Особенности проектирования бензинового двигателя с

Конструкция ДВС
УДК 621.43+621.43.01
Н. И. Мищенко, д-р техн. наук, В. Г. Заренбин, д-р техн. наук, Т. Н. Колесникова, инж.
В.Л. Супрун, асп.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С
ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ
Введение
Регулирование степени сжатия () на частичных
режимах бензинового двигателя внутреннего сго-
священы работы Махалдиани В. В. 9, Золотаревского В. С. 10, Wallace W. A.и Lux F.B. 11 и др.
В
двухтактном
двигателе
с
кривошипно-
рания (ДВС) позволяет повысить его КПД и умень-
камерной продувкой сложность протекания парамет-
шить при этом расход топлива.
ров рабочего процесса в условиях переменной степе-
До настоящего времени создано большое раз-
ни сжатия заключается в следующем:
нообразие двигателей с =var, которые отличаются
1. При изменении степени сжатия создаются,
между собой способом регулирования степени сжа-
благодаря наличию выпускного и продувочных окон,
тия, рабочим циклом, конструкцией 1-8. Регулиро-
новые условия процессов газообмена, сжатия и сго-
вание  должно обеспечивать максимально дости-
рания-расширения.
жимую (оптимальную), по условиям начала детона-
2. В случае регулирования степени сжатия за
ционного сгорания, степень сжатия на любом скоро-
счет, например, относительного перемещения порш-
стном и нагрузочном режимах работы двигателя.
ня происходит изменение проходных сечений орга-
Превышение степени сжатия над оптимальной вызы-
нов газораспределения, из-за чего меняются условия
вает детонационное сгорание, а занижение  приво-
и параметры взаимодействия термодинамических
дит к ухудшению экономичности двигателя.
процессов в двигателе.
При проектировании двигателя с =var необхо-
Существующие методики с определенной дос-
димо обращать особое внимание на выбор расчетных
товерностью позволяют провести расчет рабочего
параметров, обеспечивающих наилучшие условия
процесса двигателя, однако для этого должны быть
протекания рабочего процесса при различных степе-
корректно определены исходные данные такого рас-
нях сжатия, отвечающих определенным режимам
чета. В двухтактном двигателе с кривошипно-
работы двигателя. Кроме того, должны быть подоб-
камерной продувкой такими исходными данными
раны геометрические и рабочие параметры механиз-
могут являться коэффициент избытка продувочного
ма изменения степени сжатия, благодаря которым
воздуха о и давление продувки рк. Значение этих
механизм будет обеспечивать требуемую чувстви-
величин может быть определено в результате расчета
тельность и высокое быстродействие.
продувочного компрессора. При этом следует учитывать влияние переменной степени сжатия на изме-
1. Постановка задачи
нение о и рк.
В настоящее время еще недостаточно изучены
В известной технической литературе нет мате-
вопросы рабочего процесса двигателя при перемен-
риалов по методике расчета кривошипно-камерного
ной степени сжатия. Вскрытию закономерностей
продувочного компрессора двигателей с переменной
протекания рабочего процесса при различных  по-
степенью сжатия. Очень мало данных и для обычных
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 12006
37
Конструкция ДВС
двухтактных бензиновых ДВС. Определение пара-
λТ – коэффициент подогрева смеси;
метров продувочного компрессора в основном бази-
λпл – коэффициент плотности;
руется на расчете процессов продувки и наполнения
λнад – коэффициент газодинамического наддува.
цилиндра двигателя, которые моделируются с помо-
Величина о может иметь различное значение в
щью сложной системы нелинейных дифференциаль-
зависимости от того, как осуществляется газораспре-
ных уравнений, описывающих неустановившееся
деление на впуске в кривошипную камеру – прину-
трехмерное движение потока сжимаемой жидкости
дительно, например с помощью золотника, или по-
при наличии теплообмена с окружающей средой и
средством пластинчатого клапана.
при сложных граничных условиях.
Объемный коэффициент наполнения:
Известные методы расчета двухтактного двигателя не позволяют изучить закономерности влияния
различных конструктивных факторов на показатели
продувочного компрессора и исследовать особенности рабочего процесса двигателя в целом в зависи-
'
 ок
1


 апх   рпр  n2 к

,
 1  ам 1 

1




ам   рвп 


где ам – относительный мертвый объем кривошипной камеры, вычисляется по формуле:
мости от переменной степени сжатия. Поэтому они
ам 
не могут в достаточной мере использоваться при
проектировочных и доводочных работах.
(2)
1   к ап
,
к  1
(3)
где к – фактическая степень сжатия в кривошипной
2. Решение проблемы
камере,
заданная
заводом-
изготовителем;
Для возможности исследования и выполнения
соответствующих проектировочных расчетов двухтактного двигателя с переменной степенью сжатия
авторами статьи разработана методика расчета кри-
ап – доля рабочего объема кривошипной камеры, теряемого на продувочные окна;
апх – относительная переменная высота продувочных окон, зависящая от εх,
вошипно-камерного продувочного компрессора и
двигателя в целом. При этом получены уравнения,
позволяющие проводить качественную и количественную оценку влияния различных факторов на показатели рабочего процесса двигателя.
апх  ап 
х  
1  ав  ,
 х    1
(4)
где ав – доля рабочего объема цилиндра двигателя, теряемого на выпускные окна;
п2к – средний показатель политропы расши-
Рассмотрим некоторые из особенностей расчета
продувочного компрессора.
рения в кривошипной камере;
рпр – давление конца продувки (начала обратного расширения);
Коэффициент избытка продувочного воздуха
Величину о (или коэффициент наполнения
кривошипной камеры) можно представить в виде:
0  'ок др Т  пл  над ,
При изменении степени сжатия в цилиндре изменяется также степень сжатия в кривошипной ка-
(1)
где η’ок – объемный коэффициент наполнения
кривошипной камеры, отнесенный к условиям состояния на впуске, а именно рвп, Твп;
рвп — давление впуска.
мере, которая определяется по формуле:
 кх 
к
.
 к  1  х    1  ав

1
 х    1 1  ап
(5)
λдр – коэффициент дросселирования;
38
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 12006
Конструкция ДВС
где х и кх – переменная степень сжатия со-
где частные коэффициенты подогрева (охлаж-
ответственно в цилиндре двигателя и кривошипной
дения) смеси в процессе наполнения кривошипной
камере.
камеры определяются по формулам:
Коэффициент дросселирования
Коэффициент дросселирования λдр учитывает
уменьшение производительности продувочного компрессора из-за аэродинамических потерь во впускной системе.
Для рассмотрения процесса впуска удобнее
разделить влияние впускного окна и впускного трубопровода на наполнение кривошипной камеры. Тогда коэффициент дросселирования:
 др  окн  вп ,
(6)
где λокн и λвп – коэффициент дросселирования впускного окна и впускного трубопровода.
 nN 0.6 
   1 ;
 n 





 0.35
 
Т N  N e 

Тдр  1 
 1 ; 

Т 0  N eN 
 


0.22
Т N     

1     ;
  1 

Т0   х  




xm r

  1 
;

T0  l0 c рв  сТ 

Т N

 вп  кр    
.

Т0


п  1 
Т N
Т0
(9)
Здесь Т0 – температура на впуске;
ΔТN, NeN и nN – соответственно температура
Коэффициент дросселирования впускного тру-
подогрева смеси, мощность и частота вращения ко-
бопровода λвп для данного типа двигателя может
ленчатого вала при номинальном режиме работы
быть определен экспериментально. Выражение для
двигателя;
 – коэффициент избытка воздуха;
определения λокн имеет вид:
 окн  1  кокн
вп 2
n ,
рвп
(7)
где кокн – коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров впуск-
l0 – теоретическое количество воздуха;
xт – доля испарившегося топлива;
r –теплота парообразования 1 кг топлива;
срв – средняя массовая теплоемкость воздуха
при постоянном давлении;
ного окна и кинематики поршня;
сТ – теплоемкость жидкого топлива.
ρвп – плотность смеси на впуске;
n – частота вращения коленчатого вала.
Коэффициент плотности
Коэффициент плотности λпл учитывает как
Коэффициент подогрева
Коэффициент подогрева λТ характеризует потери наполнения кривошипной камеры, а соответственно и производительности продувочного компрессора, от снижения плотности свежего заряда за счет
в продувочном компрессоре, так и заброс определенного количества продуктов сгорания из цилиндра
двигателя в кривошипную камеру. Влияние утечек и
перетечек свежей смеси и заброса продуктов сгора-
повышения его температуры на ΔТ.
ния на производительность продувочного компрес-
Коэффициент λТ представим в виде:
Т   вп  кр  п Т др    ,
утечки и перетечки свежей топливовоздушной смеси
(8)
сора различно.
Используя результаты предварительных исследований, в практических расчетах можно принять
λпл = 0,95…0,98.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 12006
39
Конструкция ДВС
Коэффициент наддува
vers. – Eng. Conf. — Boston, Mass. — 1971. — P. 356 –
При цикличной работе двигателя возникают во
363. 3. Lee R.C. Effect of compression ration, mixture
всасывающем патрубке пульсации давления, обу-
strength, spark timing, andcoolant temperature upon
словленные инерционностью потока смеси. В этом
exhaust emissions and power. — 17 p. (Prepr. / SAE, s.
случае происходит так называемый газодинамиче-
a., № 710832б). 4. Кутенев Ф. Т., Зленко М. А., Тер-
ский наддув кривошипной камеры.
Мкртичьян Г. Г. Управление движением поршней —
Влияние инерционности потока смеси на ха-
неиспользованный резерв улучшения мощностных и
рактеристики продувочного компрессора учитывает-
экономических показателей дизеля // Автомобильная
ся в нашем случае коэффициентом наддува λнад.
промышленность. — 1998. — № 11. — С. 25 – 29. 5.
Для определения дозарядки кривошипной ка-
Pouliot H. N., Delameter W. R., Robinson C. W. A Vari-
меры разработана математическая модель, которая
able Displacement Spark Ignition Engine // SAE Paper.
позволяет также определить индикаторные парамет-
— 1977. — № 770114. 6. Еремкин В. Экспорт техно-
ры продувочного компрессора – работу, среднее дав-
логий // Авто Ревю. — 2000. — № 5. — С. 32. 7. Vari-
ление, мощность.
able Kompression // Auto, Mot. und Sport, DE. — 2000.
Процессы, протекающие в цилиндре двигателя,
— № 6. — С. 12. 8. Заявка 19858245 Германия, МПК
рассчитываются по известным соотношениям при
{7} F 01 B 31/14, F 02 D 15/02. Kolben mit variabler
учете влияния х.
Kompressionshohe fur eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine / Gregor Fischer. BayeriЗаключение
sche Motoren Werke AG. (DE) — № 19858245.5; Заявл.
Представленный метод расчета позволяет вы-
17.12.1998; Опубл. 21.06.2000. 9. Махалдиани В.В.,
брать рациональные конструктивные и термодина-
Эджибия И. Ф., Леонидзе А. М. Двигатели внутрен-
мические параметры двигателя на стадии проектиро-
него сгорания с автоматическим регулированием
вания и доводки.
степени сжатия. — Тбилиси: Мецниереба, 1973. —
272 с. 10. Золотаревский В. С. Влияние степени
Список литературы:
сжатия на рабочий процесс двигателя ГАЗ-51 //
1. Хуциев А. И. Двигатели внутреннего сгорания с
«Автомобильная промышленность». — 1957. — № 5.
регулируемым процессом сжатия. — М.: Машино-
11. Wallace W. A., Lux F. B. New Piston Design makes
строение, 1986. — 180 с. 2. Tumoney S. G. Variable
Practical // “VC – Ratio Engine”. — SAE. — 1964. —
compression ratio diesel engine // Intersoc. EnergyCon-
№ 1, vol. 72. — P. 82 – 86.
40
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 12006