Улучшение показателей двигателей с искровым зажиганием на режиме холостого хода путем снижения межцикловой неидентичности рабочего процесса

Необходимость поиска путей дальнейшего снижения эксплуатационного расхода топлива автомобильными двигателями обусловливает, в том числе, актуальность углубленных исследований работы двигателя на режиме холостого хода. В силу современных особенностей движения автомобилей в городах на этот режим приходится более 40% от времени работы двигателя.

Расход топлива двигателем на режиме холостого хода напрямую зависит, при прочих равных условиях, от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для двигателей легкого топлива с принудительным искровым зажиганием одним из факторов, ограничивающих возможности снижения частоты вращения на холостом ходу, является повышенная межцикловая неидентичность (МЦН) в протекании рабочего процесса, следствием чего является повышенная неравномерность угловой скорости коленчатого вала. При уменьшении уровня МЦН на рассматриваемом режиме появляется возможность снизить частоту вращения коленчатого вала двигателя при выполнении всех требований по экологичности и комфорту и, тем самым, понизить расход топлива.

Настоящая работа посвящена выяснению влияния характерных для режима холостого хода условий в камере сгорания на уровень МЦН и на этой основе выбору путей его снижения. При этом изучено не только непосредственное, но и косвенное влияние этих условий на МЦН через их воздействие на стабильность пробивных напряжений и, тем самым, на стабильность процесса образования и развития начального очага горения, который в значительной степени определяет нестабильность всего процесса сгорания.

В связи с тем, что экспериментальным путем сложно выделить роль факторов, оказывающих прямое и косвенное воздействие на уровень МЦН, в работе значительное место отведено созданию стохастической математической модели рабочего процесса, отражающей физические механизмы влияния случайных вариаций состава топливовоздушной смеси и параметров искровых разрядов, а также турбулентности на показатели осредненного рабочего цикла и статистики МЦН.

Для получения исходных данных, необходимых для моделирования МЦН, и подтверждения выводов теоретического анализа оборудованы специальные испытательные стенды с камерой сгорания постоянного объема и поршневым ДВС.

На основе результатов проведенных с помощью созданной модели теоретических исследований установлена возможность снижения уровня МЦН и, соответственно, минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя с искровым зажиганием, работающего на холостом ходу. Эти возможности подтверждены результатами испытаний.

Работа выполнялась на кафедре «Теплотехника и гидравлика» Волгоградского государственного технического университета в период с 2007 по 2011 гг. Автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю доктору технических наук профессору Федянову Евгению Алексеевичу за неоценимую помощь и поддержку, оказанную при выполнении работы. Особую признательность автор выражает кандидату технических наук доценту Приходькову Константину Владимировичу, который был инициатором исследований, и кандидату технических наук доценту Шумскому Сергею Николаевичу, который оказал большую помощь в аппаратурном оснащении стендов. Автор также благодарен всем сотрудникам кафедры «Теплотехника и гидравлика» за содействие и помощь в выполнении.

1. Автомобильные и тракторные двигатели /Под ред. Ленина И. М. Учебник для вузов.- Изд.2-е.-М.: Высшая школа, 1969. — 656 с.

2. Автомобильные двигатели / Под ред. Ховаха М. С. М.: Машиностроение, 1977. — 592 с.

3. Брагинский, С. И. К теории развития канала искры / С. И. Брагинский // ЖЭТФ.- 1958.-№ 6.-С. 1548−1557.

4. Брозе Д. Сгорание в поршневых двигателях М.: Машиностроение, 1969. 248 с.

5. Вибе, И. И. Новое о рабочем цикле двигателя/ И. И. Вибе. М.: Маш-гиз, 1962.-272 с.

6. Воинов, А. Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях/ А. Н. Воинов. М.: Машиностроение, 1977. — 280 с.

7. Газовая динамика и агрегаты наддува: Учебн. пособие / Дульгер М. В., Злотин Г. Н., Федянов Е. А. и др.- ВолгПИ.- Волгоград, 1989. 330 с.

8. Гибадуллин, В. 3. Организация рабочего процесса ДВС с внешним смесеобразованием и локальной подачей микродобавок водорода в область межэлектродного зазора свечи зажигания: дисс.. канд.техн.наук: 05.04.02/ В. 3. Гибадуллин.- Волгоград, 1992. 206 с.

9. Дубовкин, Н. Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания/ Н. Ф. Дубовкин. M.-JL: Госэнергоиздат, 1962. — 288 с.

10. Захаров, Е. А. Рабочий процесс ДВС с искровым зажиганием и локальными добавками углеводородных газов в область межэлектродного зазора свечи зажигания: дисс.. канд.техн.наук: 05.04.02/ Е. А. Захаров.-ВолгГТУ. Волгоград, 1998. — 166 с.

11. Звонов, В. А. Проблемы образования токсичных веществ и разработка способов уменьшения их выбросов двигателями внутреннего сгорания: дисс.док. техн. наук: 05.04.02/ В. А. Звонов.- Ворошиловградский машиностроительный институт. Ворошиловград, 1987. — 486 с.

12. Исследование работы карбюраторного двигателя на холостом ходу. / Г. Н. Злотин, В. В. Староверов, В. А. Треплин, Б. М. Целкович, Ю. Н. Шишкин //Рабочие процессы в поршневых ДВС: Межвузовский сборник научных трудов/ ВолгПИ. Волгоград.- 1979. С.13−19.

13. Иткис, Е. М. Двумерная математическая модель турбулентных потоков в цилиндре четырёхтактного ДВС и её практическое применение: дис.. канд. техн. наук: 05.04.02/ Е. М. Иткис — ВПК Волгоград, 1990. -189 с.

14. Каменев, В. Ф. Научные основы и пути совершенствования токсических характеристик автомобильных двигателей с искровым зажиганием: дисс.. докт.техн.наук/ В. Ф. Каменев.- ГНЦ НАМИ. Москва, 1996. -454 с.

15. Князев, A.C. Исследование возможности повышения экономичности автомобильного двигателя за счет интенсификации зажигания: дисс. канд. тех. наук/ Князев A.C.- М., 1949. 143 с.

16. Крамер, Г. Математические методы статистики/ Г. Крамер. М. Мир.-1975. — 648 с.

17. Кузьмин, А. В. Показатели и регулировки битопливного двигателя при переводе его с бензина на сжиженный углеводородный газ: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/ А. В. КузьминВолгГТУ. Волгоград, 2008. — 116 с.

18. Куличев, В. Б. Межцилиндровые различия в карбюраторном двигателе и воздействие на них через систему зажигания: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/В.Б. Куличев.- Волгоград, 1991. 206 с.

19. Куценко, A.C. Моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ/ A.C. Куценко.- Киев: Наук, думка, 1988. 104 с.

20. Лебедев, Г. А. Особенности воспламенения и сгорания смеси в бензиновых ДВС при использовании одноэлектродных свечей зажигания: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/ Г. А. Лебедев. Волгоград, 2000. -137с.

21. Пешкин, М. А. Исследование влияния некоторых факторов на границы обеднения смеси в цилиндре бензинового двигателя/ М. А. Пешкин // Поршневые двигатели внутреннего сгорания. М. Изд-во АН СССР, 1956. — с.191−206.

22. Приходьков, К. В. Влияние статистических характеристик пробивного напряжения на развитие начального очага горения топливовоздушных смесей: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/ К. В. Приходьков. Волгоград, 2002. — 134 с.

23. Райков, И. Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания: Учеб. для вузов/ И. Я. Райков. М.: Высш. школа, 1975. — 320 с.

24. Рево, В.Д. К вопросу о влиянии неидентичности циклов на рабочий про-цесс двигателя/ В. Д. Рево, A.A. Саркисян. Оборонгиз: Авиационные двигатели легкого топлива, 1952. № 10.

25. Румянцев, П. Г. Разработка показателей межцикловой неравномерности работы двигателя для выбора его регулировок: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/ П.Г. РумянцевМАДИ.- Москва, 1985. 208 с.

26. Свитачев, А. Ю. Стохастическая математическая модель развития начального очага горения в ДВС с искровым зажиганием: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/А.Ю. Свитачев. Волгоград, 1998. — 142 с.

27. Семенов, Е. С. Исследование турбулентного движения газа в цилиндре поршневого двигателя/ Е. С. Семенов // Горение в турбулентном потоке.-М: Изд-во АН СССР, 1959.-С. 141−167.

28. Смирнов, Н. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений/ Н. В. Смирнов, И.В. Дунин-Барковский. -М.: Изд-во «Наука», 1969. 511 с.

29. Соколик, A.C. Об экспериментальной основе теории турбулентного горения/ A.C. Соколик // Горение в турбулентном потоке М.: Изд-во АН СССР, 1959.-С. 63−80.

30. Сполдинг, Д. Б. Горение и массообмен / Перевод с англ. Гизатуллина Р. Н. и Ягодкина В.И.- под. ред. д-ра техн. наук Дорошенко В. Е. Москва.: Машиностроение, 1985 г. -240 с.

31. Староверов, В. В. Исследование рабочего процесса современного автомобильного двигателя при воспламенении разными типами системы зажигания: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/ В. В. Староверов / ВолгПИ. Волгоград, 1978. — 222 с.

32. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями / Под ред. Хиллиарда Д. и Спрингера Дж. М: Машиностроение, 1988. -512 с.

33. Федянов, Е. А. Межцикловая неидентичность рабочего процесса и проблемы улучшения показателей ДВС с искровым зажиганием: дисс.док. техн. наук: 05.04.02/ Е.А. ФедяновВолгГТУ. Волгоград, 2000.-337 с.

34. Флиегел, В. К. Исследование процессов воспламенения топливовоз-душных смесей электрической искрой: дисс. канд. техн. наук: 05.04.02/В.К. ФлиегелВолгПИ. Волгоград, 1982. — 198 с.

35. Хайк, Надим Возможности использования ионизационных датчиков в системах управления рабочим процессом ДВС: дисс.. канд. техн. наук: 05.04.02/ Надим ХайкВолгПИ Волгоград, 1991. — 140 с.

36. Целкович, Б. М. Исследование влияния типа системы зажигания о ос-нов-ных регулировочных факторов на работу карбюраторного двигателя в режиме холостого хода: дисс. .канд. техн. наук: 05.04.02/ Б.М. ЦелковичВолгПИ. Волгоград, 1980. -164 с.

37. Черняк, Б. Я. Математическая модель процесса тепловыделения в двигателях внутреннего сгорания/ Б. Я. Черняк, Б. Д. Ефремов // Труды МАДИ. М., 1975. — С. 45−50.

38. Черняк, Б. Я. Особенности рабочих процессов высокооборотистых карбюраторных двигателей/ Б. Я. Черняк, К. А. Морозов.- М.: Машиностроение, 1971 г. -240 с.

39. Шумский, С. Н. Форсирование начальной фазы сгорания в ДВС за счет воздействия на процесс искрового воспламенения топливовоздушных смесей: дисс. канд.техн.наук: 05.04.02/ С.Н. ШумскийВолгПИ. Волгоград, 1987. — 254 с.

40. Щепкин, К. И. Газодинамика горения/ К. И. Щепкин, Я. К. Трошин М.: Изд-во АН СССР, 1963. 255 с.

41. An Experimental Study of the Variations in Cyclic Energy Release Rate in a Spark Ignition Engine / Beshai S., Deniz O., Chomiak J., Gupta A.//AIAA Pap. -1989. -N 2890. P. l-8.

42. Anderson R.W., Asik J.R. Ignitability Experiments in a fast bum, lean burn engine //SAE Techn. Pap. Ser. 1983.-N. 830 477. -P. 1−14.

43. Axel Franke, Raymond Reinmann Calorimetric Characterization of Commercial Ignition System // SAE Paper 2000;01−0548.

44. Belmont M.R., Hancock M.S., Buckingham D.J. Statistical Aspects of Cyclic Variability // SAE Techn. Pap. Ser. -1986. № 860 326. — 18 p.

45. Beretta G.P., Rashidi M., Keck C. Turbulent Flame Propagation and Combustion in Spark Ignition Engines // Combustion and Flame. 1983. — № 52. -P.217−245.

46. Bianco Y., Cheng W.C., Heywood J.B. The Effect of Initial Flame Kernel Conditions on Flame Development in SI Engines // SAE Techn. Pap. Ser. -1991.№ 912 402. P. 1−9.

47. Blizard N.C., Keck J.C. Experimental and Theoretical Investigation of Turbulent Burning Model for Internal Combustion Engines SAE Technical Paper Series, 1974, № 740 191, 18 p.

48. Blumberg .N., Kummer J.T. Prediction of NO Formation in Spark-Ignition Engines.- Analysis of Methods of Control.- Combustion Science and Technology.-1971. Vol.4. P.73−95.

49. Brandstatter W., Jhons R. J. R. The Application of a Probability Method to Engine Combustion Modeling // Internal Combustion Engine Oxford. -1983 Vol. 1.-11−14 April.

50. Brown N.M. Characterisation of Emissions and Combustion Stability of a Port Fuelled Spark Ignition Engine: Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy/ University of Nottingham Nottingham 2009. — 205p.

51. Crutchfield J.P., Packard N.H., «Symbolic dynamics of noisy chaos», Physi-caD 7, 201−223, 1983.

52. Daw C.S., Finney C.E.A., Green J.B., «Symbolic Time-Series Analysis of Engine Combustion Measurements», SAE Paper No. 980 624, 1998.

53. Daw C.S., Finney C.E.A., Green J.B., Kennel M.B., Thomas J.F., Connolly F.T., «A simple model for cyclic variations in a spark-ignition engine», SAE Paper No. 962 086, 1996.

54. Daw C.S., Finney C.E.A., Kennel M.B., Connolly F.T., «Cycle-by-cycle variations in spark-ignited engines», Proceedings of the Fourth Experimental Chaos Conference, 1997.

55. Daw C.S., Kennel M.B., Finney C.E.A., Connolly F.T. Observing and modeling nonlinear dynamics in an internal combustion engine// The American Physical Society.- 1998.-№ 3-P.2811−2819.

56. Diks C., van Houwelingen J.C., Takens F., DeGoede J., «Reversibility as a criterion for discriminating time series», Physics Letters A 201, 221−228, 1995.

57. Dulger M. and Sher E. Experimental Study on Spark Ignition of Flowing Combustible Mixtures // SAE Techn. Pap. Ser. 1995. — № 951 004.

58. Dulger M., Chemla F., Sher E. Stochastic simulation of the growth of turbulent flame kernel formed by spark discharge// IMechE. 1993. № 28 -P.103−110.

59. Dulger M., Sher E. and Chelma F. Simulation of Spark Created Turbulent Flame Development Through Numerical Stochastic Realisations // Comb. Sci. and Tech. Vol. 100, ppl41−162, 1994.

60. Green JB Jr, Daw CS, Armfield JS, Finney CEA, Wagner RM, Drallmeier J A, Kennel MB, Durbetaki P. Time irreversibility and comparison of cyclic variability models // SAE Paper № 1999;01−0221.

61. Grimm B.M., Johnson R.T., «Review of simple heat release computations», SAE Paper No. 900 445, 1990.

62. Groff E.G., Matekunas F.A. The Nature of Turbulent Flame Propagation in a Homogeneous Spark Ignited Engine SAE Technical Paper Series, 1980, № 800 133, 25 p.

63. Hall M.J. The influence of Fluid Motion on Flame Kernel Development and Cyclic Variation in a Spark Ignition Engine // SAE Paper 1989. № 890 991.

64. Hamai K., Kawajiri H., Ishizuka T., Nalcai M. Combustion Fluctuation Mechanism Involving Cycle-to-cycle Spark Ignition Variation Due to Flow Motion in SI Engines // SAE Techn. Pap. Ser. 1991. — N 911 245. — P. l-18.

65. Hancock M.S., Buckingham D.J., Belmont M.R. The Influence of Arc Parameters on Combustion in a Spark-Ignition Engines // SAE Techn. Pap. Ser.-1986. N860321. pp.1−9.

66. Herweg R., Maly R.R. A Fundamental Model for Flame Kernel Formation in S.I. Engines // SAE Techn. Pap. Ser. -1992. № 922 243. — P. 1−18.

67. Heywood J. Internalcombustionenginesfundamentals//McGrow-Hill.-1998.-930p.

68. Heywood J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, ISBN 0−07−28 637-X, 1988.

69. Hill P.G. Cyclic Variation and Turbulence Structure in Spark-Ignition Engines // Combustion and Flame 1988. — N 72. — P. 73−89.

70. Hill P.G., Kapil AJ The Relationship Between Cyclic Variation in Spark-Ignition Engines and Small Structure of Turbulence // Combustion and Flame -1989. N 78. — P. 237−247.

71. H0 C.M., Santavicca D.A. Turbulence Effects. on Early Flame Kernel Growth//SAE Techn. Pap. Ser. 1987. — N 872 100. -P. 1−17.

72. Jerald A. Caton A Review of Investigations Using the Second Law of Thermodynamics to Study Internal-Combustion Engines SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2000;01−1081.

73. Keck J.C., Heywood J.B. Early Flame Development and Burning Rates in Spark Ignition Engines and Their Cyclic Variations// SAE Techn. Pap. Ser. -1987.-No. 870 164. 14p.

74. Kravchik, T. and Sher, E. A Phoenics Model of Spark Ignition Development and Flame Propagation In an Internal Combustion Engines // The Phoenics J. of Comp. Fluid Dyn. and its Appl., Vol. 2, pp. 118−143, 1992.

75. Kravchik, T. and Sher, E. Numerical Modelling of Spark Ignition and Flame Initiation in A Quiescent Methan-Air Mixture // Combustion and Flame Vol. 99, pp 635−643, 1994.

76. Kumins, L. Ibid., 2007, v. 105, № 44, p. 18.

77. Kuo P. S. Cylinder pressure in a spark-ignition engine: a computational model/J. Undergrad. Sci. 3: 141−145 (Fall 1996), 141−145.

78. Lancaster D.R., Krieger R.B., Sorenson S.C., Hull W.L. Effects of Turbulence on Spark-Ignition Engine Combustion SAE Transactions, 1975, vol. 85, p. 689−710.

79. Lehrman M., Rechester A.B., White R.B., «Symbolic analysis of chaotic signals and turbulent fluctuations», Physical Review Letters 78:1, 54−57, 1997.

80. Letellier C., Meunier-Guttin-Cluzel S., Gouesbet G., Neveu F., Duverger T., Cousyn B., «Use of the nonlinear dynamical system theory to study cycle-to-cycle variations from spark-ignition engine pressure data», SAE Paper No. 971 640, 1997.

81. Lucas G.G., James E.H. A Computer Simulation of a Spark Ignition Engine.- SAE Paper, 1973, № 730 053, 22 p.

82. Matekanas, F.A. Modes and Measures of Cyclic Combustion Variability //SAE Paper. 1983. — № 830 337. — 11 p.

83. Matsui K., Tanaka T., and Ohigashi S. Measurement of Local Mixture Strength at Spark Gap of S.I. Engines // SAE Paper № 790 483.

84. Petrovic S. Cycle-by-Cycle Variations of Flame Propagation in a Spark Ignition Engine // SAE Techn. Pap. Ser. 1982. — N 820 091. — 12 p.

85. Pundir B.P., Zvonov V.A., Gupta C.P. Effect of Charge Non-Homogeneity on Cycle-by-Cycle Variations in Combustion in SI Engines.//SAE Techn. Pap. Ser., 1981, № 810 774, 15pp.

86. Schneyer G.P., Chapman M., Boni A.A. A One-Dimensional Variable Area Simulation of Combustion in a Divided-Chamber Stratified Charge Engine.-J. Eng. for Power, 1976, 98, p. 441−449.

87. Seers P. Spark ignition: An experimental and numerical investigation Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy/ The University of Texas at Austin Austin 2003. — 226p.

88. Sztenderovicz M.L., Heywood J.B. Cycle-to-Cycle IMEP Fluctuations in a Stoichiometrically Fueled SI Engine at Low Speed and Load // SAE Techn. Pap.Ser. 1990. — N 902 143. — 19 p.

89. Tabaczynski R.J., Trinker F.H., Shannon B.A.S. Further Refinement and Validation of a Turbulent Flame Propagation Model for Spark-Ignition Engines. Combustion and Flame, 1980, 39, № 2, p. 111−121.

90. Tang X.Z., Tracy E.R., Boozer A.D., deBrauw A., Brown R., «Symbol sequence statistics in noisy chaotic signal reconstruction», Physical Review E 51:5,3871−3889, 1995.

91. Tennekes H., Lumley J.L. A First Course in Turbulence The M.I.T. Press, Cambridge, Massachusetts & London, 1972.

92. Theiler J., Prichard D., «Constrained-realization Monte-Carlo method for hypothesis testing», Physica D 94, 221−235, 1996.

93. THIELE M., SELLE S., RIEDEL U., WARNATZ J, MAAS U. NUMERICAL SIMULATION OF SPARK IGNITION INCLUDING IONIZATION Proceedings of the Combustion Institute, Volume 28, 2000/pp. 1177−1185.

94. Wagner R.M., Drallmeier J.A., Daw C.S., «Prior-cycle effects in lean spark ignition combustion: fuel/air charge considerations», SAE Paper No. 981 047, to be published, 1998.

95. Weaver C.E. and Santavicca D.A. Correlation of Cycle-Resolved Flame Kernel Growth Cylinder Pressure in an Optically Accessible Engine // SAE Paper № 922 171.

96. WENDEKER ML, LITAK G., CZARNIGOWSKI J, SZABELSKI K NONPERIODIC OSCILLATIONS OF PRESSURE IN A SPARK IGNITION COMBUSTION ENGINE arXiv: nlin. CD/302 046 vl 19Feb2003.

97. Yoshitaka H. and Masaharu A. New Trends in Electronic Engine ControlTo the Next Stage // SAE Techn. Pap. Ser. 1986. — № 860 592.

98. Young, M.B. Cyclic Dispersion in the Homogeneous Charge Spark Ignition Engine A Literature Survey //SAE Paper. -1981. -N.810 020.-P.1−20.