Поршневые ДВС являются одним из главных потребителей органического топлива и одним из основных источников теплового, токсического и акустического загрязнения окружающей среды. Соответственно, ужесточаются требования к эффективности использования топлива в ДВС, токсичности их отработавших газов (ОГ) и шуму. Серьезными резервами обладает газовоздушный тракт (ГВТ), во многом определяющий совершен-ство процессов наполнения, смесеобразования, воспламенения и сгорания, а также выпуска ОГ. В ДВС с количественным регулированием мощности смесеобразование и сгорание на режимах средних и малых нагрузок протекают неудовлетворительно. Мероприятия, обеспечивающие требуемый характер движения заряда в рабочей камере (РК), способны существенно улучшить показатели эксплуатационной экономичности и токсичности ДВС указанного класса. В дизелях сочетание высокого циклового наполнения и согласование движения воздуха с формой камеры сгорания (КС) и параметрами системы топливоподачи есть условие достижения высоких показателей по удельной мощности, экономичности и экологичности при работе по внешней скоростной характеристике (ВСХ). Создание требуемого характера течения заряда в РК для обеспечения экономичности двигателя и удовлетворения нормам токсичности при сохранении условий обеспечения максимального наполнения не должно приводить к увеличению шума выпуска двигателя. Это требует разработки новых подходов к проектированию ГВТ для использования нестационарных процессов не только для увеличения наполнения ДВС, но и подавления шума выпуска.
Актуальность исследования вытекает из необходимости углубления понимания закономерностей влияния конструкции ГВТ на параметры рабочего процесса и необходимости совершенствования матмоделей процессов в ГВТ ДВС.
Таким образом, необходимо разработать принципы организации газообмена четырехтактного ДВС, обеспечивающие:
- максимально высокие мощностные показатели двигателя посредством сохранения основных принципов построения схемы ГВТ, обеспечивающей предельный для данной степени сжатия коэффициент наполнения;
- экономичность двигателя и низкий уровень токсичности выпуска за счет формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда в РК при сохранении условий максимального наполнения;
- низкий уровень шума выпуска за счет формирования требуемого газодинамического состояния ОГ в системе выпуска двигателя при сохранении условий максимального наполнения.
Объектом исследования являются процессы в ГВТ ДВС, оказывающие определяющее влияние на цикловое наполнение, газодинамическое состояние свежего заряда и ОГ и, в конечном счете, на индикаторные показатели цикла во всем диапазоне режимов работы двигателя, токсичность ОГ и шум вы-пуска.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка принципов организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленных на удовлетворение требованиям высокого наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ.
В соответствии с целью формулировались задачи исследования:
1. Определить влияние характера движения заряда на показатели работы двигателя. Провести анализ методов создания закрученного движения заряда для различных типов двигателей.
2. Разработать способ организации процессов в системе впуска ДВС для управления интенсивностью закрутки заряда в РК.
3. Разработать математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя с учетом начальной закрутки потока на впуске.
4. Определить возможность снижения удельного эффективного расхода топлива и токсичности ОГ двигателя за счет изменения интенсивности закрученного движения заряда в РК, без ухудшения показателей двигателя по ВСХ.
5. Разработать способ организации процессов в системе выпуска ДВС для снижения шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена.
Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
- методы теории рабочих процессов и теории газообмена ДВС;
- методы математического моделирования сложных систем, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений в частных производных;
- методы натурного моделирования (при исследовании процессов в ГВТ и РК ДВС);
- методы экспериментальных исследований полноразмерных ДВС и силовых установок (автомобилей) с ДВС.
Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Используемые математические модели процессов проверялись на достоверность, а также подвергались калибровке, в части, содержащей определяемые из опыта зависимости вида гидравлических характеристик местных сопротивлений, для чего использовались результаты безмоторных экспериментов. В части, выполненной методом исследования на полноразмерном ДВС, продемонстрирован и количественно показан эффект применения закрутки на эффективные показатели и токсичность выпуска и воздействие способа организации процессов в системе выпуска ДВС на шум выпуска. Последнее проверялось также и на силовой установке с ДВС – автомобиле.
