Исследования в области турбулизации топливовоздушной смеси во впускном коллекторе

 

Выполненный анализ литературных и патентных источников показывает, что работы в этом напрвлении велись и ведутся и учеными, и любителями. Здесь на наш взгляд уместно привести выдержки из статей, опубликованных в журнале "Автомобильная промышленность", чтобы Вы сами могли ощутить имеющиеся тенденции. В конце же мы подытожим, сказанное в статьях

 _________________________________________________________________________________

 

АВТОМОБИЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ №10 за 1998 год

УДК 629.533.694.73

Двухкаскадный турбулизатор топливовоздушной смеси

Канд. техн. наук И.Л. Блаер

 Известно, что карбюраторы распыляют топливо, подаваемое в двигатель, на капли, диаметр которых не превышает 100 мкм. Известно также: топливо в цилиндре сгорает полностью лишь при условии, что диаметр его капель не превышает 40 мкм. Все, что больше последней цифры, дает продукты неполного сгорания. Прежде всего монооксид углерода и углеводороды, относящиеся к числу экологически вредных веществ. С другой стороны, продукты неполного сгорания — это топливо, не отдавшее всю содержащуюся в нем энергию, т. е. истраченное без пользы.
Из сказанного следует: чтобы повысить экологическую и экономическую (по расходу топлива) эффективность ДВС, дробление топлива на капли диаметра 40 мкм и менее должно быть возможно большим (в идеале — 100%-м).
Способов решения задачи достаточно много. Наиболее распространенный — турбулизация воздуха на входе в карбюратор или топливовоздушной смеси на выходе из него. Известны варианты его реализации: нити, сетки, перфорированные решетки, небольшие вертушки, пропеллеры.

Все они в свое время испытывались на стендах и автомобилях, причем результаты таких испытаний были довольно противоречивыми: в одних случаях эффект не обнаруживался вообще, в других был незначительным, в третьих турбулизатор влиял на содержание монооксида углерода в отработавших газах, но не сказывался на содержании углеводородов. На основании экспериментов было сделано несколько выводов: все исследованные турбулизаторы выполнены автолюбителями-умельцами, т. е. без учета законов течения турбулентных потоков, поэтому и результаты испытаний оказываются разными; все известные турбулизаторы создают один-единственный вихрь, в котором на капельки топлива воздействуют центробежные силы, поэтому некоторые из них дробятся, но значительная часть оседает на стенках впускного коллектора, образуя пленку, которая "сползает" в цилиндры и ухудшает процесс горения; все турбулизаторы отбирают часть энергии потока, поскольку увеличивают сопротивление его движению. Со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Эти выводы, в общем вполне очевидные, натолкнули на мысль организовать противоположно направленные сталкивающиеся потоки топливовоздушной смеси и тем самым увеличить их турбулизацию и эффективность дробления капель, благодаря чему смесь по своему составу могла бы, как показывали расчеты, приблизиться к гомогенной.

Замысел реализовали (см. рис.2) с помощью проставки 8, расположенной между выходным фланцем карбюратора 3 и входным фланцем впускного коллектора 5 двигателя. Проставка представляет собой корпус, в котором размешены ряды направляющих пластин первого (7) и второго (4 и 9) каскадов. (Число каскадов может быть различным, от одного до трех.) Направляющие пластины каждого ряда наклонены одна относительно другой на угол 8-12°, а их продольные оси пересекаются в одной точке (соответственно — 10, 12 и 13).

Работает устройство следующим образом. Поток топливовоздушной смеси, образовавшейся в карбюраторе, пройдя дроссельную заслонку, попадает в каналы 6 первого каскада, разделяясь на отдельные струи. Миновав каналы, эти струи сталкиваются в точке 10; капли топлива соударяются и дробятся. Эта мелкодисперсная смесь топлива с воздухом поступает в каналы между пластинами рядов 4 и 9 второго каскада измельчения и вновь разделяется на отдельные струи, которые затем встречаются в точках 12 и 13. Капли топлива дробятся еще раз. (Чем больше число каскадов, тем больше капель диаметром менее 40 мкм). Полученная таким образом смесь, как обычно, поступает к впускным клапанам двигателя. Каковы преимущества данной системы измельчения капель топлива перед предлагавшимися ранее? Их несколько. Во-первых, элементы проставки — неподвижные, и их настройка п процессе эксплуатации не изменяется, а надежность — не меньше надежности остальных элементов карбюратора. Во-вторых, дробление капель топлива, находящихся в топливо-воздушной смеси, продолжается и после карбюратора, причем в процессе соударения двух противоположно направленных потоков, т. е. эта система представляет собой устройство принудительного тройного перемешивания топлива с воздухом. В-третьих, формируемое каналами проставки направление струй способствует срыву осевших на стенках впускного коллектора капелек топлива, возвращению их к оси потока и повышению степени гомогенизации смеси, следовательно ее более полному сгоранию. То есть при наличии проставки двигатель может работать на обедненных смесях.

Все сказанное подтвердили стендовые испытания, которые были проведены на серийном двигателе ЗИЛ-130. Так, установлено, что при наличии рассматриваемой проставки у этого двигателя снижаются в зависимости от режима работы: расход топлива - на 9-14%, содержание монооксида углерода в отработавших газах - на 18-76%, углеводородов на 14-23%.

Характеристики по крутящему моменту и эффективной мощности (нагрузочные характеристики), наоборот, ухудшились: первая - в среднем на 2-15%, вторая - на 1-7%.

 

Наш комментарий: Данный тип проставки обладает одной особенностью – он разбивает поток топливовоздушной смеси на струи, а затем смешивает его. Проставка позволяет разбить струю топлива, выходящую из ускорительного насоса карбюратора, на крупные капли при соударение этой струи с поверхностью проставки. Далее эти крупные капли ползут по боковым стенкам отверстий проставки и затем отрываются от них потоком проходящей топливовоздушной смеси и соударяются с другими каплями, снятыми с поверхности других отверстий проставки в точке, указанной автором на рисунке. Это и является причиной того, что выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами падают, так как размер капель после их взаимного соударения значительно уменьшается. Однако предлагаемая система обладает существенным недостатком -  с ростом числа оборотов мощность двигателя с проставкой падает по сравнению с мощностью того же двигателя без проставки.

__________________________________________________________________________________

 

АВТОМОБИЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ №11 за 2002 год

УДК 629.436.019

Турбулизаторы топливовоздушной смеси и показатели двигателя с искровым зажиганием

Б.И. Базаров, К.Р. Шарипов, Б.Х. Холмурзаев

Известно, что в двигателе сгорают только пары то­плива. Как и то, что существующие системы смесеоб­разования его полное испарение практически не обес­печивают. Поэтому и появляются все новые и новые предложения, которые, по мнению их авторов, долж­ны резко улучшить распыливание топлива, перемеши­вание его воздухом и испарение, а значит, мощностные, экономические и экологические характеристики двигателя. Среди этих предложений есть разные — и достаточно обоснованные, и не выдерживающие ни­какой критики. (К примеру, когда предлагаются устройства подогрева смеси на участке тракта между кар­бюратором и цилиндром двигателя, — это одно, а если рекомендуют пропускать бензин через отверстие коль­цевого магнита, — совсем другое.) Но есть предложе­ния, которые можно назвать "промежуточными". Ти­пичный тому пример - всякого рода турбулизаторы топливовоздушной смеси. С одной стороны, наукой и практикой давно доказано, что интенсивная турбулизация заряда во впускном трубопроводе, в цилиндре или камере сгорания — важнейшее средство улучше­ния всех показателей ДВС. Так, еще на заре двигателестроения Рикардо установил: большое завихрение смеси, хотя и увеличивает отдачу теплоты в стенки ка­меры сгорания, но в то же время позволяет значитель­но повысить степень сжатия без детонационного сго­рания. С другой стороны, иногда конкретные решения данной проблемы настолько несовершенны, что вме­сто ожидаемых плюсов получаются сплошные мину­сы. Особенно не повезло с этой точки зрения турбулизаторам потока во впускном трубопроводе. Даже лучшие из них, как установлено проведенными в научно-исследовательской лаборатории Ташкентского автомобильно-дорожного института экспериментами, не дают того, что обещают их авторы. Скажем, проверка многих конструкций завихрителей-гомогенизаторов топливовоздушной смеси на двигателях ЗМЗ-24.10 и ЗМЗ-53 показала: на частотах вращения коленчатого вала, соответствующих максимальному крутящему мо­менту, большинство гомогенизаторов, действительно, способствуют возрастанию эффективных крутящего момента и мощности на 4,2—6,5 %, Однако при даль­нейшем увеличении частоты прирост становится от­рицательным, расход топлива увеличивается. То же са­мое дали испытания по Правилам №15 ЕЭК ООН ав­томобиля ГАЗ-24-04 с различными гомогенизаторами на беговых барабанах (см. таблицу).

 

Комплектация автомобиля

Выбросы токсичных веществ, г/исп

Расход топлива, г/исп

СО

СН

NOx

серийная

51,00

1,65

2,93

121,8

С ТУРБУЛИЗАТОРОМ:

вращающаяся крыльчатка

41,40

12,07

7,18

128,9

неподвижная крыльчатка

36,74

13,18

10,96

127,15

конус

68,21

13,58

7,96

132,88

винтообразный элемент

49,50

11,80

11,07

133,03

 

 

Как видим, любой турбулизатор (завихритель), ус­танавливаемый в тракте впускного трубопровода представляет собой источник дополнительного гид­равлического сопротивления, резко уменьшающий коэффициент наполнения и тем самым — ухудшаю­щий выходные и токсические показатели ДВС. Но до частот, соответствующих максимальному крутящему моменту, завихритель все-та­ки может быть полезен, поскольку скорости движения потока невелики и связанные с ними гидравлические потери компенсируются выигрышем за счет улучше­ния качества распыливания и испарения топлива. То есть, здесь можно работать на более бедных составах смеси, что уменьшает расход топлива на 6,5—8,8 % и выбросы монооксида углерода и углеводородов с от­работавшими газами на 2,2—36 %. Но, к сожалению, двигатель на таких частотах работает мало. Поэтому в итоге и получается то, что показано в таблице.

В принципе, избавиться от нежелательных явлений на больших частотах вращения коленчатого вала мож­но: для этого во впускной трубопровод нужно вводить дополнительный поток воздуха. Тогда до скоростного режима, соответствующего режиму максимальному крутящему моменту, кривая эффективного кру­тящего момента (см. рис.) пройдет выше кри­вой серийного двигателя, а кривая монооксида углеро­да, наоборот, ниже.

 

Наш комментарий: Как видно из таблицы, все представленные там виды турбулизаторов, помимо увеличения мощности на частотах вращения меньших частоты вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту, и снижения выбросов СО, дают увеличение выбросов СН, а турбулизатор, представленный в первой статье наоборот способствует снижению выбросов СН. Следовательно, при прочих равных условиях турбулизатор, описанный в первой статье является более предпочтительным. Но самое главное, здесь показано УСЛОВИЕ, при котором турбулизаторы во всем диапозоне скоростных и нагрузочных режимов действительно дадут прирост эффективной мощности. Это условие – подача во впускной коллектор дополнительного воздуха в количестве, определяемом скоростным и нагрузочным  режимом.

__________________________________________________________________________________

Используя преимущества турбулизатора, описанного в первой статье, и учитывая УСЛОВИЕ, показанное во второй статье нами была разработана, оригинальная конструкция турбулизатора с дополнительной подачей воздуха во впускной трубопровод

Принцип действия системы питания на основе турбулизатора с дополнительной подачей воздуха во впускной коллектор

Используются технологии uCoz