Статистические характеристики пробивного напряжения на свечах зажигания двигателей легкого топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Моисеев, Юрий Игоревич

• Моисеев, Юрий Игоревич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моисеев, Юрий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИИ О ХАРАКТЕРИСТИКАХ ИСКРОВЫХ РАЗРЯДОВ И ИХ ВЛИЯНИЙ НА ПОКАЗАТЕЖ ДВИГАТЕЛЯ.

1.1. Характеристики искровых разрядов на свечах зажип:"шгядг ТТЙП О л. , 1 . . . м

1.2. Условия развития начального очага горения яря зажигании топливовоздушных смесей электрической иск»-. - Л ^ л риП. .14:

1.3. Оценка роли отдельных фаз искрового разряда в формировании начального очага горения.

1.4. Факторы, влияющие на величину прооивного напряжения

Методы экспериментального изучения параметров искрового разряда.

1.6. Цели и задачи исследования. ст Д ТТГТА П." ТчГП А Т.* lirr--ri-VTTT.iT//, 7ТГГТГ!"1,— А ЦТ.-ГЙ" жшйга 1л г к т мс. х иДшчн.

2.1. Измерительная система для получения статистических данных о величине пробивного напряжения.

2.2. Экспериментальная установка с камерой сгорания постоянного объема.

2.3. Испытательный стенд для исследования статистик пробивного напряжения в условиях двигателя.

2.4. Методики экспериментальных исследовании и статистическом обработки результатов,. иН

2.4.1. Методика обработки результатов исследований в камере сгорания пистоинного ооъема. 5S

2.4.2. Методика проведения испытаний и обработки результатов на двигателе.

2.4.3. Расчет числа наблюдений.

2.4.4. Оценка достоверности результатов измерения пробивного напряжения.

СГ Т~>т ,-!ТГТ Г -ТТ.—. -- ТТЛ-Г. С £Г

С 1 U i 023Ш*-»{ДМ 11U 1ЛДСШ£? • UU

3. ЭКСПЕРИУЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПОСТОЯННОГО ОБЪЕМА..

3.1. Цели экспериментов в камере сгорания постоянного

O'^E/^K'îc^i > л iiiibsaiaslftiatiijiiit =,&n.*«.s».bs.»s*»=.b£.si»,at '—'б

3.2. Влияние соотношения топливо-воздух.

3.3. Влияние параметров турбулентного движения заряда.

3.4. Роль величины межзлектродного зазора.

3.5. Роль температуры среды в межэлектродном зазоре.

3.6. Влияние остаточных газов.

3.7. Влияние скорости нарастания вторичного напряжения. г"!5 О Ri.TT3i""\7TL.Î Г?Г\ Т- ТQ"DLiî-Î

--■• Ь & i^DIiJ'.-jjLiDi UU i. aZ-L'^TiriW-f ^ * ь/U

4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ Pi РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ р урттПРШ^ 7П5П Q'?

4.1. Влияние режимных факторов на статистические характеристики пробивного напряжения. -La J- а. Ь£гДИННИ0 H di ' Р У ' Pi.i'1 1.

4.1.2. Влияние частоты вращения.

4.2. Влияние регулировочных факторов на статистики пробивного напряжения. ни

- 4 » £» * i.» OriiiílJi ill'Ití У i' tiid U- i i w t JTu'w Ü l'Xtf A W'niffbi'li'CliTÍic'iu'l í. i iü

4.2,2, Влияние величины межэлектродного зазора.

4.3. Закон Пшена применительно к двигателям с искровым зажиганием.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Статистические характеристики пробивного напряжения на свечах зажигания двигателей легкого топлива»

Интенсивное развитие автомобилестроения как в нашей стране.» так и за рубежом приводит к тому, что проблема повышения топливной зрюномичности и снижения токсичности становится все более актуальной.

Одним из перспективных направлений улучшения экономических и зкологических характеристик бензиновых две является создание двигателя с рабочим процессом на бедных топливовоздушных смесях, Однако практическая реализация этой идеи требует решения ряда проблем, главная из которых - возрастающая по мере обеднения смеси межцикловая нестабильность процесса сгорания, обусловленная растущим количеством циклов с вялым протеканием процесса, сгорания и пропусками воспламенения. Это приводит к резкому росту расхода топлива и увеличению содержания токсических компонентов е отработавших газах.

В настоящее время можно считать установленным, что важнейшую роль в формировании всего процесса сгорания играет его начальная фаза,. Особенности этой фазы в значительной мере ограничивают степень возможного обеднения топливовоздушной смеси, т.к. тленно в пределах начальной фазы формируются межцнкловая нестабильность и пропуски воспламенения. Как показывают многочисленные исследования, любые меры, обеспечивающие ускорение развития начального очага (НО) горения, позволяют снизить межцикловую нестабильность и расширить пределы эффективного обеднения смеси.

Одной из таких мер является интенсификация процесса зажигания. Как известно, зажигание топливовоздушной смеси обеспечивается искровым разрядом, который состоит из двух фаз - емкостной и индуктивной., причем энергию емкостной фазы разряда определяет величина пробивного напряжения на свече зажигания. Вариации величины пробивного напряжения и, следовательно, энергии емкостной фазы могут приводить к различной интенсивности развития НО и вызывать появление межцикловой нестабильности. Из этого следует актуальность изучения вариаций пробивных напряжений» их статистических характеристик, влияния на них различных факторов.

Решению этих задач посвящена настоящая диссертационная работа. Входе решения этих задач был изготовлен комплекс испытательного измерительного оборудования и разработаны методики, обеспечивающие проведении большой серии экспериментов как в камере сгорания постоянного объема, так и на развернутом двигателе .

Эти исследования позволили выявить роль основных термодинамических и газодинамических факторов в формировании статистических характеристик пробивных напряжений. В частности, установлено существенное влияние на них турбулентного движения среды, что требует дополнить закон Палена слагаемым, учитывающим это влияние .

Установлено влияние на статистические характеристики коэффициента остаточных газов и скорости нарастания вторичного над

Проведенные исследования показали принципиальную возможность использования предложенного измерительного комплекса и результатов экспериментов для диагностики технического состояния двигателя к его системы зажигания.

Работа выполнялась на кафедре "Теплотехника и гидравлика" Волгоградского государственного технического университета в период с 1996 по 2000 гг. Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям - доктору технических наук, профессору ЗлотинуГ.Н., доктору технических наук, профессору

Федянову Е.А.- за неоценимую помощь- и поддержку. Автор признателен кандмтату технических наук, доценту Шуйскому С.Н. за активное содействие в изготовлении, наладке и ремонте экспериментальной аппаратуры, а также всем сотрудникам кафедры, содействовавшим выполнению данной работы.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Моисеев, Юрий Игоревич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые с применением созданных специальной оригинальной аппаратуры и методик проведены комплексные исследования статистических характеристик величины пробивного напряжения на свечах зажигания ДВС легкого топлива и роли основных режимных и регулировочных факторов в их формировании. Полученные результаты позволяют с большей степенью обоснованности задавать требуемые параметры аппаратуры зажигания, они могут быть использованы при разработке способов диагностики двигателей. Впервые выделена роль турбулентного движения заряда в камере сгорания в формировании статистических характеристик пробивного напряжения. Установлено, что как максимальные, так и средние пробивные напряжения увеличиваются по мере возрастания скорости движения среды в камере сгорания. Показано, что с увеличением скорости турбулентных потоков топливовоздушной смеси (ТВО) возрастает нестабильность пробивных напряжений, причем тем значительнее, чем больше величина межзлектродного зазора. Выявленное влияние параметров турбулентных штоков TBC на статистики пробивных напряжений требует учета этого фактора при создании аппаратуры зажигания для двигателей с интенсифицированным движением TBC в камере сгорания.

3. Показано, что изменение статистических характеристик пробивного напряжения при изменении термодинамического состояния заряда в камере сгорания практически целиком определяется плотностью, TBC, которая в поршневых двигателях однозначно связана с параметрами заряда на впуске и величиной коэффициента наполнения. Роль плотности TBC в формировании статистик пробивного налряжения должна учитываться при разработке систем зажигания двигателей с наддувом, а также при применении систем ограничения детонации, действие которых основано на периодическом уменьшении угла опережения зажигания.

4. Установлено, что вариации величины коэффициента избытка воздуха в пределах от 0,£5 до 1,75 не оказывают существенного влияния на статистики пробивного напряжения.

5. Выявлена роль остаточных газов в формировании статистик пробивного напряжения; увеличение коэффициента остаточных газов Тг от О до 0,2 приводит к росту максимальных и средних значений пробивного напряжения примерно на 30% и повышению коэффициента вариации с 0,04 до 0,12. Это должно учитываться при выборе параметров систем зажигания для двигателей с рециркуляцией отработавших газов.

6. Впервые установлено, что увеличение крутизны фронта вторичного напряжения приводит не только к росту средних и максимальных значений пробивного напряжения, но и сопровождается снижением его нестабильности. Так, в условиях камеры сгорания постоянного объема увеличение крутизны фронта от 0,6 до 2,5 кВ/мкс привело к двукратному снижению величины коэффициента вариации пробивного напряжения.

7. Получена явная форма функциональной зависимости для закона Пашена применительно к ДБС, принципиальной особенностью которой является учет частоты вращения вала двигателя. Для двигателей семейства ВАЗ найдены числовые коэффициенты такой зависимости.

8= Разработана и изготовлена оригинальная измерительная аппаратура, обеспечивающая получение статистических характеристик

- ±9'-7 пробивного напряжения; разработаны, обоснованы и реализованы методики ее применения» Созданы экспериментальные установки для исследования статистик пробивного напряжения в условиях камер сгорания постоянного объема и двигателя,

- ige

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Моисеев, Юрий Игоревич, 2000 год

1. Аверети Ä.E., Теория зажигания.-Минск:АНБССР, 1977-ЗЗс.

2. Автомобильные двигатели/ Под. ред. М.С, Ховаха. -М.:Машиностроение, 1977.- 595с.

3. Акимов В.И. Основы электрооборудования самолетов и автомашин.-М. ;Л.: Госэнергоидат, 1955.-384 с.

4. Архангельский Б.М. Злотин Г.Н. Работа карбюраторных двигателей на неустановившихся режимах. -М.: Машиностроение., 197У.-152 U.

5. Бадришвили Г.Н. Исследование влияния очага воспламенения напоказатели карбюраторных автомобильных двигателей: Диссканд. техн. наук / ВолгПИ, Волгоград, 1979. - 142 с,

6. Банников С.П. Электрооборудование автомобиля.-М.: Транспорт,1970.- 288 С.

7. Башев В.В. Улучшение показателей роторно-поршневого двигателя за счет оптимизации инициирущего искрового разряда: Дисс. канд. техн. наук / ВолгПИ, Волгоград, 1986, - 196 с.

8. Бела Еуна, Электроника на автомобиле; Пер. с венгер.-М.: Транспорт, 1979.- 192 с,

9. Ееллес Светт. Зажигание и воспламенение углеводородных топ-лив //Основы горения углеводородных топлив:Сб./ Под.ред. Умгппиря т? Н -М ' -10 ЯП -Р VI

10. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях.

11. М.: Машиностроение, 1977.-288 с. 14» Вопросы зажигания и стабилизации пламени: Сб. статей / Подред. Гольдберга,-М,: Иностр. лит., 1963.-113 с. 15» Глейзер Г.Н. Опарин И.М. Автомобильные системы зажигания.-М.; Машиностроение, 1977.- 144 с.

12. Двигатели автомобильные» Методы- стендовых испытаний: ГОСТ 14846-81.-М.:Из-во стандартов, 1991.-56 с.

13. Жданов Е.П.,Ловцев М.В.,Курячьей В.В. Энергетические характеристика различных систем батарейного зажигания на эксплуатационных режимах //Труды Горьковского политех. ин-та.-Горь1. К-тдиг Кип 1 я -П ОРТ-ЯПiAiAi. ¡г Л. * Л. «. * ъ & &

14. Згут В.М»,Злотин Г»Н»,Малов В.В. Некоторые особенности работы систем зажигания на неустановившихся режимах /7 Неустановившиеся процессы в колесных и гусенечных машинах: Тр. /гггтм с --- — т- •-■ п " " * О 'У ^ —с -ОШ1. ~ ЬилГи! ренц, Х'Й ; й, ии и.

15. Згут В.М.,Злотин Г.Н.,Малов В.В. Некоторые вопросы применения электронного зажигания в карбюраторных двигателях //Ав- Ii-. тг 4 Г;*'-! gc .1. C.-VU и.

16. Зельдович Я.Б.»Симонов H.H. К теории искрового воспламенения газовых взрывчатых смемей /'/ Журнал физической химии.-1949.•Т О'"' --i ГЧ 4 Cfl А ••( orj .<}i.£C<, № U.iöUi ioiü.

17. Зенгер H.H. Исследование воспламенения в искровом разряде //Сгорание в транспортных поршневых двигателях:Сб./ АН СССР.-М.} 1951.- С.60-63.

18. Злотин Г.Н., Кума Ф.Н.К.» Староверов В.В. Исследование возможности гомогенезации смеси в карбюраторном двигателе /Сб. тр. БЗЖ //Рабочие процессы в поршневых ДВС:.Сб.ТР./ВПИ.-Волгоград f1975.-С.25-28.

19. Злотин Г.Н.5 Малов В.В., Згут В.М. Влияние скорости открытия дросельной заслонки и скоростного режима карбюраторного двигателя на параметры искровых разрядов в свечах зажигания //Автомобильная промышленность.- 1974 .»№1.-0.30-33.

20. Злотин Г.Н. Малов В.В., Исследование неконвертированных форм искрового разряда тиристорной системы зажигания с накоплением энергии в емкости / ВПИ.-Волгоград, 1986. 25 с.

21. Злотин Г.Н.» Малов В.В., Овчаров С.А. Устройство для исследования цикловых параметров искрового разряда систем зажигания двигателей //Автомобильная промышленность.- 1979.-№?.п а о U-. и~о,

22. Оптимизация систем впуска и параметров систем зажигания двигателей семейства BAS-2108 со степенью сжатия 10-11: Отчет о НИР/ Волгоградский политехнический институт; Научный руководитель Г.Н.Злотин,- Тема 11/790-84; ГР 81029688.-Волгоград, 1983.-130 с,

23. Разработка технических требований к характеристикам искровых разрядов двигателей, работающих на бедных смесях: Отчет о НИР (заключит. )/ ВолгПИ, № ГР 01900060642; Инв. Ш02910049729. Волгоград. 1991.- 97 с.

24. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах: Пер. с англ. / Под ред, B.C. Комелькова.- М:МИР,1968.-390 с.

25. Сакан Т. Измерение энергии искрового разряда в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания //Кикай-но Кэнкю.-1966. -Т.18, 112,-С. 1490-1494.

26. Оакаи Т. Начальный период горения горючей смеси и энергия искры зажигания //Кикай-но Кэнкю.-1964.-Т.16,.Ш,-С.1017-1024,

27. Сакаи Т. Поджигание горючих смесей искровым разрядом /УНайнен Кикан,- 1970.-Т.9, №10.- 0, 11-13.

28. Семенов Е.0. 0 распределении тепла между зонами подогрева и реакций в сферических пламенах //ПМТФ.-1962.- Ш 6.

29. Семенов E.G., Соколик A.C. Характеристики сферических пламен в стадии формирования //Доклады АН СССР.- 1962,Т. 145, N12.-С. 369-372.

30. Скобликов А,С, Исследование возможности улучшения экономичности карбюраторного двигателя за счет рационального выбора параметров искрового разряда:Дисс. канд. тех,наук,-М., 1967,- 231 с,

31. Скобликов А,С,, Ванеев А,И, Увеличение искровых промежутков свечей и требования к системе зажигания автомобильных двигателей //Автомобильная и тракторная промышленность. -1956.-Ü8.- С,38-41

32. Скоблков А,С, Параметры искрового разряда, улучшающие работу автомобильного двигателя // Автотракторное электрооборудование," 1966,- Ш.-С. 80-85.

33. Смирнов Н,В,, Дунин-Барковекий И,В, Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений.-М,:1. Наука , 1969.-511 с.

34. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / B.C. Королюк, H.H. Портенко, A.B. Скороход, А.Ф, Турбин,- М,; Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985,-640 с,

35. Староверов В,В. Исследование индикаторного процесса двигателя при воспламенении различными типами систем зажигания // Рабочие процессы в ДВС:Межведомственный тематический сборник научных трудов -Волгоград, 1982.-0,60-65,

36. Староверов В.В. Исследование рабочего процесса современного автомобильного двигателя при воспламенении разными типами системы зажигания: Дисс, канд, техн. наук / ВолгШ Волгоград, 1S78. - 222 с,

37. Стекольников И.О. Природа длиной искры.- М.: АН СССР, 1960, -272 с.

38. Таблицы планов экспериментов для факторных и полиномных моделей: (Справочное издание) /Бродский B.S., Бодский Л.й., Голикова Т.И. и др.М.: Металургия, 1982.-752 с.

39. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями / Т.У. Асмус, К, Боргнакке, С,К, Кларк и др., Под. ред. Д. Хилларда, Дж. С. Спрингера: Пер, с англ, А, М, Васильева; Под ред. A.B. Кострова.-М.: Машиностроение, 1988,-504 с,

40. Треплин В.А, Исследование влияния электронного зажигания на динамику и состав отрабоавших газов карбюраторного двигателя при разгоне:Дисс,. канд. техн. наук / ВолгПИ,- Волгоград, 1970.-135 с.

41. Флиегел В.К. Исследование процессов воспламенения топливо-воздушных смесей электрической искрой: Дисс,.,. канд. техн.•1 ОСнаук / ВолгПИ Волгогоал. 1982, - 1У8 с.64, Фрюнгель Ф. Импульсная техника. -М,;Л.: Энергия , 1У65,

42. Целкович В.М, Влияние типа системы зажигания и межэлектродного зазора на токсичность отработавших газов при пуске и прогреве двигателя BAS, //Рабочие процессы в ДВС: Межведомственный тематический сборник научных трудов Волгоград, 1982.-С.30-40.

43. Электрический разряд и пробой в вакууме / Й.Н. Сшшвако- 1 Qp. 1. J. W w

44. U.-.x.—.-i- .-.r-.-.-! //c/ir? , ,.-,4--.-.«Ii n«n ».ss.-i c"liaLubL, «iiiiijäiutta. / / ortE.~rttK3Ui diaa.- i3fu.~

45. Spark Ignition Engines // SAE Techn. Pap.-1QP5

46. Ferraro C.V», Millo F.» Fenoglio C., A Critical Analysis of Knock-Detection Metods Based on Cylinder Pressure Analysis. //Proceeding's of 1st International Conference on Control and Diagnostics in Automotive Applications.i d » r . SO OI.Ä .

47. Combustion and Flame.-1991.-V.83»№l-2.-P.?5-105.

48. Lefebvre, A.H. Ignition Theory and its Application to the High Altitude Relighting Performance of Gas Turbine Combus-tors //Cranfield international Symposium Series, The Cranfi-eld inctitute.1971. Vol. U.S.105-119.

49. Maly P., Saggau B., Wagner E. Neue Erkenntnisse über elektrische Zundf"unken und ihre Eignung zur Entflammung brennbaren Gemische.//Automobil-Industrie.-1978.-2. (2 Teil).-S.15-21.

50. Maly R., Vogel M. Initiation and propagation of flame fronts in lean OH4- air mixtures by the there modes of the ignition spark// 17 th Sympfir (int.) on Combust.-1979.-P. 821-831.

51. Ozdor N., Bulger M., Sher E. Cyclic Variability in Spark Ignition Engines // SAE Techn. Pap. Ser. 1987. - №94098?»p a qq

52. Prospects of ignition enhacement/ Maly R.» Saggau B.» Wagner E. »Ziegler G.// SAE Techn. PaP.Ser.- 1983.- № 830478.-18 p.

53. Spalding, D.B., and Janin. V.K., The Theory of Steady Laminar Spherical Flame Propagation // Combustion and Flame,■<■> q ct ^"f^^pii'uüi. » ? * x j, J. s.

54. Spark Ignition time dependent theory/ Adelman H.G.// Symp. (int) Combust, Waterloo.-1980.- c.1333-1342

55. Spherical Flame Initiation: Theory versus Experiments for Lean Propane-Air Mixtures/ Champion M., Deshaies B., Joulin G., Kinoshita K. // Combustion and Flame.-1986.-V. 65.-P. 319-338.

56. Swarz H.» Bertling H. Einflus der Zundung auf Motor und Abgas. //Bosch. Techn. Berichte 5.-1977.- 516.-S.220-225.

57. Swett» C.C.Spark ignition of Flowing Gases //NACA-TR.