Метод совершенствования процесса смесеобразования для двигателя с искровым зажиганием и расслоением заряда (1095054), страница 7
Текст из файла (страница 7)
РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И РАССЛОЕНИЕМ ЗАРЯДА2.1. Концепция процесса смесеобразованияНа основании выводов, сделанных в главе 1, было выбрано направлениеразработки нового процесса смесеобразования, а именно – создание процессасмесеобразования для двигателя с искровым зажиганием и расслоением заряда внеразделенной камере сгорания с обеспечением возможности работы на бедныхтопливовоздушных смесях. В основу разработки процесса были положеныследующие условия:при впуске заряда в цилиндр создать интенсивное вихревое движениевокруг оси цилиндра;в процессе сжатия к моменту зажигания при интенсивном движениизаряда образовать зону обогащения возле стенки камеры сгорания и зону счистым воздухом в ее центре;воспламенить зону обогащения возле стенки камеры сгоранияРисунок 2.1.
Особенности процесса сгорания расслоенного заряда:1 – богатая смесь; 2 – зона горения; 3 – движение воздуха в зону горения; 4 –движение продуктов сгорания из зоны горения; 5 – воздух; 6 – направлениевихревого движения заряда38(принципиальная схема процесса сгорания представлена на рис. 2.1.).Вихревое движение заряда в цилиндре, или закрутка, выполняет вразработанном процессе несколько важных функций. Как отмечалось выше,вихревое движение заряда способствует повышению уровня турбулентности вцилиндре, что интенсифицирует процессы смесеобразования и сгорания.Воздействие вихревого движения на процесс сгорания проявляется также впереносеочагагоренияпообъемукамерысгорания,чтоускоряетраспространение пламени. Немаловажным фактором является и то, что закруткапозволяет сохранить расслоение заряда к моменту воспламенения, препятствуяперемешиванию потоков богатой и бедной смеси.Использование вихревого движения позволило применить в разработанномпроцессе эффект, открытый Hanson R.
J. и др. при испытаниях на вращающихсябомбах [74]. Авторы установили, что увеличение интенсивности вихревогодвижения имеет различное влияние на скорость сгорания при центральном ипериферийном положении свечи зажигания. При центральном положении свечизажигания скорость сгорания снижалась при увеличении скорости вихря, а припериферийном – увеличивалась. Данный эффект объясняется тем, что горячиепродукты сгорания, имеющие низкую плотность, под действием центробежныхсил вытесняются в центр камеры сгорания.
Тем самым на периферии цилиндраусловия благоприятны для воспламенения. Данный эффект подтвержден такжерезультатами многих исследований на двигателях [69, 71, 78, 98, 103].Математически данное явление можно объяснить на следующем примере.Представим газовую сферу радиуса rс, состоящую из продуктов сгорания,имеющих плотность ρпс.
Сфера помещается во вращающийся объем рабочейсмеси, имеющей плотность ρрс. Тогда на границе сферы образуется разностьдавлений порядка:(2.1)где Ws – скорость вращения вихря, об/мин.Для разрабатываемого процесса было решено использовать горизонтальнуюзакрутку, так как она не только менее подверженна диссипации, чем39вертикальная, но и позволяет получить распределение смеси с подачейобогащенной смеси к стенкам цилиндра, что затруднено при вертикальнойзакрутке.Так как разрабатываемый процесс предполагает использование расслоениязаряда, требовалось выбрать способ организации рабочего процесса. Известныеспособы (рисунок 1.14) обычно используются для подвода обогащенной смеси вцентр камеры сгорания, что обусловлено ограничением теплообмена между зонойгорения и стенками цилиндра. Однако, с учетом описанного выше эффекта отперераспределения отработавших газов в процессе горения под действиемвихревого движения, условия сгорания в центре цилиндра представляютсянеблагоприятными.
С другой стороны, подача обогащенной смеси на перифериюпозволяет в полной мере использовать данный эффект и получить высокуюскорость и полноту сгорания. Дополнительным эффектом от данного способаорганизациисмесеобразованияявляетсярешениепроблемынесгоревшихуглеводородов, которые часто образуются у стенок цилиндра ввиду низкихтемператур и обедненных смесей в этой области.
Перенос зоны горения кпериферии камеры сгорания повышает температуру в этой части цилиндра испособствует более полному сжиганию топлива.2.2. Разработка конструкции ДВС с расслоением заряда и объект дляпроведения исследованийДляосуществленияпредложенногопроцессасмесеобразованиябыларазработана конструкция ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива(рисунок 2.2). Двигатель содержит цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, атакже головку цилиндра 3.
В головке 3 цилиндра 1 образована камера сгорания 9,ограниченная стенкой 10 и поршнем 2 при его положении в верхней мертвойточке. В головке цилиндра 3 расположены тангенциальный впускной канал 4 ивыпускной канал 8, снабженные впускным и выпускным клапанами 5 и 7,40Рисунок 2.2. Схема первого варианта ДВС:1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – головка цилиндра; 4 – тангенциальный впускнойпатрубок; 5 – впускной клапан; 6 – форсунка; 7 – выпускной клапан; 8 – выпускнойпатрубок; 9 – камера сгорания; 10 – стенка камеры сгорания; 11 – свеча зажиганиясоответственно. При работе двигателя свежий заряд поступает в цилиндр 1 черезтангенциальный впускной канал 4, что создает интенсивное вихревое движениезаряда вокруг оси цилиндра 1.
Горизонтальная закрутка использована ввидунеобходимости сохранения облака богатой смеси на периферии камеры сгорания,что затруднительно при использовании вертикальной закрутки, характертной длядвигателей с шатровой камерой сгорания.В стенку 10 камеры сгорания 9 установлены свеча зажигания 11 и форсунка 6с сопловыми отверстиями. Топливо впрыскивается на такте сжатия форсункой 6,причем сопловые отверстия форсунки направлены на стенку камеры сгорания 10.Топливо испаряется около стенки 10 и, соединяясь с вращающимся воздушнымзарядом, образует около стенки камеры сгорания вращающийся кольцевой объембогатой топливовоздушной смеси, в то время как в центре камеры сгоранияобразуется бедная смесь вплоть до чистого воздуха, что соответствуетразработанному процессу смесеобразования.
Таким образом реализуется способсмесеобразования с подводом смеси воздушным потоком, что позволяет избежать41осаждения топлива на стенках и связанных с этим повышенных выбросов CO иCH.Практическая реализация первого варианта конструкции ДВС требуетзначительныхфинансовыхисследованиеразработаннойвложений,концепциипоэтомубылорешеносмесеобразованияипровестисгораниясиспользованием имеющихся средств. Задачами исследования являлись: проверкавозможности реализации разработанного процесса смесеобразования (рисунок2.1) на практике и, в случае успеха, оценка влияния данного процесса наосновные параметры двигателя. Для проведения исследований был выбранимеющийся в наличии ДВС УМЗ-414, отличающийся простотой конструкции инадежностью в работе.
Система впуска этого двигателя не позволяла обеспечитьнеобходимый процесс смесеобразования, поэтому потребовалось разработатьвторой вариант ДВС (рисунок 2.3). Для обеспечения закрутки заряда, а такженаправления богатой смеси на периферию камеры сгорания впускной канал былвыполнен тангенциальным (рисунки 2.4 и 2.5). Выбор тангенциального каналатакже был обусловлен относительной простотой его изготовления. Так какдвигатель имеет два клапана на цилиндр, то для подвода расслоенного зарядабыло решено установить во впускной канал перегородку и подавать в одну из егоРисунок 2.3.
Схема второго варианта ДВС:1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – головка цилиндра; 4 – свеча зажигания; 5 – впускнойклапан; 6 – перегородка; 7 – камера сгорания; 8 – воздушный канал; 9 – смесевойканал42Рисунок 2.4. Профиль впускного каналаРисунок 2.5. Расположение впускного каналачастей (ближнюю к краю цилиндра) богатую топливовоздушную смесь, а вдругую – чистый воздух.Для реализации разработанной конструкции потребовалось изготовитьэкспериментальные детали системы впуска – головку цилиндра и впускнуютрубу. Экспериментальная головка цилиндра состояла из двух деталей, в каждойиз которых были выполнены части впускного и выпускного каналов, а такжеполости систем смазки и охлаждения (рисунок 2.6). Детали головки былисоединены через прокладку и в нее были установлены стандартные впускной ивыпускной клапаны, а также перегородка во впускной канал.
Подача масла иохлаждающейжидкостиосуществляласьпотрубкам,соединявшим43Рисунок 2.6. ЭкспериментальнаяРисунок 2.7. Впускная труба иголовка цилиндракарбюраторы для подвода ввыделенный цилиндр расслоенногозарядаэкспериментальную головку с головкой остальных цилиндров двигателя.Для обеспечения подачи в половины впускного канала смеси различногосостава была изготовлена разделенная впускная труба, которая была соединена сдвумя карбюраторами К-127 (рисунок 2.7) и крепилась к экспериментальнойголовке цилиндра.Изготовленная головка цилиндра, а также экспериментальная впускнаятруба были использованы для проведения исследований рабочего процесса, какна безмоторной установке, так и на моторном стенде.2.3.
Выводы по второй главе1.Предложен и обоснован процесс смесеобразования для двигателя сискровым зажиганием и расслоением заряда.2.Разработаны варианты конструкции двигателя, в котором может бытьреализован данный процесс смесеобразования.443.Изготовлены головка цилиндра с тангенциальным впускным каналом,разделенным перегородкой, и впускная труба для реализации разработанногорабочего процесса в серийном ДВС.45ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯРасчет течения газов с использованием специальных программ являетсяважным инструментом при разработке новых конструкций ДВС. Современноепрограммное обеспечение (ПО) позволяет быстро изменять необходимыепараметры и получать результаты для различных вариантов конструкций в разыбыстрее, чем при исследованиях на стенде.
Однако невозможно полностьюисключитьфизическоемоделированиеизпроцессаразработки,хотявсовременных условиях оно проводится только для окончательного вариантаконструкции.В даннойработе былорешенопровестиматематическоемоделирование процесса впуска для получения большей информации о картинесмесеобразования в цилиндре, а также проверки соответствия результатовфизического моделирования и расчета. Расчетные исследования подразумевалисоздание трехмерной модели свежего заряда и проведение расчетов по методамвычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics или CFD).3.1.
Математическое моделированиеСоздание трехмерных моделей производится в системах автоматическогопроектирования (САПР). На настоящее время существует ряд производителейпрограммногообеспечения,предлагающихпродуктыдлятрехмерногомоделирования, среди них: Autodesk, Parametric Technology Corporation, ANSYS,Dassault Systèmes и др. [38]. В данной работе была использована программаAutodesk Inventor, так как фирма Autodesk предоставляет свободный доступ ксвоему ПО для учащихся ВУЗов.
Программы для CFD также выпускаются рядомпроизводителей, таких как ANSYS, AVL, Ricardo и др. [64]. Для проведениярасчетов был использован пакет программ Ricardo VECTIS, так как автор имел кнему доступ в процессе выполнения работы.Основные уравнения, решаемые программой VECTIS:461.Уравнение неразрывности:(3.1)где ρ – плотность, кг/м3;– время, с; Wi – проекция вектора скорости на ось iдекартовой системы координат, м/с; xi – декартовы координаты, мм; i – индекс,определяющий направление декартовой системы координат (i = 1, 2, 3).2.Уравнение изменения количества движения:(3.2)где Gi – объемная сила (приложенная к единице объема), Н; p – давление, Па;кинематическая вязкость, м2/с;ij–– символ Кронекера; i, j, k – индексы,определяющие направление декартовой системы координат (i, j, k = 1, 2, 3).3.Уравнение сохранения энергии:(3.3)где H – энтальпия, Дж;температура, К;ij– коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К); T –– напряжения сдвига, Па; ωвн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
