CC BY
23
УДК 621.434.004
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ
НА БЕЗНАГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМАХ
Д. А. Уханов, канд. техн. наук, доцент ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (8-412) 62-85-17, Е-та1!:ик1|апоу.реп2а@та1!.ги;
М. Ф. Глебов, канд. техн. наук, ст. преподаватель ГОУ ВПО «Пензенский ГУАС», т. (8412)498330
В статье предлагается новый принцип работы автомобильных двигателей на режиме холостого хода, карбюраторы которых оснащены электропневматическим клапаном экономайзером принудительного холостого хода. Приводятся результаты лабораторных и моторных исследований карбюраторного бензинового двигателя на типовом и экспериментальном режимах холостого хода.
Доля безнагрузочного режима карбюраторного двигателя, каковым является самостоятельный режим холостого хода (РХХ), при остановках и стоянках автомобиля в общем времени работы достигает 15...30 %. При этом наблюдается повышенный выброс вредных веществ, содержащихся в отработавших газах, интенсивное отложение нагара, лаков и смол на деталях двигателя, неустойчивая работа двигателя на малых частотах вращения коленчатого вала (к. в.) и, самое главное, непроизводительный расход топлива (двигатель работает «вхолостую»).
Эффективным способом улучшения эксплуатационных показателей карбюраторных двигателей на безнагрузочном режиме является перевод его работы при остановках и стоянках автомобиля на экспериментальный РХХ, т. е. на режим периодически повторяющихся тактов отклю-
чения и включения подачи топливовоздуш-ной смеси (ТВС) через выходной канал системы холостого хода (СХХ) карбюратора. Этот режим обеспечивается системой автоматического управления (САУ), электронный блок которой, подключенный параллельно в электрическую цепь штатного экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ), формирует широто-импуль-сный сигнал высокого или низкого уровня по величине напряжения, подаваемый на штатный электропневматический клапан ЭПХХ карбюратора при отпущенной педали акселератора. Циклическое перемещение клапана в сторону перекрытия или открытия выходного канала СХХ карбюратора способствует регулируемому изменению его пропускной способности, дозированной подаче ТВС, качественному перемешиванию смеси (за счет «насосного» эффекта клапана) и, как следствие, к рас-
Пауза (сопбЦ = 400 мс
40
0 50 100 150 200 250 Импульс, мс
I О ю ¥
40 35 I 30
5
^ 25
° 20 га
га 15
300 400
а)
б)
10
Импульс (сопб^ = 10 мс
0 50 100 150 200 250 300 400 Пауза, мс
Рис. 1. Графическая зависимость пропускной способности электропневматического клапана от параметров управляющих импульсов: а) длительность импульса; б) пауза между импульсами
5
0
Таблица 1
Содержание оксидов углерода СО и углеводородов СН в отработавших газах двигателя
на режиме холостого хода
Режим холостого хода Частота вращения коленвала, мин-1 Объемная доля
СО, % СН, pmm (млн-1)
Экспериментальный 550 0,88 2200
800 1,34 1700
Типовой (эксплуатационный) 550 4,95 2200
800 5,39 1750
Типовой по ГОСТ 17.2.2.03 - 87 550 1,5 1200
800 2,0 600
ширению диапазона обеднения ТВС (с a = 0,82-0,96 до a = 0,82-1,1), что благоприятно сказывается на протекании рабочего процесса в цилиндрах двигателя [1-4].
В лабораторных условиях была определена пропускная способность выходного канала СХХ карбюратора К-151, перекрываемого электропневматическим клапаном, в зависимости от параметров управляю-
щих импульсов САУ - длительности импульса (рис. 1 а) и времени паузы между импульсами (рис. 1 б).
Анализ полученных зависимостей показывает возможность изменения пропускной способности выходного канала СХХ карбюратора с 20,86 см3/мин (длительность управляющего импульса 10 мс и пауза между импульсами 400 мс) до 55,3
1,8 у
<0 1,6 --
с 1,4
12 1 2 О
ч: 1 --
° т
М * га 0,8 --
0,6 --
m о 0,4 --
га ZT 0,2 -0 --
чд о
X
о
о m о о га ZT
550
2 1,8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
550
ТРХХ
-ЭРХХ
ТРХХ
-ЭРХХ
4
с с о н ч:
о га ZT
1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
W=90° С
600 700
Частота вращения, мин
800
550
600
700
Частота вращения, мин" а) контактная система зажигания
ТРХХ
ЭРХХ
ТРХХ
800
ЭРХХ
■ II
II— 1 1 ■
-1 ► -О
W=70° С
с с о н ч:
о га ZT
2 1,8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
1 | 1---
--
tol,=90° С
600
700
800
550
600
700
800
Частота вращения, мин-
Частота вращения, мин-
б) бесконтактная система зажигания
Рис. 2. Топливная характеристика холостого хода двигателя 4Ч 9,2/9,2: а) контактная система зажигания б) бесконтактная система зажигания; ТРХХ - типовой РХХ; ЭРХХ - экспериментальный РХХ
70°С
t
ОЖ
Нива Поволжья № 2(7) май 2008 65
см /мин (длительность управляющего импульса 400 мс и пауза между импульсами 10 мс) путем изменения параметров управляющих импульсов.
Для экспериментального подтверждения эффективности нового принципа работы карбюраторных двигателей на РХХ в области пониженных частот вращения к. в. были проведены моторные исследования двигателя 4Ч 9,2/9,2 при работе на типовом и экспериментальном режимах холостого хода по экономическим, экологическим и износным показателям.
Моторные исследования проводились на динамометрической машине КБ-56/4 со штатными контрольно-измерительными приборами (весовое устройство тормоза, измерители температуры эксплуатационных материалов, манометр, тахометр) и скомплектованным измерительно-регистрирующим комплексом, включающим в себя пье-зокварцевый датчик давления газов DW-150, индуктивный датчик частоты вращения к. в., датчик-отметчик зубьев маховика, фотодатчик ВМТ, приборы ЭМДП и ИМД-Цм, газоанализатор ГИАМ-27.01, 32-кана-льный аналоговый цифровой преобразователь АЦП 1А-2иЭВ и персональный компьютер на базе 1Р-4.
В процессе экспериментов измерялись
□ ТРХХ □ ЭРХХ
0,02 0,015 0,01 0,005 0
А!
2 3
Номер цилиндра
а)
5 5
о" о
X
п
0,15 0,1 0,05 0
□ ТРХХ □ ЭРХХ
и регистрировались следующие параметры: частота вращения к. в., давление цилиндровых газов, концентрация вредных веществ в отработавших газах, объёмный расход топлива и воздуха, температура охлаждающей жидкости, моторного масла, окружающего воздуха, топлива в поплавковой камере карбюратора и воздуха на впуске в карбюратор. Замер расхода топлива и воздуха производился соответственно с помощью объемного расходомера топлива и объёмного диафрагменного газового счётчика.
Для обеспечения минимально устойчивой частоты вращения к. в. двигателя в пределах 550 ± 15 мин-1 на экспериментальном РХХ были выбраны параметры управляющих импульсов с длительностью 50 мс и паузой 300 мс.
Моторные исследования двигателя показали, что, по сравнению с типовым режимом (в том числе и по ГОСТ 17.2.2.0387), экспериментальный РХХ позволяет снизить токсичность отработавших газов по оксиду углерода на 51 % и 32,5 %, 82 % и 75,2 % (табл. 1) при частоте вращения к. в. соответственно 550 мин-1 и 800 мин-1.
При этом также происходит снижение часового расхода топлива в среднем на 7,5 % и 7,8 % (рис. 2) при температуре охла-
0,08 | 0,06 8 0,04
I 0,02 0
□ ТРХХ □ ЭРХХ
1 -Цк 2 3 Номер поршня б) [Ц 4
□ ТРХХ □ ЭРХХ
5 0,025
ш.гп.т.11м1м
12 3 4
Номер шатунных шеек
в)
1 2 3 4 5
Номер коренных шеек
г)
Рис. 3. Среднесуммарный износ деталей двигателя 4Ч 9,2/9,2 на типовом и экспериментальном режимах холостого хода: а) цилиндры; б) поршни; в) шатунные шейки; г) коренные шейки
4
□ ТРХХ ПЭРХХ
□ ТРХХ ПЭРХХ
3 0,15
о
о
2 0,1 О
S 0,05
х
ш
« 0
\шт
12 3 4
Номер цилиндра
.о
о о га
г
0,15
0,1 0,05
щи
2 3
Номер цилиндра
а) б)
Рис. 4. Среднесуммарный износ компрессионных колец на типовом и экспериментальном режимах холостого хода: а) первое компрессионное кольцо;
б) второе компрессионное кольцо
ждающей жидкости соответственно 70 °С и 90 °С с использованием на двигателе контактной системы зажигания. При бесконтактной системе зажигания расход топлива снижается на 24 % и 22,4 % при температуре охлаждающей жидкости на выходе из двигателя соответственно 70 °С и 90 °С.
После 100-часовой работы двигателя соответственно на типовом и экспериментальном РХХ при минимально-устойчивой частоте вращения к. в. соответственно 650 мин-1 и 550 мин-1 осуществлялись разборка и микрометраж деталей в соответствии с ГОСТ 14846-81.
Замеры износа основных деталей кри-вошипно-шатунного механизма (КШМ) производились микрометром МК 75-100 мм с погрешностью измерений 0,01 мм, микрометром М 50-75 мм рычажного типа и нутромером индикаторным НИ-100М с погрешностью измерений 0,001 мм. Для определения износа поршневых колец и подшипников скольжения по их массе использовались весы AND GR 200 с погрешностью измерений 0,0001 г.
Результаты микрометража деталей двигателя показали, что по сравнению с типовым режимом экспериментальный РХХ позволяет снизить среднесуммарный износ гильз цилиндров на 15 %, коренных и шатунных шеек к. в. соответственно на 18 и 10 %, поршней - на 20 %%, поршневых колец - на 38 %, коренных и шатунных вкладышей - соответственно на 25 и на 48 % (рис. 3-5).
Снижение среднесуммарного износа деталей двигателя (до 24 %) на экспериментальном РХХ можно объяснить пониженной частотой вращения к. в. (550 мин-1) и уменьшением числа ходов поршней по сравнению с типовым режимом при минимальной частоте вращения (650 мин-1). На экспериментальном РХХ, за счёт более точного дозирования топливовоздушной смеси, двигатель работает стабильнее и устойчивее (отклонение по частоте вращения к. в. ± 15 мин-1), что приводит к уменьшению его виброколебаний.
Работа двигателя в течение 100 часов на экспериментальном РХХ позволяет
0
1
4
□ ТРХХ □ ЭРХХ
3 0,02 £ 0,015 » 0,01
® 0,005 ф
I 0
:М
д
LL
12 3 4 Номер шатунных шеек
□ ТРХХ □ ЭРХХ
1 2 3 4 5 Номер коренных шеек
Рис. 5. Среднесуммарный износ подшипников скольжения на типовом и экспериментальном режимах холостого хода
Нива Поволжья № 2(7) май 2008 67
□ ТРХХ □ ЭРХХ
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01
□ ТРХХ □ ЭРХХ
п И гь гь
1 2 3
Номер поршня
а)
23 Номер цилиндра
б)
Рис. 6. Масса нагароотложений на деталях двигателя: а) днище поршня; б) электроды свечей зажигания
также, по сравнению с типовым РХХ, существенно уменьшить массу нагароотложений на деталях: на днище поршня - на 35 %, на свечах зажигания - до 31 % (рис. 6). Образование лаковых отложений (определяли по изменению пропускной способности жиклёров карбюратора) уменьшается на главных топливных и воздушных жиклёрах, а также жиклёрах холостого хода (1 и 2 камеры) на 5, 4, 2, 6, 1 и 2 % соответственно (рис. 7).
ний на 8 % и 25 %, содержания оксида углерода в выхлопных газах на 51 %.
При использовании САУ для воспроизведения экспериментального РХХ расчетный годовой экономический эффект составляет 4565 рублей на один автомобиль типа ГАЗ-33021, получаемый только за счет снижения затрат на топливо (без учета уменьшения расхода масла на угар, снижения вредных веществ в отработавших газах, увеличения срока службы дви-
219
380
263
330
а) главные топливные жиклёры
255
315
270
320
□ новые □ ТРХХ □ ЭРХХ
б) главные воздушные жиклеры
Рис. 7. Пропускная способность жиклеров (см3/мин): а) главные топливные жиклёры 1 и 2 камеры; б) главные воздушные жиклеры 1 и 2 камеры
Таким образом, применение нового принципа работы карбюраторных двигателей на РХХ, обеспечивающего регулируемую дозированную подачу ТВС через выходной канал сХх на примере карбюратора К-151, по сравнению с типовой подачей двигателя 4Ч 9,2/9,2, позволяет улучшить качественный состав ТВС и расширить диапазон обеднения коэффициента избытка воздуха с а = 0,82.0,96 до а = 0,82.1,1, а опытные испытания разработанной системы автоматического управления на автомобиле ГАЗ-33021 показали на практическую возможность снижения нижнего предела минимально-устойчивой частоты вращения к. в. холостого хода до 550 мин-1 при отклонении ±15 мин-1, эксплуатационного расхода топлива до 18 %, сред-несуммарных лаковых и нагарных отложе-
гателя и системы питания), при сроке окупаемости дополнительных затрат около года.
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. Уханов, А. П. Топливная экономичность и экологическая безопасность карбюраторного двигателя на экспериментальном режиме холостого хода / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Наука и образование - сельскому хозяйству: Сб. материалов НПК, посвященной 55-летию Пензенской ГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2006. - С. 183-184.
0
4
1
4
3. Пат. 2302542 Россия, МПК Р 02 О 41/02, Р 02 й 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.
4. Уханов, А. П. Дозированная подача то-пливовоздушной смеси как способ улучше-
ния работы карбюраторных двигателей на холостом ходу / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: Материалы Межгосуд. науч.-техн. семинара. Вып. 19. - Саратов: СГАУ, 2007. - С. 76-79.
Нива Поволжья № 2(7) май 2008 69
