Параметры процесса сгорания и показатели рабочего цикла бензинового двигателя с промежуточным охлаждением рециркулируемых отработавших газов

Повышение топливной экономичности на частичных режимах является актуальным направлением совершенствования бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [1, 2]. Одним из технических решений, реализующих это направление, является использование рециркуляции отработавших газов (РОГ). Смешение отработавших газов со свежим зарядом, изменяя его физические свойства, оказывает влияние на процессы наполнения цилиндра и сгорания топлива. Известно, что особенно эффективна рециркуляция при предварительном охлаждении отработавших газов. Для оценки влияния рециркуляции предварительно охлажденных отработавших газов на показатели рабочего цикла необходим анализ характеристик выгорания с определением кинетических констант: показателя характера и продолжительности сгорания топлива [3].

Основные положения методики исследования

Определение параметров процесса сгорания и показателей рабочего цикла при рециркуляции отработавших газов производилось в процессе стендовых испытаний двигателя ВАЗ 21124, работающего на режимах нагрузочных характеристик. Испытательный стенд включает асинхронный электрический тормоз, ротор которого соединен с коленчатым валом двигателя, пульт управления нагрузочным устройством и двигателем, измерительную и регистрирующую аппаратуру, датчики, установленные в элементах двигателя, и систему индицирования давления газа в цилиндре фирмы AVL .

Испытуемый двигатель оборудован системой рециркуляции отработавших газов, включающей в себя трубопроводы подвода и отвода отработавших газов, регулируемый промежуточный охладитель типа «газ-жидкость», клапан регулирования количества рециркулируемых отработавших газов и электронный блок управления. Последний позволяет изменять угол опережения зажигания, состав смеси и другие параметры в режиме реального времени.

Полученные в результате индицирования экспериментальные индикаторные диаграммы давления впоследствии подвергались термодинамическому анализу с целью определения характеристик выгорания и кинетических констант процесса сгорания топлива при наличии и отсутствии рециркуляции отработавших газов. Термодинамический анализ экспериментальных индикаторных диаграмм давления в цилиндре выполнялся по методике, разработанной на кафедре ДВС ЮУрГУ и реализованной в программе ANAG .

Результаты расчетно-экспериментального анализа

Регулирование мощности в бензиновых двигателях осуществляется с помощью изменения положения дроссельной заслонки во впускном тракте. Наличие дроссельной заслонки при работе двигателя на средних и малых нагрузках приводит к существенному уменьшению коэффициента наполнения ην цилиндра свежим зарядом. На этих режимах увеличивается работа, затраченная на совершение насосных ходов, которая составляет значительную долю общих механических потерь в двигателе.

Представляет интерес способ регулирования мощности двигателя изменением степеней открытия дроссельной заслонки φ дз и рециркуляции предварительно охлажденных отработавших газов k рог с корректировкой угла опережения зажигания θ. При этом температура t рог рециркулируемых отработавших газов в процессе эксперимента поддерживалась равной 80 °С.

В ходе работы выполнен расчетно-экспериментальный анализ эффективности такого способа регулирования мощности бензинового двигателя. Экспериментальные индикаторные диаграммы давления и расчетные температуры газов в цилиндре на различных режимах нагружения двигателя представлены на рис. 1.

а)                                                                   б)

в)                                                                               г)

Рис. 1. Зависимость давления и температуры рабочего тела в цилиндре двигателя при работе без РОГ и с РОГ (n = 2000 мин^–1): а – р е = 0,35 МПа; б – р е = 0,47 МПа; в – р е = 0,58 МПа; г – р е = 0,67 МПа

С увеличением нагрузки наблюдается рост максимальных давления и температуры газа в цилиндре двигателя. Особенно интенсивное приращение максимального давления имеет место при использовании рециркуляции отработавших газов на средних нагрузках (рис. 1, б, в). Вследствие более раннего угла опережения зажигания в рабочем цикле с рециркуляцией отработавших газов наблюдается смещение кривой термодинамической температуры газов к ВМТ.

Интегральные x = f (φ) и дифференциальные dx / d φ ≡ w х = f (φ) характеристики выгорания, а также интегральные x пот = f (φ) характеристика тепловых потерь за процесс сгорания топлива на различных режимах нагружения двигателя представлены на рис. 2. Анализ характеристик выгорания при использовании и отсутствии рециркуляции отработавших газов свидетельствует о несущественном изменении продолжительности φ z процесса сгорания, за исключением режимов малых нагрузок (среднее эффективное давление р e = 0,35 МПа).

С падением нагрузки двигателя с РОГ до значений среднего индикаторного давления p i ≈ 0,55 МПа улучшается характер теплоиспользования. Это подтверждается тем, что продолжительность φ z сгорания в двигателе с рециркуляцией отработавших газов и без нее различается несущественно, а показатель характера сгорания m о в двигателе с РОГ приближается к оптимальному значению m о = 1,5.

а)                                                                б)

в)                                                                      г)

Рис. 2. Интегральные и дифференциальные характеристики выгорания топлива при работе двигателя без РОГ – -– – и с РОГ ––– ( n = 2000 мин^–1): а – р е = 0,35 МПа; б – р е = 0,47 МПа; в – р е = 0,58 МПа; г – р е = 0,67 МПа

Смещение кривой термодинамической температуры газов к ВМТ (см. рис. 1, а–в) в сторону меньшей площади поверхности внутрицилиндрового пространства сопровождается снижением тепловых потерь x пот в стенки за процесс сгорания (см. рис. 2, а–в).

Результаты моторных испытаний двигателя

На рис. 3 приведены зависимости параметров процесса сгорания и основных показателей рабочего цикла и двигателя в целом при работе по нагрузочной характеристике при отсутствии и с использованием РОГ.

Из анализа представленных данных следует, что топливная экономичность, характеризуемая удельным индикаторным g i и эффективным g е расходами топлива, имеет наибольшие значения на средних нагрузках двигателя. При малых нагрузках двигателя с РОГ наблюдается несколько увеличенная продолжительность процесса сгорания, что является ограничивающим фактором в достижении высокой топливной экономичности.

При работе двигателя с РОГ во всем исследуемом диапазоне нагрузок наблюдается некоторое повышение максимального давления p max цикла. Максимальная температура T max цикла при средних нагрузках (среднее эффективное давление р е ≈ 0,55…0,65 МПа) изменяется незначительно, за исключением малых нагрузок. Снижение T max объясняется большей продолжительностью процесса сгорания. Максимальная быстрота нарастания давления w p max практически не меняется по характеристике. Несколько большие ее значения характерны для двигателя с РОГ вследствие увеличенных значений угла опережения зажигания θ. Повышенные значения коэффициента эффективности сгорания ξ топлива при работе двигателя с рециркуляцией охлажденных отработавших газов можно объяснить увеличенным коэффициентом избытка воздуха α.

Температура отработавших газов t_r имеет меньшие значения в двигателе с РОГ, что хорошо согласуется с характером изменения топливной экономичности исследуемых комплектаций двигателя.

а)

Рис. 3. Зависимость параметров процесса сгорания и показателей рабочего цикла двигателя от средних индикаторного p i (а) и эффективного p e (б) давлений при постоянной частоте вращения коленчатого вала n при работе без РОГ – х и с РОГ – о ( n = 2000 мин^–1, φ дз = var, k рог = var, θ = var)

б)

Выводы

На основании выполненного расчетно-экспериментального исследования установлено:

• –    регулирование мощности двигателя изменением степени открытия дроссельной заслонки с одновременным изменением степени рециркуляции охлажденных отработавших газов и корректировкой угла опережения зажигания позволяет повысить его топливную экономичность на режимах средних нагрузок;

• –    повышение топливной экономичности происходит вследствие снижения тепловых потерь за процесс сгорания топлива (повышения коэффициента эффективности сгорания), обусловленного ростом коэффициента избытка воздуха;

• –    применение рециркуляции отработавших газов в бензиновом двигателе приводит к некоторому повышению его механической нагруженности;

• –    при работе двигателя на больших нагрузках с рециркуляцией отработавших газов увеличение угла опережения зажигания более, чем на 4…6 град ПКВ относительно его значения, установленного заводом-изготовителем, ограничено условиями возникновения детонационного сгорания.