Автомобильные двигатели: рабочие циклы, показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования

Автомобильный транспорт различного типа и назначения стал неотъемлемой частью жизнедеятельности общества промышленно развитых стран всего мира. Он интенсивно и в массовом количестве используется в промышленности, при грузоперевозках и перевозках людей, в различных сферах производства и экономики, а также и в интересах обеспечения обороноспособности государства.

Характерными чертами современных автомобилей, ответственных агрегатов и систем, таких как их двигатели, становятся сложность, тепловая и механическая нагруженность, насыщенность глубокими и пересекающимися обратными связями. От конструкции двигателей, вида используемых в них рабочих процессов во многом зависят такие важные показатели как их мощность, топливная экономичность, экологическая безопасность, вероятность безотказной работы, ресурс.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля является тепловой машиной, в которой теплота, как форма аккумулирования и передачи кинетической энергии структурных частиц вещества, получаемая в процессе экзотермической реакции окисления топлива, происходящей в рабочем теле с его участием в качестве окислителя в результате сгорания, преобразуется в работу, способную приводить в движение мобильные технические средства.

В современных условиях в автомобильной промышленности все большее внимание уделяется разработке систем, улучшающих мощностные, топливо-экономические и экологические характеристики двигателя внутреннего сгорания. Главным образом, разработки идут по пути повышения мощности и приемистости работы двигателей в различных режимах эксплуатации техники, снижения удельных затрат топлива, а также в целях уменьшения токсичности отработавших газов двигателей автомобильной техники, в том числе за счет совершенствования характеристик протекания рабочих процессов в цилиндрах двигателя.

В двигателях с принудительным воспламенением особое внимание уделяется методам повышения эффективности энергопреобразования.

Основными направлениями совершенствования являются:

уменьшение термодинамических потерь за счет повышения степени сжатия;

совершенствование характеристик тепловыделения путем повышения полноты, скорости и оптимального фазового положения процесса сгорания;

уменьшение механических потерь;

повышение эффективности энергопреобразования во всем поле реальных эксплуатационных режимов путем оптимального управления двигателем.

Реализация этих общих направлений осуществляется за счет определенных физических условий, к которым относятся:

- оптимизация состава горючей смеси на всех режимах работы двигателя;

- турбулизация заряда;

- улучшение воздухоснабжения;

- оптимизация временных и энергетических характеристик зажигания.

Среди ДВС с принудительным воспламенением, применяемых в автомобильном транспорте, во всем мире в последние 20-30 лет резко возрос удельный вес систем впрыскивания в связи с введением жестких стандартов на выброс вредных веществ с отработавшими газами. Так, например, если в странах Западной Европы и Японии в 1989 году число моделей двигателей с впрыскивающей аппаратурой (инжекторных двигателей) составляло до 30% от всей номенклатуры выпускаемых образцов, то к 1993 году оно резко увеличилось до 96% [ 1 ].

Впрыскивание топлива позволило исключить недостатки, присущие карбюраторной системе топливоподачи: высокие гидравлические сопротивления на впуске, сложность точного дозирования компонентов горючей смести, практическую невозможность равномерного распределения топлива по отдельным цилиндрам многоцилиндрового двигателя.

При этом в наибольшей степени возможности и эффективность систем впрыскивания возросли с применением электронного управления топливоподачи с использованием микропроцессоров.

Оптимальное управление двигателем в любой точке поля эксплуатационных режимов может строиться с использованием двух принципов:

управление комплексом регулировочных параметров на основе заложенных в систему программ;

самонастраивающееся или адаптивное управление.

Основной задачей данной работы является разработка модели процесса тепловыделения в цикле сгорания в черетырехтактном двигателе с непосредственным смесеобразованием.

Актуальность темы. На сегодняшний день разработан ряд методов оценки тепловыделения в процессе сгорания топлива в цилиндрах ДВС и управления двигателями с принудительным воспламенением. Однако вопрос оперативной обработки информации о качественном или частичном регулировании, который предусматривает изменение мощности только за счет использования специальных способов воспламенения и сжигания бедных смесей и происходящем при этом характере тепловыделения в цилиндрах двигателя не решен до сих пор в полной мере. Кроме того, необходимо средство для оценки методов диагностирования с точки зрения их эффективности без проведения большого объема натурных испытаний двигателя.

Таким средством, как представляется является математическое моделирование. К тому же, с помощью математического моделирования возможно исследование не только термодинамических процессов, проходящих при сгорании топливо-воздушной смеси, но и в последствии осуществлять анализ сигналов специальных диагностических датчиков, входящих в систему оптимального управления двигателем.

Целью работы является разработка математической модели процесса тепловыделения в цикле сгорания топлива и оптимизации топливоподачи в инжекторных ДВС.

Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач:

- изучить характер и особенности процесса сгорания в инжекторных ДВС и тепловыделения;

- выявить основные закономерности указанных процессов;

- разработать алгоритм процесса тепловыделения в цикле сгорания в четырехтактном ДВС с непосредственным впрыском топлива;

- по результатам моделирования оценить полученные данные.

Объектом исследования является процесс сгорания в ДВС с принудительным воспламенением

Предметом исследования являются основные параметры термодинамического процесса сгорания топливо-воздушной смеси в инжекторном двигателе.

Основные методы исследования – системный метод, численные методы и методы математического моделирования.

При разработке математической модели использовались основные законы и уравнения термодинамики, тепломассообмена, газовой динамики, химической кинетики, эмпирические зависимости.

• Анализ существующих систем впрыскивания топлива в двигателей с принудительным воспламенением и особенностей их конструкции
• Оптимальное управление двигателем в поле эксплуатационных режимов
• Анализ современных методов моделирования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания
• Характер процессов смесеобразования и сгорания в двигателе с принудительным воспламенением
• Методы расчета основных параметров процесса сгорания
• Требования, предъявляемые к математической модели
• Математическая модель процесса тепловыделения в цикле сгорания