Study of influence of layer-by-layer blowdown on the efficiency and environmental friendliness of two-stroke engine

Full Text

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, - главный источник энергии для автомобилей, различных видов сельхозмашин, мотоциклов и многих других видов техники. В основе работы любого двигателя, работающего на углеводородном топливе, лежит процесс преобразования тепловой энергии топлива при его сгорании в механическую работу. В большинстве двигателей этот процесс осуществляется по четырехтактному циклу, но из всех тактов только третий - рабочий. Другие такты требуют затрат механической энергии на сжатие горючей смеси и газообмен в цилиндре. Поэтому подавляющее большинство четырехтактных двигателей имеют по четыре и более цилиндров. Указанные двигатели обеспечивают высокую мощность на единицу рабочего объема цилиндра, достаточно хорошую экономичность, влияющую на расход топлива, и умеренную токсичность отработавших газов (ОГ), которую снижают средствами нейтрализации. Вместе с тем на многих видах малогабаритной техники, используемой в сельском хозяйстве, такой как минитракторы, мотокосилки, пусковые двигатели, триммеры, в качестве источников энергии применяются одно- и двухцилиндровые двигатели, работающие по двухтактному циклу. Главное преимущество двухтактного цикла - более высокая литровая мощность, поскольку рабочий ход в таких двигателях происходит в два раза чаще по сравнению с четырехтактными при одинаковой частоте вращения коленчатого вала. Отсутствие механизма газораспределения определяет простоту конструкции и обслуживания двигателя, а также малые габариты. Но основные недостатки этих двигателей, сдерживающие их широкое распространение, - низкая экономичность и более высокая токсичность ОГ. На решение этих проблем направлено данное исследование. Принципиальное отличие двухтактных двигателей от четырехтактных заключается в отсутствии впускных и выпускных клапанов. Газообмен в цилиндре осуществляется через впускные, выпускные и продувочные окна, расположенные на поверхности цилиндра. Для процесса газообмена используется также объем кривошипно-шатунной камеры, который при работе двигателя заполняется смесью бензина и воздуха через впускное окно. Процессы выпуска ОГ в выпускные окна и наполнения цилиндра свежей смесью из кривошипно-шатунной камеры через продувочные окна происходят одновременно. При таком газообмене часть топлива попадает в выпускную систему и далее в атмосферу, что объясняет высокий расход топлива и высокую токсичность ОГ. Если учесть, что на основных режимах двухтактный бензиновый двигатель работает на обогащенных смесях с коэффициентом избытка воздуха α = 0,7…0,9, то потери топлива вследствие этого еще выше. Самый эффективный способ решения данной проблемы - применение непосредственного впрыскивания бензина с электронным управлением, что позволяет приблизить показатели работы двухтактных двигателей по экономичности и токсичности к четырехтактным [пат. РФ № 2344299; 2038493]. Но непосредственное впрыскивание топлива приводит к значительному усложнению конструкции и повышению стоимости двигателя, что неприемлемо для двигателей, предназначенных для легких мотоциклов и средств малой механизации. Наиболее перспективно совершенствование двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой, обеспечивающей существенное или полное исключение прямых потерь топлива при продувке [пат. Японии 2008-243805]. В этом случае сохраняется одно из главных достоинств таких двигателей - простота конструкции. Один из признанных и эффективных способов существенного сокращения потерь топлива в выпускную систему в двухтактном двигателе - расслоение топливовоздушного заряда на впуске и при газообмене [1-3]. Данное исследование направлено на совершенствование двухтактного бензинового двигателя, в котором реализуется послойное смесеобразование за счет раздельного ввода воздуха и бензина на впуске и продувке. На первом этапе работы, когда применялся карбюратор для смешивания воздуха и бензина, была исследована схема послойного смесеобразования, представленная на рис. 1, а. Топливо смешивается с воздухом в нижней камере карбюратора, и обогащенная топливовоздушная смесь заполняет кривошипную камеру. Кроме того, воздух через верхнюю камеру карбюратора и боковую выемку в нижней части юбки поршня одновременно заполняет объемы продувочных каналов. К концу впуска при положении поршня в верхней мертвой точке объемы продувочных каналов заполнены чистым воздухом, а подпоршневое пространство и кривошипная камера - обогащенной смесью. При движении поршня вниз к нижней мертвой точке (см. рис. 1, б) происходит сжатие расслоенного заряда. После открытия выпускного окна ОГ устремляются в выпускную систему. С момента открытия продувочных окон вытеснение ОГ осуществляется потоками чистого воздуха и сверхбедной смесью. На заключительном этапе продувки цилиндр заполняется обогащенной смесью из кривошипной камеры. С помощью физического моделирования процесса смесеобразования с применением вместо топлива «трассирующего» газа СО2 оценивалось распределение смеси в объемах продувочных каналов по коэффициенту избытка воздуха в локальных точках каждого канала. Результаты экспериментов (рис. 2) подтверждают значительное расслоение свежего заряда к началу продувки. В верхней части каналов, примыкающих к продувочным окнам, сосредоточена сверхбедная смесь с α = 12…18. Средняя часть заполнена бедной смесью с α = 2…2,3. В нижней части каналов смесь также бедная с α = 1,2…1,5. И только в отдельных точках части каналов, непосредственно примыкающей к кривошипной камере, смесь несколько обогащается. Данные, полученные на первом этапе работы, позволили сделать вывод о перспективности данного направления совершенствования двухтактного двигателя и перейти ко второму этапу. Исследование эффективности расслоения топливовоздушного заряда в двухтактном двигателе было продолжено с применением фазированного впрыскивания топлива и электромагнитных форсунок. При этом исследовались две разные схемы работы двигателя с послойным смесеобразованием и впрыском бензина. В одной из схем (рис. 3) двухтактный двигатель с расслоением свежего заряда характеризуется наличием кумулятивных камер, электромагнитных форсунок и окон в поршне. Кумулятивные камеры в процессе газообмена заполняются чистым воздухом с одновременным впрыскиванием в их объемы бензина из двух электромагнитных форсунок, что приводит к образованию в камерах обогащенной топливовоздушной смеси. Продувка осуществляется чистым воздухом, а в момент ее завершения в цилиндр подается топливовоздушная смесь из кумулятивных камер. При движении поршня вверх чистый воздух через открытое впускное окно заполняет кривошипную камеру. В то же время над поршнем происходит сжатие топливовоздушной смеси (см. рис. 3, а). В конце сжатия электрическая искра поджигает смесь, и поршень во время рабочего хода движется вниз, закрывает впускное окно и сжимает воздух в кривошипной камере. Окна в поршне открывают входные отверстия в камеры, и в них поступает предварительно сжатый воздух (см. рис. 3, б). В момент открытия входных отверстий начинается подача топлива электромагнитными форсунками. При дальнейшем движении вниз поршень закрывает входные отверстия кумулятивных камер, открывает выпускное окно, а затем и продувочные окна. Происходит выпуск, продувка и заполнение цилиндра чистым воздухом (см. рис. 3, в). В случае необходимости подача топлива может продолжаться до момента открытия днищем поршня верхних кромок окон камер. В момент завершения продувки обогащенная смесь из кумулятивных камер под давлением, превышающим давление в цилиндре, интенсивно заполняет цилиндр (см. рис. 3, г). Таким образом, очистка цилиндра от ОГ производится чистым воздухом, а при завершении газообмена цилиндр заполняется обогащенной топливовоздушной смесью, которая при перемешивании с чистым воздухом образует рабочую смесь, пригодную для сгорания. При правильном подборе геометрической формы и размеров кумулятивных камер, а также геометрии соединительных каналов между камерами и цилиндром двигателя можно добиться существенного снижения потерь топлива в выпускную систему при продувке. Предлагаемая схема газообмена с использованием кумулятивных камер реализована на экспериментальном двигателе (рис. 4), где показано размещение электромагнитных форсунок в кумулятивных камерах. Предварительные результаты стендовых испытаний подтвердили работоспособность предлагаемой схемы газообмена и конструкции экспериментального двигателя. В другой схеме (рис. 5) подвод чистого воздуха в кривошипно-шатунную камеру осуществляется по продувочным каналам, соединенным с внешней стороны цилиндра с двумя впускными воздушными каналами в своей верхней части. В цилиндре отсутствует впускное смесевое окно. Процесс смесеобразования осуществляется в кривошипно-шатунной камере подачей топлива через электромагнитную форсунку и регулируется моментом и продолжительностью впрыска. На впуске (см. рис. 5, а) при движении поршня вверх с момента закрытия в цилиндре продувочных окон в кривошипной камере создается разрежение, передающееся через продувочные каналы во впускные воздушные каналы. Воздух из атмосферы устремляется в общий воздушный канал, через дроссельную заслонку и обратный пластинчатый клапан попадает в воздушные каналы и через продувочные каналы заполняет кривошипно-шатунную камеру. При движении поршня вниз (см. рис. 5, б) в кривошипной камере создается избыточное давление, которое запирает обратный пластинчатый клапан. В начале продувки (см. рис. 5, в) после открытия продувочных окон вытеснение ОГ из цилиндра осуществляется потоками чистого воздуха из продувочных каналов в выпускное окно. При движении поршня ближе к нижней мертвой точке топливо, впрыснутое форсункой в кривошипную камеру, перемешивается с продувочным воздухом и, поступая через продувочные каналы в цилиндр, завершает процесс продувки (см. рис. 5, г). Продувка осуществляется преимущественно чистым воздухом, что значительно сокращает прямые потери топлива. Это приводит к повышению топливной экономичности двухтактного двигателя и уменьшает загрязнение окружающей среды. Для оценки расслоения смеси на впуске и продувке проводится физическое моделирование послойного смесеобразования (рис. 6). При этом форсунка вместо бензина подает углекислый газ. Специальные газоотборники осуществляют стробоскопический отбор проб газовоздушной смеси из кривошипно-шатунной камеры, разных точек объемов продувочных каналов и камеры сгорания. Газовый анализ взятых проб позволяет определить процентное содержание углекислого газа в смеси с воздухом и перевести это содержание по расчетной номограмме в коэффициент избытка воздуха α. Тем самым определяются распределение и качественный состав смеси при газообмене и оценивается уменьшение потерь топлива в выпускную систему при продувке. Стендовые испытания двухтактного двигателя даже с карбюраторным смешиванием топлива и воздуха показывают высокую эффективность послойного смесеобразования. Расслоение свежего заряда на впуске оказывает положительное влияние на эксплуатационные показатели двигателя и снижение токсичности ОГ (рис. 7). При послойном смесеобразовании на экономичном и мощностном режимах общий состав смеси на впуске более обедненный по сравнению с обычной схемой газообмена. Отличие составляет 0,15-0,2 единиц по коэффициенту избытка воздуха. За счет этого экономичность улучшается на 10-15%. Работа двигателя на мощностном режиме сопровождается экономией топлива на 15-20%. Указанное явление служит главным подтверждением того факта, что при продувке прямые потери свежего заряда - чистый воздух и часть бедной смеси. При этом состав сгорающей в цилиндре смеси более обогащенный, чем рассчитанный на впуске по расходам топлива и воздуха. Поэтому максимальная мощность и наименьший расход топлива в двигателе с послойным смесеобразованием достигаются при более бедных смесях. Снижение прямых потерь топливной смеси при продувке отражается на снижении выбросов несгоревших углеводородов с ОГ на 25-30%. Содержание угарного газа на мощностном режиме снижается в 1,5 раза. Индицирование опытного двигателя показало лучшую стабильность рабочего процесса, оцениваемую степенью неравномерности циклов α, величина которой на экономичном режиме составляет 5-6%, в то время как у серийного двигателя неравномерность составляет 12-13% при прочих равных условиях. Итак, послойное смесеобразование в двухтактных бензиновых двигателях - эффективный способ повышения эксплуатационных показателей их работы. Быстрое развитие современных электронных систем впрыскивания топлива позволяет создавать различные схемы работы двухтактных двигателей с послойным смесеобразованием, в которых продувка цилиндра осуществляется чистым воздухом. Экономичность работы таких двигателей по значениям расхода топлива приближается к экономичности работы широко распространенных четырехтактных двигателей. При этом сохраняются главные преимущества двухтактных двигателей - простота конструкции, высокая удельная мощность, малые габариты, что крайне важно при эксплуатации в условиях сельского хозяйства.

About the authors

V. A Karasev

Kostroma State Agricultural Academy

Email: vakar@ksaa.edu.ru

I. L Sokolov

Kostroma State Agricultural Academy

V. N Kuklin

Kostroma State Agricultural Academy

A. V Khapskiy

Kostroma State Agricultural Academy

R. A Kulikov

Kostroma State Agricultural Academy

References

Supplementary files