ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Аннотация. В настоящем исследовании рассмотрены методы повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Предложен метод повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания на примере поршневого четырехтактного двигателя с искровым зажиганием за счет оптимизации следующих характеристик- угла опережения зажигания, состава горючей смеси и коэффициента трения.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, угол опережения зажигания, сила трения, горючая смесь.

Повышение эффективности эксплуатации автотранспортного средства (АТС) – основная задача при производстве и эксплуатации АТС, решение которой непосредственно связано с повышением коэффициента полезного действия (КПД) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Четырехтактный двигатель наиболее распространенный вид поршневого ДВС. На эффективность работы четырехтактного ДВС влияют следующие факторы: угол опережения зажигания, фазы газораспределения, объем цилиндров камеры сгорания, состав горючей смеси, качество поверхностей камеры сгорания цилиндра и других частей двигателя [1]. При прогнозировании ресурса АТП необходимо учитывать ряд факторов, в том числе, оказывающих влияние на КПД ДВС [2]. Опережение зажигания – воспламенение горючей смеси свечой зажигания до достижения поршнем ВМТ (верхней мертвой точки). Момент зажигания играет важную роль в правильной и эффективной работе ДВС. Ход поршня до пика давления газов – путь поршня от момента появления искры до момента полного горения рабочей смеси и достижения максимального давления газов. Для получения максимального КПД двигателя, в момент максимального давления газов поршень должен находится в 10-12 градусах от ВМТ. Угловой интервал от момента зажигания искры до прихода поршня в ВМТ-угол опережения зажигания. Угол опережения зажигания зависит от горения топлива и скорости вращения коленчатого вала. Если обороты коленчатого вала малы или рабочая смесь сгорает быстро, то угол опережения зажигания будет ближе к ВМТ. При увеличении оборотов коленчатого вала и снижении скорости сгорания смеси угол опережения зажигания уменьшается. Таким образом, за счет изменения скорости горения рабочей смеси или скорости вращения коленчатого вала возможна регулировка хода поршня до пика давления газов (для максимального КПД поршень должен находиться в 10-12 градусах от ВМТ). Для оптимального результата при проектировании можно изменять две характеристики вместе или какую-либо одну из них в зависимости от прочих заданных условий работы двигателя внутреннего сгорания. В данной статье рассмотрен способ оптимизации угла опережения зажигания за счѐт улучшения состава горючей смеси. Данный способ является наиболее эффективным, поскольку оптимизация состава горючей смеси способствует также снижению сил трений внутри камеры сгорания, снижению образования коррозии на поверхностях ДВС, обеспечивает надѐжный пуск при низких температурах и повышает прочие характеристики, необходимые в тех или иных условиях работы двигателя. В рабочей камере ДВС осуществляются физико-химические превращения рабочего тела, состоящего из окислителя, топлива и остаточных газов. В качестве окислителя обычно используется кислород. Для максимального выделения теплоты и минимального образования токсичных продуктов топливо должно обладать следующими характеристиками: - иметь оптимальные значения плотности, вязкости, сжимаемости, прокачиваемости (при низких температурах) и другие свойства, обеспечивающие надежную подачу топлива и высококачественное смесеобразование на всех режимах работы двигателя и в широком диапазоне изменения внешних условий; - обеспечивать надежный пуск и полноту сгорания; иметь минимальную склонность к образованию нагара и коррозионно-агрессивных продуктов сгорания; иметь высокую термическую стабильность и хорошие моющие свойства [3]. Вышеперечисленные свойства в совокупности важны для правильной работы двигателя. Из выше перечисленных условий-обеспечение надежного пуска и полноты сгорания одинаково важны при любых условиях и поэтому являются универсальным характеристиками. Полнота сгорания топлива и надежность пуска прямо влияют на рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания. Количество отложений в двигателе и в топливной системе зависит от количества смол в топливах. Как результат, смесеобразования и горения отклоняются от своих оптимальных значений. Топливо сгорает не полностью, механический КПД двигателя снижается, а в системе охлаждения повышается концентрация вредных примесей. Наличие осадков значительно снижает прокачиваемость и фильтруемость топлива. Надежность пуска и полноты сгорания топлива в любых условиях осуществляется за счет добавки присадок, повышающих стабильность топлив. Антиоксиданты вводятся в топливо для того, чтобы ингибировать окисление углеводородов кислородом воздуха. Низкомолекулярные продукты окисления - пероксиды, спирты, кислоты и другие кислородсодержащие соединения вступают в реакции полимеризации и поликонденсации с образованием высокомолекулярных продуктов, которые содержатся в топливе в виде смол или выпадают из них в отдельную фазу [4]. Коэффициент трения при работе ДВС зависит, помимо прочих характеристик, от состава горючей смеси. Как было описано выше, изменение состава горючей смеси оказывает влияние на множество факторов, которые важно учитывать при проектировании двигателя внутреннего сгорания. В свою очередь коэффициент трения также зависит от многих факторов, обусловленных внешними условиями, химическим составом топлива и конструктивными особенностями самого двигателя. Поэтому для снижения сил трения является целесообразным использовать оптимизированный состав горючей смеси. Для снижения силы трения используются топливо сберегающие присадки (антифрикционное топливо). Такие присадки значительно уменьшают коэффициент трения, уменьшаются потери мощности на трение и, как следствие, повышается КПД двигателя. С химической точки зрения модификаторы трения представляют собой органические или неорганические соединения, которые высаживаются из масла или топлива на поверхности трущихся деталей и образуют на них плѐнку с очень низким коэффициентом трения, устойчивую к действию высоких температур, нагрузок и агрессивных сред, в частности воды и смазочного масла [4]. Другим важным фактором в появлении контактных напряжений между парами трения является качество самой поверхности внутри рабочей камеры и др. частей двигателя. Одним из наиболее эффективных методов является применение наноматериалов. Один из видов наноматериалов-амфифильные соединения, являющиеся высокоэффективными поверхностно-активными веществами (ПАВ). Их применение позволяет сформировать граничный молекулярный слой на рабочих поверхностях трибосопряжений, обеспечивающий защиту этих поверхностей от износа в режиме граничного трения в гидродинамическом режиме [5]. На примере дизельного двигателя можно убедиться в эффективности использования амфифильных соединений для предотвращения износа поверхностей [6]. За счет адсорбции фтор-ПАВ и ее влияния на смазку в трибосопряжениях достигается повышение КПД силовой установки [5]. В результате испытаний было выявлено, что введение модификатора в качестве добавки в моторные и трансмиссионные масла приводит к снижению механических потерь в трибосопряжениях двигателя и трансмиссии автомобиля, обеспечивая повышение мощностных и экономических его показателей при снижении дымности [6]. Для предотвращения износа и перегрева, а также для очищения масла от вредных примесей: мелкой металлической пыли, частиц нагара и др. используется система смазки и охлаждения. С помощью установленных фильтров, масло очищается от продуктов износа, после чего проходит по всем внутренним каналам системы подачи топлива. Данный способ в совокупности с оптимизированным составом горючей смеси является неотъемлемым и среди прочих перечисленных наиболее эффективным, поскольку охватывает участки каналов сложной формы и мелкие зазоры. Рассматривая причины возникновения сил трений и способы их устранения, очевидно, что именно химический состав рабочего тела является главной причиной в образовании неровностей и стѐртости на поверхностях камеры сгорания. Улучшение поверхности пар трений, регулировка температур и изменение прочих внешних условий являются второстепенными методами для уменьшения сил трения. При этом второстепенные причины появления сил трений также необходимо учитывать. Учитывая три вышеперечисленных способа снижения сил трений в конструкции двигателя внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм будет свободно перемещаться внутри блок-картера, не нарушая установленный цикл работы двигателя и, как следствие, не смещая установленный угол опережения зажигания. При решении задачи повышения КПД ДВС установлено, что снижение сил трения и обеспечение полноты сгорания рабочего тела в совокупности позволяют эффективно регулировать угол опережения зажигания. За счет оптимизации угла опережения зажигания, правильного горения рабочей смеси и уменьшения сил трения снижается уровень гидравлических потерь, что ведет к увеличению коэффициента наполнения равного отношению количества свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе наполнения к его количеству, которое при номинальных значениях вышеперечисленных характеристик должно поместиться в рабочем объеме цилиндра. Таким образом, эффективное увеличение КПД ДВС возможно лишь при решении комплекса задач, относящихся к изменению свойств топлива, моторного масла и характеристик контактирующих поверхностей.