность, температура и давление зависят от условий эксплуатации двигателя и его конструкционных особенностей. Двигатели, работающие при низких температурах окружающей среды, должны иметь более высокую температуру воздуха на впуске, что сокращает период между началом впрыска топлива и его воспламенением и обеспечивает мягкую работу двигателя, а так же надежный пуск холодного двигателя.
Плотность заряда воздуха рв можно увеличить, только повышая давление поступающего воздуха. Пропорционально плотности заряда рв возрастает и давление впуска Ра, а как следствие литровая мощность двигателя. Количество теплоты, выделяемой топливом в цилиндре двигателя, так же возрастает по мере повышения плотности и как следствие количество кислорода поступающего в двигатель.
В Тюменском государственном нефтегазовом университете в результате исследований доказано, что при постоянном коэффициенте избытка воздуха, количество вводимого топлива может возрастать только пропорционально увеличению массового заряда, то есть повышению плотности нагнетаемого в цилиндр воздуха.
Воздушный патрубок (коллектор) не оказывает значительного сопротивления потоку воздуха. Это установлено в результате многочисленных исследований и подтверждено различными источниками. [1] Двигатели развивают максимальную мощность при коэффициенте избытка воздуха а=0,85^0,9 , но экономия работы двигателя получается при а=1,1+1,2. С повышением температуры окружающей среды коэффициент наполнения растет, но массовый заряд остается постоянным. Давление воздуха в воздушном фильтре и впускном коллекторе меняется незначительно. Наибольшее разряжение по данным различных исследований в Тюменском государственном нефтегазовом университете не превышает 2,5 кг/м2 или 0,25 кгЪм2. Поэтому воздух можно рассматривать как материю, плотность которой при давлении по впускному трубопроводу остается неизменной. р0=р1=ра, где р0 - плотность воздуха на впуске (кг/м3).
Давление (разрежение) при движении по впускному коллектору меняется, при движении чрез впускные клапаны разряжение возрастает довольно резко. Давление и перемешивание топлива с воздухом наиболее интенсивно происходит при вихревом движении воздуха в камере сгорания. Частицы воздуха в этом случае движутся от стенок цилиндра двигателя в радиальном направлении [6] и отношение должно быть следующим:
V
= 0,75 + 0,9 ,
V
(3)
h
где V, - объем, Vh - полный объем двигателя.
Это очень важный фактор, так как при уменьшении расстояния между головкой цилиндра и поршня меньше воздуха остается в зазорах, в результате происходит более полное его использование, что приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха необходимого для полного сгорания углеводородов, впрыскиваемых в камеру сгорания. Хорошее использование воздуха подтверждается высоким максимальным средним эффективным давлением для двигателей без наддува, которое развивается Ре=0,7-0,95 МН/м2=7-9,5 кг/см2. [2]
Все вышеизложенное приводит к хорошей работе двигателя на различных топливах, в том числе и на высокооктановых бензинах. Подогретый воздух в воздушном фильтре до 70-90°С, поступая в камеру сгорания, обеспечивает хорошее использование кислорода при смесеобразовании в результате чего достигается бездымная работа двигателя при малых коэффициентах избытка воздуха. Воздух, движущийся навстречу факелу из форсунки в камере сгорания с большой скоростью, при сжатии подхватывает пары и мелкие капли раздрабливая их и, перемешивая, что приводит к наиболее полному использованию кислорода. Интенсивный подогрев воздуха приводит к применению топлив с меньшим цетановым или октановым числом. Эксплуатация автомобилей при различном атмосферном давлении, влажности и температуре воздуха приводит к необходимости искать пути сохранения мощности двигателей, несмотря на колебания плотности воздуха.
В связи с этим необходима организация выпуска двигателей разной мощности с учетом давления, температуры и влажности воздуха поступающего в двигатель, так как это приведет к значительному повышению литровой мощности и экономичности.
Расчет влияния коррекции плотности воздуха на мощность двигателя
Плотность воздуха можно повысить, повышая давление поступающего в цилиндры двигателя воздуха, потому что пропорционально давлению Ре возрастает плотность воздуха рв, а, следовательно, и литровая мощность двигателя. Но количество теплоты, выделяемой топливом, возрастает и в результате хорошего перемешивания воздуха с топливом и его испарение в камере сгорания в результате его подогрева во впускном коллекторе, что подтвердили исследования в Тюменском государственном нефтегазовом университете. В результате исследований было подтверждено, что работа, затрачиваемая на сжатие и получаемая при расширении газа пропорциональна его начальной
температуре. Воздух поступает в нагревательный элемент при относительно низкой температуре, нагревается, расширяется при более высокой температуре, поступая в камеру сгорания, он снова расширяется при
более высокой температуре и производит большую работу, чем та которая была затрачена на разогрев и сжатие.
Повышение номинальной мощности двигателей, можно достичь так же за счет коррекции плотности воздуха, которая регулирует коэффициент избытка воздуха а. В современных быстроходных двигателях в процессе впуска образуется колебательные движения воздуха, которые приводят к возникновению волны давления, это явление широко используется для увеличения плотности воздуха рв поступающего в цилиндры современных двигателей, которая определяется по формуле:
Р
тр
Р =-
в R • Т
(4)
в тр
где Ртр и Ттр - давление в кг/м и температура в °К воздуха во впускном трубопроводе, Rв - универсальная газовая постоянная воздуха для сухого воздуха рв=287 Дж/кгк; для воздуха с относительной влажностью 80 % рв=289 Дж/кгк [3].
При увеличении влажности воздуха уменьшается плотность воздуха,
поступающего в цилиндры двигателя, и увеличивается объем, а, следовательно, и объемное содержание кислорода, так как его всегда находится в избытке в камере сгорания, особенно у дизельных двигателей на 15-30 % больше, чем необходимо для сгорания топлива. Все вышеизложенное приводит к лучшему перемешиванию топлива с воздухом, более полным сгоранием последнего и повышением мощности, экологичности ДВС. При повышении температуры от 0°С до 100°С массовая теплоемкость воздуха и объемная теплоемкость увеличивается весьма незначительно, при постоянном давлении Ср и С'р соответственно на 0,25 %, а при постоянном объеме С и С^ на 0,4 %. Кислород находится в воздухе при повышении температуры от 0 до 100°С увеличивает массовую теплоемкость при постоянном давлении на 1 % и постоянном объеме на 1,39%. То есть увеличивается количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива. При этом плотность воздуха во впускном трубопроводе меняется так же в зависимости от числа оборотов двигателя и составляет [7]:
Таблица 1 - Зависимость плотности и давления воздуха от числа оборотов двигателя
n (об/мин) 1000 1500 2000 5000
p (кг/м3) 1,17 1,15 1,13 1,11
P (кг/см2) 0,985 0,97 0,95 0,9
При этом на входе в воздушный фильтр плотность воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха 0°С составит 1,293 кг/м3.
При увеличении оборотов двигателя уменьшается давление во впускном коллекторе, следовательно, уменьшается и плотность воздуха до 1,05, то есть до 20% от первоначального прямо пропорционально уменьшению давления, тоже максимум до 20%. Это означает, что плотность воздуха зависит от температуры, так как его объем меняется с изменением температуры. [4]
р
Т = тр . (5)
тР р • R
'е в
Но плотность воздуха во впускном коллекторе рв определяем по формуле [5]
1 (6)
Рв = р0 ■ Щ
где р0 - плотность воздуха при 0°С, pt -коэффициент объемного расширения
T
1 + Pt =-,
1 273
(7)
где Т - температура во время измерений. [5] Подставляя уравнение 5 в формулу 4 получаем:
1 _Ро • 273
Рв = Ро ■-
7273
Т
(8)
Затем, подставляя в формулу 8 формулу 5, определяем необходимую температуру воздуха во впускном коллекторе с учетом влажности (R), температуры (Т) и давления (Ртр):
Р
Т =-тр
тр
Р
тр
Р ■ Т тр
р ■ R
'в в
273 ■ Ро ■ Re 273 ■ Ро ■ Re
, (9)
Т
где Т - температура воздуха во время измерения, Ртр - давление во время измерений, Ттр - теоретически необходимая температура в трубопроводе для нормального сгорания топлива относительно атмосферного давления и температуры воздуха 0°С.
Заключение
В результате проведенных исследований и обработки полученных данных с помощью формулы 9 было установлено, что в интервале температур -10^-60°С температура во впускном коллекторе всех двигателей при
изменении атмосферного давления от 720 мм. рт. ст. до 790 мм.рт.ст. и постоянной температуре наружного воздуха изменяется в сторону повышения до At =20°С. При температуре наружного воздуха в интервале от -10°С до +15°С дополнительно на 10°С, то есть At =20°С+10°С. И в интервале температур от +15°С до 100°С А^бщ увеличивается еще на +5°С. То есть суммарно At в интервале температур от -60°С до +100°С увеличивается на +35°С, то есть А^бщ=+35°С.
Библиографический список
1. Архангельский, В. М. Автомобильные двигатели. / В. М. Архангельский и др.- Под ред. М. С. Ховаха. 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. -591 с.
2. Вырубов, Д. Н. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых двигателей / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др. - М.: Машиностроение, 1983. - 387 с.
3. Герц, Е. В. Пневматические устройства и системы в машиностроении: справочник / Е. В. Герц. - М.: Машиностроение, 1981 . - 407 с.
4. Жданов, Л. С. Учебник по физике / Л. С. Жданов. - М.: Наука, 1975. - 160 с.
5. Карнаухов В. Н. Сбережение топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации автомобильного транспорта в низкотемпературных уловиях: дис. доктора технических наук: 05.22.10 / В. Н. Карнаухов; ТюмГНГУ. - Тюмень, 2000. -275 с.
6. Карнаухова, И. В. Определение массового расхода воздуха на автомобилях при низких температурах воздуха и давлении / В. Н. Карнаухов // Нефть и газ Западной Сибири, материалы Международной научно-технической конференции, Тюмень, 17-18 октября 2013г. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2013. - С.160 - 163
7. Ленин, И. М. Теория автомобильных и тракторных двигателей / И. М. Ленин. - М.: Высшая школа, 1976. -364 с.
8. Обливин, А. Н. Основы гидравлики и теплотехники / А. Н. Обливин. - Издательство «Лесная промышленность», 1976. -284 с.
9. Шароглазов, Б. А. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет процессов / Б. А. Шароглазов, М. Ф. Фарафонтов, В. В. Клементьев. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2004. -287 с.
DETERMINATION OF THE OPTIMAL AIR TEMPERATURE IN THE ENGINE'S INLET HEADER
I. V. Karnaukhova
Abstract. The article is devoted to the influence of change of air temperature in the inlet header on the work and starting of the engine and determination of
the optimal fuel consumption at the optimal temperature in the inlet header. Improving structure of vehicles and operational figures of internal combustion engines is one of the preferred directions of increasing efficiency of vehicles with petrol and diesel engines. The author revealed and justified the necessity of using systems of regulation of air's parameters in the inlet header of internal combustion engine.
Keywords: fuel economy, heated air, pressure, temperature.
Bibliographic list
1. Arhangelskiy V. M. Car engines. Edited by M.S. Hovah. second edition. - Moscow: Mechanical Engineering, 1977.
2. Vyrubov D. N., Ivaschenko N. A., Ivin V. I. Internal combustion engines. Theory of piston engines. - Moscow: Mechanical Engineering, 1983.
3. Gerc E. V. Directory «Pneumatic devices and systems in mechanical engineering». - Moscow: Mechanical Engineering, 1981.
4. Jdanov L. S. Tutorial on Physics. - Moscow: Science, 1975.
5. Karnaukhova V. N. Conservation of fuel and energy resources in the operation of auto-mobile traffic in low-temperature catch: Dis. doctor of
technical sciences: 05.22.10 / V. N. Karnaukhov; TSOGU. - Tyumen, 2000. -275 p.
6. Karnaukhova V. N. Determination of mass air flow on cars at low temperatures and pressure / V. N. Karnaukhov // Oil and Gas in Western Siberia, the proceedings of the International Scientific and Technical Conference, Tyumen, October 17-18, 2013. Tyumen Univ TSOGU, 2013 - pp.160 - 163
7. Lenin I. M. Theory of automobile and tractor engines. - M.: High school, 1976.
8. Oblivin A. N. Basics of hydraulics and heat engineering. - Publishing House «Forest industry», 1976.
8. Oblivin A. N. Fundamentals of hydraulics and heating / A. N. Oblivin. - Publisher "Forest Industry", 1976. - 284 p.
9. Sharoglazov B. A. Internal combustion engines: theory, modeling and calculation processes / B. A. Sharoglazov, M. F. Farafontov, V. V. Klement'ev. -Chelyabinsk: Publisher SUSU, 2004. -287 p.
Карнаухова Инна Владимировна - аспирант кафедры Эксплуатация автомобильного транспорта Тюменского государственного нефтегазового университета (г. Тюмень). Общее количество опубликованных работ: 6. email: [email protected]
УДК 621.8
МЕТОД УСТАНОВКИ ДАЛЬНОМЕРОВ НА СМЕННОЕ РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЭКСКАВАТОРА ДЛЯ УКЛАДКИ ТРУБ
Е. Д. Комаров, А. А. Руппель
Аннотация. В статье рассмотрен метод установки четырех датчиков дальномеров на сменное рабочее оборудование - траверсу, позволяющий однозначно определить положение ранее уложенной трубы и в последствии автоматизировать процесс центрирования и стыковки труб. Определение положения ранее уложенной трубы реализовано с помощью уравнения цилиндрической поверхности и четырех точек, полученных с помощью датчиков.
Ключевые слова: укладка труб, траверса, экскаватор, сменное рабочее оборудование, устройство центрирования, автоматизация.
Введение
На данный момент процесс центрирования трубы экскаватором со сменным рабочим органом относительно уложенной является трудоемким, неавтоматизированным
процессом, для которого помимо оператора экскаватора привлекается рабочий, который со дна траншеи дает информацию о положении укладываемой трубы
относительно ранее уложенной оператору. Также процесс центрирования занимает продолжительное время. Все это говорит о необходимости повышения эффективности этого процесса путем проектирования устройства центрирования, для чего необходимо решить следующие подзадачи: выбора способа очувствления, планирования траектории движения, управления
экскаватора, апробирования работы устройства центрирования. В данной статье будут рассмотрены задача выбора способа очувствления и преобразования полученной с помощью датчиков информации для решения задачи планирования траектории.
Выбор способа очувствления
Задача выбор способа очувствления включает в себя выбор и обоснование количества и метода установки датчиков на траверсу для укладки. Их задачей является определение положения укладываемой трубы относительно ранее уложенной. Информация с датчиков служит как для построения траектории движения экскаватора, так и в качестве обратной связи для управления его движением.
Так как для системы управления необходимы показания отклонения от ранее
