Форсирование процесса воспламенения топливовоздушных смесей в ДВС с искровым зажиганием

В таблице 4 приводятся величины динамических моментов на выходном валу ГМТ при включении первой передачи в зависимости от диаметра дросселирующего отверстия в канале к пневматическому демпферу.

Таблица 4 - Динамические моменты на выходном валу ГМТ КЗКТ при включении первой передачи, НЧм

Параметр Диаметр дросселирующего отверстия, мм

3 4 5 6 7 8

Температура масла 20°С 4200 5000 5000 5500 5700 6000

70°С 4000 4500 5200 5500 5500 5500

Как следует из таблиц, при использовании в системе включения первой передачи вместо клапана плавного включения воздушного демпфера в его канале необходим жиклер с диаметром отверстия 5...6 мм. Тогда время включения первой передачи и динамический момент при включении получаются такие же, как и с клапаном плавного включения, но снижаются динамические моменты при высокой температуре масла. При низких температурах скорость включения передачи с воздушным демпфером клапана плавного включения значительно выше, чем с клапаном плавного включения. Без пневмо-баллона при 70°С динамические моменты при включении первой передачи с дросселирующими отверстиями указанных диаметров были от 8000 до 10000 НЧм , т.е. динамический момент увеличился в 1,7...2 раза.

Включение первой передачи на стенде с баллоном емкостью 1 л сопровождалось динамическим моментом 5500 НЧм при 20°С и 5000 НЧм при 70°С. Дросселирующие отверстия в канале отсутствовали, время включения первой передачи в этих случаях составляет около двух секунд. После установки пластин с дросселирующими отверстиями 3 и 4 мм время включения передачи уве-личилосьдо 3,5...4 сек, что затрудняет включение. Дросселирующие отверстия диаметром 5...6 мм являются оптимальными как в отношении времени включения, так и динамических моментов,

Уменьшение объема баллона пневматического демпфера с1лдо0,5л ведет к возрастанию динамического момента при включении второй передачи при температуре масла ГМТ 70°С на 10... 15%.

ВЫВОДЫ

1 Для снижения динамических моментов при высокой температуре диаметр дросселирующего отверстия клапана плавного включения должен быть уменьшен с 1,9 мм до 1 мм. Время включения первой передачи с клапаном плавного включения может быть сокращено путем повышения усилия пружины, поджимающей золотник клапана, например, за счет увеличения диаметра проволоки пружины с2 мм до 2,5 мм. Стабильность включения передачи может быть достигнута путем установки в клапане плавного включения биметаллической регулирующей пластины.

2 Удовлетворительная плавность включения первой передачи ГМТ, не допускающая рывки тягачей КЗКТ при трогании с места и в движении, может быть получена с использованием в гидравлической системе как клапана плавного включения так и воздушного демпфера.

3 При замене клапана плавного включения первой передачи воздушным демпфером системе необходима установка в гидравлической жиклера с диаметром канала 5...6 мм. Время включения первой передачи и динамический момент с баллоном такие же как и с клапаном, но с баллоном динамический момент не увеличивается при высокой температуре масла, как происходит при установке клапана плавного включения.

5 Без существенного снижения плавности включения объём баллона воздушного демпфера в системе включения второй передачи может быть уменьшен вдвое - с 1л до 0,5 л.

4 Время включения второй передачи с клапаном плавного включения первой передачи увеличилось на 0,5...1 секунду. Для сокращения времени включения требуется увеличить усилие пружины, поджимающий золотник клапана.

При испытаниях подтверждалось, что необходимость повышения плавности включения третьей передачи путем установки в ГМТ в системе клапана плавного включения или воздушного демпфера практически отсутствует.

В.З.Гибадуллин

Курганский государственный университет, г.Курган

ФОРСИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В две С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Топливная экономичность и токсичность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в значительной степени зависят от процесса сгорания. Определяющую роль в протекании этого процесса в ДВС с искровым зажиганием играет его начальная фаза. Именно в ее пределах формируются межцикловая нестабильность и пропуски воспламенения, а потому особенности этой фазы существенно влияют на границы возможного обеднения топливо-воздушной смеси. Характеристики последующего турбулентного горения значительно менее подвержены влиянию состава смеси. Поэтому любые меры, направленные на форсирование развития начального очага (НО) горения, должны способствовать снижению межцикпо-вой нестабильности и обеспечить условия для работы ДВС на обедненных топливовоздушных смесях.

Согласно современной теории искрового воспламенения [1], в результате пробоя межэлектродного зазора у электродов свечи зажигания образуется микрообъем плазмы с температурой в ядре около 104 К. Химические реакции при таких условиях могут протекать лишь на поверхности плазменного объема, где температура существенно ниже. Через несколько десятков микросекунд после пробоя температура плазмы снижается до температуры пламени, и наступает наиболее критический момент формирования НО. Энергетический баланс, необходимый для последующего развития НО, должен быть положительным. Это условие можно записать так:

О +0 - О -О, > О,

^эл г т V ' ^ '

где О^ — энергия, подводимая от системы зажигания; <Э8 — энергия, выделяющаяся в зоне химических реакций во фронте пламени; От — энергия, отводимая в электроды свечи; —энергия, переносимая за счет теплопроводности и диффузии из зоны реакции в зону прогрева.

Вследствие теплоотвода в электроды свечи возникает отток энергии из зоны химических реакций. В результате снижается температура пламени, что, в соответствии с законом Аррениуса, уменьшает скорость химических реакций и тепловыделения в этой зоне, расширяется зона прогрева и увеличивается общая толщина

фронта пламени 5 . Уменьшается и нормальная ско-

108

ВЕСТНИК КГУ, 2005. №4

рость сгорания , связанная с 5;ш известным соотношением

где а — коэффициент температуропроводности смеси.

Отрицательные последствия снижения температуры горения особенно опасны при воспламенении бедных и забалластированных остаточными газами топли-вовоздушных смесей. В таких смесях скорость реакций невелика, и ее дальнейшее уменьшение вследствие теп-лоотвода из зоны реакций замедляет развитие НО, делает его неустойчивым и создает условия для возникновения пропусков воспламенения. Поэтому смещение энергетического баланса НО в сторону положительных величин и ускорение его развития крайне необходимы для обеспечения надежного воспламенения смеси.

При поджигании смеси традиционным искровым разрядом наиболее распространенным способом форсирования процесса воспламенения является воздействие на НО через параметры разряда (ток, длительность, межэлектродный зазор). Однако положительный эффект от увеличения межэлектродного зазора наблюдается лишь до определенной его величины, после чего НО становится очень чувствительным к турбулентным пульсациям, увеличивается энергия, потребляемая системой зажигания, и, как следствие, ухудшается топливная экономичность. С увеличением силы тока разряда количество энергии, подводимой в НО, возрастает, однако при силе тока свыше 200 мА разряд переходит из тлеющего в дуговой со снижением напряжения, а значит и общей энергии. Кроме того, усиливается эрозия электродов свечи зажигания и сокращается срок ее службы. Положительный эффект от увеличения продолжительности разряда также имеет предел. Это обусловлено тем, что подвод энергии в индуктивной фазе разряда длительностью более 3-4 мс нецелесообразен, поскольку эффективность передачи энергии разряда теплопроводностью в удаляющийся фронт пламени резко снижается по мере его удаления от канала пробоя. Итак, положительное влияние изменения параметров искрового разряда на развитие НО через увеличение составляющей его энергетического баланса (1) проявляется только на режимах глубокого дросселирования и холостого хода и достаточно быстро исчерпывается. При этом повышение топливной экономичности не превышает 3-5 % [2].

Логично предположить, что воздействовать на НО при воспламенении бедной топливовоздушной смеси можно увеличением скорости реакций и изменением характера выделения энергии Ог в процессе его развития. Этому может способствовать наличие в смеси вблизи электродов свечи зажигания высококалорийного химически активного вещества, обладающего высоким коэффициентом диффузии. Всем этим требованиям отвечает водород.

Для реализации такой концепции воспламенения был разработан и запатентован рабочий процесс [3], особенность которого заключается в том, что для интенсификации химических реакций в НО к электродам свечи зажигания в конце такта сжатия подается небольшое количество водорода. При этом двигатель работает на обедненной бензовоздушной смеси. Было дано математическое описание развития НО при такой организации рабочего процесса, выполнены теоретические и экспериментальные исследования [4].

Расчеты, проведенные с использованием разработанной математической модели, показали, что согласованная по времени с искровым разрядом подача в об-

ласть межэлектродного зазора малых доз водорода существенно влияет на процесс развития НО. В частности, форсируется тепловыделение во фронте пламени, причем не столько за счет присутствия в зоне реакций водорода, сколько за счет более интенсивного окисления основного углеводородного топлива. Это обеспечивает возможность обеднения подаваемой на впуск бензовоздушной смеси, в том числе при глубоком дросселировании.

Результаты экспериментов, проведенных на одноцилиндровом отсеке двигателя ВАЗ-2108, подтвердили теоретические выводы. В частности, из рисунка1 видно, что подача малых доз водорода в межэлектродный за-9 б Т \ да? ёёёа п апоеой I ё( ё! а де в область бедных смесей, в то время как без подачи водорода минимум удельного расхода топлива находился вблизи ^=0,98. Кроме того, сама величина дет1п снизилась с 1500 г/ (кВтЧЧч) без подачи водорода до 1170 г/(кВтЧЧч) при его подаче.

Согласно расчетам, подача малых доз водорода в межэлектродный зазор значительно увеличивает нормальную скорость сгорания и уменьшает толщину фронта пламени, что, в свою очередь, сокращает критическую тепловую мощность искры. Резко снижаются требования к токо-временным характеристикам индуктивной фазы разряда. Например, при ^>1,5 мс развиваемый двигателем крутящий момент при токе разряда / =200 мА и при токе / = 25 мА практически одинаков. Это, безусловно, положительно сказывается на сроке службы свечей зажигания. К тому же, при подаче добавок водорода изменение угла опережения зажигания значительно меньше отражается на показателях работы двигателя.

Индицирование показало, что форсированное развитие НО при подаче водорода в область электродов свечи меняет и динамику процесса сгорания в целом. Тепловыделение начинается раньше и протекает интенсивнее (рисунок 2), увеличивается коэффициент активного тепловыделения (рисунок 3).

Общую положительную оценку предлагаемого варианта рабочего процесса можно сделать по рисунку 4 [4], на котором приведена нагрузочная характеристика одноцилиндрового отсека ВАЗ-2108 при оптимальном регулировании. Видно, что при подаче водорода основная бензовоздушная смесь на режиме ре=0,2 МПа может быть обеднена до ¿£=1,22, а на холостом ходу - до (% =1,4, что позволяет применять элементы качественного регулирования мощности. При этом топливная экономичность в тепловом эквиваленте повышается на 8% при р =0,2 МПа и более чем на 30% на холостом ходу.

1650 де.г/кВт ч

1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150

бензин

бензин+водород

0, В

0,9

1,<

1:2

и

Рисунок 1 - Регулировочная характеристика по составу смеси

СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1

109

Важно подчеркнуть, что приведенные результаты получены при очень малых расходах водорода: 0,0012 кг/ ч при р= 0,2 МПа и 0,0065 кг/ч на холостом ходу, что составляет соответственно 0,25% и 1,5% от расхода бензина.

Следует также отметить, что разработанный рабочий процесс обладает еще и пониженной токсичностью отработавших газов. Обеспечение работы ДВС на обедненной смеси практически во всем нагрузочном диапазоне способствует снижению содержания в них СО и NOx, а достигнутое почти восьмикратное уменьшение количества пропусков воспламенения сопровождается существенным сокращением выбросов несгоревших углеводородов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями/

Под ред. Д.Хиллиарда, Дж.Спрингера. М.: Машиностроение, 1988. 510 с.

2. Шумский С.Н. Форсирование начальной фазы сгорания в ДВС за счет

воздействия на процесс искрового воспламенения топливовоздуш-ных смесей. Дисс.... канд. техн. наук. Волгоград, 1987. 254 с.

3. Патент РФ №2123121. Способ работы двигателя внутреннего

сгорания / Г.Н.Злотин, В.З.Гибадуллин.

4. Гибадуллин В.З. Организация рабочего процесса ДВС с внешним

смесеобразованием и локальной подачей микродобавок водорода в область межэлектродного зазора свечи зажигания. Дисс.... канд. техн. наук. Волгоград, 1992. 206 с.

А.П. Петров, А.Ю. Леонов

Курганский государственный университет,

г. Курган

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОТКРЫТИЯ КЛАПАНОВ НА КОЖУХЕ ВЕНТИЛЯТОРА

Для обеспечения отвода тепла от двигателя автомобиля используется радиатор системы охлаждения, который должен обдуваться воздухом. Для этого используют вентилятор или набегающий на автомобиль поток воздуха. На легковых автомобилях с целью снижения затрат мощности устанавливают электровентиляторы, которые могут периодически включаться и выключаться.

Когда скорость автомобиля достаточно большая, напор, создаваемый набегающим потоком, способен самостоятельно обеспечивать необходимый для отвода тепла расход воздуха через радиатор системы охлаждения, но на меньших скоростях этого напора бывает недостаточно. Поэтому для улучшения использования набегающего потока в кожухе вентилятора делают специальные отверстия, которые в случае включения электровентилятора закрываются клапанами. В настоящее время используют резиновые клапаны на кожухе (Audi, Volkswagen). Такие клапаны имеют очень простую конструкцию, но и много недостатков. Они открываются под действием набегающего потока, преодолевающего силы упругости резины. Поэтому расход воздуха через радиатор увеличивается незначительно. В процессе эксплуатации резиновые клапаны теряют свою эластичность, и клапаны, наоборот, не могут обеспечить герметичность кожуха при работе вентилятора. Происходит подсос воздуха через щели и таким образом снижается его расход через радиатор при движении автомобиля с малой скоростью.

Жесткие клапаны с принудительным открытием и закрытием лишены перечисленных недостатков, правда усложняется конструкция такого кожуха, но это оправданная мера. На рисунке 1 изображен радиатор с таким ко-