Research of engine with split charge on an experimental plant with separated cylinder

Full Text

Поиск путей улучшения топливной экономичности при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах (ОГ) является одним из основных направлений совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным воспламенением смеси. Для выполнения перспективных требований к выбросам вредных веществ с ОГ зачастую недостаточно модернизировать имеющиеся конструкции ДВС - требуется принципиально новая организация рабочего процесса, которая позволит эффективно сжигать в цилиндре бедные топливовоздушные смеси. Сжигание бедных смесей в цилиндре ДВС можно осуществить путем расслоения заряда в цилиндре, при котором в районе свечи зажигания образуют зону с богатой смесью при заполнении остального объема цилиндра бедной смесью вплоть до чистого воздуха. Богатая смесь легко воспламеняется свечой зажигания и сгорает, а продукты ее сгорания, имеющие высокую температуру, будут догорать в воздухе [1]. Такой организации рабочего процесса будет способствовать интенсивное движение заряда в цилиндре при условии малого перемешивания заряда в процессе смесеобразования и сгорания. Основными преимуществами подобного процесса являются улучшение топливной экономичности и снижение выбросов токсических веществ с отработавшими газами. Расслоение заряда используется в серийно выпускающихся двигателях Mitsubishi, Nissan, Toyota, Volkswagen [2]. Работы по созданию двигателя с возможностью работы на расслоенном заряде ведутся в ЗМЗ и НАМИ [3]. Отличительной особенностью конструкции упомянутых выше двигателей является сосредоточение богатой смеси в центре камеры сгорания, что ведет к повышению уровня выбросов углеводородов из-за низких температур на периферии цилиндра, где сгорает бедная смесь. В России также проводятся исследования двигателей с образованием расслоенного заряда путем применения дополнительных технических средств [4, 5]. За рубежом расслоение заряда исследуется как неотъемлемый элемент рабочего процесса двигателей с непосредственным впрыскиванием бензина [6, 7]. Цель проведенных исследований заключалась в улучшении топливной экономичности при снижении выбросов вредных веществ с ОГ путем расслоения заряда в цилиндре ДВС с принудительным воспламенением смеси. В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи: · предложены процессы смесеобразования и сгорания, при которых наряду с высокой турбулентностью заряда в цилиндре сохраняется его расслоение в камере сгорания; · разработаны и изготовлены опытные образцы головки цилиндра и впускной трубы для выделенного цилиндра, в котором могут быть реализованы предложенные процессы смесеобразования и сгорания; · проведены сравнительные исследования выделенного цилиндра, работающего по обычному процессу и процессу с расслоением заряда. Рисунок 1. Особенности процесса сгорания расслоенного заряда: 1 - богатая смесь; 2 - зона горения; 3 - воздух; --- - движение продуктов сгорания из зоны горения; - - - - движение воздуха в зону горения Концепция процессов смесеобразования и сгорания заключается в том, чтобы создать в цилиндре к моменту зажигания расслоенный заряд при его интенсивном направленном вихревом движении. При этом богатая смесь должна быть образована вблизи стенок камеры сгорания, а воздух или бедная смесь сосредоточена в центре образованного вихря (рисунок 1). Предполагается, что горение обогащенной смеси будет происходить в кольцевой зоне вблизи стенок камеры сгорания (КС), в которой коэффициент избытка воздуха будет равен 0,9…1,0. Горячие продукты сгорания, имеющие меньшую плотность, будут отводиться из зоны горения к оси образованного вихря, и, нагревая, вытеснять воздух в зону горения, куда будет поступать нагретая обогащенная смесь с периферии вихря (от стенок КС). Такое осуществление процесса сгорания позволит отводить продукты сгорания из зоны горения, что улучшит его полноту и снизит образование вредных веществ. Для реализации предложенного рабочего процесса было решено использовать тангенциальный подвод в цилиндр расслоенного заряда. Схема ДВС, в котором может быть реализована подобная организация смесеобразования и сгорания, представлена на рисунке 2. Рисунок 2. Схема ДВС с тангенциальным подводом в цилиндр расслоенного заряда: 1 - впускной клапан; 2 - перегородка; 3 - камера сгорания; 4 - цилиндр; 5 - поршень; 6 - головка цилиндра; 7 - свеча зажигания; 8 - канал для подачи обогащенной смеси; 9 - канал для подачи обедненной смеси; 10 - карбюратор для дозирования обедненной смеси; 11 - карбюратор для дозирования обогащенной смеси Двигатель содержит цилиндр 4 с поршнем 5 и головкой 6, в которой размещена камера сгорания 3 со свечой зажигания 7. Впускной патрубок, размещенный в головке 6 и разделенный при помощи перегородки 2 на два тангенциальных канала 8 и 9, снабжен впускным клапаном 1 и предназначен для подвода в цилиндр 4 свежего заряда. Канал 8 соединен с устройством 11 для образования обогащенной смеси, а канал 9 соединен с устройством 10 для дозирования воздуха. Заряд, состоящий из обогащенной смеси и воздуха, поступает в цилиндр 4 по каналам 8 и 9 так, что обогащенную смесь направляют к стенке цилиндра 4, а воздух поступает к оси цилиндра. В результате впуска и сжатия в КС 3 образуется вихревое движение заряда с неравномерным распределением топлива, так что обогащенная смесь сосредотачивается у стенок КС, а воздух - в ее центре. Воспламенение обогащенной смеси осуществляется свечой зажигания 7. Объектами исследования являлись головки цилиндра, одна из которых - от обычного ДВС - была предназначена для подвода в цилиндр гомогенного заряда, а другая - экспериментальная - для подвода расслоенного заряда. Экспериментальная головка цилиндра собиралась из двух частей, в каждой из которых были выполнены части впускного и выпускного каналов, а также полости систем смазки и охлаждения (рисунок 3). Половины головки были соединены, и в нее были установлены впускной и выпускной клапаны, а также перегородка во впускной канал, конструкция которого показана на рисунке 4. На рисунке 5 показаны головки цилиндра, которые исследовались на моторном стенде. Рисунок 3. Экспериментальная головка цилиндра Рисунок 4. Конструкция впускного канала Рисунок 5. Головки выделенного цилиндра Рисунок 6. Схема экспериментальной установки На рисунке 6: 1 - выпускная труба выделенного цилиндра; 2 - магистраль подвода ОГ на газоанализаторы; 3 - газоанализатор CO и CH; 4 - газоанализатор NOx; 5 и 7 - счетчики расхода воздуха; 6 - карбюратор для дозирования воздуха в выделенный цилиндр; 8 - карбюратор для дозирования смеси в выделенный цилиндр; 9 - штихпробер; 10 - карбюратор вспомогательных цилиндров; 11 - впускная труба вспомогательных цилиндров; 12 - двигатель; 13 - выпускная труба вспомогательных цилиндров; 14 - регулировочная игла; 15 - впускная труба выделенного цилиндра Исследования проводились на экспериментальной установке с выделенным цилиндром, изготовленной на базе полноразмерного четырехцилиндрового ДВС УМЗ-414 (рисунок 6). Экспериментальная установка содержала двигатель 12, три цилиндра которого являлись вспомогательными и работали при фиксированном, специально подобранном положении дроссельной заслонки карбюратора и углах опережения зажигания θ, рекомендованных заводом-изготовителем. Питание трех вспомогательных цилиндров осуществлялось через общую впускную трубу 11, подсоединенную к карбюратору 10 модели К-126. Выпуск ОГ трех вспомогательных цилиндров осуществлялся в общую выпускную трубу 13. Система питания выделенного цилиндра содержала сдвоенную впускную трубу 15, которая была соединена с двумя карбюраторами К-127 6 и 8 (рисунок 7). Рисунок 7. Впускная труба и карбюраторы для подвода в выделенный цилиндр расслоенного заряда Карбюраторы были подсоединены к расходомерам 5 и 7, в качестве которых были использованы счетчики РГ-40. Карбюратор 8, предназначенный для подвода в выделенный цилиндр топливовоздушной смеси, подсоединялся к штихпроберу 9 с объемами колб 32, 27 и 8 см3. Количество подаваемого топлива изменялось регулировочной иглой 14. Карбюратор 6 дозировал в выделенный цилиндр чистый воздух. Выпускная труба 1 выделенного цилиндра была снабжена зондом для отбора проб ОГ, соединенным через магистраль 2 с газоанализаторами. Концентрация CO и CH измерялась газоанализатором 3 модели Бекман-590, концентрация NOx - газоанализатором 4 модели Бекман-951. Техническая характеристика выделенного цилиндра приведена в таблице 1. Таблица 1 Техническая характеристика выделенного цилиндра Диаметр цилиндра, м 92∙10-3 Ход поршня, м 92∙10-3 Тип камеры сгорания плоскоовальная Степень сжатия 6,8 Свеча зажигания А-11 Бензин АИ-80 Двигатель был снабжен экспериментальным распределителем зажигания с двумя кулачковыми шайбами (рисунок 8) так, что угол опережения зажигания в выделенном цилиндре можно было регулировать независимо от угла опережения зажигания во вспомогательных цилиндрах и измерять с помощью стробоскопа СТ-5 (рисунок 9). Рисунорк 8. Экспериментальный распределитель зажигания Рисунок 9. Схема системы зажигания в экспериментальной установке На рисунке 9: 1 - двигатель; 2 - ключ отключения зажигания в выделенном цилиндре; 3 - катушки; 4 - прерыватель; 5 - кулачковая шайба выделенного цилиндра; 6 - кулачковая шайба вспомогательных цилиндров; 7 - регулятор угла опережения зажигания в выделенном цилиндре; 8 - стробоскоп. Мощностные и экономические показатели выделенного цилиндра определялись методом отключения в нем зажигания [8]. Для определения индикаторной мощности выделенного цилиндра получали эффективную мощность при работе четырех цилиндров Ne4, а затем ключом 2 отключали зажигание в выделенном цилиндре, выводили двигатель на тот же скоростной режим и измеряли эффективную мощность при работе на трех вспомогательных цилиндрах Ne3. Таким образом, индикаторную мощность выделенного цилиндра получали по формуле: . (1) Топливная экономичность характеризуется удельным индикаторным расходом топлива, определяемым по формуле: (2) где: GТ - расход топлива, поступающего в выделенный цилиндр, кг/ч. Программа проведения исследований предусматривала получение регулировочных характеристик по составу смеси при различных значениях коэффициента наполнения, определяемого по формуле: , (3) где: ρв - плотность воздуха, поступающего в цилиндр, кг/м3; Vh - рабочий объем выделенного цилиндра, м3; n - частота вращения коленчатого вала, мин-1, GвΣ - суммарный расход воздуха через выделенный цилиндр, кг/ч: , (4) где: Gв1 - расход воздуха через смесевой канал, кг/ч; Gв2 - расход воздуха через воздушный канал, кг/ч. Коэффициент избытка воздуха в заряде, поступающем в выделенный цилиндр, определялся по формуле: , (5) где: l0 - стехиометрическое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива. Коэффициент расслоения заряда определялся по формуле: . (6) Исследования проводились при ξ = 0,455. Коэффициент избытка воздуха в смеси, поступающей в выделенный цилиндр через смесевой канал, определялся по формуле: . (7) На рисунке 10 показаны полученные на различных нагрузочных режимах при n = 2700 мин-1 и оптимальных углах опережения зажигания θ сравнительные регулировочные характеристики по составу смеси в выделенном цилиндре, работающем по обычному процессу и по процессу с расслоением заряда. а) б) Рисунок 10. Сравнительные регулировочные характеристики по составу смеси при n = 2700 мин-1: а - при ηV = 0,39, θ = 37° п. к. в.; б - при полностью открытых дроссельных заслонках; θ = 37° п. к. в.; ηV = 0,89 для обычного процесса; ηV = 0,86 для процесса с расслоением заряда; - - - - - - обычный процесс; --- - процесс с расслоением заряда; 1 - мощностной состав смеси для обычного процесса; 2 - мощностной состав смеси для процесса с расслоением заряда; 3 - предел экономичного обеднения для обычного процесса; 4 - предел экономичного обеднения для процесса с расслоением заряда Характеристики показывают, что максимальная мощность выделенного цилиндра, работающего по обычному процессу, больше, чем при работе с расслоением заряда, на 3-4 %, что указывает на снижение скорости сгорания слишком богатой смеси в расслоенном заряде. Однако при работе на стехиометрических смесях мощности выравниваются, а при дальнейшем обеднении смеси мощность выделенного цилиндра, работающего с расслоением заряда, превышает мощность цилиндра при работе по обычному процессу. При работе на пределе экономичного обеднения gi цилиндра, работающего с расслоением заряда, улучшается на 10-12 %. При этом выбросы CO, CH и NOx с отработавшими газами снижаются на 40-50 %. Стоит отметить, что при работе цилиндра с расслоением заряда при полностью открытых дроссельных заслонках ηV на 5 % меньше, что объясняется увеличением сопротивления на впуске из-за двух карбюраторов и перегородки во впускной трубе и головке цилиндров. Этим обусловлено снижение часового расхода топлива GТ по сравнению с обычным процессом. При работе с заданным коэффициентом наполнения значения GТ для обычного процесса и процесса с расслоением заряда совпадают. Заключение Для проведения сравнительных исследований на моторном стенде были изготовлены детали системы впуска и экспериментальная установка с выделенным цилиндром, который мог работать по различным рабочим процессам. На установке проведены стендовые исследования выделенного цилиндра с тангенциальным подводом расслоенного заряда, в котором улучшена экономичность более чем на 10 %, при снижении концентрации в отработавших газах оксида углерода, углеводородов и оксидов азота на 40-50 % по сравнению с обычным рабочим процессом благодаря увеличению эффективности сгорания бедных смесей. Полученные результаты доказывают перспективность применения расслоения заряда в серийных ДВС и обоснованность дальнейших исследований в этой области.

About the authors

I. V. Kuznetsov

Moscow State Industrial University (MSIU); 30th Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defence of the Russian Federation

Email: sam61@mail.msiu.ru
Dr. Eng., Prof.; +7-915-159-44-62

A. M. Sychev

Moscow State Industrial University (MSIU); 30th Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defence of the Russian Federation

Email: sam61@mail.msiu.ru
+7-915-159-44-62

A. V. Denisov

Moscow State Industrial University (MSIU); 30th Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defence of the Russian Federation

Email: sam61@mail.msiu.ru
Dr. Eng., Prof.; +7-915-159-44-62

References

Supplementary files