CC BY
50
УДК621.43-3
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
А.К. Синицын, Н.С. Кривошапко
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов
Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
В статье приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований бензинового двигателя с распределенным впрыском и с переменными фазами газораспределения, управляемые электромагнитными клапанами с помощью электронного блока управления на режимах средних частот вращения коленчатого вала двигателя.
Влияние фаз газораспределения и характер подъема клапанов двигателей внутреннего сгорания на эффективные показатели двигателя, а также на показатели теплоотдачи и газообмена неоднозначно, что затрудняет выбор основных рабочих параметров механизма газораспределения и приводит к принятию компромиссных решений. Известны многочисленные системы изменения фаз газораспределения, в том числе система электронного управления газообменом (Е\ПГ), в которых подъем клапанов и фазы газораспределения зависят от режима работы [2,5]. Наибольший интерес на сегодня представляет система газообмена ЕУТ, имеющая высокоскоростные, электропневматические приводы клапанов [1. 2], которые обеспечивают близкую к трапециевидной форму кривую подъема клапана во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов двигателя. Были проведены экспериментальные исследования 4-х цилиндрового бензинового двигателя 0.УЬ = 1,9 л), на основании чего был выполнен анализ эффективности работы исполнительного устройства электронного привода индивидуально управляемых клапанов бензинового двигателя с системой газообмена ЕУТ [ 2 ].
Целью настоящей работы явилось дальнейшее развитие идей, заложенных исследователями, в виде применения методики теплового расчета двигателя с определением его эффективных показателей и показателей теплоотдачи и газообмена [4], при помощи которой можно выбрать оптимальный газообмен (характер подъема клапана и фазы газораспределения) при различных нагрузках и скоростном режиме бензинового двигателя.
Рис. 1. Сравнение форм кривых подъема клапана со стандартным кулачковым приводом и с электронно-управляемым механизмом привода клапанным механизмом:
1 - величина подъема клапана; 2 - угол поворота коленчатого вала:
3 - кулачковый распределительный вал; 4 - исполнительное устройство, 7200 мин ’; 5 - исполнительное устройство, 3600 мин'1; 6 - исполнительное устройство, 600 мин'1
Электронноуправляемая система привода механизма газораспределения (EVT) имеет восемь одинаковых приводов, управляемых электронным блоком управления (ECU). ECU обеспечивает время переходного процесса в 2 мс при перемещении клапана на 10 мм, причем кривая подъема клапана имеет вид близкий к трапециевидному. На рис. 1 показана диаграмма различных «времени - сечений» клапана при неизменных значениях углов открытия и закрытия клапана.
Исследователями [2, 3] был построен план эксперимента при исследовании бензинового двигателя с EVT в ограниченном скоростном и нагрузочном диапазоне, поскольку характеристики на этих режимах наиболее характерны для реально работающих двигателей этого типа. Более подробно условия проведения экспериментальных исследований приведены в [2,6].
План эксперимента основан на выборе базовых значений углов газообмена на четырех уровнях по впускным и выпускным клапанам, значения которых приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Базовые значения углов газообмена, принятые при составлении плана эксперимента
Уровни факто- ров Факторы (угол поворота коленчатого вала)
Впускной клапан Выпускной клапан
открытие (IVO) закрытие (IVC) открытие (IVO) закрытие (IVC)
1 25° до ВМТ (335° /355°) 25° до НМТ (495°/515°) 60' до НМТ (120°/140°) 50° до ВМТ (290°/310°)
2 5” до ВМТ (355° /375°) 5° после НМТ (525° /545°) 15° до НМТ (165°/185°) 30° до ВМТ (310° /330°)
3 30° после ВМТ (390° /410°) 40° после НМТ (560° /580°) 50° после ВМТ (185°/205°) 5° до ВМТ (330° /350°)
4 50° после ВМТ (410° /430°) 60° после НМТ (580° /600°) 20° после НМТ (2007220°) 15 после ВМТ (3307350°)
5 25° до ВМТ (3357355°) 25° до НМТ (4957515°) 60° до НМТ (1207140°) 50 до ВМТ (2907310°)
6 5° до ВМТ (3557375°) 5°после НМТ (5257545°) 15° до НМТ (1657185°) 30° до ВМТ (3107330°)
7 30° после ВМТ (3907410°) 40° после НМТ (5607580°) 5° после ВМТ (185°/205°) 5° до ВМТ (330°/350°)
8 50° после ВМТ (410°/430°) 60° после НМТ (580°/600°) 20° после НМТ (2007220°) 5° до ВМТ (3307350°)
В соответствии с принятыми уровнями факторов принят план эксперимента по методу Тагучи [3] на 16 экспериментальных уровнях, использующий ортогональный принцип, что позволяет выделить влияние каждого фактора отдельно от других. Этот план представлен в таблице 2, который представляет собой план четырехфакторного эксперимента на 4-х уровнях.
Приведенный план эксперимента также использовался при выполнении расчетов по методике [4, 6], которая была соответствующим образом адаптирована для ее использования применительно к бензиновым двигателям внутреннего сгорания с искровым зажиганием без наддува с системой газообмена ЕУТ.
Таблица 2
Ортогональный план 4-х факторного эксперимента на 4-х уровнях
Номера испытаний Уровни факторов
ІУО ГУС ЕУО ЕУС
1 1 (335° / 355°) 1 (495°/515°) 3 (185°/205°) 3 (330° / 350°)
2 1 (335"/ 355”) 2 (525° / 545°) 1 (1207 140°) 2 (310°/ 330°)
3 1 (335°/ 355°) 3 (5607580 °) 4 (200° / 220°) 1 (290° /310°)
4 1 (335°/ 355°) 4 (580°/ 600°) 2(165°/185°) 4 (330° / 350°)
5 2 (355° /375°) 1 (495°/515°) 1 (120°/140°) 1 (290° /310")
6 2 (355° /375°) 2 (525° / 545°) 3 (185°/205°) 4 (330° / 350°)
7 2 (355° /375°) 3 (5607580 °) 2 (165°/ 185°) 3 (330°/ 350°)
8 2 (355° /375°) 4 (580°/ 600°) 4 (200° / 220°) 2 (310° / 330°)
9 3 (390°/410°) 1 (495° /515°) 4 (200° / 220°) 4 (330°/ 350°)
10 3 (390° / 410°) 2 (525° / 545°) 2(165°/ 185°) 1 (290°/310°)
11 3(390°/410°) 3 (5607580 °) 3 (185°/205°) 2 (310°/ 330°)
12 3 (390°/410°) 4 (5807 600°) 1 (1207 140°) 3 (330° / 350°)
13 4 (410°/430°) 1 (495°/515°) 2 (165°/ 185°) 2 (310° / 330°)
14 4 (410°/430°) 2 (525°/545°) 4 (200° / 220°) 3 (330°/ 350 )
15 4 (410°/430°) 3 (5607580 °) 1 (1207 140°) 4 (330° / 350 )
16 4 (410°/430°) 4 (580°/ 600°) 3 (185°/205°) 1 (290°/310°)
Были выполнены 16 вариантов расчетов по принятой методике и в соответствии с планом эксперимента. Все 16 вариантов расчетов разбивались на 4 группы по 4 номера расчетов (испытаний): I группа: номера расчетов - 1, 2, 3, 4; II группа: номера расчетов - 5, 6. 7, 8; Ш группа: номера расчетов - 9, 10, 11, 12; IV группа: номера расчетов - 13, 14, 15, 16. Пример составленных исходных данных и результатов расчетов представлен на рис. 2 и в пояснениях не ну вдается.
Из каждой группы расчетов был выбран один, у которого получилось минимальное значение удельного расхода топлива т1П), то есть этот режим для конкретной группы расчетов оказался оптимальным. Таким образом, из четырех групп расчета были выбраны 4, которые для каждой группы оптимальны.
Ими оказались: для I группы - расчет №2; для II группы - расчет №6: для III группы -расчет №10; и для IV группы - расчет №14.
После выполнения графических построений выяснилось, что точки варианта №10 сильно «выпадают» из кривых изменения показателей работы двигателя. Поэтому были выполнены еще два варианта расчетов: №17 и №18, характеристики показателей процесса газообмена которых приведены в таблице 3.
Причиной «выпадения» расчетных точек по варианту №10, скорее всего можно считать слишком большой интервал зоны закрытых клапанов вблизи ВМТ конца такта выпуска, начала такта впуска, который составил 80° поворота по коленчатому валу (табл. 2), чем и объясняется низкое значение коэффициента наполнения (г|у) и более высокое значение коэффициента остаточных газов (\|/г) (рис. 4).
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПО ПРОЦЕССУ
ос. . -диаметр цилиндра...'*. .082 м
ЕО. . -сгкпииь сжатия.....«* 9.00
N0. . -частота сражения . . .*» 1500
ЕМ. .-механический КПД. . .** .850
КР0Т-КЛД турбины..........«* .800
.“Потери давления....* .0060 МПа
-давление ©кр.среды.» .1010 МПа
-давление перед турб» .104 МПа
S. .
?о.
РТ.
в.1.
ВІЗ
FB.
-угол начала выпуска-» 185.0 град
-ход поршни..........ч
LAMS-отношение R/L........*
мин-lZC. .-число цилиндров. . . . *» КРОК-КПД компрессора....« РК..-давление наддува...» ТК. .-температура воздуха*» ТО. .-температура среды. .** PZT. -давлен, эа турбиной. *« В12.-коней откр.вып.орг.« закр.вып.органов...» -угол начала впуска «* -начало закр.впус.ор* -ма кс.эф.сеч.впус•ори -теплота сгорании. . .« FOPZ-опережение Энжиган." XT.-доля crop.no кин.мех*--МТ..-Показатель кин.сгор" ALFAE*» ALFAMAX/А1.РАсредн« ALFC-гтокл эатель степсни *» CU..-окружная скор.аихря^ SMA -шаг интегрирования *• УКАМ-оСъем доп.камеры...«
330.0 град .00056 кв.МНІ.
375.0 град Н13
545.0 град . «190
1.оосоооо
7 0.0 град грая
FH . . HU . .
•начало закрытия вып--макс эф.сеч.вып.орг*
Н1?.-коне.ц с*ткр.впус.орг>
Н2. .-закрытие впус.орг.. ■
Bf’ER-n арам. перемешивания*
AAR.-Коэфф- избыт.воздуха'
F2..-продолжит.горения..»
FCT.-угол макс.кин.скор.« 25.
MW..-показ.диффуз.огоран» .50 ALFAR-CTM.радиус ALFAMAX» .500 CG..-множитель фор.Вошни» 110.0 С2-коэф. формулы теплос'бм» .0032 4
АА..-uiar печати..........*» 2.00 град
MfX.-эфф.сечение канала.» .000 см2
Выпускные органы - клапана
Впускные органы - клапана
Двигатель без туроокомпрессоора
Моделируется двигатель с искровым зажиганием
Тепловыделение по NKI
Теплообмен по Ьошни
Средняя температура пор—ги голо&ки поршня TPOR* 240.0 гр.С Средняя температура поверхности крышки TKR- 220. 0 гр-С
Средняя температура поверхности втулки TVT” 180.0 гр - С
Отношение плошали цилиндра
к плошали поверхности поршня {крышки} OFKP® .60
. 0Є9 м .300 4 иил
.780
.101 МПа
310.0 К
293.0 К
.104 МПа
205.0 град
350.0 град
355.0 град 52 5.О грэд
.00060 кв.м
44000.0 КДж/кг ~2Ь.О град
. 990 1. 00 2 . 500 2.2316
10.0 м/с
2.00 гран .00 см3
FTI-
8.06784
TI-
.000696 ANti=
-10.93216
Показатели феплоофдачи
Доля потерь в охлажд-*’ Потери через поршень»-Потери в дополн.кам.~ реэульт - темпер . газов-»
-.248623 - - 096193 .000000 1271.6 С
Потери через втулк-у Потери через крышку ' Сред.коафф.теплоотд. -
- . 07 036*' -.06007 3 264.0 Вт/м2*
Показатели газообмена
Масса га эа Ия апуске«* . ОООЬЗ к г/и Масса газа на вып. « .00057 ;<г/и
Эаброс а коллектор « -.0000010 кг/ц Давл.насосных ходов -.024Й МПа
Коэффии. наполнения *> 1.003 Коэфф.остаточн.гааов*- .0314
Коэффиц. продувки *• 1.000 Ко»ф. избытка воздуха*-- 1.000
Коэф.иабыт.аочд.сумм» 1.000
Макс.давл.о.цилиндре* Среди.индикат.давлен^ Давя.газов перед тур» Мощность турбины “ Разность мощн.в Ре “ Давление мех.потерь * Период задержки восл-
Среди.эффек.давление» Эффективный КПД "
0.60 МПа 1.34 7 МПа .1040 МПа .00 кВт .0000 МПа .2021 МПа В.07 гр-пкв
Мэкс.давл.в.вихр.кам* Индикат. расход топл* Темп.газов перед тур* Петр.мощность компр * Индикаторный КПД -Полученный мех. КПД-Угол начала горения =
5. Ь*Э МПа .2054 кг/кЬт*ч ИЯй.У К
,00 кВт . ЗЭй . ft 32 -16.9J гр.пкв
Эффективные показатели двигателя
1 . І20 МПа .331
Эффективный расход *-Эффективная мощность*
.24)0 кг/кВт'ч 20. иЭ кВт
Рис. 2. Пример исходных данных и результатов расчета по выбранной методике
Таблица
Дополнительные варианты расчетов
Номера испыта- ний Уровни факторов, °п.к.в.
Впускной клапан Выпускной клапан
открытие закрытие открытие закрытие
№17 375/395 525/545 175/195 310/330
№18 400/420 525/545 185/205 310/330
Таким образом, по результатам выполненных расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Доказана возможность использования расчетной методики применительно к бензиновым ДВС с искровым зажиганием и системой газообмена ЕУТ.
2. Используемая методика расчета, к сожалению, не дает возможности оценить степень влияния регулируемых фаз газораспределения на величину токсических показателей ДВС (СО, НС, N0* и др.).
3. Выполненные расчеты позволяют существенно сократить объем экспериментальных работ, необходимость их проведения ограничивается необходимостью проверки экспериментально, полученных расчетным путем, оптимальных значений величин фаз газораспределения.
4. Расчетным путем подтверждены, сделанные ранее [2], что бензиновые ДВС, оснащенные системой газообмена ЕУТ, работают без перекрытия клапанов в зоне ВМТ, причем оптимальный интервал зоны закрытых клапанов вблизи ВМТ составляет угол 45° по п.к.в., что подтверждается характером протекания кривых эффективных показателей двигателя при его работе на режиме средних нахрузок и частот вращения.
5. Показано, что оптимальный подбор фаз газораспределения на этих режимах увеличивает мощность двигателя на 10-14%,в то время как удельный расход топлива улучшается на 5 - 6 %, при одновременном увеличении эффективного к.п.д. на 4 - 6 %. Показатели газообмена также улучшаются: коэффициент наполнения увеличивается на 6 - 9 %, а коэффициент остаточных газов снижается соответственно на 5 - 7 %.
6. Представляется целесообразным продолжить расчетные исследования в этом направлении, которые должны впоследствии охватывать весь диапазон частот вращения и нагрузок бензиновых двигателей с системой EVT с целью выбора оптимальных фаз газообмена, которые могли бы меняться по команде датчиков нагрузки и оборотов двигателя, подаваемых на электронный блок управления, а с него на исполнительное устройство, управляющее системой EVT.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wolfgang Demmelbauer-Ebner, Alois Dachs, and Peter Lenz: Variable Valve Actuation Systems for the Optimization of Engine Torque. SAE Paper 910447, 1991
2. Larrie A. Gould, William E. Richeson, and Frederick L. Erickson: Performance Evaluation of a Camless Engine Using Valve Actuators with Programmable Timing. SAE Paper 910450, 1991
3. Taguchi, G., Systems of Experimental Design, Volume I and II, Kraus International Publications, 1987.
4. Иващенко H.A.. Ивин В.И. Термодинамическая оптимизация двигателя внутреннего сгорания в курсовых и дипломных работах и проектах: Учебное пособие по курс) "Теория поршневых и комбинированных двигателей”,- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. -32 с., ил.
5. Электронное управление автомобильными двигателями. Под ред. Г.П. Покровского -М.: Машиностроение, 1994.-335 с.
6. Кривошапко Н.С. Исследование влияния переменных фаз газораспределения на показатели бензинового двигателя. Дисс. на соискание степени магистра. - М., 200!
MULTIVARIATE ANALYSIS OF COMPUTATIVE AND EXPERIMENTAL RESULTS OF VALVE TIMING INFLUENCE ON GAS-ENGINE INDICES
A.K. Sinitsyn, N.S. Krivoshapko
Department of Internal Combustion Engines,
Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia
The article has the results of eomputative research valve timing influence on most important indices (i.e. power, fuel consumption, volumetric and gas exchange efficiency, etc.) of gas-engine, equipped with EVT system. Design procedure was adopted to use on gas-engine, which had electronic valve timing system with valve timing profile as quasi-trapezoidal form, which is much effective than conventional one. It was proved advisability of computerized design procedure usage with the aim of experimental work decrease on behave of fast and reliable results of research.
Александр Константинович Синицын родился в 1939 г. В 1962 г. закончил факультет механизации Московского института инженеров с.-х. производства. Работает в Университете дружбы народов с 1969 г. на кафедре 'Комбинированные ДВС", в настоящее время в должности профессора. Автор более 70 публикаций, в т.ч. 3 монографии. Эксперт ООН.
А.К. Sinitsyn (b. 1939 graduated from Moscow Institution of Agricultural Engineers. He is working at the Peoples’ Friendship University of Russia from 1969, at present time as a professor. He is author more than 70 publications, including 3 monographs. UN expert.
Наталия Сергеевна Кривошапко родилась в Москве в 1977 г. В 1999 г. получила степень бакалавра техники и технологий в Российском университете дружбы народов. В 2001 г. получила степень магистра техники и технологий.
N.S. Krivoshapko (b. 1977) received a bachelor’s degree in technical and technology in 1999 from the Peoples’ Friendship University of Russia. In 2001, she received a master’s degree.
