CC BY
20
14. Volnikov, M. I. Analysis of vibration damping using DWS using the method of finite difference / M. I. Volnikov, A. I. Shein // Actual problems of modern construction: Works of the Intern. scientific-technical. conf. (April 22-25, 2007). - Penza: PSUAC, 2007. - P. 95 - 99.
15. Volnikov, M. I. Mathematical modeling of dynamics of heterogeneous structures / M. I. Volnikov. - abstract of the dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences, Penza 2007. - 21 p.
16. Volnikov, M. I. Dynamic processes in discrete mediums influenced by vibration / M. I. Volnikov // Perspective technologies, equipment, and analytical systems for materials science and nanomaterials: materials of the 1st international Kazakh-Russian-Japanese scientific conference and the 6th Russian-Japanese seminar (24 - 25 June 2008). - Ust-Kamenogorsk: VKGTU, 2008. - P. 685 - 689.
УДК 621.434.001.4
ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТИПОВОМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ РЕЖИМАХ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ХОЛОСТОГО ХОДА
Д. А. Уханов, доктор техн. наук, профессор; А. П. Уханов, доктор техн. наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (8412) 62-85-17; e-mail: [email protected]
М. Ф. Глебов, канд. техн. наук, доцент
Пензенский артиллерийский инженерный институт, Россия, т. (8412) 54-64-50, e-mail: max. [email protected]
Характер протекания рабочего процесса бензинового карбюраторного двигателя на режиме самостоятельного холостого хода (РСХХ) зависит от качественного состава топливо-воздушной смеси (ТВС) и способа её подачи в камеру сгорания. Для улучшения показателей рабочего процесса двигателя на РСХХ разработан способ дозированной подачи ТВС и система автоматического управления (САУ), реализующая этот способ.
При остановках и стоянках автомобиля с невыключенным двигателем за счет чередования единичного и нулевого импульсов напряжения, подаваемых с электронного блока САУ в обмотку штатного электропневматического клапана карбюратора, осуществляется перевод работы двигателя на экспериментальный РСХХ - режим периодически повторяющихся тактов включения и отключения ТВС. При этом возвратно-поступательные перемещения клапана обеспечивают дополнительное перемешивание ТВС в каналах системы холостого хода карбюратора и подачу её в камеру сгорания дозированными порциями.
Результаты выполненных исследований показывают, что работа карбюраторного двигателя 4Ч 9,2/9,2 на экспериментальном РСХХ обеспечивает улучшение показателей рабочего процесса по сравнению с работой двигателя на типовом РСХХ.
Ключевые слова: карбюраторный двигатель, топливовоздушная смесь, электропневматический клапан, режим самостоятельного холостого хода, дозированная подача, система автоматического управления, показатели рабочего процесса.
Введение. В настоящее время в эксплуатации находится большое количество автотранспортных средств (АТС), оснащённых бензиновыми карбюраторными двигателями. При остановках и стоянках АТС с невыключенным двигателем последний работает на типовом режиме самостоятельного холостого хода (РСХХ), который характеризуется малыми цикловыми подачами топлива и переобогащённым составом топливовоздушной смеси (ТВС). Пониженные цикловые подачи топлива и некачественное смесеобразование в каналах системы холостого хода (СХХ) карбюратора приводят к ухудшенному протеканию рабочего процесса двигателя и, как след-
ствие, к повышению эксплуатационного расхода топлива. Кроме того, карбюраторы с подачей топливовоздушной смеси на РСХХ в задроссельное пространство имеют ряд недостатков, связанных с неудовлетворительным распыливанием топлива, некачественным смесеобразованием, неодинаковым межцикловым составом ТВС и неравномерным распределением её по цилиндрам, что способствует на малой частоте вращения коленчатого вала (к. в.) неустойчивой (нестабильной) работе двигателя [1-3].
Для повышения показателей рабочего процесса карбюраторного бензинового двигателя разработаны устройства, реали-
Нива Поволжья № 2 (35) май 2015 99
Рис. 1. Система автоматического управления: 1 - электронный блок управления; 2 - электропневматический клапан
3 - микропереключатель
зующие следующие способы улучшения качественного состава ТВС: подогрев ТВС в карбюраторе, механическое воздействие на ТВС, электромагнитная или ультразвуковая обработка ТВС, подогрев ТВС во впускном тракте после карбюратора и др. Однако из-за сложности в реализации и малой эффективности перечисленные способы практически не применяются в условиях эксплуатации АТС. В ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» разработан, запатентован и реализован более эффективный способ, основанный на дозированной подаче ТВС через каналы СХХ карбюратора [4-8].
Сущность предлагаемого способа заключается в переводе работы карбюраторного бензинового двигателя при остановках и стоянках АТС на автоматический режим периодически повторяющихся кратковременных циклов, состоящих из тактов включения и тактов отключения подачи ТВС, путём подачи единичного или нулевого импульса напряжения в обмотку штатного электропневматического клапана карбюратора. При этом за счёт возвратно-поступательного перемещения исполнительных элементов клапана обеспечивается открытие или перекрытие выходного канала СХХ карбюратора и, как следствие, дополнительное перемешивание ТВС и подача её в цилиндры двигателя дозированными порциями. Такой безнагрузочный режим работы двигателя называется экспериментальным РСХХ. Для практической реализации описанного способа разработана система автоматического управления (САУ) работой карбюраторного двигателя на РСХХ с
подачей импульсного напряжения в обмотку электропневматического клапана экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ) карбюратора. При этом функции ЭПХХ при работе АТС на режимах принудительного холостого хода сохраняются.
Основными элементами САУ являются электронный блок управления 1 (рис. 1), электропневматический клапан 2 и микропереключатель 3, электрически соединённые между собой и с источником питания + 12 В [9-11].
Методика исследований. В процессе исследований двигателя при работе на экспериментальном РСХХ необходимо знать закономерности изменения пропускной способности выходного канала СХХ карбюратора с помощью электропневматического клапана ЭПХХ карбюратора в зависимости от параметров управляющих импульсов напряжения, формируемых в электронном блоке САУ. Оценка влияния параметров (длительности и пауз) управляющих импульсов САУ на пропускную способность выходного канала СХХ карбюратора проводилась на лабораторной установке (рис. 2), включающей прибор К-2 для определения пропускной способности жиклеров карбюратора 1, электронный блок 2 САУ, электропневматический клапан 3,4 ЭПХХ карбюратора К-151, мерную колбу 5.
Исследования проводились в соответствии с требованиями инструкции прибора К-2 [12]. Возвратно-поступательное перемещение исполнительных элементов электропневматического клапана, а следовательно и изменение его пропускной способности, осуществлялось изменением па-
Рис. 2. Лабораторная установка для исследования пропускной способности выходного канала системы холостого хода карбюратора: 1 - прибор К-2; 2 - электронный блок САУ; 3 - электромагнитный клапан ЭПХХ; 4 - пневматический клапан ЭПХХ; 5 - мерная колба
раметров управляющих импульсов с помощью регуляторов длительности сигнала и паузы между ними, расположенных на передней панели электронного блока САУ.
Экспериментальные исследования бензинового двигателя на РСХХ, оснащённого карбюратором К-151 с электропневматическим клапаном, выполнялись на установке, включающей двигатель 4Ч 9,2/9,2; динамометрическую машину ^-56/4; измерительно-регистрирующий комплекс и САУ работой двигателя на РСХХ.
Результаты исследований. Анализ полученных зависимостей (рис. 3) показывает возможность изменения пропускной способности выходного канала СХХ карбюратора электропневматическим клапаном с 20,86 см3/мин (длительность импульса 10 мс и пауза между импульсами 400
мс) до 55,3 см /мин (длительность импульса 400 мс и пауза между импульсами 10 мс) путем изменения параметров управляющих импульсов. Для обеспечения минимально-устойчивой частоты вращения к. в. двигателя в экспериментальном РСХХ на уровне 550 мин-1 были использованы параметры управляющих импульсов с длительностью сигнала 50 мс и паузой между ними 300 мс.
Изменение частоты вращения к. в. на типовом РСХХ в пределах 550-1200 мин-1 осуществлялось установкой на карбюратор топливных жиклёров с различной пропускной способностью.
За оценочные показатели рабочего процесса карбюраторного двигателя при работе на типовом и экспериментальном РСХХ приняты характеристики холостого
Рис. 3. Зависимость пропускной способности выходного канала системы холостого хода карбюратора: а) от длительности управляющих импульсов; б) от времени пауз между управляющими импульсами
Нива Поволжья № 2 (35) май 2015 101
хода, показывающие изменение коэффициента избытка воздуха (а), максимального давления цикла (Р2), теплоты сгорания то-пливовоздушной смеси (Н раб. см), индикаторного КПД (п) и удельного индикаторного расхода топлива (д,) в зависимости от частоты вращения к. в. (рис. 4 - рис. 9).
1-05 --------г
С5
550 750 950 1200
Частота вращения к. в , мин-1
Рис. 4. Коэффициент избытка воздуха в условиях характеристики холостого хода: -я- типовой РСХХ (карбюратор в штатной комплектации); -♦- экспериментальный РСХХ (карбюратор, оснащённый САУ);
-•- типовой РСХХ (карбюратор со сменными воздушными жиклёрами)
Анализ результатов выполненных исследований показывает, что наилучшие показатели рабочего процесса двигателя достигаются с установочным углом опережения зажигания 12,5 град. по валику прерывателя-распределителя, с температурами охлаждающей жидкости на выходе из двигателя 90 °С, воздуха на впуске 20 оС, топлива в поплавковой камере карбюратора 25 °С и штатной регулировкой карбюратора [13-15]. На типовом РСХХ коэффици-
ент избытка воздуха изменялся в пределах а =0,78-0,93 за счёт сменных воздушных жиклёров карбюратора с различной пропускной способностью, на экспериментальном РСХХ коэффициент а изменялся в пределах 0,78.1,02 за счёт параметров управляющих импульсов напряжения, формируемых в электронном блоке САУ и подаваемых в обмотку электропневматического клапана карбюратора.
При работе двигателя на экспериментальном РСХХ за счёт более качественного приготовления ТВС и дозированной подачи её в цилиндры коэффициент избытка воздуха (рис. 4) возрастает с 0,78 до 1,02, а частота вращения к. в. снижается с 1200 мин-1 до 550 мин-1. На типовом РСХХ в штатной комплектации карбюратора коэффициент а =0,78, с использованием карбюратора со сменными воздушными жиклёрами коэффициент а изменяется от 0,78 до 0,93, а частота вращения к. в. повышается с 550 мин-1 до 1200 мин-1.
Теоретическое максимальное давление цикла (рис. 5) на экспериментальном РСХХ возрастает с 4,38 МПа (п = 1200 мин-1) до 4,63 МПа (п = 550 мин-1), тогда как это давление на типовом РСХХ не превышает 4,23 МПа (п = 550 мин-1) и 4,57 МПа (п = 1200 мин-1).
Результаты теоретических расчетов максимального давления цикла подтверждаются экспериментальными данными, полученными после обработки индикаторных диаграмм (рис.6). Отклонение экспериментального максимального давления цикла от теоретического, например, на частоте вращения к. в. 750 мин-1 составило около 5 %: 4,46 МПа на экспериментальном РСХХ (а=1,02) и 4,27 МПа на типовом РСХХ (а=0,78).
Рис. 6. Индикаторная диаграмма двигателя 4Ч 9,2/9,2: — типовой РСХХ; — экспериментальный РСХХ; 1 - начало подачи топлива, 2 - отрыв линии сгорания от линии сжатия, 3, 4 - максимальное давление; 1-2 - период задержки воспламенения, 2-3 - период сгорания с интенсивным повышением давления
Рис. 5. Максимальное давление цикла в условиях характеристики холостого хода: -я- типовой РСХХ (а =0,78); -♦- экспериментальный РСХХ (а=0,78-1,02); -•- типовой РСХХ (а =0,78-0,93)
При увеличении коэффициента избытка воздуха с 0,78 до 0,93 на типовом РСХХ теплота сгорания рабочей смеси повышается на 9 %: с 69 МДж/кг (п=550 мин-1) до 76 МДж/кг (п = 1200 мин-1); при постоянном коэффициенте избытка воздуха а = 0,78 теплота сгорания рабочей смеси не изменяется (рис. 7).
На экспериментальном РСХХ при обеднении ТВС с а = 0,78 до а =1,02 происходит не только повышение теплоты сгорания до 79 МДж/кг (на 13 %), но и снижение частоты вращения к. в.
Рис. 7. Теплота сгорания рабочей смеси в условиях характеристики холостого хода: -я- типовой РСХХ (а =0,78);-*- экспериментальный РСХХ (а=0,78-1,02); •- типовой РСХХ (а =0,78-0,93)
За счёт более качественного состава ТВС (коэффициент избытка воздуха достигает 1,02) и более полного её сгорания в цилиндрах двигателя, а также появления небольшой по величине знакопеременной динамической нагрузки двигателя в процессе
создания тактов отключения (тактов выбега) и тактов включения ТВС (тактов разгона) на экспериментальном РСХХ происходит повышение индикаторного КПД (рис. 8) на 40 % (с 0,25 до 0,35) и снижение удельного индикаторного расхода топлива (рис. 9) на 28 % (с 327 г/кВтч до 235 г/кВтч).
Рис. 8. Индикаторный КПД в условиях характеристики холостого хода: -я- типовой РСХХ (а =0,78); -♦- экспериментальный РСХХ(а=0,78-1,02); -•- типовой РСХХ (а =0,78-0,93)
Рис. 9. Удельный индикаторный расход топлива в условиях характеристики холостого хода: -я- типовой РСХХ (а =0,78); -♦-экспериментальный РСХХ(а=0,78-1,02); -•- типовой РСХХ (а =0,78-0,93)
Выводы. Результаты выполненных сравнительных исследований показывают, что при работе автомобильного бензинового двигателя 4Ч 9,2/9,2 на экспериментальном РСХХ показатели рабочего процесса существенно улучшаются по сравнению с работой двигателя на типовом РСХХ. При этом происходит обеднение ТВС с а = 0,78 до 1,02, увеличение теплоты сгорания рабочей смеси и индикаторного КПД соответственно на 13 % и 40 %, уменьшение индикаторного расхода топлива на 28 %.
Нива Поволжья № 2 (35) май 2015 103
Литература
1. Уханов, А. П. Алгоритмы функционирования и конструктивные варианты исполнения системы автоматического управления подачей топливовоздушной смеси на экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода карбюраторного двигателя / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Нива Поволжья. - 2015. - № 1 (34). - С. 71-78.
2. Уханов, А. П. Улучшение работы автомобилей с карбюраторными двигателями на холостом ходу / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Новые промышленные технологии. - 2005. -№ 2. - С. 37-42.
3. Уханов, Д. А. Работа карбюраторного двигателя на холостом ходу: проблемы, технические решения и теоретическое обоснование / Д. А. Уханов // Нива Поволжья. - 2008. - № 1 (6). - С. 30-33.
4. Пат. 2204730 Россия, МПК 7 F 02 D 41/16, 17/04, G 01 М 15/00. Способ управления работой транспортного двигателя внутреннего сгорания на режиме динамического холостого хода и устройство для его осуществления / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов, А. С. Тимохин.-№ 2001112308/06; Заяв. 04.05.2001; Опубл. 20.05.2003, Бюл. № 14.
5. Пат. 2460897 Россия, МПК F 02 D 41/16. Способ управления работой карбюраторного двигателя на динамическом режиме самостоятельного холостого хода / Уханов А. П., Уханов Д. А., Уханов М. А. - № 2011109825/06; Заяв. 15.03.2011; Опубл. 10.09.2012, Бюл. № 25.
6. Уханов, Д. Управление режимом холостого хода / А. Уханов, Д. Уханов, А. Отраднов // Сельский механизатор. - 2007. - № 9. - С. 48.
7. Уханов, Д. А. Новая концепция работы двигателей автотракторной техники на безнагрузочных режимах / Д. А. Уханов // Вестник Московского госагроинженерного университета им.
B. П. Горячкина. - 2008. - № 2 (27). - С. 100-102.
8. Уханов, Д. А. Новый принцип работы бензиновых двигателей на режиме холостого хода / Д. А. Уханов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2008. - № 4. -
C. 66-69.
9. Пат. 2302542 Россия, МПК F 02 D 41/02, F 02 D 41/10. Система автоматического управления карбюраторным двигателем в режиме холостого хода / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов. - № 2006105176/06; Заяв. 20.02.2006; Опубл. 10.07.2007, Бюл. № 19.
10. Уханов, Д. Экономайзер самостоятельного режима холостого хода / Д. Уханов, М. Глебов // Сельский механизатор. - 2008. - № 2. - С. 44-45.
11. Уханов, А. П. Снижение минимально-устойчивой частоты вращения ко-ленчатого вала / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Тракторы и сель-скохозяйственные машины. - 2002. -№ 10. - С. 18-20.
12. Стенд вакуумный для испытания карбюраторов. Руководство по эксплуатации. - М.: ИнтерПринт, 1999. - 18с.
13. Уханов, Д. А. Результаты исследований карбюраторного двигателя при работе на безнагрузочных режимах / Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Нива Поволжья. - 2008. - № 2 (7). - С. 64-69.
14. Уханов, Д. А. Математическое описание процесса управления топливоподачей дизеля автотракторной техники в динамическом режиме самостоятельного холостого хода / Д. А. Уханов, А. П. Уханов // Научное обозрение. - 2015. -№ 3. - С.38-43.
15. Уханов, Д. А. Расчётно-теоретическое обоснование показателей рабочего процесса карбюраторного двигателя в экспериментальном режиме холостого хода / Д. А. Уханов, А. П. Уханов, М. Ф. Глебов // Научное обозрение. - 2015. - № 4. - С.56-63.
UDK 621.434.001.4
CHARACTERISRICS OF THE WORKING PROCESS OF CARBURETOR ENGINE ON TYPICAL AND EXPERIMENTAL REGIMES OF SELF IDLING
D.A. Ukhanov, doctor of technical sciences, professor; A.P. Ukhanov, doctor of technical sciences, professor
FSBEE HPT "Penza SAA", Russia, t. 62-85-17; e-mail: [email protected]
M.F. Glebov, candidate of technical sciences, assistant professor
Penza artillery engineering Institute, Russia, t. (8412) 54-64-50, e-mail: max. [email protected]
The nature of working processes in gasoline carburetor engine on the mode of self idling (RSHH) depends on the qualitative composition of the fuel-air mixture (FAM) and the method of its delivery to the combustion chamber. To improve working characteristics of the engine RSHH a method of dispensing the fuel was developed and a system of automatic control system (ACS), which implements this method was worked out.
At stops and parking of the automobile with the engine turned on the alternation of the singular and zero impulses of the voltage supplied from the electronic unit of the ACS to the winding of electrical-pneumatic valve of the carburetor, there is the transfer of operation of the engine to the experimental RSHH - the mode of periodically repeated cycles of turning on and off of FAM. During this process the reciprocating movement of the valve provides additional mixing of the FAM in the channels of system of idling of the carburetor and its supply to the combustion chamber in metered portions.
The results of the research show that the work of the engine carburetor 4H 9,2/9,2 on the experimental RSHH provides improvement of working characteristics compared to those of the engine model RSHH.
Keywords: gasoline engine, air-fuel mixture, an electrical-pneumatic valve, the mode of self idling, dosing supply system, automatic controlling, the characteristics of the working process.
References:
1. Ukhanov, A. P. Algorithms of functioning and constructive options of system of automatic control of the fuel-air mixture supply on the experimental mode of self idling of the engine carburetor / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, M. F. Glebov // Niva Povolzhya. - 2015. - № 1 (34). - P. 71-78.
2. Ukhanov, A. P. Improving the performance of automobiles with petrol engines at idling / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, M. F. Glebov // New industrial technologies. - 2005. - № 2. - P. 37-42.
3. Ukhanov, A. D. Work of the carbureted engine at idling: problems, techniques and theoretical substantiation / D. A. Ukhanov // Niva Povolzhya. - 2008. - № 1 (6). - S. 30-33.
4. Pat. 2204730 Russia, IPC 7 F 02 D 41/16, 17/04, G 01 M 15/00. A method of controlling the operation of transport internal combustion engine on the mode of dynamic idling and device for its implementation / A. P. Ukhanov, S. V. Timokhin, D. A. Ukhanov, A. S. Timokhin. - № 2001112308/06; Stated. 04.05.2001; Publ. Part on 20.05.2003, bull. № 14.
5. Pat. 2460897 Russia, IPC F 02 D 41/16. A method of controlling the operation of the engine carburetor on the dynamic mode of self idling / A. P. Ukhanov, Ukhanov, A. D., M. A. Ukhanov - № 2011109825/06; Stated. 15.03.2011; Publ. 10.09.2012, bull. № 25.
6. Ukhanov, D.A. Control of the mode of idling / A. Ukhanov, D. Ukhanov, A. Otradnov // Selsky mekhanizator. - 2007. - № 9. - 48 p.
7. Ukhanov, A. D. A new concept of engine operation of automotive tractor equipment on non-load modes / D. A. Ukhanov // Vestnik of Moscow state agro-engineering university in the name of V. P. Goryachkin. - 2008. - № 2 (27). - P. 100-102.
8. Ukhanov, D.A. A new principle of operation of gasoline engines at idling / D. A. Ukhanov // Vestnik of Saratov state agrarian university in the name of N. I. Vavilov. - 2008. - № 4. - P. 66-69.
9. Pat. 2302542 Russia, IPC F 02 D 41/02, F 02 D 41/10. Automatic control system of automobile at carburetor engine idling / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, M. F. Glebov. - № 2006105176/06; Stated. 20.02.2006; Publ. 10.07.2007, bull. № 19.
10. Ukhanov, D. Economizer of independent idling / D. Ukhanov, M. Glebov // Selsky mekhanizator.
- 2008. - № 2. - P. 44-45.
11. Ukhanov, A. P. Decreasing minimally sustainable velocity of crank shaft / A. P. Ukhanov, S. V. Timokhin, D. A. Ukhanov // Tractors and agricultural machines. - 2002. - № 10. - P. 18-20.
12. Stand vacuum for testing carburetors. Manual. - M.: Interprint, 1999. - 18 p.
13. Ukhanov, D. A. The results of testing the carburetor engine at running on non-load modes / D. A. Ukhanov, M. F. Glebov // Niva Povolzhya. - 2008. - № 2 (7). - P. 64-69.
14. Ukhanov, D. A. Mathematical description of the process of fuel supply control of diesel of automotive tractor vehicles in the dynamic mode of independent idling / D. A. Ukhanov, A. P. Ukhanov // Scientific review. - 2015. - № 3. - P. 38-43.
15. Ukhanov, D. A. Calculation-theoretical reasoning of the working process of the engine carburetor at the experimental mode of idling / D. A. Ukhanov, A. P. Ukhanov, M. F. Glebov // Scientific review.
- 2015. - № 4. - P. 56-63.
Нива Поволжья № 2 (35) май 2015 105
