Работа карбюраторного двигателя на холостом ходу: проблемы, технические решения и теоретическое обоснование Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.434

РАБОТА КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ:

ПРОБЛЕМЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Д. А. Уханов

ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», г. Пенза

В статье предлагается использование экспериментального режима холостого хода на автомобилях с бензиновыми двигателями, карбюраторы которых оснащены электропневматическим клапаном. Описана система автоматического управления для воспроизведения экспериментального режима холостого хода. Приводится теоретическое обоснование показателей рабочего цикла карбюраторного двигателя на режиме холостого хода с обедненным составом топливовоздушной смеси.

Режим холостого хода (РХХ) является одним из самых неэкономичных режимов карбюраторного двигателя. Так, например, в условиях городского движения доля РХХ от полного времени работы автомобиля обычно составляет 15...30 %, на что непроизводительно расходуется 15.25 % топлива.

В РХХ состав топливовоздушной смеси (ТВС) должен быть близок к нормальному. Однако на практике для устойчивой работы двигателя на малых частотах вращения

коленчатого вала (к. в.) карбюратор регулируют на обогащённый состав ТВС, что приводит к повышенному расходу топлива и увеличению концентрации оксида углерода, альдегидов, бензапиренов и других вредных веществ, содержащихся в отработавших газах, а работа двигателя сопровождается интенсивным лаконагарным отложением на деталях карбюратора, цилиндропоршневой группы и впускного тракта, повышенной скоростью загрязнения свечей зажигания.

Очевидность недостатков, присущих типовому безнагрузочному режиму, указывает на необходимость разработки новых способов и средств для улучшения работы бензиновых карбюраторных двигателей на холостом ходу при остановках и стоянках автомобиля.

Известные способы не в полной мере решают данную проблему. В связи с этим разработан способ [1], заключающийся в переводе работы двигателя при остановках и стоянках автомобиля на автоматический режим периодически повторяющихся тактов включения и отключения подачи ТВС через выходной канал системы холостого хода (СХХ) карбюратора в области пониженных частот вращения к. в. При этом за счёт широто-импульсного управления штатным запорным электропневматическим клапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ) обеспечивается дозированная подача ТВС периодически повторяющимися циклами.

Структурная схема САУ

К достоинствам предлагаемого способа относятся: универсальность по отношению к различным типам двигателей, карбюраторы (К-151 и др.) которых оснащаются электромагнитным или электропневмати-ческим клапанами системы холостого хода; компактность и простота в изготовлении.

Для практической реализации данного способа была разработана система автоматического управления (САУ) [2], включающая в себя блок управления электроп-невматическим клапаном и электронный тахометр. Функции датчика частоты вращения к. в. выполняют контакты прерывателя-распределителя штатной системы зажигания двигателя.

САУ параллельно подключается к электрической цепи ЭПХХ и работает следующим образом. После пуска и прогрева двигателя до температуры 50+5 °С при отпущенной педали акселератора и частоте вращения к. в. 750.900 мин-1 происходит замыкание штатного микропереключателя (рисунок) и включение блока управления, который переводит работу двигателя в экспериментальный РХХ, т. е. в режим периодически повторяющихся тактов включения и отключения ТВС через выходной канал карбюратора. Устойчивая работа двигателя обеспечивается ручной настройкой длительности частоты и паузы управляющего сигнала, передаваемого в цепь электропневматического клапана. При этом функции ЭПХХ не нарушаются, т. к. последний вступает в работу при частоте 1400.1600 мин-1.

Применение САУ, обеспечивающей циклическое перемещение электропневмати-ческого клапана карбюратора на холостом ходу и, как следствие, дозированную подачу в цилиндры двигателя, вносит существенные изменения в протекание рабочего процесса, который во многом определяется качественным составом ТВС (коэффициентом избытка воздуха). Коэффициент избытка воздуха, в свою очередь, зависит от массовых расходов топлива (вт) и воздуха (вВ) соответственно через топливные и воздушные жиклеры СХХ карбюратора:

а = в /в 1 , в то

(1)

где 10 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кг.

Теоретические (“В, “В,) и действительные (“Д, “Д,) скорости воздуха (без учета гидравлических сопротивлений) в карбюраторе К-151 для любого сечения воздушного жиклёра и атмосферного штуцера:

- для воздушного жиклёра 6

“в = ,/2<ро-Рд)/рв =,рРЛ • м/с,

“ = ф aw = ц,w , м/с. д ^д с в гд в

- для атмосферного штуцера 28 , = ,/2<Ро -Рд,)/Рв = ,/2ЙРд,/Рв • м/с

= ф а w = а w , м/с.

1 тт г- тг ' тт тг

(3)

(4)

(5)

д, д с, в, д,

где рО - атмосферное давление, Па; рД, рД1 и АрД, АрДі - соответственно давление и разрежение в любом сечении воздушного жиклёра и атмосферного штуцера, Па; рВ -плотность воздуха в зависимости от температуры [р =р <1 ) ], кг/м3; фд - коэффи-

В В В

циент скорости, учитывающий гидравлические сопротивления впускного трубопровода; аС, аС,- коэффициенты сужения струи, равные отношению площади минимального сечения потока воздуха к минимальной площади соответственно воздушного жиклёра, атмосферного штуцера ( ас = ^/д,

а„ = ґ /д ); а, а - коэффициенты расхо-

С1 п д, д д,

да соответственно воздушного жиклёра, ат-

мосферного штуцера (а

д

: ф а , а = ф а ). с 'д, с,

Применительно к карбюратору К-151 массовый расход воздуха:

- через воздушный жиклёр

в = <пгі /4) аw р = в д "д в'в

= <пйд /4)адА/2^Ррр

, кг/с,

(6)

- через атмосферный штуцер

в = <пгі2 /4) а w р =

д,

д, в, 'в

= <”^/4)\,рррЛ

, кг/с,

(7)

где dД - диаметр воздушного жиклёра, м; dд1 - диаметр атмосферного штуцера, м.

Взаимосвязь между разрежением в атмосферном штуцере и частотой вращения коленчатого вала описывается соотношением:

Др = д,

п

V

д,

d

V д,)

П1

І20

(8)

где Б и 8 - диаметр и ход поршня, м; п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1, \ - число тактов двигателя; Пу - коэффициент наполнения.

d = D

д,

= /4с /п а w р

•і І тэ 'тт тг 1 г

м.

(9)

д, в'в

м

Теоретическая скорость топлива, проходящего через топливный жиклёр

“ = т.т

Г др 1

1 - Др

рт эт

, м/с,

(10)

Рт

■(Дрт - дрэт)

V

где Др- разрежение в топливном жиклёре; ^Рт - разрежение в эмульсионной трубке; р - плотность топлива в зависимости от температуры [ р = р(1;т) ], кг/м3.

Разрежение в эмульсионной трубке СХХ

Др = *э.т

Др.

, Па,

(11)

где f и f - соответственно площади

в р

проходных сечений эмульсионного жиклёра и выходного канала СХХ, м2. Коэффициент расхода:

- топлива для топливного канала

а =ф а , гж.т.к ж.т.к ж.т.к

- эмульсии для топливного канала

а =ф а , гв.э.к в.э.к в.э.к

- топлива для выходного канала

а =ф а , гж.т ж.т ж.т

- эмульсии для выходного канала

а =ф а , гв.э в.э в.э

(12)

(13)

(14)

где ф^

ф„

ф.

фт

(15) - коэффици-

ж.т.к в.э.к ж.т в.э

енты скорости, учитывающие потери соответственно при истечении топлива и эмульсии для топливного и выходного каналов;

а

а

а

а - коэффици-

в. э

ж.т.к в.э.к ж.т

енты сужения струи соответственно топлива и эмульсии для топливного и выходного каналов.

Массовый расход:

- топлива через топливный канал

в

пб2

ж.т.к

• а • w • р = гж.т.к т.т 'т

пб2

ж.т.к

• а • \/2- р •( Др - Др )

гж.т.к \ 'т ' т гэ.т/

,кг/с, (16)

пб2

в = в.э.к_ • а • w р =

4 гв.э.к. т.т'в

в.э.к.

п2

" ав.э.к. V2 рв( Дрт - Дрэ.т)

,кг/с, (17)

- топлива через выходной канал

пб2

в =—а ^ •р =

ж.т. 4 гж.т т.т 'т , ,.

4 , кг/с, (18)

пб2

ж.т

• а •л/2-рТДф-Дф )

гж.т \ 'т \ *т *э.т/

эмульсии через выходной канал

пб2

в =—— • а ^ • р =

■ О Т Т * ТЭ

в.э 4 пгї

, кг/с, (19)

-вэ- а ч/2-ріДр—Др )

4 гв.э \ в \ т э.т/

где ё , d , ё , ё - соответст-

в.э в.э.к ж.т. ж.т.к.

венно диаметры эмульсионного (воздушного) жиклёра, эмульсионного канала, топливного жиклёра, выходного канала, м; wтт - теоретическая скорость истечения

топлива соответственно для топливного и выходного каналов, м/с.

Диаметр топливного жиклера холостого хода

ё = ЙО /( Па ш р ) , м. (20)

ж.т \ ж.т^ гж.т т.т'т ’

Диаметр эмульсионного (воздушного)

жиклёра

ё = ДО /Т Па ш р ) , м. (21)

в.э \ в.э ' в.э т.т'в ’

С учётом вышеизложенного, для работы автомобильного двигателя 4Ч 9,2/9,2 с карбюратором типа К-151 на РХХ развёрнутая формула для расчёта коэффициента избытка воздуха примет вид:

- на типовом РХХ

пб2

а=-

аА2рв Дрд ав.^2рв(Др - Др,)

о 4

—а ./2р (Др - Др

гж.т\ 'т *3.

d I 1 а \| р Др - Др

ж.т^ о гж.т і т т *э.т

Г d 1 а Ш

1 в.э і гв.эУ 'в

d } і а л/р'

ж.т / огж.тУ т

(22)

ж.т.к

+

- на экспериментальном РХХ

а <пбд Йа/2^ + &>/2р(Ар-Ар,)-

- 0,^2Й(Ар.-Ар,)-п /д^2йвА 13,]):

: <1о[пг ы2Й(А I?-АВт)-

^ 2р(А I?-Арт)]) =

- т

+тбд, Дд^л/^Ёд,

1о -тсіж.І.кйк.І

d22 . э . йэ ^ .э .кй.э . к

с)

р

.-тЦ

Я (ДВ - Др.т) (23)

1 ,1 ,1 ) - поправочный без-

оп т в ож

1о <dЖ

где т = т<у

размерный коэффициент т = [0..Л], учитывающий длительность и паузу управляющего сигнала в зависимости от угла опережения зажигания (у оп) и температур топлива в поплавковой камере карбюратора

(х ), воздуха на впуске (1 ), охлаждающей

т в

жидкости на выходе из двигателя ( х ).

ож

При работе двигателя на типовом (самостоятельном) и принудительном РХХ величина т соответственно будет равна 0 и 1, а коэффициент а будет соответствовать нормативному значению на этих режимах.

Анализ формулы (23) показывает, что коэффициент а зависит как от конструк-

тивных (d

а

в.э

d

в.э.к

d

ж. т.

d

ж.т.к.

d

) так и гидродинамических (Рд

Др , Др

Др , Др , “

1т 1 ^ Т 'Т

р <1 ), рО: )) параметров карбюратора. в в т т

В процессе эксплуатации автомобильного двигателя воздействовать на состав ТВС, т. е. на коэффициент избытка воздуха (а), с помощью разработанной САУ можно, изменяя при этом перечисленные гидродинамические параметры карбюратора. Расчёты и опыты показывают, что на экспериментальном РХХ это приводит к расширению диапазона обеднения ТВС в СХХ карбюратора с а = 0,82.0,96 до а = 0,82.1,1. При этом длительность управляющих импульсов, поступающих на элек-тропневматический клапан, и пауз между ними зависит от закона изменения коэффициента т = т< у ,1 ,1 ,1 ). Обеднен-

оп т в ож

ный состав ТВС скажется на низшей теплоте сгорания и, как следствие, на индикаторных показателях двигателя.

Количество теплоты, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива

ДНи = 119950(1 - 41о = 119950 х

х ^ ё222 +<1 Мч л/2! х

1 о (ёж.т Мк.Т тdж.т.к Мк.т.к )

р (Др- Др т)

^-в.э. /4.э т1в.э.к Д.э.к

+

о ^ж.т Мж.т ТІж.т.к Мж.т.к/

р ]1о, кДж/кг.

р

(24)

Теплота сгорания рабочей смеси

Н -АН

Н ^ = —!и-----и, кДж/кг.

раб.см ]МП + У )

, г

Индикаторный КПД

(25)

Рі1а

Рі1о

НиРв Пу НЛ П р

р (ДВ - ДН.т )

dBа^^/ДЁД+<0/^

^о (1ж.т Мж.т ТІж.т.к /4(.т.к )

а

1л12 Н 2 (26)

1о ^жтйж, ^.т.кйж.

Удельный индикаторный расход топ лива

Рі1о ёВЦ.УДр + ^0^ х

Ниро П і (іж .тйж .т -т^

Я = 3600/<Ни

ж.т.к гж.т.к/

d

.-ті2

в.э.к гв.э.к

Рт ( Д} - ДВ . т ) 1 о (ёж.т Йж.т - тС.к Мт .,

г/кВтч,(27)

где Ни - низшая теплота сгорания бензина, кДж/кг; М1 - количество воздуха в молях, поступающего в двигатель для сгорания 1 кг топлива; уг - коэффициент остаточных газов; р.- среднее индикаторное давление, МПа.

Литература

1. 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.

2. Пат. 2302542 Россия, МПК Р 02 й

41/02, Р 02 й 41/10. Система автоматического управления карбюраторным двигателем в режиме холостого хода / А. П. Уха-нов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов. -

№ 2006105176/06; Заяв. 20.02.2006; Опубл. 10.07.2007, Бюл. № 19.

+

+

X

д

в