Влияние изменяемых фаз газораспределения на токсические и эффективные показатели двигателя с впрыскиванием бензина Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЯЕМЫХ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ТОКСИЧЕСКИЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ С ВПРЫСКИВАНИЕМ БНЗИНА

А. К. Синицын, А. В. Лоскутов

Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

В этой работе рассматривается модифицированная модель бездроссельного двигателя с искровым зажиганием и с изменяемыми фазами газораспределения; ее токсические и эффективные показатели во всем диапазоне эксплуатационных режимов.

Современные автомобильные двигатели должны удовлетворять перспективным и, часто противоречивым, целям, связанным с уменьшением вредных выбросов в отработавших газах (ОГ), обеспечением лучшей топливной экономичности и удовлетворения эксплуатационных требований водителя во всем диапазоне эксплуатационных режимов. Новый подход исследователей, для достижения этих целей, позволил разработать механизм изменения фаз газораспределения. Изменяемые фазы газораспределения - перспективная особенность современных двигателей, потому что имеется возможность оптимизировать фазы газообмена в широком диапазоне эксплуатационных режимов. Существует четыре возможных варианта изменяемых фаз газораспределения (УСТ) для двигателей с двумя верхними распределительными валами (£>0#С): 1- изменяются только фазы впуска; 2 - изменяются только фазы выпуска; 3 - изменяются фазы впуска и выпуска совместно; 4 - изменяются фазы впуска и выпуска независимо друг от друга. Анализ каждой схемы УСТ позволил разработать авторам нелинейную модель двигателя с УСТ и с двумя распределительными валами и совместным изменением фаз впуска и выпуска [1]. Условное изображение этой схемы показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема совместного изменения фаз впуска и выпуска

Выпуск и перекрытие клапанов происходят позже на такте впуска из-за смещения фазы газообмена. Это вызывает перепуск ОГ и догорание части выхлопных газов, богатых несго-

ревшими углеводородами. В результате этого с изменением частоты и при изменении нагрузки токсичность ОГ снижается.

Разработанная авторами модель, представленная ниже, отображает процесс наполнения цилиндров, изменения вращающего момента и уровень ЫОх и СО в отработавших газах (ОГ). Эта модель может использоваться при проектировании управляющего устройства УСТ, кроме того, схема совместного изменения фаз впуска и выпуска может быть использована при создании двигателя без распределительных валов.

Блок-схема модели двигателя с системой УСТ показана на рис. 2. Модель двигателя имитирует работу двигателя в диапазоне низких и средних частот вращения коленчатого вала и нагрузок бензинового двигателя.

Рис. 2. Блок-схема модели двигателя с системой УСТ: п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин'1; САМс, САМ„, САМ- угол смешения фаз газораспределения; Я - высота перемещения клапана, мм; VCTactuator - исполнительный механизм системы изменения фаз газораспределения; Valve lift - перемещение клапана; Fuel - подача топлива; ты, т„ - масса воздуха поступающего в цилиндр двигателя, массовое наполнение цилиндров, масса газов исходящих из цилиндров; KJs - секундный расход заряда, поступающего в цилиндры двигателя; Р„ - разрежение во впускном коллекторе; Engine Pumping Rate - насосные потери в двигателе; ЛЛ-ы, A/Fesh - воздушно-топливное соотношение в цилиндре двигателя и в выпускном коллекторе; Тд - вращающий момент двигателя; Feedgas Emissions - токсичность отработавших газов; EGO sensor - кислородный датчик; MAF sensor - датчик расхода воздуха

Модель двигателя не учитывает динамику подаваемого топлива, что является одной из важных причин изменения значений коэффициента избытка воздуха (A/F - воздушнотопливное отношение) при переходных процессах (разгон-торможение). Модель двигателя с системой УСТ также не включает крутильные колебания в элементах двигателя, так как частота вращения двигателя - это сравнительно медленно меняющееся состояние относительно процесса наполнения и динамики изменения A/F. Поэтому, при разработке системы управления двигателем, только частота вращения коленчатого вала может быть входным параметром. Угол опережения зажигания очень активно влияет на протекание вращающего момента, на величину вредных выбросов и КПД двигателя, поэтому для его изменения в зависимости от изменяющихся условий работы двигателя необходим самый быстрый исполнительный механизм электронного типа.

Основное назначение изменения фаз газораспределения состоит в том, чтобы уменьшить вредные выбросы на режимах малых и частичных нагрузок.

Характер изменения вращающего момента двигателя - сложный процесс, зависящий от геометрических особенностей цилиндров и клапанов, термодинамических особенностей цилиндров и клапанов, термодинамических свойств сгоревших и несгоревших газов, соотношения между массой входящего воздуха и топлива, а также протекания самого процесса сгорания. Модель вращающего момента двигателя (Тч), представленная здесь, учитывает массовое наполнение цилиндров (тиа/), воздушно-топливное отношение (A/F) и частоту вращения коленчатого вала двигателя (N). Поскольку считается, что моделируемый двигатель с системой УСТ, является бездроссельным двигателем, то есть для этого случая (пгсу/ = 0,4 = const), уравнение регрессии, описывающее вращающий момент такого двигателя, подобно таким же уравнениям для обычных двигателей и является полиномом третьей степени по каждой переменной:

Таблица I

Определение вращающего момента

Вращающий момент двигателя

Та = F (ты, A/F, N)

у = Ть, (Нм)

Г тф g/int.ev. 1

х = I A/F I

У mm = -21,71

247, 6

In,

мин

J

ГО,4 1 = 1 11,7 I 1.745 J

ToTT

Xmax ~~ I 16,3 j L2005 J

0,0814 X3 + 0,0218 JC2X3

у = 0,0480- 0,006 lx2 0,0544 x? - 0,0179 xlx2 + 0,0077 xl1 x, + 0,0436 xl - 0,0153 X,3

0,0835 x2

У =

У-у,

У max -У*

X - Х„

X =

X — X

max nun

Рис. 3. Зависимость вращающего момента двигателя от коэффициента избытка воздуха при различной частоте вращения коленчатого вала и при бездроссельном исполнении двигателя.

Под общим понятием ИОх выделяется группа окиси азота N0 и двуокиси азота NО2 . образующихся в цилиндре двигателя. В бензиновых двигателях, как показывают практика и опыт, при нормальных температурах сгорания значения N0 и ТЮ2 невелики. Основные переменные, воздействующие на образование окислов азота - коэффициент остаточных газов, коэффициент избытка воздуха и угол опережения зажигания. Для упрощения модели, угол опережения зажигания закладывается в базу данных максимального вращающего момента. Характер протекания ИОх может быть описан полиномом, учитывающим частоту вращения коленчатого вала двигателя (Ы), изменение фаз газораспределения (САМ), коэффициент избытка воздуха (А/Р) и разрежение во впускном коллекторе (Р„). Принимая во внимание неизменность (стехиометричность) состава смеси (А/Р = 15,5) и бездроссельное исполнение двигателя (Рт = 0,0617 МПа), уравнение регрессии имеет вид:

Таблица 2

Содержание оксидов азота в ОГ двигателя

Содержание окислов азота в отработавших газах двигателя

N0, = /Ж САМ, А/Р, PJ

Y = NOx, г/кВт У тт = 3,67 У та, = 54,09

Гм мин'1 1 Г 746 1 Г2005 1

САМ, °п.к.в. I 1-0,2 I 135,1 1

х = \ А/Р 1 х — I 15 5 1 лтт і і-'»-' і X 1 15 5 1 лтах = * * -Л-' і

LРя, МГ1а J Lo,0617j 1_0,0617 J

у = 0,0200 + 0,0529*, -0,0017х,2 -0,0266х2 +0,0667х,х2 -0,0946х,2х2

Рис. 4. Зависимость содержания окислов азота NOx в отработавших газах в зависимости от частоты вращения коленчатого вала для различных значений С4Д/(при Р„ uA/F const).

Выбросы углеводородов НС - результат их неполного сгорания. Формирование НС основано на сложных механизмах даже при допущении, что топливо, воздух и остаточные газы в цилиндре формируют однородную смесь. Механизм гашения пламени у стенок ка-

меры сгорания приводит к появлению слоя несгоревших НС вблизи стенки камеры сгорания, который захватывается поршнем и удаляется из цилиндра в течение последней фазы выпуска. При смещении фаз газораспределения в сторону запаздывания, эта часть отработавших газов удерживается и дожигается в цилиндре двигателя. Доля несгоревших НС смоделирована эмпирической зависимостью независимых переменных. Модель также имеет вид полинома, в котором учитывается частота вращения коленчатого вала (И), изменение фаз газораспределения (САМ), коэффициент избытка воздуха (А/Г) и разрежение во впускном коллекторе (МРт). И в этом случае, при построении регрессионной модели принималась неизменной частота вращения коленчатого вала двигателя (Ы = 2000 мин'1) и разрежение (бездроссельный двигатель) во впускном коллекторе (Рт = 0,0617 МПа):

Таблица 3

Содержание СИ в ОГ двигателя

Содержание углеводородов НС в отработавших газах двигателя

НС = /Ж САМ, А№, Рщі

у = НС, г/кВт.ч Утіл = 2,59 Утах - 97,05

\ N. кВт ] 12005 1 Г 2005 ]

1 САМ, °п.к.в. | 1-0,2 І 1 35,1 1

х= Іл/Р I %тіп “ 1 11,7 1 ^,„ = 1 16,43 1

ІРт, МПа ] 10,0617 ] 1.0,0617 _|

у = 0,0230 + 0,0350*3 -0,0662х* - 0,6905х2

Рис. 5. Зависимость содержания углеводородов СН от отношения А/ґ для различных значений САМ

(при Рт = 0,0617 МПа, и N = 2005 мин'1).

По результатам выполненной работы можно сделать следующее заключение. Разработана модифицированная модель бездроссельного двигателя, оборудованного системой независимого изменения фаз впуска и выпуска (УСТ). Модель отображает нелинейное отображение вращающего момента и формирование вредных выбросов.

Модель может использоваться при анализе и управлении изменением фаз газораспределения для снижения вредных выбросов при малых и средних нагрузках и на низких и средних частотах вращения коленчатого вала двигателя. Первичное исследование выходных характеристик бездроссельного двигателя с системой УСТ указывает на значительное взаи-

модействие между тремя показателями двигателя: вращающим моментом, составом вредных выбросов в отработавших газах и коэффициентом избытка воздуха. Рассмотренная система управления газообменом двигателя позволяет выявить лишь малую часть оптимальных решений по управлению системой газораспределения, которые легче реализовать на двигателе без распределительных валов. Эта работа одна из первых системных подходов к изучению и развитию одного из направлений по созданию двигателя с газообменом без кулачковых распределительных валов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лоскутов А. В. Влияние изменяемых фаз газораспределения на токсические и эффективные показатели двигателя с впрыскиванием бензина. Дипломная работа на соискание степени бакалавра техники и технологий. РУДН. М. 2003.

2. Синицын А. К, Кривошапко Н.С. Анализ результатов расчетно-экспериментального исследования влияния переменных фаз газораспределения на показатели бензинового двигателя //Вестник РУДН. Сер.Инженерные исследования, 2001. -№1. -С.72-77.

3. Stefanopoulou A. G., Cook J. A., Grizzle J.W., Efreudenberg J.S. Control-Oriented Model of a Dual Equal Variable Cam Timing Spark Ignition Engine, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 120, pp. 257-266, 1998.

4. Lertz H.P., Wichart K., and Gruden D„ Variable Valve Timing - A Possibility to Control Engine Load without Throttle, SAE Paper № 880388, 1988.

UDC 621.436

MODELLING AND CONTROL OF A SPARK IGNITION THROTTLELESS ENGINE WITH VARIABLE CAM TIMING

A.K.Sinitsyn, A.V.Loskutov

Department of Internal Combustion Engines Russian People’s Friendship University Mikluho-Maklaya St., 6, 117198. Moscow, Russia

A control-oriented engine mode! is developed to represent a spark ignited thottleless engine equipped with a variable cam timing mechanism over a wide range of operating conditions. With respect to a fixed-cam timing engine, the VCT mechanism alters the mass air flow into the cylinders, the torque response, end the emissions of engine. The developed model reflects ail of these modifications and includes representations of the breathing process, torque and emissions generation. The model has been validated be constructional design of real petrol engine with VCT mechanism and without throttle unit. The work of this thesis is the first systematic approach toward studying and developing one of the various functionalities of a camless engine from a control perspective.