Особенности изменения показателя политропы в ДВС на режиме холостого хода

УДК 621.43

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОЛИТРОПЫ В ДВС НА РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА

© 2016 В.В. Смоленский, Н.М. Смоленская, Д.А. Павлов

Тольяттинский государственный университет

Статья поступила в редакцию 09.02.2016

В статье приводятся результаты исследования оценки изменения показателя политропы в процессах сжатия и расширения позволяющие проводить оценку протекания термодинамических процессов в ДВС с искровым зажиганием на режимах глубокого дросселирования в частности на режиме холостого хода.

Ключевые слова: показатель политропы, термодинамика, процессы в ДВС, режим глубокого дросселирования, холостой ход.

Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ№16-38-00331.

ВВЕДЕНИЕ

Режимы глубокого дросселирования характеризуются рядом негативных факторов: низкими давлениями на тактах сжатия, расширения и выпуска, обратным выбросом отработавших газов в цилиндры и во впускную систему во время фазы перекрытия клапанов; увеличением коэффициента остаточных газов и другими. Все это ухудшает условия воспламенения и сгорания то-пливовоздушной смеси, и приводит к неполному сгоранию топлива [1].

На режимах глубокого дросселирования двигателя наблюдается высокая цикловая нестабильность процесса сгорания в последовательных рабочих циклах, которая определяется изменением количества остаточных газов в цилиндре ДВС. По мнению некоторых исследователей, на таких режимах, количество остаточных газов может превышать массу свежей горючей смеси. Указанная особенность вносит изменения в термодинамику внутрицилиндровых процессов [2,3,4]. Таким образом, целью работы являлось установление особенностей изменения показателя политропы в процессах сжатия и расширения бензинового ДВС на режиме холостого хода.

ПОКАЗАТЕЛЬ ПОЛИТРОПЫ В ДВС

Одной из интегральных характеристик протекания термодинамических процессов является

Смоленский Виктор Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры энергетические машины и системы управления. E-mail: Biktor.cm@mail.ru Смоленская Наталья Михайловна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры общая и теоретическая физика. E-mail: nata_Smolenskaya@mail.ru Павлов Денис Александрович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой энергетические машины и системы управления. E-mail: Pavlov-DA@yandex.ru

показатель политропы, который отражает направление и интенсивности теплового потока в рассматриваемых процессах [5,6]. На рис. 1 схематично представлено изменение показателя политропы и отмечены основные «условные» точки изменения поведения термодинамической системы. На участке от начала процесса сжатия до точки 1, где показатель политропы сжатия становится равен показателю адиабаты, происходит нагрев рабочей смеси от стенок цилиндра двигателя, и в процессе сжатия тепловой поток от стенок цилиндра уменьшается и становится равен 0 в точке 1. На участке от точки 1 до точки 2 происходит теплоотвод от сжимающегося рабочего тела через стенки цилиндра. Точка 2, где показатель политропы и адиабаты опять сравниваются, характеризуется тем, что количество теплоты выделяемого в процессе сгорания становится равным количеству теплоты, уходящему через стенки цилиндров [7].

В ходе выполнения работы показатель политропы сжатия и расширения определялся по формуле (1):

где p1, V1 и p2, V2 - давление и объем в начале и в конце рассматриваемого участка индикаторной диаграммы.

Интервал между расчетными точками брался равным (рз ~ <р1. — 1,5 град ПКВ исходя из точности определения положения коленчатого вала.

На участке от точки 2 до ВМТ, соответствующей 360° ПКВ, происходит процесс сгорания на такте сжатия и показатель политропы стремится к бесконечности, т.е. к изохорному процессу подвода теплоты, который протекает в ВМТ. На участке от ВМТ до точки 3 показатель политропы принимает отрицательные значения, характерные активному тепловыделению на

Рис. 1. Схема изменения показателя политропы действительного цикла ДВС с искровым зажиганием

такте расширения, а точка 3, где п = 0 соответствует максимальному давлению в цилиндре двигателя. На участке от точки 3 до точки 5, где показатель политропы становится равен показателю адиабаты расширения, происходит процесс догорания ТВС на такте расширения, при этом в точке 4 показатель политропы становится равен 1, что характеризует изотермический процесс, т.е. количество теплоты отдаваемое в стенки цилиндра равно количеству теплоты получаемой при сгорании топлива. Участок от точки 5 и до процесса выпуска характеризуется зоной выхолаживания, где завершаются процессы горения, и прямолинейно увеличивающимся участком, характеризующимся увеличением теплоотвода в процессе расширения, вследствие увеличения площади охлаждаемой поверхности. Таким образом, изменения показателя политропы позволяет определять характер протекающих процессов внутри цилиндра ДВС, что является актуальной задачей для выявления возможностей повышения эффективности процесса сгорания [1,4,7,8].

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальные исследования проводились на кафедре «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинского государственного университета на моторном стенде оснащенном оборудованием предусмотренным ГОСТ 14846-81. Для иллюстрации на рис. 2. представлена фотография моторного стенда с двигателем ВАЗ-2111.

Дополнительно моторный стенд и двигатель оснащался системой индицирования производства ООО «МВГ» г. Санкт-Петербург и системой газового анализа на базе газоанализатора ф. «Мета» г. Жигулевск.

Система индицирования включала в себя-тензометрический датчик давления ДМВГ с собственной частотой 20 кГц. Для определения положения коленчатого вала использовался оптический датчик, а регистрация данных проводилась на систему сбора данных Ь-783М (производства Ь-Сагф.

Для установки датчика давления потребовалось дооборудовать ДВС путем установки дополнительной алюминиевой проставки в газовый стык двигателя. В результате степень сжатия двигателя была изменена и составила 7,5 единиц.

Исследования проводились на режимах холостого хода путем снятия регулировочных характеристик по составу смеси. Состав смеси варьировался от коэффициента избытка воздуха а = 0,8 до максимально возможного обеднения смеси. Угол опережения зажигания выбирался оптимальным, из условия минимального расхода топлива.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенные экспериментальные работы на режиме холостого хода показали наличие значительной неравномерности максимального давления цикла (Р2). Для иллюстрации на рис. 3 представлены осциллограммы изменения давления при работе ДВС с коэффициентом избытка воздуха а = 0,99.

Рис. 2. Двигатель ВАЗ-2111 с распределенным впрыском топлива

Из рис.3 видно что, на режиме холостого хода наблюдаются циклы, как с пропуском зажигания (II) так и циклы с полным сгоранием ТВС (I и III). Тем самым состав остаточных газов, а значит и состав рабочей смеси, значительно зависит от того как прошел процесс сгорания. Как показано в работах В.Ф. Каменева [1] состав остаточных газов в последовательной серии циклов, не одинаков,

и после первого цикла, где происходит полное сгорание, остаточные газы в большей степени представляют собой продукты полного сгорания, т.е. они настолько забалластируют свежую смесь, что, как правило, происходит неполное сгорание, и устойчивый фронт пламени не образуется. Таким образом, такой цикл характеризуется как пропуск сгорания, цикл II на рис. 3. Из этого

Рис. 3. Осциллограммы изменения давления при работе на бензине са=0,99

следует, что в следующем цикле после пропуска процесс сгорания будет протекать по всей КС, тем самым обеспечивая полное сгорание топлива.

Проведем анализ изменения показателя политропы для трех последовательных циклов: цикла с полным сгоранием (I), следующих за ним цикла с пропуском зажигания (II) и цикла с полным сгоранием ТВС (III). На рис.4 представлена оценка изменения давления (рис.4а) и показателя политропы в процессе сжатия, сгорания и расширения (рис.4б) трех последовательных циклов на режиме холостого хода.

Начнем оценку особенностей изменения показателя политропы при работе на режимах глубокого дросселирования с изменения политропы в начале сжатия (участок от 220 до 250 град. ПКВ). И так мы видим, что наибольшие значения показателя политропы соответствуют циклу II, который идет за циклом I, где происходит полное сгорание, и, следовательно, имеет наибольшее использование теплоты в рабочем процессе, что приводит к снижению температуры остаточных газов. А в цикле III, в который попали остаточные газы после пропуска зажигания с большей темпе-

ч

220 240 260 280

300 320 340 360 360 400 Угол поворота КВ [град ]

440 460

Рис. 4. Оценка изменения давления (а) и показателя политропы (б) в процессе сжатия, сгорания и расширения трех последовательных циклов на режиме холостого хода

ратурой, показатель политропы минимален, следовательно, тепловой поток от стенок цилиндра будет значительно меньше. Оценивая изменения показателя политропы в процессе самого сжатия (участок от 250 до 320 град. ПКВ) отмечаем, что его снижение более характерно для цикла II, в котором остаточные газы в основном состоят из продуктов полного сгорания, т.е. из 3-х атомных газов, а в цикле III остаточные газы имеют продукты неполного сгорания, что и отражается на более высоких значениях показателя политропы сжатия. Одной из важных особенностей показателя политропы на режиме холостого хода является величина среднего значения показателя политропы сжатия. Так на участке от 220 до 320 град. ПКВ его значения следующие: в цикле I-n = 2,066; в цикле II-n = 2,205; в цикле III-n = 1,894, что значительно превышает средние значения показателя политропы сжатия на полных нагрузках.

Рассматривая изменение показателя политропы в конце процесса сгорания и в процессе расширении, следует отметить, что в цикле II с пропуском зажигания наблюдается длительная зона со значениями меньше 1, что характеризует вялотекущий процесс окисления, а в цикле I и III происходит интенсивный процесс сгорания, и в цикле I он завершается быстрее. При этом величина показателя политропы характеризует степень завершенности процесса сгорания, т.е. в цикле I мы наблюдаем более раннее завершение сгорания и переход к теплоотводу в стенки цилиндра, а в цикле III еще имеются продукты неполного сгорания, снижающие показатель политропы.

Средние значения показателя политропы расширения на участке от 400 до 480 град. ПКВ следующие: в цикле I - n = 1,713; в цикле II - n = 1,548; в цикле III - n = 1,635. Высокие значения показателя политропы расширения можно объяснить низким коэффициентом наполнения цилиндра, соответственно, чем меньше масса газа в цилиндре, тем выше удельное количество тепла передаваемого газом в стенки цилиндра, что и приводит к повышению показателя политропы расширения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов экспериментальных работ позволил сформулировать следующие выводы:

- показатель политропы сжатия и расширения значительно отличается от принятых значений при выполнении расчетов для режимов полной нагрузки, в частности, значения политропы

сжатия варьируется в диапазоне от 1,8 до 2,3, а политропа расширения в диапазоне от 1,5 до 1,8.

- в циклах с пропуском зажигания или частичным сгоранием наблюдается значительный участок показателя политропы расширения со значениями ниже 1, что характеризует процесс догорания или частичного сгорания при значительном расширении рабочего тела.

Таким образом, фактические значения политроп в процессах сжатия, сгорания и расширения при работе двигателя на режимах дросселирования, и в частности, на режиме холостого хода существенно отличается от принятых значений, что в свою очередь необходимо учитывать при выполнении расчетов ДВС. Следует отметить, что показанная особенность требует проведения дополнительных более детальных, экспериментальных и теоретических исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каменев В. Ф. Научные основы и пути совершенствования токсических характеристик автомобильных двигателей с искровым зажиганием: Дис. ... докт. техн.наук: 05.04.02 ГНЦ НАМИ. М., 1996. 454 с.

2. Смоленский В.В. Смоленская Н.М. Влияние добавки водорода в ТВС на характеристику тепловыделения и максимальное давление в процессе сгорания // Естественные и технические науки. 2011. №1. С. 166-172.

3. Смоленский В.В. Смоленская Н.М. Взаимосвязь термодинамических параметров процесса сгорания с характеристиками распространения фронта пламени для бензоводородовоздушных смесей в условиях УИТ-85 // Естественные и технические науки. 2013. №4. С. 54-59.

4. Numerical investigation of the effect of injection timing under various equivalence ratios on energy and exergy terms in a direct injection SI hydrogen fueled engine/ A. Nemati, V. Fathi, R. Barzegar, S.Khalilarya // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. 38 (2), pp. 1189-1199.

5. Teh K.-Y., Miller S.L., Edwards C.F. Thermodynamic requirements for maximum internal combustion engine cycle efficiency. Part 1: Optimal combustion strategy// International Journal of Engine Research. 2008. 9 (6), pp. 449-465.

6. Chintala V., Subramanian K.A. Assessment of maximum available work of a hydrogen fueled compression ignition engine using exergy analysis // Energy. 2014.№67. pp. 162-175.

7. Thermodynamic energy and exergy analysis of three different engine combustion regimes/ Y. Li, M. Jia, Y. Chang, S.L. Kokjohn, R.D. Reitz // Applied Energy. 2016. №180. pp. 849-858.

8. Thermodynamic and energy saving benefits of hydraulic free-piston engines/ Z. Zhao, S. Wang, S. Zhang, F. Zhang //Energy. 2016. №102. pp. 650-659

FEATURES CHANGES POLYTROPIC EXPONENT IN ICE ON IDLING

© 2016 V.V. Smolensky, N.M. Smolenskaya, D.A. Pavlov

Togliatti State University

The article presents the results of a study evaluating changes in the polytropic exponent of compression and expansion processes in place to assess the flow of the thermodynamic processes in internal combustion engines with spark ignition mode to deep throttling especially at idle.

Keywords: polytropic exponent, thermodynamics, processes in internal combustion engines, deep throttling mode, idling.

Victor Smolenskii, Candidate of Technics, Associate Professor at the Energy Machinery and Control Systems Department. E-mail: TD@tltsu.ru

Natalia Smolenskaya, Candidate of Technics, Senior Lecturer

at the Department of General and Theoretical Physics.

E-mail: nata_Smolenskaya@mail.ru

Denis Pavlov, Candidate of Technics, Head at the Energy

Machinery and Control Systems Department.

E-mail: Pavlov-DA@yandex.ru