CC BY
139
УДК 621.43.013.9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СГОРАНИЯ ПО ИНДИКАТОРНЫМ ДИАГРАММАМ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С КАРБЮРАТОРОМ И НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ
ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА
В.А. Корогодский, к.т.н., О.В. Василенко, аспирант, Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, г. Харьков
Аннотация. Определено влияние протекания процессов сгорания при различных нагрузках по индикаторным диаграммам на двухтактном двигателе с искровым зажиганием, кривошипно-камерной продувкой в зоне основных эксплуатационных режимов работы. Выявлены и сравнены основные закономерности изменения показателей двигателя с внешним (карбюратор) и внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива) по нагрузочным характеристикам.
Ключевые слова: карбюратор, непосредственный впрыск топлива, степень сжатия.
Введение
В связи с ужесточающимися требованиями к выбросам вредных веществ (ВВ) в отработавших газах (ОГ) [1], таких как N0» СО и СпНт в ДВС с искровым зажиганием (ИЗ), возникает потребность перехода от системы питания с внешним смесеобразованием (например карбюраторная система питания) к системе питания с внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива). Применение непосредственного впрыскивания топлива (НВТ) в камеру сгорания (КС) с расслоением топливовоздушного заряда (ТВЗ) на режимах частичных нагрузок позволяет перейти на качественное или смешанное регулирование мощности, повысить техникоэкономические показатели и снизить содержание ВВ в ОГ двигателя с ИЗ. Переход на НВТ в КС с расслоением ТВЗ позволяет повысить степень сжатия (е) и увеличить термический КПД, и в свою очередь соответственно индикаторный и эффективный КПД.
Анализ публикаций
В настоящее время, при введении в странах Европейского Союза норм Е^О-У (2007 г.), а на территории стран СНГ - Е^О-П, производители ДВС с ИЗ разрабатывают и внедряют в производство системы питания для организации внутреннего смесеобразования, которые позволяют значительно снизить выбросы ВВ в ОГ и расход топлива [1]. Лидером по разработкам и внедрению систем НВТ на четырехтактных двигателях
являются: японские фирмы Mitsubishi Motors и TOYOTA, шведская фирма SAAB и французская фирма Renault с технологией GDI и французский концерн Peugeot - Citroen с системой HPI. Ведущие мировые производители BMV, MercedesBenz, Nissan, Volkswagen, Audi, Ford, Daimler Chrysler и т.д. так же довели экспериментальные образцы двигателей с системой НВТ и готовы к массовому производству [2]. Наиболее целесообразно применять НВТ в двухтактных двигателях с ИЗ. Это позволяет перейти на качественное или смешанное регулирование мощности, снизить расход топлива по отношению к карбюраторной системе питания на 10-30% за счет исключения потерь топлива при продувке и дополнительно -на 10-15% за счет организации расслоения ТВЗ. Таким образом, суммарную экономичность двухтактного ДВС с ИЗ можно повысить на 20-45% в зависимости от совершенства организации процессов газообмена и расслоения ТВЗ на частичных режимах работы двигателя, а также на 7090% снизить выбросы ВВ в ОГ. При этом соответственно организация расслоения ТВЗ позволяет повысить степень сжатия (є), исключая детонационное сгорание [3, 4, 5].
Цель и постановка задачи
Выявить и проанализировать основные закономерности изменения показателей процесса сгорания двухтактного двигателя с ИЗ при внешнем и внутреннем смесеобразовании на частичных нагрузках. Определить показатели процессов сгора-
ния по индикаторным диаграммам с карбюраторной системой питания и системой НВТ.
Анализ экспериментальных данных
Экспериментальные исследования проводились по нагрузочным характеристикам при ^=3000 мин1 на двухтактном двигателе ДН-4М ^/Б=87/82) с воздушным охлаждением, ИЗ и кривошипно-камерной продувкой. Во время эксперимента применялись две системы питания двигателя. Карбюраторная система питания обеспечивала внешнее смесеобразование при обогащенном составе топливо-воздушной смеси (ТВС) (а=0,8-0,9), а система НВТ позволила организовать внутреннее смесеобразование с расслоением ТВЗ (а^=1,4-2,0) на частичных режимах работы двигателя и гомогенный состав ТВС при полной нагрузке (а=1).Определить влияние протекания процессов сгорания при различных системах питания возможно путем индицирования двигателя. С этой целью на экспериментальном стенде (рис. 1) был установлен комплекс измерительной аппаратуры.
и пленочным смесеобразованием (рис. 2б). На индикаторных диаграммах двигателя, как с карбюратором, так и системой НВТ отсутствуют признаки детонации.
1
2
3 4
5
3
/ /~
Рис. 1. Общий вид стенда на базе гидротормоза
Регистрация давления газов в цилиндре двигателя проводилась с помощью шлейфового осциллографа И-117/1 на кинопленку. Сигналы от тензо-датчиков давления газов в цилиндре двигателя, давления топлива перед форсункой в системе то-пливоподачи, от индуктивного датчика положения ВМТ и сигнала искрового разряда в системе зажигания подаются через тензоусилитель 8АНЧ-23 к шлейфам осциллографа. Встроенный в осциллограф генератор частоты формирует и подает на регистрацию отметку интервалов времени. Для визуального наблюдения изменения давления использовался двухканальный осциллограф С1-77.
В результате экспериментальных исследований получены многоцикловые и развернутые индикаторные диаграммы. Для наглядного примера представлены развернутые индикаторные диаграммы двигателя ДН-4М при частоте вращения коленчатого вала ^=3000 мин1 и максимальной нагрузке Ре=0,45 МПа с карбюраторной системой питания (рис. 2а) и Ре=0,47МПа с системой НВТ
б
Рис. 2. Индикаторные диаграммы двигателя ДН-4М при я=3000 мин-1: а - с карбюратором (Ре=0,45 МПа); б - с НВТ (Ре=0,47 МПа): 1 -давление газов в цилиндре при сгорании; 2 -давление газов в цилиндре без зажигания; 3 - отметка момента зажигания; 4 - отметка ВМТ; 5 - отметка времени
Для определения влияния протекания процессов сгорания по развернутым индикаторным диаграммам в начале были определены осредненные индикаторные диаграммы двигателя на различных режимах по нагрузочной характеристике при я=3000 мин1 с карбюраторной системой питания и с системой НВТ. Осредненная индикаторная диаграмма на определенном режиме определялась вначале по многоцикловым диаграммам, где
устанавливалось pCP, исходя из pmax и pmln. Затем по расчетному значению pCP выбиралась соответствующая, наиболее близкая развернутая индикаторная диаграмма из 100 диаграмм, по которой рассчитывались основные показатели протекания процессов сгорания. При этом, используя полученные значения pCP и формулу (1),
а
1
5
4
проведена оценка поцикловой нестабильности [6].
„шах шіп
Д = р - р 100%,
р?
(і)
где р2 - максимальное давление газов в ци-
линдре на многоцикловои диаграмме; р2 - ми-
нимальное давление газов в цилиндре на многоцикловой диаграмме; р^ - среднее расчетное значение давления газов в цилиндре по многоцикловой диаграмме.
Результаты расчета по формуле (1) представлены в табл. 1.
Т аблица 1 Поцикловая нестабильность
последовательных циклов для внешнего и внутреннего смесеобразования при п=3000мин-
Нагрузка двигателя Ре, МПа Поцикловая нестабильность последовательных циклов - А, %
Карбюратор (внешнее смесеобразование) НВТ (внутреннее смесеобразование)
0,06 21
0,05 48
0,21 21
0,29 2
0,37 51
0,4 48
0,45 46
0,47 6
Организация внутреннего, пленочного смесеобразования позволила более чем в 2 раза снизить неидентичность протекания процесса сгорания в последовательных циклах.
По полученным значением р'ср выбираем соответствующие индикаторные диаграммы и преобразуем их в цифровой вид (рис. 3, 4). Схема обработки индикаторных диаграмм (рис. 5).
Согласно схеме (рис. 5) определены основные показатели процесса сгорания по осредненным индикаторным диаграммам для внешнего и внутреннего смесеобразования (табл. 2).
По данным табл. 2 построены зависимости показателей процесса сгорания (рис. 6 - 9) во всем диапазоне работы двигателя при п=3000 мин-1.
На минимальной нагрузке давление Рс' имеет большее значение в двигателе с НВТ, а при дальнейшем росте нагрузки значение Рс' больше с карбюраторной системой питания. Это связано с тем, что двигатель с карбюратором имеет неизменный угол опережения зажигания (0заж=27° до
ВМТ, рис. 7), а при НВТ 0заж устанавливался оптимальный для каждого режима нагрузки, поэтому значения РС' по экспериментальным данным ниже во всем диапазоне изменения нагрузок у двигателя с НВТ.
Понижение значений РС' в двигателе с НВТ снижает индикаторную работу на такте сжатия. При этом определена зависимость Рс, = -3,5269Ре2 + 3,8572Ре+ + 1,6105, которая позволяет определить конкретное значение РС' при любой нагрузке двигателя данной организации рабочего процесса.
Важными факторами, влияющими на процесс сгорания и на показатели двигателя, являются: угол опережения зажигания (0заж) и максимальное давление сгорания (Рг). Значения этих параметров приведены на рис. 7, 8. В двигателе с внутренним смесеобразованием угол опережения зажигания (0заж) возрастает при повышении нагрузки (Ре). Изменение 0заж позволило повысить индикаторную работу, получить наиболее оптимальные показатели процесса сгорания и работы двигателя (рис. 7) [7]. Определена зависимость 0заж=190,84Ре2 - 41,291Ре+7,0551 изменения наиболее оптимального угла опережения зажигания при внутреннем смесеобразовании от нагрузки.
С повышением нагрузки возрастают максимальные значения давления газов в цилиндре (Рг) (рис. 8). В двигателе с карбюраторной системой питания изменение Рг при повышении нагрузки происходит практически по линейному закону. Максимальное давление газов в цилиндре соответствует
Рг= 4,7 МПа при Ре=0,45МПа. При использовании системы НВТ в диапазоне изменения нагрузки от Ре=0,23 МПа до Ре=0,25 МПа значения Рг практически сопоставимы с карбюраторной системой питания. Дальнейшее повышение нагрузки до максимальных значений (Ре=0,47 МПа) приводит к снижению максимального давления сгорания (Р = 3,7 МПа). Для внутреннего смесеобразования определена зависимость Р2 = -13,087Ре2 + 11,324Ре + +1,2653 изменения максимального давления сгорания в зависимости от нагрузки.
Важным показателем, характеризующим работу двигателя, является степень повышения давления X при сгорании. Используя данные табл. 2, была построена зависимость X = /(Ре) (рис. 9).
Значение степени нарастания давления X взаимосвязано с максимальным давлением сгорания (Рг) и давлением конца сжатия (Рс). Поэтому в двигателе с внутренним смесеобразованием X меньше, чем в двигателе с внешним смесеобразованием во всем диапазоне нагрузок (рис. 10). При нагрузках от Ретт до 0,5Ретах значения степени повышения давления X в двигателе с карбюратором до 10% больше, чем с НВТ. В диапазоне нагрузок от
диаграмма давления газов в цилиндре без зажигания диаграмма давления газов в цилиндре при сгорании
Рис. 5. Схема обработки индикаторной диаграммы
Т аблица 2 Результаты обработки индикаторных диаграмм
Показатели процесса сгорания Тип смесеобразования
Внутреннее (непосредственный впрыск топлива) Внешнее (карбюратор)
Ре, МПа 0,06 0,21 0,29 0,47 0,05 0,37 0,4 0,45
Рг, МПа 1,89 3,09 3,43 3,7 1,7 4,1 4,5 4,7
Рс, МПа 1,7 1,7 1,7 1,7 1,47 1,47 1,47 1,47
Рс, МПа 1,83 2,26 2,44 2,64 1,67 3,71 3,75 3,85
фг, от ВМТ до Z гр. ПКВ 5 11 12 13 10 10 10 10
ф®, от 0 до ВМТ, гр. ПКВ 5 8 10 30 27 27 27 27
фЬ, от ВМТ до Ь гр. ПКВ 102 102 102 102 102 102 102 102
X (степень повышения давлния) 1,11 1,82 2,02 2,18 1,16 2,78 3,06 3,19
р (степень предварительного расширения) 1,03 1,13 1,16 1,18 1,02 1,02 1,02 1,02
5 (степень последующего расширения) 8,2 7,44 7,28 7,12 5,94 5,94 5,94 5,94
------ сжатие - расширение -------- Ре=0,21 МПа ------------- Ре=0,47 МПа
------ Ре=0,06 МПа -------- Ре=0,29 МПа
Рис. 3. Осредненные индикаторные диаграммы двигателя при НВТ
------ сжатие - расширение -------- Ре=0,37 МПа ------------- Ре=0,45 МПа
------ Ре=0,05 МПа -------- Ре=0,4 МПа
Рис. 4. Осредненные индикаторные диаграммы двигателя с карбюраторной системой питания
Ре, МПа
карбюратор
НВТ
Рис. 6. Зависимость давления газов в цилиндре при ВМТ (Рс=/(Ре))
Ре, МПа
карбюратор
НВТ
Рис. 7. Угол опережения зажигания (0заж=/(Ре))
5,5
4,5
3,5
2,5
Р2. МПа
1 . "" Г’
г\ \ Ч> \ С ^
і
р,=- 13,087Ре2 + 11,3 24Р е + 1,2653
**
V *
г
1,5 -І
0,05 0,1 0,15 0,2
0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Ре, МПа
карбюратор
НВТ
Рис. 8. Максимальное давление сгорания (Р2=^Ре))
3,5
< ^ < ** У
> **
«« у' •*
/ ' X = -7,69 57Ре2 + 6,6 505Ре+ 0,74 43
2,5
1,5
1
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Ре, МПа
5
4
3
2
X
3
2
карбюратор
НВТ
Рис. 9. Степень повышения давления (X = Д_Ре))
0.5.етах до Ретах рост и значения степени повышения давления X в двигателе с карбюратором в среднем на 25% больше, чем при использовании НВТ. Максимальное значение Х=2,1 при максимальной нагрузке (Ре=0,47 МПа) соответствует двигателю с НВТ. При этом для определения степени нарастания давления X в зависимости от нагрузки определена зависимость Х= - 7,6967Ре2 + +6,6605Ре + 0,7443.
Выводы
Применение НВТ в двухтактном двигателе с искровым зажиганием и организация пленочного смесеобразования обеспечило снижение максимального давления сгорания (Pz) на 20% и снижение значений степени повышения давления X, что позволило снизить температуру при сгорании и исключить детонационное сгорание при повышении степени сжатия до £=12.
Определение и анализ показателей процесса сгорания (степени предварительного расширения (р) и степени последующего расширения (5)), характеризующих протекание процесса сгорания от начала воспламенения до открытия выпускного окна и соответственно индикаторную работу газов в объеме двигателя за цикл. будет представлено в последующей публикации.
Литература
1. Системы управления бензиновыми двигателя-
ми: Пер. с нем. - М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. - 432 с.
2. Корогодський В.А., Обозний С.В. Вплив спо-
собу регулювання потужносп двотактного
двигуна з іскровим запалюванням на показники робочих процесів // Теплоенергетичні установки та екологія на залізничному транспорті: Міжвуз. зб. наук. пр. / Укр. держ. акад. залізнич. трансп. - Х.: УкрДАЗТ, 2005. -Вип. 70. - С. 62-72.
3. Корогодский В.А., Обозний С.В. Организация
пленочного смесеобразования и определение степени расслоения заряда в двухтактном двигателе с искровым зажиганием и непосредственным впрыскиванием топлива // Двигатели внутреннего сгорания / Научн. техн. журнал. - Харьков. - 2003. - № 1-2. -С. 41-48.
4. G.K. Fraidl, W.Piock, M. Wirth. Strait to the Point
// Engine technology international. - UK and International Press; November, 1997. - Р. 30-31.
5. http://www.evinrude.com
6. Корогодский В.А. Оценка поцикловой неста-
бильности последовательных циклов двухтактного двигателя с искровым зажиганием при внутреннем и внешнем смесеобразовании // Автомобильный транспорт / Сб. научн. трудов. - Харьков: ХНАДУ. - 2003. -Вып. 13. - С. 241-248.
7. Двигатели внутреннего сгорания: Теория
поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. -М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 марта 2007 г.
