Моделювання та дослідження робочого циклу бензинового двигуна

На внутривузівський конкурс студентських наукових робіт за напрямом «Двигуни та енергетичні установки»

Студентська наукова робота

на тему: «Моделювання та дослідження робочого циклу бензинового двигуна»

Горлівка 2012

Вступ

Авторами була розроблена математична модель розрахунку бензинового двигуна з різними методами регулювання навантаження, а саме за способами Аткінсона і Міллера.

Авторами даної роботи були виконані розрахунково-експериментальні дослідження впливу на основні показники чотиритактного бензинового ДВЗ таких методів регулювання навантаження, як спосіб Аткінсона й спосіб Міллера. У роботі аналізуються розрахунково-експериментальні дані по впливу зазначених способів регулювання навантаження двигуна на параметри робочого процесу.

Основна мета даної роботи, полягає в розрахунково-експериментальному дослідженні методів регулювання навантаження двигуна по способах Аткінсона й Міллера.

У даній роботі практично неможливо привести повністю усі експериментальні та розрахункові результати. Тому тут приводяться та обговорюються тільки деякі, найбільш характерні залежності.

Опис експериментів

бензиновий двигун навантаження

Перед виконанням розрахункових досліджень необхідно було експериментальним шляхом визначити ряд параметрів, що входять до математичної моделі двигуна.

Дослідження були проведені на експериментальному одноциліндровому чотиритактному двигуні в дослідницькій лабораторії АДІ ДВНЗ «ДонНТУ».

Опис дослідного стенда, випробувального обладнання й експериментального двигуна дано в роботах [2, 3, 4].

Експериментальний двигун має механізм газорозподілу (МГР) з верхнім підвісним розташуванням клапанів. Привід клапанів виконується безпосередньо від верхнього розподільного вала. Деталі МГР (клапани із пружинами, штовхачі та розподільний вал) були взяті від малогабаритного серійного двигуна Briggs 91 200. В експериментальному двигуні привід МГР від колінчастого вала здійснюється за допомогою розробленої системи проміжних валів з конічними та циліндричними шестернями.

Загальний вид двигуна показаний на рис. 1.

Розподільний вал (рис. 2) було допрацьовано для можливості встановлення змінних кулачків (одного або двох), а також для зміни фази впуску.

Для регулювання навантаження за способами Аткінсона і Міллера були виготовлені експериментальні впускні кулачки: два однакових кулачка (рис. 3, а), які мають кутове зміщення цAt відносно один одного, — для здійснення способу Аткінсона і шість з'ємних кулачків різного профілю (рис. 3, б) — для реалізації способу Міллера. Для контролю зміщення цAt кулачків на їх тилових частинах нанесені мітки, А і Б.

Рис. 1. Експериментальний двигун, встановлений на випробувальному стенді

Рис. 2. Розподільний вал:

А — місце установки експериментальних впускних кулачків

Рис. 3 — Впускні експериментальні кулачки:

а — для реалізації способу Аткінсона (А, Б — мітки установки кута відносного зсуву кулачків); б — для реалізації способу Міллера

Рис. 4. Профілограми деяких експериментальних кулачків:

а — для способу Аткінсона; б — для способу Міллера;

· ··· - експеримент; ^____ — розрахунок

Регулювання навантаження за способом Аткінсона здійснювалась дискретно шляхом зміни взаємного кутового положення двох однакових кулачків. Для експериментальних досліджень способу Міллера навантаження двигуна задавалось послідовною зміною восьми кулачків з різним профілем. Під час проведення дослідів за способами Аткінсона і Міллера встановлювався незмінний кут відкриття дросельної заслінки др = 100%.

Профілограми деяких кулачків, що забезпечують здійснення способів Аткінсона й Міллера, представлені на рис. 4.

Експериментальні результати

Замірювані механічні втрати двигуна, одержані методом прокрутки, наведені на рис. 5, де помітний вплив способу регулювання навантаження. Ці дані побічно підтверджують уже добре відоме підвищення насосних втрат в класичному ДВЗ з прикриттям дросельної заслінки.

На рис. 6 і 7 показані навантажувальна та швидкисна характеристики двигуна при різних способах регулювання навантаження. Як і очікувалось, паливна економічність двигуна з дросельним регулюванням навантаження обумовлена головним чином втратою індикаторної роботи газів за цикл на газообмін.

Розрахункові результати

Для профілограм експериментальних кулачків (рис.4) попередньо одержана узагальнена емпірична формула залежності висоти підйому клапана hвп від кута повороту колінчастого вала, яка використана в математичній моделі, розробленої в АДІ ДВНЗ «ДонНТУ».

За допомогою математичної моделі були отримані швидкісні та навантажувальні характеристики двигуна, навантаження якого регулювалось за способами Аткінсона, Міллера та класичним способом.

Розрахунок швидкісних характеристик на часткових режимах роботи двигуна проводилися при коефіцієнтах наповнення від зV = 0,38 до зV = 0,97.

Рис. 5. Вплив частоти обертання колінчастого вала на механічні втрати:

S/D = 38/52 мм; е = 9; 1 — класичний спосіб; 2 — спосіб Міллера; 3 — спосіб Аткінсона

Рис. 6. S/D = 38/52 мм; е = 9; 1 — класичний спосіб; 2 — спосіб Аткінсона; 3 — спосіб Міллера

Розрахунок навантажувальних характеристик проводився при частотах обертання колінчастого вала від 1000 до 5400 хв-1.

Рис. 7. S/D = 38/52 мм; е = 9; 1 — класичний спосіб; 2 — спосіб Аткінсона; 3 — спосіб Міллера

Рис. 8. Розрахункова навантажувальна характеристика:

n = 4000 хв^-1; б = 1;? — класичний спосіб; x — спосіб Аткінсона;? — спосіб Міллера

Рис. 9. Розрахункова швидкісна характеристика:

n = 4000 хв^-1; б = 1;? — класичний спосіб; x — спосіб Аткінсона;? — спосіб Міллера

Розрахункові залежності параметрів робочого циклу двигуна при двох нетрадиційних способах регулювання навантаження зображені на рис. 8 і 9. Там також для порівняння наведені дані для двигуна за класичним способом регулювання навантаження (цдр = var).

Аналіз результатів

Можна убачати, що регулювання навантаження двигуна способом Аткінсона характеризується більш високими насосними втратами в усіх випадках.

Із отриманих даних випливає, що двигун, що працює за способом Аткінсона, має значну перевагу по економічності на режимах малих навантажень над класичним двигуном та двигуном за способом Міллера, що узгоджується з результатами досліджень інших робіт [5, 6, 7].

Автори цих робіт стверджують, що при запізненому закритті впускного клапана покращення економічності двигуна здійснюється завдяки меншим насосним втратам. Однак з таким поясненням не можна погоджуватися, оскільки, як свідчать результати даної роботи, при регулюванні навантаження за способом Аткінсона насосні втрати (рис. 8 і 9), навпаки, більші ніж при інших способах регулювання навантаження.

Можна припустити, що найбільш імовірною причиною покращення економічності двигуна, що працює за способом Аткінсона є вплив роботи процесу стиску на показники ДВЗ, яка у даному випадку має найменшу величину. Дійсно, в табл. 1, як приклад, приведені значення роботи стиску Lст при pi = 0,5 МПа і n = 4000 хв-1 для різних способів регулювання навантаження. Видно, що робота Lст для способу Аткінсона в середньому в 1,8 раза менша від класичного способу та способу Міллера. Робота насосних втрат у двигуні за способом Аткінсона більша на 11% ніж у класичного способу та у 2 рази перевищує втрати роботи за способом Міллера, але сумарні втрати індикаторної роботи газів за цикл на процеси стиску і газообміну значно нижчі (від 22 до 55%) у порівнянні з іншими двома способами регулювання навантаження.

Таблиця 1

Порівняння складових витрат індикаторної роботи газів за цикл Li в двигуні з різними способами регулювання навантаження

Двигун, що працює за способом Міллера не має суттєвих переваг по паливній економічності. Достоїнством такого двигуна є значне зниження температури Тax наприкінці процесу впуску (рис. 8), що дає можливість ефективного застосування наддуву, а також застосування змінного ступеня стиску.

Висновок

Представлені результати показують, що поліпшення паливної економічності двигуна може бути отримане при регулюванні навантаження по способу Аткінсона в широкому діапазоні режимів роботи (навантаження від 20% до повного і частоти обертання колінчастого вала від n = 1000 хв-1 до номінальної).

При регулюванні навантаження автомобільного двигуна за способом Міллера необхідно, імовірно, застосування наддуву, а також застосування змінного ступеня стиску.

Література

1. Моделювання та дослідження робочого циклу бензинового двигуна. Частина 1. Математична модель / М.І. Міщенко, В.Г. Заренбін, Т.М. Колеснікова, Ю. В. Юрченко, О. В. Савенко // Двигатели внутреннего сгорания. — 2010. — № 1 — С. 35 — 39.

2. Мищенко Н. И. Нетрадиционные малоразмерные двигатели внутреннего сгорания. В 2 томах. Т.1. Теория, разработка и испытание нетрадиционных двигателей внутреннего сгорания. — Донецк: Лебедь, 1998. — 228 с.

3. Міщенко М.І., Хімченко А.В., Новокрещьонов В. С. Експериментальні двигуни нетрадиційної конструкції // Матеріали міжнародної науково-техн. конф. «Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення». — К.: УТУ. — 1997. — С. 119 — 120.

4. Розробка основ оптимального проектування безшатунного бензинового двигуна зі змінним ступенем стиску; Отчет о НИР (заключит.) / АДИ ДонНТУ. — Д 13−06; № ДР 0106U001256; - Донецк, 2008. — 126 с.

5. Ахтямов М. В. Три цилиндра и наддув [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.autoreview.ru/news/160/73 097/ - 15.10. 2010 г.

6. David James Haugen. Performance and combustion effects of phased late intake valve closure on a two intake valve engine / For the degree of doctor of philosophy. — 1995. — 95 p.p.

7. The development of automotive Miller cycle gasoline engine / Іkeda Tatsuji Hatamura Koichi, Nogami Takao, Matsuoka Hideki, Iguchi Yuichi // JSME News — 1995. — 6, № 1. — P. 11.