СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ СОВЕРШЕНСТВА ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В ТЕПЛОВЫХ ДВС

Изобретение относится к области двигателестроения, конкретно к способам исследовательских испытаний двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием по оценке совершенства процессов подготовки и сгорания топливной смеси.

Современные способы и соответствующие им подходы, а также устройства для оценки в целом совершенства (качества) и доводки рабочего процесса ДВС основаны на методе стендовых исследовательских испытаний путем снятия различных характеристик: регулировочных, нагрузочных, скоростных и т.д. и последующем сравнении полученных результатов с теоретическими или достигнутыми в настоящее время (Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-e изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - С. 258; ГОСТ-14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 55 с.).

Недостатком данного метода является длительность, высокая стоимость доводки, связанные с необходимостью наличия экспериментальной базы и получения большого объема экспериментальной информации для ее анализа, а также с отсутствием объективных критериев о возможности и резервах получения более высоких показателей данной конкретной конструкции ДВС, что может привести, в том числе, и к неправомерному отказу от дальнейшей доводки двигателя или отказу от уже разработанной более эффективной конструкции.

Известны также способы и устройства системы контроля и управления процессами воспламенения и сгорания топлива, основанные на применении эффектов, связанных с возникновением и измерением ионного тока (Способ контроля и управления сгорания топлива в ДВС и ионизационный датчик для его осуществления / Шайкин А.П., Русаков М.М., Егоров А.Г. и др.: пат. 2309334 РФ №2006100267/06; заявл. 10.01.2006, опубл. 27.10.2007. Бюл. №30). Однако данные системы ориентированы на контроль и управление протеканием процессов и не позволяют оценить возможности совершенствования процессов подготовки и сгорания топливной смеси, т.е. повышения полноты сгорания топлива.

Наиболее совершенным способом оценки эффективности ДВС является индицирование ДВС, т.е. экспериментальное получение индикаторных диаграмм и их последующий анализ, позволяющий в полном объеме наиболее точно оценить совершенство рабочего процесса двигателя по всем показателям (Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1975. С. 276-296; Стефановский Б.С. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б.С. Стефановский, Е.А. Скобцев, Е.К. Корси [и др.] - М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.).

Однако данный способ также обладает рядом недостатков. В частности, для его осуществления необходимы специальное дорогостоящее оборудование (индикаторы, преобразователи и регистраторы), сложная методика вторичной обработки вследствие наличия существенного влияния на результат малых погрешностей измерения.

Кроме того, полученные результаты свидетельствуют об уровне совершенства рабочего процесса, например, по величине индикаторного или эффективного КПД, но не дают информации о потенциальных возможностях его улучшения в конкретных условиях, т.е. возможности, а следовательно, и целесообразности проведения дальнейших доводочных работ но улучшению достигнутых показателей. Это связано с отсутствием объективных показателей, позволяющих определить предел совершенства данной реальной конструкции, и ориентацией на теоретические, которые являются идеальными и не достижимы в практике (термодинамические КПД цикла).

Целью данного изобретения является оценка возможности улучшения экономических и токсических показателей тепловых двигателей с искровым зажиганием, т.е. целесообразности и эффективности проведения доработок конструкции системы впуска двигателя и камеры сгорания с целью улучшения его показателей.

Цель достигается тем, что в топливную смесь добавляют промотор и после восстановления исходного скоростного и нагрузочного режима работы двигателя при поддержании постоянного значения коэффициента избытка воздуха, определяют расход топлива G_б, после чего выполняют расчет по формуле:

,

где β - безразмерный коэффициент, характеризующий процесс сгорания топливной смеси, G_б - измеренный расход топлива при добавке промотора, Н - расход промотора в кг/ч, k - коэффициент, определяемый отношением низшей теплотворной способности промотора Н_иH к низшей теплотворной способности углеводородного топлива Н_иб, G_б0 - расход топлива без добавок промотора на данном режиме работы в кг/ч, и в случае β<1,0 делают вывод о недостаточном уровне совершенства процесса сгорания и возможности улучшения показателей двигателя.

Добавка промотора горения, например, в случае применения водорода в количестве (3÷6)% от массы углеводородного топлива, осуществляется во впускную трубу ДВС. Режим работы двигателя выбирают произвольно из возможных по условиям работоспособности. Значение коэффициента избытка воздуха α при работе двигателя на углеводородном топливе и с добавкой промотора поддерживают одинаковым и принимают в диапазоне α=0,9÷1,2 [6].

На чертеже приведена схема экспериментальной установки, поясняющая способ испытаний по оценке возможности улучшения экономических и токсических показателей тепловых ДВС.

Экспериментальная установка содержит источник водорода (баллон) 1, редуктор 2, расходомер водорода 3, дозатор водорода 4, испытуемый ДВС и тормозное устройство (ТУ).

Работа установки осуществляется следующим образом. После прогрева и установления заданного скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя производится регистрация расхода топлива G_б, расхода воздуха G_в, необходимого для контроля величины коэффициента избытка воздуха. Затем посредством дозатора во впускную трубу подается промотор горения (например, водород в количестве 3÷6% от массы углеводородного топлива). При этом происходит изменение частоты вращения вала. Зафиксировав расход водорода, восстанавливают исходный скоростной и нагрузочный режим путем снижения расхода топлива (бензина). Регистрируют величины расхода топлива G_б, промотора (водорода в качестве примера) G_H и воздуха G_в.

По полученным результатам измерений рассчитывают коэффициент избытка воздуха по формулам:

и

где α - коэффициент избытка воздуха, G_в - расхода воздуха, G_б0 - расход топлива (бензина) без добавок промотора, G_H - расход промотора, l_0б и l_0H стехиометрические соотношения, соответственно, бензина и промотора при горении в воздухе и сравнивают полученные значения. При их разнице, определяемой погрешностями измерений, не более (3÷5)% производят вычисление параметра β. Результат вычисления β, меньший единицы, показывает, что имеет место промотирование горения и, следовательно, возможность дальнейшей доводки рабочего процесса в части процессов подготовки и сгорания топливной смеси и получения тем самым более высоких показателей двигателя. Значение, равное единице (в пределах обычных для практики погрешностей ±5%), свидетельствует о высоком качестве рабочего процесса двигателя и отсутствии возможности его доводки путем улучшения процессов смесеобразования и сгорания топливной смеси.

Пример конкретного испытания (выполнения)

Предлагаемый способ был апробирован на двигателе ВАЗ-2111 и в камере сгорания постоянного объема (бомбе).

В таблице приведены осредненные по результатам повторных опытов данные, полученные при испытаниях в моторном боксе двигателя ВАЗ-2111 на двух режимах работы: холостом ходу (нагрузка, оцененная среднеэффективным давлением Р_е=0) и минимальной частоте вращения вала n=850 мин^-1, и режиме, осредняющем стандартный ездовой цикл ЕСЕ ЕЭК ООН (Правило №83) без загородной части, характеризуемый средними значениями частоты вращения вала и нагрузки, равными n=2185 мин^-1, P_e=0,2 МПа.

Вычисления β дают для первого режима (n=850 мин^-1 и Р_е=0) следующий результат:

Поскольку полученное значение меньше единицы, то на данном режиме рабочий процесс может быть улучшен за счет конструктивных доработок, влияющих на процессы подготовки и сгорания топливной смеси, что позволит снизить расход топлива и выбросы токсичных компонентов.

Для второго режима (n=2185 мин^-1 и Р_е=0,2 МПа) получено значение β=1,03, что означает высокий уровень подготовки и проведения процесса сгорания и отсутствие возможности улучшения его для данного двигателя.

Справедливость данного способа была проверена на разных режимах работы ДВС и на специальной лабораторной установке, представляющей собой сферическую камеру сгорания постоянного объема (бомбу) (Бортников Л.Н. Активация горения углеводородных топлив водородом / Л.Н. Бортников, Д.А. Павлов, М.М. Русаков // Вектор науки ТГУ. 2012. №4. - С. 137-141; Результаты исследований состава продуктов сгорания бензоводородовоздушных смесей в сферической камере постоянного объема / Л.Н. Бортников, Д.А. Павлов, М.М. Русаков, А.П. Шайкин // Химическая физика. 2011, т. 30, №1. - С. 56-65). Было получено, что в условиях тщательно подготовленной топливной смеси добавки водорода не промотируют горение и величина β в диапазоне α=0,9÷1,2 всегда равна единице.