Моделирование работы двигателей внутреннего сгорания на частичных нагрузках. Текст напечатан в сокращенном виде с комментариями. [ 02.10.02 г.]

Главная страница Статьи и разработки Возврат в cписок

Методические материалы, Национальная академия наук Белоруссии, Минск – 1999 г. 2000-4/556 УДК 621.431(075.8)

Стародетко Г.Е.

В современном автомобиле энергия получаемая при сгорании топлива в поршневом ДВС, затрачивается на внутренние потери в этом двигателе, в трансмиссии, на преодоление качения колес, сопротивление воздуха, и на разгон поступательно движущейся массы автомобиля. На схеме приведены потери энергии при движении автомобиля в городском цикле.   Наибольшая величина потерь от 57,4 (городской цикл) до 64,2 (магистральный цикл) составляют внутренние потери в ДВС, обусловленные несовершенством его рабочего процесса и трением в кривошипно – шатунном механизме (КШМ) и цилиндро – поршневой группе (ЦПГ). Энергия этих потерь рассеивается в окружающую среду с отработанными газами, через систему охлаждения ДВС и частично радиацией.   Значительную величину составляют также потери холостого хода (работа ДВС при остановках автомобиля), которые достигают 17,2% при ГЦ, и 3,6% в МЦ.   Радикально решение проблемы повышения экономичности автомобиля возможно по 2 направлениям.  1- снижение расхода при движении на частичных нагрузках.  2 – совершенствование рабочего процесса ДВС.    Классификация способов повышения топливной экономичности ДВС.  Топливное отключение цилиндров (для бензиновых двигателей)  Механическое отключение цилиндров  Применение секционной компоновки с отключением секций  Применение раздельного расширения рабочих газов.    Топливное отключение цилиндров (в двигателях с впрыском топлива), может достигаться:  Механическим воздействием на ТНВД в двигателях с механическим управлением;  Отключение топливных форсунок в двигателях с электрическим управлением При топливном отключении с помощью электромагнитного управления возможна реализация в двигателях переменной тактности и регулирования мощности за счет пропуска рабочих ходов.   Механическое отключение – это муфты с освобождением поршней.  Во всех перечисленных выше способах повышения экономичности двигателя при движении автомобиля на частичных нагрузках достигается в результате получения оптимальных отношений количества воздушного заряда и впрыскиваемого топлива, что соответствует работе каждого включенного цилиндра на внешней скоростной характеристике.   Двигатели с механическим отключением цилиндров могут экономить до 50% топлива.  Прим. Не совсем полная картина. Можно сказать частичная, т.к. пропущены некоторые моменты, что естественно и соответствует теме диссертации. Как пример можно упомянуть двухтактный двигатель.   Одним из недостатков большинства современных методов проектирования ДВС, является применение оценки качества двигателя по расходу топлива при фиксированной нагрузке и оборотах двигателя. Чаще всего такой оценкой является минимальный расход топлива на внешней характеристике. Практически двигатели редко выходят на работу в таких условиях. Дополнительно реальные рабочие процессы трудно моделировать; в моделях реальных рабочих процессов не учитывается существование 2х классов потерь, устранимых и неустранимых. Устранимые – это КПД, степень сжатия, горение, углы подачи искры, автоматика управления и т.д. Неустранимые – это внутренние потери на трение. Их возможное снижение до определенного предела.   Предварительные расчеты показали, что при относительной нагрузке бензинового двигателя 50% эффективное КПД уменьшается в 1,3 раза; при нагрузке 30% - эффективное КПД снижается в 1,6 раза.  (Энергетичность по топливу уменьшается в 2 раза). Дальнейшее снижение наполняемости цилиндров приводит к катастрофическому ухудшению показателей эффективности. Следовательно при уменьшении нагрузки в 2 раза и более необходимо отключать не менее половины цилиндров. (Желательно иметь 2 двигателя).   Прим. Все вышеописанное относится к классическим ДВС. Необходимо учитывать, что при уменьшении нагрузки одновременно со снижением КПД происходит и резкое снижение относительного расхода топлива, поэтому на этом фоне общий перерасход топлива не так велик. Необходимо обратить внимание именно на режимы с нагрузкой свыше 30 – 40%, т.е. на переходные режимы частичных нагрузок, а также на кратковременность нагрузок до 80-90%, режимы разгона. Именно они поглощают основную долю топлива и здесь надо искать резервы.   Средняя скорость в городе 75 км/час. Режим торможения обуславливает невосполнимые вредные потери. Управление скоростью должно осуществляться органами управления ДВС. Теоретический расход 2,82 литра на 100 км. Расчеты показывают, что по городскому циклу 41% топлива расходуется на разгон после торможения, т.е. для восстановления потерянной скорости. И это с учетом нормализованного торможения, т.е. грамотного применения.   Особенность работы ДВС, как объемной машины, преобразующей тепловую энергию в механическую путем использования двойственного характера термодинамической энергии газа, который при сжатии и расширении способен изменять температуру, а при изменении температуры – давление. Достаточно важное замечание. Различается геометрическая и физическая степень сжатия. При полной нагрузке (открытый дроссель) объем заряда свежей топливной смеси приблизительно равен рабочему объему цилиндра; и степень сжатия физическая близка к геометрической. При сильном дросселировании, которое достигается закрытием воздушной заслонки, воздух заполняющий рабочий цилиндр, имеет давление ниже атмосферного и следовательно физическая степень сжатия будет меньше геометрической. При частичный нагрузках и отличном от 100% наполняемости цилиндров, рабочий процесс в ДВС протекает по обычному термодинамическому циклу.   В рабочий цилиндр подается заряд объемом V = Va – Vc; сжатие до Vc и поджигание, затем нагревание, переход в верхнюю точку и начало адиабатического расширения теоретически до нижней точки (до атмосферного давления), но на практике до точки т. В, (постоянного объема). Изменяя объем Vа можно регулировать полноту индикаторной диаграммы и тем самым изменять эффективную мощность ДВС.   Отношение Vв/ Vc называем степенью расширения (е = Vв/ Vc);   Отношение Vа/ Vc называем степенью сжатия при частичной нагрузке и постоянным объемом камеры сгорания; i =  Vа/ Vc; Отношение e/i  = b назовем степенью продолженного расширения. Отношение Vа – Vс/ Vв – Vс = g; назовем наполняемость цилиндра при частичной нагрузке. Очевидны соотношения g = i - 1/e – 1; e = b*i; g = e/(b-1)/e – 1; b = e/ g*(e - 1) + 1; (ni ) Характерный случай при b = 2; т.е. объем заряда в 2 раза меньше объема цилиндра. Индикаторное КПД ДВС (ni) при частичной нагрузке равно ni = 1 – [(Тв –Тв,) + 1.4(Тв, - Та)]/Те –Тс;   Следовательно можно увеличить КПД за счет продолжения расширения. При монотонном возрастании b от 1 до 2 согласно формулы ni монотонно убывает, изменяясь не более чем на 10%; и почти равна при некотором приближении константе.   Как показывают вычислительные эксперименты и функциональный анализ вышеописанных зависимостей, при постоянной величине объема камеры сгорания невозможно получить КПД выше тех значений, которые получаются при полной нагрузке в цикле ОТТО. Для получения желаемого результата нужно поддерживать степень сжатия на высоком уровне на всех режимах нагружения. Известен ряд изобретений направленных на это, т.е. на сохранение степени сжатия при увеличении степени расширения. При этом можно добиться повышения КПД сверх максимально достижимого при b = 1.   Отметим что эти расчеты приблизительны и упрощены, не учитывают процессы всасывания и выхлопа, а также гладкие переходы между отдельными фазами процесса. Но считается что в процессах ОТТО и Дизеля сжатие и расширение происходит по политронам с показателями точности принятыми в машиностроении.   Часть текста пропускается. Режимы движения необученных участников движения (неграмотных с точки зрения экономичного движения) с применением тормозов перед светофором и при постоянном несоблюдении дистанции и т.д. характерны. Они считаются неправильными и нетиповыми (Как исключение – экстренное торможение).   На дорогах первого класса с разделенными полосами движения средняя скорость может достигать 80 –85 км/час, но чаще всего 75 км/час. Отклонение некоторых участников движения то средней скорости заставляет других совершать обгоны и торможения. Изменение скорости с помощью тормозов крайне нежелательно (невосполнимые потери). Следовательно необходим прогноз и еще раз прогноз на дороге. Управление скоростью должно осуществляться органами управления ДВС. Учитывать мощность механических потерь на каждом этапе. При разгоне дополнительный расход от номинальной мощности для достижения максимального крутящего момента. Грамотный выбор средней мощности ДВС в зависимости от условий эксплуатации автомобиля. Без завышения, иначе неизбежен перерасход топлива. Т.е. избегать дополнительного объема цилиндров.

Выводы и комментарии.

Оширов В.

Совершенствование процесса горения возможно. Продолжение расширения газов не совсем эффективно. Хотя этот вопрос спорный. Гораздо эффективнее продолжение горения при расширении, т.е. без подъема максимального давления в цикле. Для этого необходимо специальное топливо, либо добавки, возможно не горючие, либо окислители или стабилизаторы и т.п. Суть – горение должно быстро происходить не при самом большом давлении, а при определенном несколько меньшем максимального, при достижении граничного давления, скорость горения должна снижаться, и опять повышаться при уменьшении давления, т.е. движении поршня в обратном направлении. Это работа для химиков! Хотя кое что может дать расслоение топливной смеси по принципу оптимизатора горения. Возможно совершенствования процесса горения за счет его оптимизации путем автоматического изменения угла опережения зажигания, критерием оптимального угла должно являться прирост мощности (оборотов или ускорения), а датчик должен находиться у венца маховика, фиксируя движение зубцов последнего. Дополнительный аварийный датчик по детонации. Алгоритм работы рассмотрен в разделе о зажигании. Дополнительные сведения о совершенствовании процесса горения.   Если исходить из недостатков существующих процессов горения топливного заряда: неоптимальное распределение плотности (качественного состава) по объему цилиндра; горение топливного заряда в начале в процессе сжатия, а затем расширения, что приводит вначале к резкому росту температуры и давления, а затем к резкому падению их. Поэтому процессы горения топливного заряда не всегда доходят до конца, и увеличивается токсичность выхлопных газов.   Радикальными решениями могут служить два основных момента: использование автономной камеры сгорания и применение в виде дополнительного компонента к рабочему телу объемного расширения жидких криогенных компонентов или подобных им. Начало публикаций по этой теме: статья Создаем новый ДВС.

Возврат в список