CC BY
1214
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 621.435
Койчев В. С., Мосикян К. А. Coicev V. S., Mosikyan K. А.
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ НА МОЩНОСТЬ И ТОПЛИВНУЮ ЭКОНОМИЧНОСТЬ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
THE IMPACT ON THE DESIGN OF THE COMBUSTION CHAMBER CAPACITY AND FUEL CONSUMPTION OF GASOLINE ENGINES RUNNING ON NATURAL GAS
Эффективность процесса сгорания топливовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) зависит во многом зависит не только от качества и количества топлива топлива, попадающего в камеру сгорания, но и от конструктивных параметров, создающие условия образования турбулентного заряда во время такта сжатия, при относительно невысокой скорости нарастания давления в цилиндре и т. д. Доминирующим способом для выполнения эффективного процесса сгорания топливовоздушной смеси является тур-булизация этой смеси в процессе ее подачи в камеру сгорания различных видов топлива, и в особенности при использовании природного газа в качестве моторного топлива.
Результаты исследований, а также практика эксплуатации двигателей ЗМЗ-402 и УМЗ-4216 на природном газе показали, что применение специальных приспособлений для турбулизации газовоздушного заряда влияет на прирост мощности до 10,68 % и экономии топлива до 9,46 %.
Для дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей и характеристик бензиновых двигателей, работающих на природном газе, необходимо исследовать и разработать конструктивные мероприятия по оптимизации формы камеры сгорания ДВС и улучшить газодинамическое состояние заряда, используя простейшие приспособления для турбу-лизации газовоздушного заряда.
Ключевые слова: камера сгорания, турбулентность, газовоздушный заряд, гетерогенное горение, фронт огня.
The efficiency of the combustion air-fuel mixture in an internal combustion engine process (DIC) depends largely depends not only on the quality and quantity of fuel the fuel entering the combustion chamber but also on the design parameters of creating conditions for the formation of a turbulent charge during a compression stroke at a relatively low speed rise in cylinder pressure etc. The predominant method for effectively performing the air-fuel mixture combustion is turbulence in the mixture during its supply to the combustion chamber of fuels and in particular when using natural gas as a vehicle fuel.
The research results as well as the practice of operating engines ZMZ-402 and UMP-4216 for natural gas have shown that the use of special equipment for gas-air charge turbulence affects the capacity increase to 10.68 % and savings of up to 9.46 % of the fuel.
To further improve the performance and characteristics of gasoline engines running on natural gas it is necessary to explore and develop constructive measures to optimize the internal combustion engine combustion chamber shape and improve the gas-dynamic state of charge using the simplest means for turbulence-gas charge.
Key words: combustion chamber, turbulence, air-gas charge, heterogeneous combustion of the flame.
Койчев Владимир Сагидович -
к.т.н., доцент кафедры «Машины и технологии АПК»
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: (8962)-440-25-08
E-mail: labtsm@yandex.ru
Мосикян Карапет Акопович -
к.т.н., доцент кафедры
Национальный аграрный университет Армении г. Ереван
Тел.: 8-374-94-854540 E-mail: karomosikyan@mail.ru
Coicev Sagidovich Vladimir -
Ph.D. Associate Professor of «APK Machinery and Technologies»
Stavropol State Agrarian University
Stavropol
Tel.: (8962)-440-25-08 E-mail: labtsm@yandex.ru
Mosikyan Karapet H. -
Ph.D. Associate Professor
National Agrarian University of Armenia
Yerevan
Tel.: 8-374-94-854540 E-mail: karomosikyan@mail.ru
Основными техническими параметрами камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) являются: минимальное значение соотношения поверхности камеры сгорания и ее объема, способность образования турбулентного заряда во время сжатия, высокая теплоемкость поршня, относительно невысокая скорость нарастания давления в такте сжатия и т. д.
По результатам проведенных исследований П Р. Рикардо [1] утверждает важность того, что то-пливовоздушный заряд, имеющий турбулентный характер во время тактов впуска и сжатия, позво-
ляет увеличить степень сжатия и условия горения заряда в цилиндре. Газодинамическое состояние заряда, структура и характер горения обусловлены конструкцией камеры сгорания ДВС. Для бензиновых двигателей существуют множество видов камер сгорания: сферические, ступенчатые, клинообразные, форкамерные и т. д. (2)
Каждая схема и конструкция камеры сгорания имеет определенное преимущество по какому-то технико-экономическому или топливно-экологическому показателю.
Для выяснения вопроса выбора формы камеры сгорания ДВС, по требованиям топлив-
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(22), 2016
Агроинженерия
15
ной экономичности и оптимальном мощности, необходимо рассмотреть протекание процесса горения топливовоздушного заряда, начало его сжигания, эффективное выделение тепла и повышение давления в цилиндре при соответствующем положении поршня.
Различают несколько видов распространения пламени в цилиндре ДВС такие, как гетерогенное, турбулентное, вихревое, ламинарное, диффузионное, гомогенное [3] и.т.д.
Каждый из указанных видов горения обуславливается конструкцией и видом камеры сгорания, чем и формируются показатели рабочего цикла ДВС. Так, клинообразная форма камеры сгорания обеспечивает различные значения коэффициента избытка воздуха X, то есть в узкой части камеры сгорания (у свечи зажигания) X значительно выше, что позволяет улучшить процесс сжигания на начальном этапе и обеспечить большой фронт огня, направляя пламя с центра по краям цилиндра. Кроме того, при этом снижается ступенчатость нарастания давления и пульсационный характер расширения газов.
Наибольшее распространение имеет сферический вид камеры сгорания, для которого характерно гомогенное горение заряда. При этом фронт огня имеет сплошную структуру и скорость нарастания давления в цилиндре равномерное, однако пик давления расширяющихся газов значительно уступает, что негативно влияет на значение индикаторной работы в цилиндре и соответственно на топливную экономичность двигателя. Экспериментально, по результатам эксплуатационных исследований доказано, что ресурс ДВС со сферической формой камеры сгорания значительно превосходит ресурс ДВС всех остальных видов и конструкций камер сгорания [1].
По результатам испытаний в НАМИ и по данным А. И. Рябчинского [4] доказано, что для улучшения внешних и экологических характеристик ДВС необходимо формировать облако топливо-воздушного заряда вокруг свечи зажигания. Это позволит увеличить нетто мощности двигателя на 10 %, снизить выбросы СО в выхлопных газах, однако при этом увеличиваются выбросы С02.
Таким образом, конструкция и вид камеры сгорания формируют структуру огня в цилиндре ДВС и тем самым обеспечивают внешние характеристики, такие как мощность и топливная экономичность. Это относится, как к карбюраторным, так и ДВС с принудительным впрыском топлива.
При анализе конструкции камеры сгорания и структуры пламени для бензиновых ДВС возникает вопрос исследования влияния этих параметров на структуру пламени для доминирующего альтернативного вида топлива в виде природного газа.
Особенности природного газа известны, и они характеризуются следующими основными показателями: - плотность, кг/м3 - 0,704 кг/м3, удельная теплота сгорания - 28...46 МДж/м3, октановое число до 110 ед., температура возгорания - 650 °С.
Процесс сжигания природного газа и рабочего цикла в цилиндре ДВС значительно отличается от процесса горения бензина из-за разницы показателей характеристик теплотворности и плотности, температуры возгорания и других факторов.
Образование гомогенного состава газовоздушной смеси в ДВС происходит по разному. При этом возможно возникновение двух доминирующих состояний газовоздушного заряда:
- гомогенизация и газодинамическое состояние газовоздушного заряда формируются при ее ламинарном движении;
- газодинамическое состояние газовоздушного заряда формируются при эффективном турбулентном потоке при помощи специальных приспособлений.
Естественно, что газовоздушный заряд с турбулентным движением обеспечивает наиболее эффективное горение с выделением большей тепловой энергии при соответствующем положении поршня, что обеспечит высокий уровень среднего индикаторного давления и нетто мощности двигателя, по сравнению с ламинарным движением газовоздушного заряда.
Из-за турбулизации элементы газовоздушного заряда смещаются один относительно другого так, что плавная поверхность фронта пламени, которую можно было бы себе представить в каждый момент времени при отсутствии турбу-лизации,искривляется, образуя складки, языки и даже изолированные очаги горения. Таким образом, первым результатом турбулизации является увеличение поверхности фронта пламени, а так как количество энергии, выделяющееся в единицу времени, пропорционально произведению поверхности фронта пламени на его скорость, то при турбулизации происходит увеличение скорости сгорания [5, с.33].
Учитывая тот факт, что октановое число природного газа достигает 110 единиц, хотя расчетное октановое число по моторному методу составляет 105 ед., появляется возможность увеличения степени сжатия е в цилиндре доведением до значения 11 единиц [6].
Рисунок 1 - Приспособление для турбулизации газовоздушного заряда.
16
Ир Ставрополья
научно-практическии журнал
Результаты исследований, а также практика эксплуатации двигателя УМЗ 4216 на природном газе, что с применением специальных приспособлений для турбулизации газовоздушного заряда (рис. 1) и увеличение степени сжатия е до 11 единиц показывает увеличение мощности двигателя при работе на природном
газе до величин приведенных в таблице 1, откуда видно, что прирост мощности составляет в среднем 10,68 %, а экономия по удельному расходу топлива составляет 9,46 % по всей шкале оборотов коленчатого вала. Значительно улучшается внешняя скоростная характеристика (рис. 2).
Таблица 1 - Изменение мощности и удельного расхода топлива двигателя, УМЗ-4216,
работающего на природном газе
Показатели двигателя Частота вращения коленчатого вала, об/мин
800 1600 2400 3200 4000
Крутящий момент, Нм
- без приспособления 131,3 161,2 163,1 161,1 133,7
- с приспособлением 155,2 173,1 179,1 182,0 152,8
- прирост, % 18,2 7,4 9,8 13,0 14,3
Мощность, кВт
- без приспособления 11,0 27,0 41,0 54,0 56,0
- с приспособлением 12,0 29,0 45,0 61,0 54,0
- прирост, % 9,10 7,40 9,70 12,9 14.3
Удельный расход топлива, г/кВт-ч.
- без приспособления 248 230 210 152 145
- с приспособлением 240 223 204 147 140
- экономия 7,30 6,80 8,80 11,5 12,9
Таким образом, небольшие конструкторские де согласно ГОСТ14846-81 показывает, что при-
изменения, влияющие на динамическое состояние газововоздушного заряда, в определенной мере влияют на технико-эксплуатационные характеристики двигателя.
Анализ внешней скоростной характеристики, полученный на обкаточно-тормозном стен-
менение приспособления для турбулизации заряда обеспечивает увеличение мощностных и экономических показателей ДВС, работающих на природном газе.
Рисунок 2 - Внешняя скоростная характеристика двигателя УМЗ-4216, работающего на природном газе.
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(22), 2016
Агроинженерия
17
Возможность изменения конструкции и формы камеры сгорания по организационно-экономическим причинам в условиях эксплуатации не представляется возможным. Однако априорно, исходя из результатов проведенных экспериментальных исследований и на основе фактически имеющихся различий между формами камеры сгорания двигателей ЗМЗ-402 и УМЗ-4216 можно утверждать, что использование приспособления для турбулизации газовоздушного заряда дает уменьшение соотношения
поверхности и объема камеры сгорания, увеличение мощности двигателя и экономии расхода топлива.
Вывод: Для дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей и характеристик бензиновых двигателей, работающих на природном газе, необходимо исследовать и разработать конструктивные мероприятия по оптимизации формы камеры сгорания ДВС и улучшить газодинамическое состояние заряда.
Литература
1. Рикардо Г. Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. Пер. с англ. Ю. Л. Ега-няна, В. И. Ивина и М. Г. Круглова ; под ред. проф. М. Г. Круглова. М. : Машгиз, 1960. 411 с.
2. Луканин В. Н., Трафименко Ю. В. Промышленно-транспортная экология. М. : Высшая школа. 2001. 295 с.
3. Чудаков Е. А. Транспортный газовый двигатель с внутренним смесеобразованием. М. : АН СССР, 1954. 223 с.
4. Рябчинский А. И. Экологическая безопасность автомобиля. М. : МАДИ, 2000. 95 с.
5. Брозе Д. Д. Сгорание в поршневых двигателях. Пер. с англ. Ю. Л. Еганяна. М. : Машиностроение, 1969. 248 с.
6. ГОСТ 27577-2000. Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. М. : Издательство стандартов, 2004.
References
1. Ricardo GR High speed internal combustion engines / GR Ricardo. Trans. from English. Yu. JI. Yeganyan, V. I. Ivin and M. G. Kruglov. Ed. prof. M. G. Kruglov. M. : Mashgiz 1960. -411 p.
2. Lukanin V. N., Trafimenko Y. Industrial and transport Ecology / V. N. Lukanin, Y. Trafimenko // M. : Higher School. 2001, 295 p.
3. Chudakov E. A. The transport gas engine with internal mixture formation / E. A. Chudakov // M. : Academy. THE USSR. 1954, 223 p.
4. Ryabchinsky A. I. et al. Environmental safety car / A. I. Ryabchinsky // M. : MADI. 2000, 95 p.
5. Brose D. D. The combustion in piston engines. / D. D. Broze. Per. from English. Yu. JI. Yeganyan. M. : «Mechanical Engineering» 1969 248 p.
6. GOST 27577-2000. Natural gas fuel compressed to internal combustion engines. M. : Publisher IPC standards, 2004.
