Повышение эффективности функционирования системы двухтактный двигатель-потребитель мощности за счет рационального определения конструктивных параметров

1. Особенности работы ДВС различного назначения и требования, предъявляемые к ним.

ДВС широко распространены в различных областях жизнедеятельности человека. В настоящее время они являются практически единственным типом силовых установок автотракторного типа и основным видом судовых силовых установок. Двухтактные ДВС часто используют в качестве привода для легкового и грузового мототранспорта, а также для различных средств малой механизации. Их нередко применяют для выработки электроэнергии в районах, удаленных от линий электропередач, — на лесозаготовках, на радиостанциях, в горных сельскохозяйственных районах, а также в строительной технике. Вместе с тем, коэффициент полезного действия и удельная мощность ДВС пока еще намного ниже теоретически возможных [38]. Поэтому улучшение качества рабочего процесса, создание двигателя, обладающего оптимальными конструктивными параметрами, представляет задачу большого экономического и экологического значения.

К неоспоримым преимуществам двухтактного двигателя перед Hg-тырехтактными относятся простота конструкции, меньшая трудоемкость изготовления, высокие мощностные удельные показатели. Однако по другим параметрам двухтактные двигатели значительно уступают четырехтактным. В первую очередь это относится к экономичности и токсичности. Удельные расходы топлива таких двигателей н3²⁰−30%, а эмиссия несгоревших углеводородов в 3−4 раза больше, чем у двигателей четырехтактных [9]. Поэтому сейчас, в связи с особой остротой проблем снижения расхода топлива и уменьшения загрязнения воздушного бассейна, работы по улучшению экономических и экологических показателей двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой приобретают особую актуальность. При этом двигатели должны продолжать удовлетворять всем другим требованиям: быть максимально простыми по конструкции, удобными в техническом обслуживании и надежными в эксплуатации.

Разнообразие областей применения ДВС и соответствующая дифференциация требований к ним предопределили появление самых разнообразных конструктивных схем двигателей. Однако независимо от назначения современный двигатель внутреннего сгорания должен удовлетворять следующим основным требованиям [2]:

— двигатель должен обеспечивать длительную безаварийную работу на всех эксплуатационных режимах, определяемых назначением двигателя;

— с целью снижения эксплуатационных расходов двигатель должен быть экономичным по расходу топлива и масла. Наряду с задачами по повышению топливной экономичности уделяется большое внимание экологическим проблемам;

— для уменьшения затрат металла и снижения стоимости изготовления, а также повышения эффективности применения двигатель должен иметь минимальные габариты и вес;

— конструкция двигателя должна быть максимально простой, обеспечивающей удобство и доступность обслуживания и выполнения монтажных работ;

— двигатель должен иметь достаточную уравновешенность, обеспечивающую длительную надежную работу объекта, для которого он предназначается- ~.

— двигатель и устройства, соединенные с ним, не должны иметь запретных «критических» зон чисел оборотов во всем эксплуатационном диапазоне;

— уровень шума, создаваемого двигателем, не должен превышать допустимых санитарных норм.

Помимо общих требований каждая область использования двигателя выдвигает ряд специфических требованийхарактерных для конкретных условий его эксплуатации. Например, двигатели для экипажей наземного транспорта должны обеспечивать устойчивую работу с высокой экономичностью в широком диапазоне скоростных режимов и при изменении мощности от нуля до максимальной, а также должны обеспечивать длительную работу на холостом ходу.

Условия эксплуатации сельскохозяйственных агрегатов характеризуются весьма разнообразными режимами их работы. На режимы работы тракторов, мотоблоков и мотокультиваторов в условиях сельского хозяйства влияет большое число факторов различной значимости [51]. Анализ показывает, что эти факторы формируются множеством показателей, определяемых зоной эксплуатации агрегатов и ее почвен-но-климатическими условиями, периодом года, видом работ, принятой технологией производства, свойствами агрегата и его привода, требованиями охраны труда и окружающей среды. В качестве обобщенных факторов, формирующих режим работы агрегата, выступают момент сопротивления и закономерность его изменения, техническая характеристика агрегата и в первую очередь его двигателя, а, следовательно, и систем последнего, участвующих в трансформации энергии. Взаимодействие двигателя и потребителя мощности, с которым он применяется, показано на рис. 1.

Транспортные двигатели и двигатели сельскохозяйственных агрегатов большую часть времени работают на неустановившихся режимах. Время их работы на таких режимах в зависимости от назначения силовой установки может составлять до 95% рабочего времени [13].

Воздействие на ц со.

Рис. 1. Система двигатель — потребитель мощности.

Протекание рабочего процесса для ДВС в неустановившихся режимах существенно отличается от рабочего процесса в установившихся режимах. Инерционные явления сказываются не только на выходных показателях двигателя, например, угловой скорости и крутящем моменте, но и на показателях рабочего цикла. В неустановившихся режимах изменяются наполнение, топливоподача, характер тепловыделения, и теплопередачи, возрастают динамические нагрузки и т. д. Все это приводит к тому, что эффективные показатели и топливная экономичность двигателей понижаются.

Длительность неустановившегося режима и характер изменения параметров работы двигателя напрямую зависят от потребителя мощности. Таким образом, особенности работы ДВС в условиях неустановившихся режимов надо рассматривать только с учетом конкретного потребителя мощности, его характеристик и условий эксплуатации [13].

Все это говорит о том, что необходима методика проектирования ДВС, позволяющая, опираясь на требования техническогсГ^&дания ко всему устройству в целом, обоснованно сформулировать требования к двигателю, а затем найти структуру и параметры его, обеспечивающие выполнение этих требований и дающие возможность более полно использовать вырабатываемую им мощность. Для решения этой задачи необходимы исследования рабочего процесса двигателя на этапе проектирования. Основные параметры рабочего процесса, давление, температура и состав рабочего вещества в цилиндре, — исходные для дальнейших расчетов.

Характерной особенностью существующего подхода к проектированию ДВС является максимальная опора на предшествующий опыт проектирования двигателя — прототипа с использованием известных из практики рекомендаций по необходимой коррекции свойств ДВС [2, 43, 58]. Проводимые при этом расчеты, как правило, базируются на аналитических и эмпирических соотношениях. Такое положение приводит к тому, что в большинстве случаев необходим значительный объем не только стендовых испытаний двигателя, но и всесторонних испытаний всего устройства, а проектирование ДВС для новых объектов, значительно отличающихся по функциональным возможностям от стандартных, с помощью существующего подхода представляет собой исключительно трудную инженерную задачу.

Таким образом, создание двигателя внутреннего сгорания, аля конкретного технического объекта должно базироваться, в первую очередь, на математических моделях, адекватно отражающих их функционирование на различных режимах работы.

4.3. Выводы.

1. На основе построенного математического описания и разработанного универсального численного алгоритма, определяющего геометрические параметры зоны продуктов сгорания, проведено теоретическое исследование различных типов КС. Установлено: а) влияние формы камеры сгорания на силовые показатели двигателя. Суммарная эффективная мощность центральной КС с центральной свечой зажигания, выполненной в головке цилиндра, на 6 — 8% больше, чем у смещенной КС с центральной свечой. Влияние на экономические показатели ДВС несущественноб) влияние расположения камеры сгорания на силовые и экономические показатели двигателя. Эффективный удельный расход топлива центральной КС, выполненной в днище поршня, на 10- 15% меньше, чем у центральной КС, выполненной в головке цилиндра, а суммарный часовой расход топлива на 12% большев) влияние конструкции камеры сгорания на продолжительность процесса тепловыделения. Максимальная разница среди рассмотренных вариантов составила приблизительно 15°- г) существенное влияние положения свечи зажигания на силовые показатели работы ДВС. Максимальная разница эффективной мощности среди рассчитанных положений составила 21,7%. Влияние на часовой расход топлива незначительно (0,11%).

3. Разработан алгоритм и написана программа расчета для определения оптимальных параметров двигателя на основе прямого метода покоординатного спуска (метода Хука — Дживса). Оптимизация фаз газораспределения с учетом влияния потребителя мощности привела к увеличению эффективного крутящего момента ДВС на 3,37%.

4. Выполненные исследования позволяют с помощью приведи-ной в главе 1 методики проектирования обоснованно и рационально подобрать конструктивные параметры ДВС в зависимости от характеристик потребителя мощности и условий будущей эксплуатации. Это приведет к повышению эффективности функционирования двигателя в составе технического объекта.

Заключение

.

При выполнении данной диссертационной работы были получены следующие основные результаты и вывода:

1. Разработан комплекс математических моделей и пакет программ для расчета рабочих процессов, протекающих в двухтактном карбюраторном ДВС с кривошипно-камерной продувкой. Это позволяет: а) учесть влияние на работу двигателя потребителя его мощности, а именно, ротационного мотокультиватораб) проводить расчеты с произвольной формой камеры сгорания и произвольным положением свечи зажиганияч в) установить связь конструктивных параметров двухтактного ДВС с его энергетическими и экономическими показателями.

2. Предложена методика для определения требований к выходным характеристикам ДВС по требованиям к техническому объекту в целом. С помощью этой методики и построенного математического описания можно обоснованно и рационально подобрать конструктивные параметры двигателя, обеспечивающие выполнение этих требований.

3. Разработаны алгоритм и программа для нахождения оптимальных параметров ДВС согласно выбранному критерию качества, использующие прямой метод покоординатного спуска (метод Хука-Дживса).

4. Используя ЛП-поиск, выполнена серия вычислительных экспериментов с целью повышения эффективности функционирования двухтактного двигателя ТМЗ-5.101 в составе ротационного мотокультиватора «Тарпан». При этом: а) установлено существенное влияние конструкции камеры сгорания и фаз газораспределения на выходные характеристики ДВСб) даны практические рекомендации по применению того или иного вида КС в зависимости от условий будущей эксплуатац^У! (типа обрабатываемой почвы).

5. Подтверждена адекватность разработанного математического описания реальному рабочему процессу, протекающему в двигателе ТМЗ-5.101 с ОПК на впуске. Максимальная погрешность в определении среднего эффективного давления в цилиндре составила 8,5%, в определении расхода топлива — 6%.