помощь света в настройке двигателя

Главная   Полезная информация   Стробоскоп для двигателя: помощь света в настройке двигателя

Опережение зажигания в бензиновых двигателях и момент впрыска топлива в дизельных — это важные параметры, играющие определяющую роль в работе мотора. Поэтому установка опережения зажигания должна выполняться как можно точнее, иначе двигатель просто не будет работать. Большую помощь в этом деле оказывают стробоскопы — специальные инструменты, о которых пойдет речь в данной статье.

Эта публикация продолжает серию статей о специальном инструменте.

Что такое стробоскоп и зачем он нужен двигателю

Опережение зажигания — один из важнейших параметров, определяющих работу двигателя. Если неправильно выбрать момент зажигания топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях или момент впрыска топлива в камеру сгорания в дизелях, то мотор будет работать из рук вон плохо. Как установлено, зажигание и впрыск необходимо производить чуть ранее, чем цилиндр дойдет до верхней мертвой точки — поэтому параметр и назван опережением зажигания. Но почему так?

Дело в том, что сгорание любого топлива происходит не моментально, а занимает какой-то промежуток времени, поэтому при поджигании топлива еще до ВМТ «по-настоящему» оно начнет гореть только у ВМТ, поэтому передаст поршню накопленную энергию (в виде давления расширяющихся отработанных газов) с максимальной эффективностью. Двигатель разовьет большую мощность и будет работать без перебоев.

Если зажечь топливо непосредственно в ВМТ, поршень получит не всю энергию, а работа двигателя в целом будет неудовлетворительной. А если, напротив, зажечь топливо слишком рано, то поршню из-за давления газов будет трудно дойти до ВМТ. В ряде случаев такой двигатель даже и завести будет невозможно.

Опережение зажигания определяется для каждого двигателя еще на заводе, а чтобы в дальнейшем двигатель можно было отрегулировать, на него наносятся установочные метки — одна неподвижная, непосредственно на двигателе, а вторая подвижная, на маховике или шкиве привода генератора (она, как нетрудно понять, показывает скорость вращения коленвала). В определенные моменты времени эти метки занимают определенное положение друг относительно друга, а определить это положение как раз и помогает стробоскоп.

• 
  

  Стробоскоп-вспышка 12V с тахометром и вольтметром ОРИОН

  
  2 850 ₽
  

• 
  

  Стробоскоп автомобильный ОРИОН

  
  1 960 ₽
  

• 
  

  Стробоскоп для двигателей JTC

  
  5 750 ₽
  

• 
  

  Стробоскоп для дизельных и бензиновых двигателей интеллектуальный ОРИОН

  
  6 890 ₽
  

Устройство и принцип действия стробоскопа

Стробоскоп — прибор, предназначенный для наблюдения за быстропротекающими процессами в реальном времени. В простейшем случае стробоскоп представляет собой устройство, формирующее частые короткие световые вспышки, с помощью которых и достигается стробоскопический эффект.

Стробоскопический эффект сводится к следующему. Если на какое либо движущееся (в том числе и вращающееся) тело направить короткие и частые вспышки света, то для нашего глаза тело как бы «замрет» — мы будем видеть не плавное движение, а прерывистое, состоящее из множества статичных «картинок».

Если с помощью стробоскопа наблюдать повторяющееся движение — например, метку на вращающемся шкиве или маховике двигателя, то при определенных частотах вспышек (частота вспышек должна быть кратна частоте вращения шкива) метка для нашего глаза замрет на одном месте, и именно благодаря этому эффекту существует возможность регулировки опережения зажигания.

В современном стробоскопе яркие и короткие световые импульсы создаются специальными безынерционными ксеноновыми лампами (обычные лампы накаливания зажигаются и гаснут медленно, и даже при частоте тока 50 Гц колебания их яркости уже незаметны нашему глазу, поэтому они непригодны для работы в стробоскопе), которые управляются электронным блоком. Однако ресурс ксеноновой лампы, работающей в таком режиме, ограничен, поэтому ее необходимо периодически заменять.

Сейчас рынок предлагает не просто стробоскопы, а приборы с массой дополнительных функций. В частности, цифровые стробоскопы могут измерять опережение зажигания в бензиновых двигателях и момент впрыска топлива в дизельных, измерять частоту вращения коленчатого вала, напряжение в бортовой сети и другие параметры. И все измеренные характеристики выводятся на встроенный экран, что значительно упрощает применение прибора.

Также стробоскопы комплектуются целым набором зажимов и датчиков для проведения измерений на различных типах двигателей. Все это делает стробоскоп универсальным прибором, который могут применять и профессионалы, и рядовые автолюбители.

Применение стробоскопа для проверки бензиновых двигателей

С помощью стробоскопа можно с одинаковым успехом проверять работу и карбюраторных, и инжекторных двигателей. В обоих случаях для определения момента опережения зажигания необходимо закрепить емкостный датчик (выполнен в виде обычного зажима типа «крокодил») на высоковольтном проводе, идущем к свече зажигания первого цилиндра, а лампу стробоскопа направить на установочные метки.

Если опережение зажигания выставлено правильно, то при работе двигателя на холостом ходу метки должны совпасть. В случае расхождения меток необходимо отрегулировать прерыватель-распределитель зажигания (трамблёр) так, чтобы метки «сошлись». Здесь необходимо отметить, что измерение и регулировка должна проводиться только с отключенной от вакуумного датчика трамблера вакуумной трубкой.

С помощью стробоскопа также можно проверять работу центробежного и вакуумного (для карбюраторного двигателя) регуляторов трамблера.

Проверка работы центробежного регулятора также проводится с отсоединенной вакуумной трубкой. Оценить работу регулятора можно, увеличив обороты двигателя примерно до 2000 — в этом случае угол опережения зажигания должен увеличиться (на 5-7 градусов, но все зависит от двигателя). Если этого не происходит, то центробежный регулятор трамблёра неисправен и его необходимо ремонтировать.

Для проверки вакуумного регулятора необходимо подключить вакуумную трубку и снова увеличить обороты двигателя. При исправном регуляторе установочные метки разойдутся еще больше — не менее чем на 15 градусов.

Многие современные инжекторные двигатели лишены традиционного прерывателя-распределителя, поэтому для них актуальна только установка опережения зажигания по измерению момента подачи импульса на свечи.

Применение стробоскопа для проверки дизельных двигателей

Для установки опережения зажигания дизельного двигателя используется похожая методика, однако здесь для определения момента впрыска топлива используется пъезодатчик, устанавливаемый на топливную магистраль первого цилиндра. При подаче топлива от ТНВД к форсунке, топливная трубка испытывает толчок и на очень короткое время расширяется — это кратковременное увеличение диаметра трубки фиксируется датчиком и используется для регулировки опережения зажигания.

Как и в случае с бензиновым двигателем, угол опережения впрыска топлива в камеру сгорания определяется по установочным меткам, которые в каждом конкретном двигателе должны иметь строго определенное положение. При несовпадении меток необходимо провести регулировку с помощью установленной на ТНВД муфты опережения зажигания (МОЗ).

Однако, как нетрудно понять, такая методика подходит лишь для традиционных систем впрыска топлива, а для современных моторов с системой Common Rail или насос-форсунками этот способ неприменим. В таких двигателях присутствуют электронные блоки управления и регулировки проводятся с их помощью. Хотя определение положения установочных меток даже в самых современных двигателях осуществляется с помощью все того же стробоскопа.

Правильно выставленное опережение зажигания — залог легкого пуска и бесперебойной работы двигателя. А благодаря стробоскопу выполнить все необходимые регулировки можно без помощи специалистов.

Описание восьмицилиндрового двигателя ЯМЗ-238 opex.ru

Меню

• Новости
• Статьи
• Видеоматериалы
• Фотоматериалы
• Публикация в СМИ
• 3D-тур

Будь в курсе

Новости, обзоры и акции

16. 12.2022

Запуск массового изготовления серии мощных агрегатов стартовал в 1962-ом году Ярославским моторным заводом. Стандартный объем двигателя ЯМЗ-238 для всего модельного ряда составляет 14,86 л. Такие параметры обеспечивают надежность и отличные эксплуатационно-технические свойства, которые сохраняются в течение всего срока службы. С начала производства двигатель активно использовали в грузовой технике марок «КрАЗ», «МАЗ», «Урал», а также для установки на тракторы и комбайны. Завод продолжает производить моторы и по сегодняшний день.

Виды модификаций агрегата

Если рассматривать моторный узел с технической стороны, то он не сильно отличается от аналогов, содержащих восемь цилиндров. При этом мощность двигателя ЯМЗ-238 в базовом модельном ряду минимум 180 л.с. В турбинных модификациях показатель может достигать до 240 л.с. Перечислим основные модификации ЯМЗ-238 в соответствии с классом экологического стандарта:

• ЯМЗ 238/Евро-0 Турбо. Эти разработки относят к форсированному типу. В них предусмотрен не только дополнительный турбинный элемент, но и внесены некоторые технологические корректировки. В том числе в блок с цилиндрами, группу поршней. Также изменениям были подвержены топливные насосы с высоким уровнем давления. Завод представил в своем ассортименте вариации с маховиками. Можно подбирать оптимальную модель мотора под определенную технику.
• ЯМЗ 238/Евро-1 Турбо. Усовершенствованная версия, в которой предусмотрена установка жидкостного и масляного теплообменников. Также есть муфты запуска вентилятора, подводы для охлаждения наддувочного воздуха. Его монтаж выполнен на поверхности конструкции. Вес двигателя составляет около 1 тонны.
• ЯМЗ 238/Евро-2 Турбо. Представлен в серии ДЕ и считается результатом усовершенствования турбинного мотора. В нем установлен инновационный топливный насос с высоким уровнем давления. Если добавить к техническим преимуществам внушительный объем мотора, то получается надежный и долговечный моторный узел. Всего насчитывается около 120 вариаций турбированной серии, которые были выпущены с конвейера завода-производителя.

Список товаров:

РМК двигателя (ДВС) ЯМЗ-238; М2,НД (паронит,ГБЦ С/О)

Рычаг ведомого диска дв.238 ЯМЗ

Патрубок d=107х97 L=230 креп 4отв. глушителя (угловой) ЯМЗ-238 (кроме МАЗ-53366)

Труба приемная L=990 ф110/квадр. фл 4отв.ф12 изогн.(551605 с обогр.кузова КПП ЯМЗ-238М)

Воздухозаборник МАЗ (металлический) ЯМЗ-238

Радиатор водяной(ЯМЗ-238Б,238Д,238БЕ2)МАЗ-6303,53362,53366,54323,5516; (алюмин.) 2хd=42,1хd=60,1хd=16

Муфта соедин.(ЯМЗ-238 ВМ) z=30, D=127, d=93, H=27

КПП диафрагм. сцепл. ЯМЗ-236М2, ЯМЗ-238М2, ЯМЗ-236НЕ, 236НЕ2

Конструктивные особенности мотора

Двигатель получил восьмицилиндровый блок, изготовленный из чугуна в форме буквы V. Угол развала составляет 90°. Мокрые гильзы также изготовлены из чугуна и расположены с небольшим смещением относительно цилиндров, на 35мм. Кованый коленвал расположен внутри конструкции и имеет пять опор. Ход поршня составляет 110 мм, а диаметр шатунных шеек – 88 мм. При этом они изготовлены из стали, их длина равна 265 мм. В конструкции агрегата предусмотрены литые поршни. Они выполнены из алюминия и составляют 130 мм в диаметре и 100 мм по высоте.

Для всего модельного ряда объем двигателя ЯМЗ-238 в литрах составляет 14,86. Данный показатель не меняется при наличии турбонаддува и других технологических особенностей. При этом мотор можно разделить на две группы: атмосферный и турбинный. В обеих модификациях уровень давления масла должен соответствовать диапазону 4-7 кгс/см2 при нагревании моторного узла.

Блок цилиндров накрывают две головки из чугуна. Каждая из них восьмиклапанная. У впускных элементов диаметр составляет 61 мм, у выпускных – 48 мм. В конструкции агрегата предусмотрен привод распределительного вала с шестернями, который расположен в цилиндровым блоке. Запуск работы клапанов осуществляется через штанги, коромысла, толкатели из чугуна.

В зависимости от модификации отличается уровень мощности мотора. В турбированных агрегатах он более высокий. В описании технических параметров указано, что мощность двигателя ЯМЗ-238 с турбиной достигает до 240 л.с. Для достижения таких показателей установлены усовершенствованные форсунки, коленвал, турбинный компрессор. В некоторых модификациях, например, ЯМЗ-238БЕ предусмотрены встроенные жидкостный и масляный теплообменники со смазочно-охладительными системами.

Более низкая мощность двигателя ЯМЗ-238 без турбины дефорсированной версии – от 180 л.с. Сегодня продолжают выпускать такие модели. Но были внесены некоторые изменения для повышения показателей экологичности в процессе работы моторного узла. При этом они применяются в сферах дорожно-технического производства или электростанций, работающих на дизеле.

Достоинства двигателя ЯМЗ-238

Если учитывать, какая мощность двигателя ЯМЗ-238, то становится очевидным, что агрегат обладает хорошими тягой и моторесурсом. К основным преимуществам применения мотора в современной промышленной, сельскохозяйственной сферах можно отнести:

• рабочий объем двигателя ЯМЗ-238 составляет 14,86 л;
• надежная чугунная конструкция;
• стабильная и бесперебойная работа;
• современные модификации соответствуют экологическим требованиям.

Таким образом, двигатель ЯМЗ-238 от Ярославского моторного завода представляет собой мощный агрегат, который обеспечивает высокий показатель работоспособности специализированной техники на продолжении длительного эксплуатационного срока. Периодически могут проявляться неисправности в функционировании агрегата. Но их достаточно легко устранить благодаря простоте конструкции и взаимозаменяемости ряда деталей.

Сферы применения мотора

Для агрегатов атмосферного модельного ряда предусмотрена широкая сфера использования. Например, модификацию М2 применяют для разных видов спецтехники, передвижение которых может осуществляться как по обычным дорогам, так и в условиях внедорожья. В таких моделях показатель бортовой проходимости достигает 1,4 м глубины.

Учитывая, какой объем двигателя ЯМЗ-238, его активно устанавливают в приводах насосных или буровых установок, компрессорных станций. Он зарекомендовал себя как надежный элемент в составе дизельных и электрических станций, а также судовых конструкций. Двигатели успешно устанавливают в подземные самосвальные автопоезда или сельскохозяйственные комбайны. 

Турбированная серия ЯМЗ-238 благодаря набору характеристик хорошо зарекомендовала себя в качестве надежного мотора для спецтехники марки МАЗ, колесных погрузчиков, сельскохозяйственных тракторов. Их устанавливают на лесозаготовительную и дорожно-строительную технику. Модель ЯМЗ-238НД4-4 была специально разработана для судовой промышленности. Ее устанавливают на катера типа КС.

Благодаря наличию разнообразных модификаций модельного ряда можно подобрать агрегат с соответствующими техническими и эксплуатационными свойствами. При этом могут быть учтены все требования специализированной техники, сферы применения и прочие аспекты для полноценного и стабильного функционирования.

Другие статьи

Смотреть

ещё

Свечи накаливания в дизельных двигателях

12.01.2023

Использование присадок для дизельного топлива

11.01.2023

Что такое AdBlue и зачем нужна мочевина в дизельных двигателях?

10.01.2023

Нужно ли прогревать двигатель перед поездкой?

09.01.2023

Обзор ЗИЛ-131

26.12.2022

Схема переключения передач УАЗ-469

26.12.2022

Обзор двигателя КАМАЗ-740

26.12.2022

AGM аккумуляторы. Устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

21.12.2022

Схема тормозной системы КАМАЗ-65115

16. 12.2022

Обзор двигателя ГАЗ-51

16.12.2022

Система отопления кабины грузового автомобиля

02.12.2022

Регулировка сцепления ГАЗ-53

28.11.2022

Схема подключения зажигания УАЗ-469

28.11.2022

Схема тормозной системы УРАЛ-4320

27.11.2022

Обзор КАМАЗ-5320

27.11.2022

Схемы мостов на ЗИЛ-131

23.11.2022

Схема переключения передач МТЗ-1221

22.11.2022

Обзор УРАЛ-375

22.11.2022

Подготовьте свой автомобиль к зиме!

22.11.2022

Грузовая техника в играх

14.11.2022

Смотреть

ещё

Возврат к списку

Экспериментальное исследование и моделирование

На этой странице

РезюмеВведениеРезультаты и обсуждениеЗаключениеБлагодарностиСсылкиАвторское правоСтатьи по теме

Работа двигателя с искровым зажиганием исследуется при различных значениях опережения зажигания. Двухзонная модель сгоревшего/несгоревшего топлива со скоростью горения топлива, описываемой функцией Вибе, используется для моделирования сгорания в цилиндре, а затем проводятся эксперименты для проверки расчетных данных. Путем изменения угла опережения зажигания получают и сравнивают результаты некоторых характеристик, таких как мощность, крутящий момент, тепловой КПД, давление и тепловыделение. Результаты показывают, что оптимальная мощность и крутящий момент достигаются при 31°C перед верхней мертвой точкой, а производительность снижается при изменении этого угла опережения зажигания. Также показано, что максимальная тепловая эффективность достигается, когда пиковое давление возникает между 5 и 15°С после верхней мертвой точки.

1. Введение

С момента появления первого четырехтактного двигателя Otto разработка двигателя с искровым зажиганием (SI) достигла высокого уровня успеха. В первые годы главной целью конструкторов двигателей было увеличение мощности двигателя и надежности его работы. В последние годы, однако, момент зажигания привлек повышенное внимание к разработке усовершенствованных двигателей SI для достижения максимальной производительности [1, 2].

Кроме того, оптимизация конструкции двигателя и рабочих параметров требует обширных испытаний двигателя. Таким образом, коды моделирования двигателей обычно предпочтительнее для оценки первоначальных проектов. Компьютерные модели процессов в двигателе являются полезными инструментами для анализа и оптимизации характеристик двигателя и позволяют исследовать множество альтернатив конструкции двигателя недорогим методом. Для любой заданной конструкции двигателя и условий эксплуатации можно предсказать зависимость давления в цилиндре от времени и температуры от времени. Кроме того, такие параметры, как угол опережения зажигания, коэффициент рециркуляции отработавших газов и коэффициент эквивалентности, могут быть оптимизированы для достижения наилучших характеристик. Поскольку можно рассчитать термодинамические состояния сгоревшей и несгоревшей зоны, можно оценить пределы детонации и выбросы.

Более того, моделирование работы двигателей внутреннего сгорания было постоянной попыткой на протяжении многих лет, и было разработано множество моделей для прогнозирования параметров работы двигателя. В некоторых моделях используются допущения для упрощения процессов течения и горения [3–5]. Другие используют многомерные коды реактивного потока для детального моделирования потока двигателя и процессов сгорания, которые очень сложны [6-8]. Точное прогнозирование параметров производительности и выбросов отработавших газов зависит от динамики потока во впускном коллекторе, теплообмена и момента зажигания. Все эти процессы можно смоделировать с помощью многомерных потоковых кодов, связанных с подробными химическими кинетическими механизмами, с некоторой поддержкой экспериментальных данных. Комбинация КИВА-ЧЕМКИН является примером детального моделирования течения и процессов сгорания в двигателях внутреннего сгорания [9].]. Однако многомерное моделирование всех этих процессов от впускного коллектора до выпускного коллектора требует большого вычислительного времени и очень мощных компьютеров [10–12].

Таким образом, разумным выбором представляется двухзонная модель сгорания, которая включает влияние изменений в конструкции и работе двигателя на детали процесса сгорания посредством феноменологической модели, в которой геометрические детали достаточно хорошо аппроксимируются детальным моделированием. задействованных механизмов [13–15]. Это будет иметь преимущества относительной простоты и очень разумной стоимости компьютерного времени.

Работа двигателей с искровым зажиганием зависит от многих факторов. Одним из самых важных является момент зажигания. Чан и Чжу работали над моделированием термодинамики в цилиндрах при высоких значениях задержки воспламенения, в частности над влиянием задержки зажигания на распределение давления в цилиндре. Также были рассчитаны температура газа в цилиндре и захваченная масса при различных условиях зажигания [1]. Сойлу и Ван Герпен разработали двухзонную термодинамическую модель для исследования влияния момента зажигания, состава топлива и коэффициента эквивалентности на скорость горения и давление в цилиндре для двигателя, работающего на природном газе. Был проведен анализ скорости горения для определения периода возникновения и распространения пламени при различных режимах работы двигателя [2].

Целью настоящей работы является изучение влияния угла опережения зажигания на характеристики двигателя SI. Для достижения этой цели при частоте вращения 3400 об/мин угол опережения зажигания был изменен в диапазоне от 10°С до ВМТ до 41°С до ВМТ, а такие эксплуатационные характеристики, как мощность, крутящий момент, тепловой КПД, давление и тепловыделение получаются и сравниваются.

2. Испытательный двигатель

Средства для контроля и управления параметрами двигателя, такими как частота вращения двигателя, нагрузка двигателя, температура воды и смазочного масла, расход топлива и воздуха, установлены на полностью автоматизированном испытательном стенде, четырехцилиндровом, с водяным охлаждением. , безнаддувный, экспериментальный стандартный двигатель SI, расположенный в лаборатории компании Iran Khodro. Первый набор рабочих характеристик был получен при изменении угла синхронизации, давление во впускном коллекторе составляло 100 кПа, а эквивалентность поддерживалась равной единице. Технические характеристики испытательного двигателя приведены в таблице 1.

Двигатель установлен на полностью автоматизированном испытательном стенде и соединен с вихретоковым динамометром Schenck W130, способным поглощать нагрузку и работать с двигателем. Имеется один электрический датчик скорости и один датчика нагрузки, сигналы от которых подаются на индикаторы на панели управления и на контроллер. С помощью ручек на панели управления оператор может настроить динамометр на контроль скорости или нагрузки. Также имеется возможность установки угла опережения зажигания с помощью переключателя на панели управления.

Циркуляция охлаждающей жидкости и смазочного масла осуществляется насосами с электрическим приводом, а температура регулируется теплообменниками с водяным охлаждением. Нагреватели используются для поддержания температуры масла и охлаждающей жидкости во время прогрева и в условиях легкой нагрузки. На рис. 1 представлена ​​фотография испытанного двигателя.

3.

Описание модели

Нульмерная модель термодинамического цикла с двухзонной моделью сгоревшего/несгоревшего топлива, в основном основанная на работе Фергюсона и Крикпатрика [16], была разработана для прогнозирования давления в цилиндре, выполненной работы, тепловыделения. выброс, энтальпия выхлопных газов и т.д. Нульмерная модель основана на первом законе термодинамики, в котором устанавливается эмпирическая связь между скоростью сгорания топлива и положением кривошипа. На рис. 2 показаны сгоревшая и несгоревшая зоны, которые предположительно разделены бесконечно малым фронтом пламени. Горящая зона состоит из равновесных продуктов горения, и обе зоны предполагаются при одинаковом давлении при любой степени СА.

Область в камере сгорания рассматривается как контрольный объем. Основные уравнения включают уравнения сохранения массы и энергии и уравнения состояния. Эти уравнения с углом поворота кривошипа в качестве независимой переменной образуют строительный блок этой термодинамической модели.

4. Математическая формулировка настоящей модели

4.1. Балансы массы и энергии

Для контрольного объема, вмещающего топливно-воздушную смесь, скорость изменения общей массы открытой системы равна сумме масс, втекающих и вытекающих из системы [1]: ̇𝑚=𝑗̇𝑚𝑗 .(1)
Применяя первый закон термодинамики к открытой термодинамической системе, уравнение энергии iṡ̇̇𝐸=𝑄−𝑊+𝑗̇𝑚𝑗ℎ𝑗.(2)
Записывая уравнения сохранения массы и энергии как функции угла поворота кривошипа, (1) и (2) принимают вид 𝑉+𝑑𝜃𝑗ℎ𝑗𝑑̇𝑚.𝑑𝜃(4)
Последний пренебрегает изменениями кинетической и потенциальной энергии в контрольном объеме.

4.2. Тепловые свойства

В модели с двумя зонами сгоревшей/несгоревшей смеси каждая зона несгоревшей смеси и зона сгоревшей смеси рассматриваются как отдельные открытые системы. Следовательно, удельная внутренняя энергия и объем определяются как
Предполагая, что давления сгоревших и несгоревших газов равны, 𝑣𝑏 и 𝑣𝑢 являются функциями 𝑇𝑏, 𝑇𝑢 и 𝑝. Следовательно, (7)
Термодинамические свойства сложного химического равновесного состава, существующего в любой топливно-воздушной реакции, получают с помощью метода, предложенного Оликарой и Борманом [17], который представляет собой основанный на константах равновесия метод решения химических равновесных составов, удельных теплоемкостей, внутренних энергий, энтальпий. , энтропии и другие частные производные, используемые в термодинамическом анализе.

Подставив логарифмические производные, полученные методом Оликара и Бормана, (7) можно переписать в виде ?????? 𝑑𝑇𝑢+𝜈𝑑𝜃𝑏𝑝𝜕ln𝜈𝑢𝜕ln𝑝𝑑𝑝.𝑑𝜃(8)
Аналогично, внутренние энергии как сгоревшего, так и несгоревшего газа при одинаковом давлении равны (9)
Изменение массы из-за угла поворота коленчатого вала дано в следующем уравнении. Согласно уравнению сохранения массы и потере массы, вызванной утечкой газа через кольца, отношение масс из-за угла поворота кривошипа составляет 𝑑𝑚=𝑑𝜃−𝐶𝑚𝜔, (10)
где 𝜔 — скорость вращения двигателя, а постоянная 𝑐 связана с конструкцией кольца двигателя. Уравнение (9) может быть переписан с учетом логарифмических членов (4) как 𝜃−𝑣𝑏𝜕ln𝑣𝑏𝜕ln𝑇𝑏+𝜕ln𝑣𝑏𝜕ln𝑝𝑑𝑝,𝑑𝜃𝑑𝑢𝑢=𝑐𝑑𝜃𝑝 𝑢−𝑝𝑣𝑢𝑇𝑢𝜕ln𝑣𝑢𝜕ln𝑇𝑢𝑑𝑇𝑢𝑑𝜃 −𝑣𝑢𝜕ln𝑣𝑢𝜕ln𝑇𝑢+𝜕ln𝑣𝑢𝜕ln𝑝𝑑𝑝.𝑑𝜃(11)

4.3. Корреляция скорости сжигания топлива

Скорость сжигания топлива в двигателе SI обычно моделируется функцией Вибе [18]. Сгоревшая массовая доля определяется выражением 𝑥(𝜃)=1−exp−𝑎𝜃−𝜃ig𝜃𝑏𝑛. (12)
Сообщается, что значения 𝑎=5 и 𝑛=3 соответствуют экспериментальным данным.

4.4. Теплообмен от газов к стенке цилиндра

Теплопередача в термодинамическую систему выражается через потери тепла: 𝑙𝐴𝑏𝑖𝑇𝑏−𝑇𝑤𝑖̇𝑄,(14 )𝑢=ℎ𝑖=ℎ,𝑝,𝑙𝐴𝑢𝑖𝑇𝑢−𝑇𝑤𝑖, (15)
где 𝐴𝑏𝑖 и 𝐴𝑢𝑖 — площадь контакта сгоревших и несгоревших газов с каждым элементом камеры сгорания при температуре 𝑇𝑤𝑖, а нижние индексы ℎ, 𝑝 и 𝑙 относятся к головке цилиндра, днищу поршня и гильзе соответственно. Мгновенный коэффициент теплопередачи (ℎ), принятый из Woschni [7], равен ℎ=0,82𝑏−0,2𝑝⋅10−3⋅𝑈0,8𝑇−0,53, (16)
где 𝑈=6,18см(для процесса газообмена),(17)𝑈=2,28см+0,00324𝑇Δ𝑝𝑝НПС𝑉𝑉НПС(для других процессов),(18)𝑇=𝑥𝑇𝑏+(1−𝑥)𝑇𝑢𝐴,(19))𝑏𝑖=𝐴𝑖𝑥1/2𝐴,(20)𝑢𝑖=𝐴𝑖1−𝑥1/2,(21)
Δ𝑝 — мгновенная разница давлений между работающим двигателем и моторным двигателем при одном и том же угле поворота коленчатого вала. Последняя оценивается с помощью изоэнтропического соотношения 𝑝𝑉𝛾=𝑝IVC𝑉𝛾IVC. Площади поверхности, контактирующие с горячими газами, могут быть выражены с помощью 𝐴ℎ = 𝜋𝑏22𝐴 (полусферикоцилиндер), 𝑝 = 𝜋𝑏24𝐴 (флот -атпистонкров), 𝑙 = 4𝑉 (𝜃) 𝑏 (Linersurfaceareaexposedtogases). (22)

Объем цилиндра при любом угле поворота коленчатого вала определяется выражением
Уравнения (20) и (21) предполагают, что доля площади цилиндра, подвергающаяся воздействию сгоревшего газа, пропорциональна квадратному корню из массовой доли сгоревшего газа, что отражает тот факт, что сгоревший газ занимает большую объемную долю, чем несгоревший газ [16].

4.5. Потери энергии при прорыве газов

Потеря энтальпии из-за прорыва газов выражается какℎ1=1−𝑥2ℎ𝑢+𝑥2ℎ𝑏, (24)
где ℎ𝑢 и ℎ𝑏 — энтальпия несгоревших газов, а сгоревших — единица, что неявно указывает на то, что больше утечек происходит из-за несгоревшего газа по сравнению со сгоревшим газом на ранней стадии сгорания.

4.6. Управляющие уравнения

Дифференцирование удельного объема (6) по углу поворота коленчатого вала и учет уравнения (8) дает 𝜕ln𝑇𝑏𝑑𝑇𝑏𝜈𝑑𝜃+(1−𝑥)𝑢𝑇𝑢𝜕ln𝜈𝑢𝜕ln𝑇𝑢𝑑𝑇𝑢+𝑥𝜈𝑑𝜃𝑏 𝑝𝜕ln𝜈𝑏+ 𝜈𝜕ln𝑝(1−𝑥)𝑢𝑝𝜕ln𝜈𝑢𝜕ln𝑝𝑑𝑝,+𝜈𝑑𝜃𝑏−𝜈𝑢𝑑𝑥,𝑑𝜃(25)
где коэффициент прорыва газа равен 𝐶𝑏=̇𝑚1/𝑚, а 𝑚 — утечка из-за прорыва газа.

Выражение тепловых потерь сгоревших и несгоревших газов в зависимости от скорости изменения удельной энтропии дает: 𝑇𝑢𝑑𝑠𝑢,𝑑𝜃(26)
где 𝑑𝜃𝑑𝑠𝑢=𝑐𝑑𝜃𝑝𝑢𝑇𝑢𝑑𝑇𝑢−𝑣𝑑𝜃𝑢𝑇𝑢𝜕ln𝜈𝑢𝜕ln𝑇𝑢 𝑑𝑝.𝑑𝜃(27)
При объединении уравнений (14)-(15), (20)-(21), (26) и (27) члены 𝑑𝑠𝑏/𝑑𝜃 и 𝑑𝑠𝑢/𝑑𝜃 исключаются. Следовательно, = ∑𝑑𝜃−ℎ𝑖=ℎ,𝑝,𝑙𝐴𝑢𝑖𝑇𝑢−𝑇𝑤𝑖. 𝑚𝜔(1−𝑥)(28)

В дополнение к (24) и (28), дифференцируя уравнения (12)–(23) и объединяя их с (3), (5)-(6), (8) , (11) и (13) в уравнение энергии (4), после существенного упрощения получается следующая система уравнений: 𝐴𝑏𝑖 𝑇𝑏−𝑇𝑤𝑖𝑚𝜔𝑥𝑐𝑝𝑏+𝑣𝑏𝑐𝑝𝑏𝜕ln𝑣𝑏𝜕ln𝑇𝑏𝑑𝑝+ℎ𝑑𝜃 ℎ, 𝑙𝐴𝑢𝑖𝑇𝑢−𝑇𝑤𝑖𝑚𝜔𝑐𝑝𝑢+𝑣(1− 𝑥)𝑢𝑐𝑝𝑢𝜕ln𝑣𝑢𝜕ln𝑇𝑢𝑑𝑝,𝑑𝜃(29)
, _= ℎ,𝑝,𝑙𝐴𝑏𝑖𝑇𝑢−𝑇𝑤𝑖 𝑇𝑢,𝑣𝐶=−𝑏−𝑣𝑢𝑑𝑥𝑑𝜃−𝑣𝑏𝜕ln𝑣𝑏𝜕ln𝑇𝑏ℎ𝑢−ℎ𝑏𝑐𝑝𝑏 𝑇𝑏𝑑𝑥−𝑑𝜃𝑥−𝑥2𝐶𝑏𝜔𝑣𝐷=𝑥2𝑏𝑐𝑝𝑏𝑇𝑏𝜕ln𝑣𝑏𝜕ln 𝑇𝑏2+𝑣𝑏𝑝𝜕ln𝑣𝑏,𝜈𝜕 ln𝑝𝐸=(1−𝑥)2𝑢𝑐𝑝𝑢𝑇𝑢𝜕ln𝑣𝑢𝜕ln𝑇𝑢2+𝑣𝑢𝑝𝜕ln𝑣𝑢𝜕ln𝑝(30 )
являются функциями от 𝜃, 𝑝, 𝑇𝑏 и 𝑇𝑢, и их численное интегрирование можно получить с помощью метода Рунге-Кутты пятого порядка.

Уравнения модели, представленные в этом разделе, решаются численно с использованием маршевого метода с шагом по времени в 1 градус угла поворота коленчатого вала. Перед началом расчетов приводятся расчетные характеристики рассматриваемого двигателя, а также рабочие данные в начале цикла. Соответствующая программа написана на языке программирования MATLAB и выполняется на персональном компьютере Pentium-IV.

5. Результаты и обсуждение

В этом разделе проводится сравнение между измеренными значениями, полученными в результате экспериментального исследования, и значениями, рассчитанными с помощью модели, чтобы модель можно было протестировать с точки зрения производительности. На рис. 3 показана диаграмма момента зажигания по мощности, а на рисунке 4 показана диаграмма момента зажигания двигателя при частоте вращения 3400  об/мин при различных условиях опережения зажигания. 3400 об/мин выбрано потому, что именно на этой скорости достигается максимальный крутящий момент для данного двигателя.

Результаты показывают, что мощность имеет тенденцию к увеличению с опережением зажигания между 17 и 35°CA до ВМТ. Ожидается, что мощность должна увеличиваться с продвижением искры до точки, а затем падать. Наилучшие характеристики достигаются, когда большая часть сгорания происходит вблизи верхней мертвой точки. Если искра недостаточно развита, поршень уже будет двигаться вниз, когда происходит большая часть сгорания. В этом случае мы теряем возможность расширять эту порцию газа на весь диапазон, снижая производительность. Если зажигание слишком раннее, слишком много газа сгорит, пока поршень все еще поднимается. В результате работа, которую необходимо совершить для сжатия этого газа, уменьшит произведенную чистую работу. Эти конкурирующие эффекты вызывают максимальную мощность в зависимости от опережения зажигания.

Как видно на рисунке 4, крутящий момент увеличивается с увеличением опережения зажигания. Это связано с увеличением давления в такте сжатия и, следовательно, с увеличением полезной работы. Необходимо отметить, что при дальнейшем увеличении опережения зажигания крутящий момент не будет увеличиваться в основном из-за пикового давления в цилиндре в период сжатия и снижения давления в такте расширения. По этой причине определение оптимального угла опережения зажигания является одной из наиболее важных характеристик для двигателя SI.

Можно заметить разницу между смоделированными и экспериментальными результатами. Эти ошибки могут быть связаны с процессами трения между деталями двигателя, которые не учитываются при моделировании. Существует три типа трения, которые вызывают потерю мощности в двигателях внутреннего сгорания: (1) механическое трение между внутренними движущимися частями, такими как поршень и кольцо, (2) работа нагнетания, которая представляет собой чистую работу, выполняемую во время впуска. и такта выпуска, и (3) вспомогательная работа. Это означает, что эти компоненты получают свою мощность от двигателя, и поэтому полезная работа уменьшается.

Расчетная мощность хорошо согласуется с экспериментальными данными с погрешностью 2,97 процента, а погрешность расчета крутящего момента составляет 3,22 процента при 31°C до ВМТ момента зажигания. Обе ошибки обычно допустимы для инженерного приложения.

На рис. 5 представлены прогнозируемые результаты теплового КПД в сравнении с экспериментальными данными. Тепловой КПД — это работа, деленная на потребляемую энергию. Видно, что чистая работа увеличивается с увеличением опережения зажигания до точки, а затем несколько уменьшается. Это происходит из-за увеличения трения при высоких значениях опережения зажигания и, следовательно, уменьшения полезной работы. Согласно рисунку 6, наибольшее количество чистой работы происходит при 31° СА до ВМТ.

В таблице 2 показано прогнозируемое пиковое давление в цилиндрах при различных условиях опережения зажигания. Результаты показывают, что пиковое давление увеличивается с увеличением угла опережения зажигания. Но увеличение давления, конечно, не означает, что тепловой КПД повышается, потому что, если искра возникает слишком рано перед верхней мертвой точкой, часть давления действует до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, и, следовательно, тепловой КПД снижается. На рис. 6 также показана чистая работа при различных условиях опережения зажигания. Как показано на рис. 6, чистая работа до и после 31 градуса уменьшается, а максимальная полезная работа приходится на 31 градус.

На рисунке 7 показана 𝑝-𝑉 диаграмма, а на рисунке 8 показана 𝑝-𝜃 диаграмма двигателя при частоте вращения 3400 об/мин при различных условиях опережения зажигания. Результаты показывают, что пиковое давление увеличивается с увеличением опережения зажигания. Известно, что чем больше площадь диаграммы 𝑝−𝑉, тем больше работы производится. При опережающем зажигании сгорание начинается с конца такта сжатия и заканчивается в такте расширения в начале верхней мертвой точки. Сгорание превращает топливовоздушную смесь в продукты сгорания и повышает температуру в цилиндрах до высоких значений. Это явление увеличивает давление в цилиндрах до максимального значения за цикл двигателя. Тем не менее, максимальный тепловой КПД и полезная работа не могут быть получены из максимального давления и температуры. Следовательно, для определения наиболее эффективного угла опережения зажигания следует учитывать наименьшие потери тепла во время такта расширения, а также потери на трение. В этом случае, согласно рисункам 5 и 6, оптимальным моментом зажигания является 31°C до ВМТ из-за наилучшей работы сети и теплового КПД.

На рис. 9 представлена ​​диаграмма тепловыделения в зависимости от угла поворота коленчатого вала при различных условиях опережения зажигания. Характерными особенностями кривой тепловыделения являются начальный небольшой наклон, начинающийся с искрового зажигания, за которым следует участок быстрого роста, а затем более постепенный спад. В процессе горения потери тепла уменьшают максимальную фактическую температуру и давление по сравнению с условием пренебрежения теплообменом. Следовательно, такт расширения начинается при более низком давлении, и, следовательно, полезная работа уменьшается. При продолжении теплопередачи во время такта расширения температура и давление становятся меньше, чем рассчитанные при изоэнтропическом расширении; следовательно, термический КПД снижается.

6. Заключение

В настоящей работе были проанализированы характеристики коммерческого двигателя SI при различных условиях опережения зажигания. Это делается для того, чтобы постулировать момент зажигания для максимизации производительности двигателя с точки зрения мощности, крутящего момента, теплового КПД и так далее. Были сделаны следующие выводы. (1) Если опережение зажигания недостаточно опережающее, большая часть сгорания происходит, когда поршень движется вниз, и в этом случае мощность и тепловой КПД снижаются. (2) Если момент зажигания слишком опережает, большая часть топливно-воздушной смеси сгорает до того, как поршень поднимается. Кроме того, период времени потери тепла становится больше, тогда полезная работа и тепловой КПД уменьшаются. (3) Однако при увеличении опережения зажигания происходит увеличение температуры и давления в цилиндре, но мощность и тепловой КПД уменьшаются. из-за более высоких потерь на трение и других потерь в двигателе. (4) Рабочие характеристики двигателя SI сильно зависят от момента зажигания, и его оптимальное значение должно быть определено для каждого двигателя SI. Для этого двигателя максимальный тепловой КПД и полезная работа достигаются при температуре 31°C до ВМТ.

Номенклатура

901 05

𝐴:	Участок, подверженный переносу звука
ВМТ:	После верхней мертвой точки
𝑏:	Диаметр цилиндра
ВМТ:	Перед верхней мертвой точкой центр
CA:	Угол поворота коленчатого вала
см:	Средняя скорость поршня
𝑐𝑝: 90 102	Удельная теплоемкость при постоянном давлении
𝐶𝑏:	Коэффициент картерных газов
𝐸:	Суммарная энергия
ℎ:	Удельная энтальпия
𝑙:	Длина шатуна
𝑚:	Масса
𝑛:	Номер
𝑝:	Давление
𝑄:	Теплопередача
𝑟:	Степень сжатия
𝑠:	Удельная энтропия
𝑆:	Длина хода
𝑇: 9 0102	Температура
𝑢:	Удельная внутренняя энергия
𝑈:	Внутренняя энергия
𝑣:	Удельный объем
𝑉:	Объем
𝑊: 9010 2	Выполненная работа
𝑥:	Массовая доля сгоревшего
𝜀:	= S /2 l
𝛾:	Коэффициент удельной теплоемкости 901 02
𝜃:	Угол поворота коленчатого вала
𝜃𝑏:	Продолжительность горения
𝜃ig:	Момент зажигания
𝜔:	Угловая скорость.

Индексы

9 0101 Закрытие впускного клапана

Благодарности

Эта работа была частично поддержана Образовательным центром Иран Ходро. Эта статья была рекомендована к публикации в исправленном виде заместителем редактора.

Ссылки

1. С. Х. Чан и Дж. Чжу, «Моделирование термодинамики двигателя в цилиндре при высоких значениях задержки зажигания», International Journal of Thermal Sciences , vol. 40, нет. 1, стр. 94–103, 2001.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. Сойлу С. и Ван Герпен Дж., «Разработка подмоделей скорости горения, основанных на опыте, для двигателя, работающего на природном газе», Energy Conversion and Management , vol. 45, нет. 4, стр. 467–481, 2004.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

3. Р. Б. Кригер и Г. Л. Борман, «Вычисление кажущегося тепловыделения для двигателей внутреннего сгорания», документ ASME №: 66-WA/DGP-4, 1966.

4. П. Н. Блумберг и Дж. Т. Куммер, «Прогнозирование образования NO в двигателях с искровым зажиганием — анализ методов контроля», Combustion Science and Technology , vol. 4, стр. 73–95, 1971.

   Посмотреть по адресу:

   Google Scholar

5. Дж. Б. Хейвуд, Основы двигателей внутреннего сгорания , McGraw-Hill, New York, NY, USA, 1988.

6. Дж. Абрахам, Ф. В. Бракко и Р. Д. Рейц, «Сравнения вычисленного и измеренного сгорания двигателя с предварительным смешиванием», Combustion and Flame , vol. 60, нет. 3, pp. 309–322, 1985.

   Посмотреть по адресу:

   Google Scholar

7. A. Amsden, Программа KIVA с блочной структурой для двигателей с вертикальными и наклонными клапанами , Национальная лаборатория, Лос-Аламос, Нью-Мексико, США, 1999.

8. С. Конг, Н. Аюб и Р. Д. Рейц, «Моделирование сгорания в двигателях с однородным зарядом с воспламенением от сжатия», в Proceedings of the SAE International Congress and Exposition , стр. 1–16, 1992 г., Технический документ №. 920512.

   Посмотреть по адресу:

   Google Scholar

9. С. К. Конг и Р. Д. Рейц, «Использование детальной химической кинетики для изучения горения в HCCI-двигателях с учетом турбулентных эффектов смешения», Инженерный журнал по газовым турбинам и энергетике , том. 124, нет. 3, стр. 702–707, 2002.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

10. Сойлу С., Моделирование самовоспламенения природного газа для программ моделирования двигателей: экспериментальное и модельное исследование , к. т.н. диссертация, Университет штата Айова, 2001.

11. И. М. Хан, Г. Гривз и Д. М. Проберт, «Прогнозирование концентрации сажи и оксида азота в выхлопных газах дизельных двигателей. Борьба с загрязнением воздуха в двигателях транспорта» Институт инженеров-механиков, часть C , том. 142, нет. 71, стр. 205–217, 1971.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

12. Н. Д. Уайтхаус и Б. К. Сарин, «Прогнозирование тепловыделения в неподвижной камере дизельного двигателя с учетом смешивания топлива и воздуха», документ SAE нет. 740084, 1974.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

13. Ракопулос С.Д., Таклис Г.Н. зона модель», Системы рекуперации тепла и ТЭЦ , том. 15, нет. 7, pp. 691–706, 1995.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

14. C. D. Rakopoulos и DT Hountalas, «Разработка и проверка трехмерной многозонной модели сгорания для прогнозирования дизельных двигателей DI. производительность и выбросы загрязняющих веществ», Journal of Engines , vol.