Улучшение технико-экономических и экологических показателей дизельного двигателя путем завихрения заряда дополнительной подачей воздуха

Поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на дизельном топливе, являются основными силовыми агрегатами, разработка которыхважнейший фактор развития ВПК, малой авиации, автомобилестроения и тракторостроения, что, в свою очередь, определяет актуальность исследований по улучшению качественных эксплуатационных характеристик двигателей.

Эти исследования направлены на повышение экономичности и КПД двигателя и, в конечном счете, на создание более энергосберегающих двигателей внутреннего сгорания.

Как известно, двигатели внутреннего сгорания являются одним из главных потребителей нефти, разведанные запасы которых составили в 1999 году около 180 млн. тонн при добыче около 140 млн. тонн в 1998 году.

Немало важной проблемой является снижение токсичности выбросов от двигателя внутреннего сгорания. Эта проблема становится все более актуальной в связи с критическим состоянием экологии, увеличивающегося выброса веществ, загрязняющих воздух, землю и воду [ 8, 9, 10, 14, 71].

Другим аспектом исследования является повышение надежности работы деталей двигателя, который, на современном этапе развития техники, является не менее приоритетным.

Из вышеизложенного следует, что уменьшение расхода топлива, снижение токсичности отработавших газов при высоком поддержании работоспособности двигателя внутреннего сгорания являются большими и серьезными проблемами, решение которых может быть достигнуто только на основе глубокой интенсификации рабочего процесса в дизелях.

Одним из путей улучшения показателей рабочего процесса двигателей является завихрение заряда в конце сгорания.

В литературе известны различные способы завихрения заряда: установка во впускной трубе завихрителей [43, 66, 74], ширм на тарелке впускного клапана [28], форкамерно-факельное зажигание [13, 50], подача в цилиндр дополнительного воздуха [52, 49, 58,] и др.

Известно устройство, основанное на дополнительном завихрении заряда за счет подачи в цилиндр дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия [23]. Данный способ содержит в себе ряд преимуществ перед другими способами завихрения заряда, что показано ранее для бензиновых двигателей, которые, в основном, имели относительно низкие скоростные и динамические характеристики. Это дает основание полагать, что при правильно организованном дополнительном завихрении заряда в цилиндре имеется возможность изменить рабочий процесс, достичь эффективных результатов и для дизелей.

Диссертационная работа посвящена исследованию возможностей улучшения технико-экономических и токсических показателей, а также надежности работы в экстремальных условиях дизельного двигателя путем создания дополнительного вихревого потока за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха в процессе горения в камере.

Наряду с этим, в настоящей работе, в качестве первого этапа решения задачи создания высокоэффективного дизеля с использованием комплекса методов, сочетающих достоинства различных способов интенсификации процесса сгорания в двигателе, разработан и предложен к практическому использованию способ работы и конструкция дизеля, базирующийся на совместном использовании методов завихрения заряда и турбонаддув непосредственно в камеру сгорания.

Работа является составной частью одного из научных направлений Казанской Государственной сельскохозяйственной академии «Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей путем повышения турбулизации заряда дополнительной подачей воздуха в цилиндры». Номер государственной регистрации — 0187.43 352.

При выполнении работы решалось Постановление Кабинета Министров РТ за № 312 от 19.05.95 г. (пп 1.1, 1.2, 1.3), по проблеме «О сокращении выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств в Республике Татарстан».

Эксперименты проводились в два этапа:

— эксперименты на безмоторных установках;

— эксперименты опытного двигателя на стенде в сравнении со стандартным.

Эксперименты включали исследования двигателя по скоростным, нагрузочным, экологическим и др. характеристикам с подачей в цилиндры дополнительного воздуха и без подачи (стандартного).

Анализ результатов экспериментов показал значительное преимущество дизеля с дополнительным завихрением заряда по сравнению того же дизеля без дополнительного завихрения заряда.

Достоверность результатов исследования подтверждены высокими технико-экономическими и экологическими показателями полученными в результате испытаний дизеля Д-21 на стенде в течение одного года.

Основные результаты научных исследований диссертации докладывались на 1 Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», июнь 1999 год г. Казань, на военно-научной конференции КФЧТИ. «Военно-теоретические проблемы локальных войн и вооруженных конфликтов, особенности применения в них подразделений сухопутных войск», август 1999 г. г. Казань, на ежегодных итоговых научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Казанской СХА (1998. 1999 гг.) — на научно-практической конференции.

Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан". Декабрь 1999. Набережные Челны.

Научная новизна. Новое техническое решение направленное на совершенствование рабочего процесса дизельного двигателя путем дополнительного завихрения заряда в камере сгорания и использования комплекса методов, сочетающих и расширяющих достоинства известных способов.

Научную новизну работы составляют:

— разработанная для дизельного двигателя конструкция завихрения заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха в конце такта наполнения и начале сжатия в нижнюю часть цилиндра через каналы, расположенные выше нижней мертвой точки;

— количественные характеристики и уточненные закономерности изменения энерго-экономических и экологических показателей дизельного двигателя за счет создания дополнительного вихревого движения заряда в цилиндре двигателя;

— предложенный способ работы двигателя, включающий подачу воздуха в цилиндр, сообщение ему вращательного движения и сжатие, и турбонаддув через основной впускной коллектор.

На защиту выносятся:

1. Разработанная система смесеобразования для дизельного двигателя с организацией в цилиндре вихревого движения путем подачи дополнительного воздуха через каналы, расположенные выше нижней мертвой точки.

2. Количественные соотношения и расчетные формулы, используемые для установления связи энерго-экономических и экологических показателей рабочего цикла от показателей дополнительного вихревого потока заряда при реализации дополнительного завихрения заряда в дизеле. 9.

3. Результаты экспериментальных исследований технико-экономических и экологических показателей двигателя Д-21, оснащенного системой завихрения заряда дополнительной подачей воздуха.

Основные обозначения gi, ge — индикаторный и эффективный удельный расход топлива. акоэффициент избытка воздуха.

Ni, Ne — индикаторная и эффективная мощность.

Мкр — крутящий момент двигателя.

GT — часовой расход топлива. п — частота вращения коленчатого вала.

GB — расход воздуха через впускной коллектор. t|i — индикаторный коэффициент полезного действия. rjv1 — коэффициент наполнения стандартного двигателя и двигателя с дополнительным воздухом.

Y3 — угол опережения подачи топлива.

Gc, GTCop — масса заряда в цилиндре фактическая и теоретическая.

Р0 — атмосферное давление.

Vh — рабочий объем цилиндра.

Ра, Рс — давление в конце наполнения и сжатия.

Та, Тс — температура в конце наполнения и сжатия.

Рд — давление дополнительного воздуха в цилиндре.

Ga — количество воздуха, поступившего в цилиндр через дополнительную систему.

С — коэффициент подачи дополнительного воздуха.

8 — геометрическая степень сжатия. г — радиус цилиндра. р — плотность заряда.

Рк — индикаторное давление.

S — рабочий ход поршня.

D — диаметр цилиндра.

Общие выводы.

1. В результате проведенного анализа современного состояния проблемы надежности, выполненных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, разработано схемно-конструктивное решение улучшение эколого-экономических показателей дизеля с завихрением заряда за счет подачи воздуха в конце такта наполнения и в начале сжатия через каналы, расположенные выше нижней мертвой точки.

2. Созданная система завихрения заряда в дизеле, дает возможность получить новые количественные характеристики и закономерности изменения показателей смесеобразования и энергетических величин за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха.

3. Безмоторные и стендовые исследования показали эффективность конструкции снижения экстремального давления и завихрения заряда для дизеля Д-21:

— разгрузочный клапан, установленный в камере сгорания- -конструкция системы завихрения, обеспечивающая регулируемый ввод в цилиндры дополнительного воздуха;

— удельный расход топлива снижается на 8. 15%, максимальная мощность увеличивается на 6.8%. Оптимальный угол опережения подачи топлива смещается в сторону более поздних на 3. 5а поворота коленчатого вала и снижается время горения на 10. 15° поворота коленчатого вала. Температура выхлопных газов увеличивается на 12. 15%, что способствует снижению несгоревших углеводородов в сравнении с серийным двигателем.

4. Анализ отработавших газов двигателя Д-21 показали, что разработанная система дополнительного завихрения заряда позволяет.

165 снизить суммарное содержание токсичных компонентов в выхлопных газах на 60.75%, в частности, содержание углеводородов — на 60.65%, дымность — на 60. 70%, сажу — на 60. 75%.

5. Расчетный экономический эффект для программы производства 40 тыс. двигателей Д-21 в год, по ценам на 1.05.2000 г., составляет 1468,9 тыс. рублей.

6. Выявлено новое перспективное направление улучшения эксплуатационных показателей дизеля с применением нового способа работы ДВС, включающего подачу воздуха в цилиндр, сообщение ему вращательного движения и сжатие воздуха поршнем.