Оптимизация подачи сжатого воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания на различных режимах

ными, широкополосными и могут быть отнесены к стационарным и эргодическим при длительности реализации не менее 220-250 с.

2. Качественный анализ динамической нагруженности трактора при выполнении бульдозерных работ позволил выявить источники крутильных колебаний в трансмиссии и оценить энергию их проявлений.

Литература

1. Цветков, В.И. Нестационарные случайные процессы и их анализ / В.И. Цветков. - М.: Энергия, 1971.

2. Климов, А.А. О выборе закона распределения параметров мобильных агрегатов в процессе их экспериментальных исследований / А.А. Климов // Совершенствование конструкций и повышение надежности тракторов и погрузчиков. - Красноярск, 2003. - С. 39.

3. Упиров, П.П. Совершенствование методов оценки нагруженности и долговечности деталей на примере механической и гидромеханической трансмиссий промышленной модификации гусеничного сельскохозяйственного трактора: дис. ... канд. техн. наук / П.П. Упиров. - Красноярск, 1977.

4. Климов, А.А. Экспериментальный промышленный трактор для исследования оптимизации энергонасыщенности / А.А. Климов // Совершенствование конструкций и повышение надежности тракторов и погрузчиков: сб. ст. КрасГАУ. - Красноярск, 2003. - С. 18-27.

---------♦'----------

УДК 621.541 С.М. Макушин

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДАЧИ СЖАТОГО ВОЗДУХА В ЦИЛИНДРЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ

Приведены результаты первичных испытаний двигателей внутреннего сгорания, переоборудованных под микропроцессорное управление МИКАС-7.1 с распределенным впрыском топлива и подачей сжатого воздуха в цилиндры при помощи воздухораспределителя. Получена итоговая зависимость оптимального угла подачи воздуха на различных частотах.

В настоящее время остро встает проблема рационального использования природных ресурсов, в том числе и нефти, запасы которой на Земле неуклонно сокращаются. Автомобильный транспорт является одним из основных потребителей жидкого топлива нефтяного происхождения. В этих условиях, во многих странах, в том числе и в России, разрабатываются и внедряются в жизнь программы по более экономичному и рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов.

Одним из вариантов снижения потребления жидких топлив нефтяного происхождения является применение различных видов альтернативных топлив или, в частности, разработки гибридных или комбинированных бензиновых двигателей.

Проблема выбора исполнительного механизма как раз и возникла при воплощении в жизнь идеи создания комбинированного двигателя [1]. В данном двигателе наряду с жидким топливом в качестве дополнительного источника энергии применяется сжатый воздух, закачанный под большим давлением в ресиверы на компрессорной станции.

В комбинированном двигателе сначала сгорает запальная доза (бензин+воздух), после чего, практически вслед за фронтом пламени, подается сжатый воздух в цилиндры двигателя из ресиверов через исполнительный механизм. Благодаря наличию своей собственной внутренней энергии у сжатого воздуха и свободной энергии, не перешедшей в механическую, от сгорания топлива совершается дополнительная работа, повышая тем самым термический КПД.

Таким образом, чтобы совершить одинаковую работу бензиновому двигателю и таким же, но в комбинированном исполнении, последнему понадобится затратить меньше традиционного топлива. Отсюда следует, что в атмосферу выброс вредных веществ транспортом заметно снизится, а это благоприятный фактор улучшения экологической обстановки, особенно в больших городах.

Для подачи сжатого воздуха можно воспользоваться одним из трех способов. Первый из них подразумевает применение электропневматических клапанов для каждого из цилиндра. У таких клапанов отсутствуют какие-либо утечки сжатого воздуха, что является достаточно ценным свойством. Также достаточно легко реализовывается их включение и выключение. Для этого можно использовать электрические импульсы от распределителя зажигания. Положительным моментом здесь является и то, что нет необходимости продумывать систему смазки самого исполнительного механизма. А это в свою очередь значительно упрощает конструкцию. Но значительным недостатком данного способа является относительно длительное время срабатывания клапанов. Следует отметить, что для подачи сжатого воздуха отводится период времени, равный 15 градусам поворота коленчатого вала, это составляет 20 м/с. У имеющегося на сегодняшний день электромагнитного клапана с рабочим давлением до 5,0 МПа время срабатывания на открытии находится в пределах 50 м/с [1], что затрудняет осуществление своевременной подачи сжатого воздуха. Если увеличивать продолжительность подачи по углу коленчатого вала до 37,5 градусов, что соответствует 50 м/с, то это значительным образом скажется на протекании основного процесса горения топлива в цилиндрах двигателя. И мы получим обратный эффект - неполное сгорание топлива вследствие нарушения фронта и скорости распространения пламени, а это в свою очередь приведет к перерасходу топлива.

Следующий способ - применение механических клапанов. Основным достоинством в данном случае являются простота и герметичность конструкции, а также точность и своевременность подачи воздуха вследствие применения механического привода. Но сложность как раз и заключается в осуществлении данного привода клапанов. К тому же он должен быть устроен таким образом, чтобы было возможно сжатый воздух подавать в цилиндры двигателя с учетом частоты вращения коленчатого вала, то есть осуществлять опережение впуска. Можно, конечно, данный клапанный механизм использовать и без опережения воздухо-подачи, но при этом снизится эффективность использования энергии сжатого воздуха. Если этим пренебречь, то в таком случае привод воздушных клапанов возможен от дополнительных кулачков на распределительном вале.

Третий способ - это применение воздухораспределителя. Такие воздухораспределители цилиндрического и дискового типа [2] используются для запуска судовых и танковых дизельных двигателей большого объема. Здесь данный механизм работает в условиях кратковременной нагрузки, так как запуск сам по себе непродолжителен, поэтому масла, поступившего по каналам 1 и 2 (рис. 1) в пару трения корпус - золотник от штатной система смазки, достаточно для данных условий. При этом излишки масла, попадая в цилиндры двигателя, сгорают вместе с дизельным топливом, и форсунки не загрязняются.

При работе на комбинированном двигателе возникает проблема в обеспечении трущихся деталей некоторой постоянно работающей системой маслоподачи под давлением, превосходящим давление воздуха (5 МПа). Здесь несколько путей. Первый из них - это использование прерывистой работы воздухораспределителя в комбинированном двигателе. Данный вариант предполагает периодичное снятие нагрузки с трущихся деталей, то есть отключение воздухоподачи и некоторое время работы двигателя в обычном режиме. За безнагрузочный период пара трения насытится смазкой через имеющиеся каналы 1 и 2 (см. рис. 1). Но данный вариант снижает эффективность использования идеи комбинированного двигателя. К тому же его конструкция еще и дополнительно усложнится, так как появится необходимость в наличии некоторого следящего механизма для прерывистой работы воздухораспределителя.

Другой способ напрашивается сам по себе - обеспечение принудительной смазкой пары трения золотник - корпус. Для этого можно воспользоваться уже имеющимся каналом 2 (см. рис. 1). В этот канал есть возможность ввернуть штуцер, а к нему в свою очередь под большим давлением порядка 6,0-7,0 МПа подводить масло от независящего от штатной системы питания масляного насоса высокого давления. Но сложность как раз и заключается в данном насосе, так как серийно они не выпускаются, хотя имеются в авиационной технике, где большое количество механизмов приводится в действие гидравликой.

Применение в комбинированном двигателе в качестве топлива бензина и, как следствие, свечей зажигания делает затруднительным осуществлять обильную смазку золотника, так как излишки масла, попав в цилиндры, образуют нагар в первую очередь на свечах зажигания, ухудшая их работу или приводя к отказу. Таким образом, второй способ может быть принят лишь при обеспечении пары трения корпус - золотник очень маленькими дозами масла под высоким давлением. В качестве масляного насоса высокого давления в данном случае можно использовать ТНВД. Конечно же, его необходимо перенастроить и рассчитать привод, обеспечив необходимую частоту вращения вала насоса.

Рис. 1. Воздухораспределитель: 1, 2 - отверстия для смазки; 3 - отверстие золотниковое в диске распределителя; 4, 5 - каналы в корпусе распределителя; 6 - муфта регулировочная; 7 - корпус;

8 - колпак; 9 - диск распределительный; 10 - крышка; 11 - штифт; 12 - валик; 13 - пружина;

14 - прокладка; 15 - зажим

Привод воздухораспределителя легко сделать от имеющегося штатного распределителя зажигания. Здесь можно через муфту осуществлять передачу вращающего момента от валика распределителя с грузиками к валу воздухораспределителя. Наличие грузиков позволяет делать опережение впуска воздуха в зависимости о частоты вращения коленчатого валя. Но наряду с простотой следящего механизма усложняется электрическая схема зажигания. Вместо контактного штатного механизма необходимо будет применять зажигание с микропроцессорным управлением. Хотя здесь следует отметить то, что оно является серийно выпускаемым (МИКАС-7.1).

Еще одна сложность в том, что данный исполнительный механизм в условиях длительной работы, как в нашем случае, имеет ощутимые потери сжатого воздуха, что является значительным недостатком. Но наряду с этим применение воздухораспределителя позволяет достаточно точно и практически мгновенно без задержек в определенном положении коленвала подавать воздух в цилиндры двигателя и также мгновенно отсекать эту подачу.

Таким образом, идеального способа пока нет. Необходимо каким-либо качеством, свойством исполнительного механизма пренебречь при создании комбинированного двигателя с минимальными переделками из серийного. Но в перспективе следует двигаться в направлении разработки электропневмоклапана с малым временем срабатывания.

На сегодняшний день для проведения первоначальных испытаний в лаборатории кафедры АТ АС и ФО автотранспортного факультета ПИ СФУ разработана и действует экспериментальная установка на базе серийного двигателя ЗМЗ 4021.10, переоборудованного под микропроцессорное управление МИКАС-7.1, с распределенным впрыском топлива и подачей сжатого воздуха в цилиндры при помощи воздухораспределителя (см. рис. 1). На данной установке проводились замеры при частичной нагрузке в 5 кВт удельного расхода топлива с различным опережением подачи воздуха, момента искрообразо-вания и на различных частотах вращения коленчатого вала. Результаты испытаний представлены на рисунках 2-5.

Рис. 2. Влияние угла опережения подачи воздуха р при давлении в 30 МПа и частоте вращения коленвала 850 мин-1 на удельный расход топлива дт

Рис. 3. Влияние угла опережения подачи воздуха р при давлении в 30 МПа и частоте вращения коленвала 1000 мин-1 на удельный расход топлива дт

Рис. 4. Влияние угла опережения подачи воздуха р при давлении в 30 МПа и частоте вращения коленвала 1250 мин-1 на удельный расход топлива дт

Рис. 5. Влияние угла опережения подачи воздуха р при давлении в 30 МПа и частоте вращения коленвала 1500 мин-1 на удельный расход топлива дт

Из вышеприведенных графиков (см. рис. 2-5) видно, что эффективность работы комбинированного двигателя падает при подаче воздуха с ростом частоты вращения, что объясняется уменьшением времени тепломассообмена в цилиндрах. Общеизвестно, что пневмодвигатели лучше работают при малых частотах, в противоположность ДВС.

На основании исследований получена итоговая зависимость оптимального угла подачи воздуха на разных частотах (рис. 6). Совершенно неожиданный характер зависимости - с ростом частоты вращения коленвала оптимальный угол опережения подачи воздуха падает, объясняется тем, что на больших частотах эффективность работы пневмодвигателей вообще снижается. В данном случае проявляется «мешающее» влияние пневматической составляющей цикла работы комбинированного двигателя. Чтобы избавиться от этого эффекта, необходимо радикально изменить конструкцию камеры сгорания-расширения.

Рис. 6. Зависимость оптимально угла подачи воздуха на разных частотах

вращения коленвала

Как оказалось в ходе экспериментов воздухораспределитель является достаточно инертным и не обладает необходимой пропускной способностью для эффективной работы двигателя на более высоких оборотах.

В перспективе планируется провести испытания для проведения сравнительного анализа по топливной экономичности, а также расчета индикаторных показателей.

Данный двигатель может также работать в качестве пневматического, без затрат топлива, а также в качестве бензинового двигателя при исчерпании запаса сжатого воздуха. В заключение можно сказать, что работа комбинированного пневмобензодвигателя целесообразна в условиях движения по городскому циклу, а для оптимизации подачи сжатого воздуха следует исполнительный механизм в составе воздухораспределителя заменить на более экономичный в составе электропневмоклапанов.

Литература

1. Сухов, А. Выхлоп чище воздуха / А. Сухов // За рулем. - 2001. - № 2. - С. 40-42.

2. Сизых, В.А. Судовые энергетические установки / В.А. Сизых. - М.: РКонсультант, 2003. - 264 с.

3. Интернет-сайт http://www.festo.ru.

4. Кудрин, В.А. Руководство по эксплуатации В2-РЭ / В.А. Кудрин. - М.: Внешторгиздат, 1990. - 186 с.

5. Успенский, В.А. Пневматический транспорт / В.А. Успенский. - М.: Металлург, 1959. - 254 с.

6. Хаджикоз, Р.Н. Повысить эффективность пневматических установок / Р.Н. Хаджикоз // Уголь Украины. -1965. - № 7 с.

---------♦------------

УДК 630.37 В.П. Корпачев, Д.Н. Седрисев

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОЗБУЖДЕННОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТРУЕЙ ПОТОКА НА ЛЕСОТРАНСПОРТНЫЕ ЕДИНИЦЫ*

В работе рассматривается теоретическое решение определения параметров движения лесотранспортной единицы в потоке, возбужденном затопленной гидравлической струей.

Строительство ГЭС внесло изменение в гидрологический режим естественного потока. Скорости потока на акватории водохранилища стали близки к нулевым значениям, снизились скорости потока и на устьевых участках рек, впадающих в водохранилище. В связи с этим, при разработке технологий транспортного освоения водохранилищ используются различного типа потокообразователи потока для продвижения лесоматериалов. Для совершенствования их конструкций, расчета производительности необходимо определить основные параметры движения лесоматериалов в потоке, возбужденном затопленной гидравлической струи.

Физическая картина движущегося в водном потоке, возбужденном затопленной гидравлической струей (ГС), лесоматериала очень сложна [1]. Если учитывать физическое взаимодействие всех действующих сил (нестационарность движения, ветровое и волновое сопротивление, сопротивление воды при вращательном движении и т.д.), то при решении поставленной задачи возникают большие математические трудности. Поэтому при изучении движения лесоматериала в водном потоке мы вынуждены вводить определенные ограничения.

Неравномерное движение лесоматериалов в потоке, возбужденном ГС, описывается известным из физики законом Ньютона

МйУ^ = ^ - Я,

йг

где Г - сила давления возбужденного ГС потока на лесоматериал;

R - сила сопротивления движению лесоматериала в возбужденном ГС потоке;

йУТ

М - масса тела, —- - линейное ускорение. йг

Здесь все силы спроектированы в направлении движения и приложены к центру тяжести тела: если

йУт _ ^ п йУт „

—т > 0, то Р > 0, а если —- < 0, то Р<0.

йг йг

Гидравлическое сопротивление жидкости движению лесоматериалов и воздействующая сила опреде-

лятся по зависимостям:

* Работа выполнена при финансовой поддержке совместного гранта РФФИ и ККФН «Енисей-2007» №07-05-96800.