Экспериментальные исследования двигателя

Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Экспериментальные исследования двигателя, работающего с
самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия (HCCI-процесс).
К.т.н. Костюков А.В., к.т.н. Макаров А.Р., инж. Пустынцев М.Е., Щелканов Г.А.
МГТУ «МАМИ»
Постоянно ужесточающиеся нормы токсичности отработавших газов двигателей
внутреннего сгорания, требования повышения их топливной экономичности заставляют
искать новые пути решения этих проблем. В последнее время ведущие автомобильные и
моторостроительные фирмы уделяют пристальное внимание разработке двигателей , в
которых реализуется рабочий процесс с самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия
(HCCI-процесс). В таком двигателе имеется система внешнего смесеобразования, как в
бензиновом двигателе, но воспламенение рабочей смеси, состоящей из паров топлива,
воздуха и отработавших газов происходит не от свечи зажигания, а в результате
самовоспламенения в конце такта сжатия. При этом имеет место многоочаговое
воспламенение и горение заряда по всему объему камеры сгорания, своего рода –
объемный взрыв. В результате скорость тепловыделения значительно возрастает, процесс
подвода
теплоты
к
рабочему
телу
приближается
к
наиболее
выгодному
с
термодинамической точки зрения подводу теплоты при V=const, что в совокупности с
высокой степенью сжатия, необходимой для самовоспламенения гомогенной смеси,
обеспечивает для таких двигателей высокие КПД и топливную экономичность.
Так как
двигателю с
самовоспламенением
гомогенного
заряда
присущи
отличительные признаки бензинового двигателя и дизеля иногда этот процесс называют
процессом Отто-Дизеля.
Температура горения гомогенного заряда во всем объеме камеры сгорания
оказывается ниже, чем температура во фронте пламени гомогенной смеси в бензиновом
двигателе или в локальных зонах горения гетерогенной смеси в дизеле, что определяет
низкую концентрацию оксидов азота в отработавших газах двигателей.
Наряду с несомненными достоинствами двигателей с этим нетрадиционным
процессом на пути их широкого внедрения лежат определенные трудности. К ним можно
отнести проблемы пуска, своевременного самовоспламенения, обеспечения стабильной
работы на малых нагрузках, ограничение жесткости работы на максимальных нагрузках.
В целом работы по двигателям с HCCI-процессом интенсивно развиваются, как в
России, так и за рубежом, они перспективны. Однако в России эти работы практически не
вышли за уровень расчетно-оценочных. Связано это, в основном, со значительными
сложностями проведения экспериментальных работ.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
148
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Имеющаяся
в
«Отто-Дизелях»
повышенная
теплонапряженность
цилиндропоршневой группы и появляющаяся на некоторых его режимах активная
детонация поднимает экспериментальные работы этим двигателем на уровень риска.
В
силу
этого
представляется
актуальным
проведение
поисковых
экспериментальных работ по двигателям с самовоспламенением гомогенного заряда.
Целью работы являются экспериментальные исследования ДВС, работающего на
гомогенных смесях по циклу Отто-Дизеля, которые покажут достижимый уровень
эффективности процесса, позволят отработать пути и подходы к решению основных
проблем.
Экспериментальные исследования проводились на тормозном электрическом
стенде DS 736-4/V на четырехтактном одноцилиндровом двигателе ИТ 9-2 с переменой
степенью сжатия (в штатном исполнении от 4 до 10), предназначенном для определения
октановых чисел бензинов.
На первом этапе исследований были сняты контрольные характеристики двигателя
при его работе на бензине Аи-92 по циклу Отто с зажиганием от свечи при установленной
предельно возможной степени сжатия 8,4 по условиям детонации. На рисунке 1
представлена внешняя скоростная характеристика этого двигателя.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
149
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Рисунок 1 - Внешние скоростные характеристики двигателей, работающих по циклу
Отто и циклу Отто-Дизеля
На втором этапе были проведены исследования двигателя, работающего по циклу
Отто-Дизеля. Для возможности увеличения степени сжатия до 30 на поршень была
установлена стальная накладка. Помимо увеличения степени сжатия, эта накладка решала
задачу повышения температуры поршня и, следовательно, способствовала гомогенизации
топливовоздушной смеси и её самовоспламенению без свечи зажигания. С целью
увеличения
прогрева
головки
поршня
и,
соответственно,
гомогенизации
топливовоздушной смеси впоследствии был изготовлен и установлен стальной составной
поршень с теплоизолированной от юбки головкой, а накладка на днище была изготовлена
из жаропрочной стали для исключения её обгорания при сгорании рабочей смеси. Для
исключения повышенной жесткости работы двигателя с самовоспламенением при его
работе на бензине, в Отто-Дизельном варианте двигатель работал на дизельном топливе.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
150
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
На том же рисунке 1 представлена внешняя скоростная характеристика двигателя,
работающего на гомогенной смеси с самовоспламенением. Как видно из графиков,
получено значительное снижение удельного расхода топлива и увеличение мощности
двигателя по сравнению с его показателями при работе по циклу Отто. Так, минимальный
удельный расход топлива снизился с 420 г/кВт час до 276 г/кВт час, а мощность при
частоте вращения 1100 мин-1 увеличилась в 2 раза – с 3,5 кВт до 7 кВт. Кроме того, в
процессе поисковых экспериментальных работ было выявлено влияние степени сжатия
ДВС на его эффективность. Так, при степени сжатия 28,8 и применении поршней с
термоизолирующей головкой удельный расход топлива был еще более снижен до
величины 205 г/кВт час.
Полученный удельный расход малолитражного ДВС (ge = 207 г/кВт час) несмотря
на увеличенные механические потери (механический КПД – 76%) весьма близок к
расходу топлива лучших дизелей (ge = 190 г/кВт час) с существенно большим объемом
цилиндра и со значительно более сложной и дорогой топливной аппаратурой. Это
подтверждает перспективность работ по ДВС, работающих на гомогенных смесях по
циклу Отто-Дизеля.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
151