Расчёт оптимальных размеров выпускного резонатора для двухтактных двигателей внутреннего сгорания

1. Расчёт оптимальных размеров выпускного резонатора для двухтактных двигателей внутреннего сгорания

Выполнил:
Ланцевич Антон
11 «М» класс
МОУ Гимназия №10
Технический руководитель:
Ломов А.В.

2. Введение и цели

Известно, что выпускная система двухтактного двигателя влияет на мощность
двигателя, на расход горючего и на шумовые характеристики. Соответственно
для оптимального согласования этих параметров используются оптимально
настроенные выпускные системы. Их суть состоит в том чтобы обеспечить
максимальную мощность двигателя при минимальном расходе топлива и
низком уровне шума.
Основной целью данной работы стало создание программы для расчёта
оптимальных размеров выпускного резонатора для двухтактных двигателей
внутреннего сгорания. Исходя из цели были поставлены следующие задачи:
1)
Поиск существующей информации по влиянию выпускных систем на работу
двухтактных бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
2)
Разработка пользовательского интерфейса для расчёта оптимальных размеров
выпускного резонатора для двухтактных двигателей внутреннего сгорания.
3)
Эксперимент по влиянию резонаторов, рассчитанных с помощью созданного
интерфейса для их расчёта, на работу двухтактного бензинового двигателя,
анализ полученных данных.

3. Влияние выпускной системы на шумовые характеристики двигателя

В ходе работы стало известно, что влияние
выпускной системы на шум выхлопа зависит от
того, насколько хорошо гасится энергия волны газа
при выходе из выпускной системы, это значит что
задача глушащей системы состоит в понижении
скорости газов. Оптимально настроенный
резонатор представляет собой набор конусов
расширения и конусов сужения, перегородки в нём
отсутствуют, значит едва ли сам резонатор
способен понизить шум выхлопа.

4. Влияние выпускной системы на динамические характеристики двигателя

Мощность двигателя зависит в большей степени от того, сколько энергии
будет выделяться при горении горючей смеси в камере сгорания что в свою
очередь прямо зависит от количества этой смеси. Из этого следует, что для
повышения мощности все отработавшие газы должны выйти, так как они
препятствуют горению, а смесь воздуха и бензина должна полностью остаться
над поршнем то есть коэффициент наполнения горючей камеры свежей рабочей
смесью должен быть максимален.
Устройство двухтактного двигателя такого, что во время фазы продувки, когда
выходят выхлопные газы, их место одновременно занимает свежая горючая
смесь. Однако существует проблема: Отработавшие газы выходят в трубу за счёт
разности давлений в рабочей камере (высокое) и в выпускном патрубке (низкое),
но силы инерции обеспечивают добавочное движение газа по выпускному
патрубку даже когда разность давлений в рабочей камере и выпускном патрубке
меняет свой знак, таким образом выхлопные газы могут создать разряжение у
выпускного окна, а так как одновременно с выходом отработавших газов их место
занимает свежая горючая смесь, которая тоже обладает давлением, то она
устремится вслед за выхлопными газами в выпускную трубу. Это повысит расход
топлива и при этом уменьшит мощность двигателя.

5. Выпускная система: экспоненциальный резонатор

В ходе исследований по возможному решению вопросов
падения мощности и повышения расхода топлива, я пришёл
к выводу, что самым простым решением данных вопросов
является экспоненциальный резонатор. В нём происходят
сложные пульсирующие возвратно-поступательные
движения волн газов имеющих определённую частоту.

6. Устройство выпускной системы на основе экспоненциального резонатора

Выпускная система двухтактного двигателя на основе экспоненциального
резонатора состоит из цилиндра 1( его выпускного окна), выпускной трубы 2,
конуса расширения 3, цилиндрической части глушителя 4, обратного конуса 5 и
глушащей части 6, имеющей ряд перегородок, отверстий и трубок. Часть
выпускной системы от выпускного окна до малого отверстия обратного конуса
можно назвать мощностной частью, настройка которой оказывает наибольшее
влияние на мощность двигателя. Необходимо, однако, заметить, что глушащая
часть также может оказывать заметное влияние на мощность.

7. Принцип действия экспоненциального резонатора

Принцип действия экспоненциального
резонатора основан на управлении волнами
отработавших газов. Назначение прямого
конуса состоит в создании отражённых волн
разряжения, которые улучшают очистку
цилиндра от отработавших газов, обратный
конус нужен для создания обратной волны
давления которая возвращает часть смеси
вылетевшей в выпускную трубу обратно в
цилиндр.

8.

График давления у выпускного окна от
фазы поворота коленчатого вала при
идеальной настройке выпускной системы.

9.

График давления у выпускного окна от
фазы поворота коленчатого вала при
неправильной настройке выпускной
системы.

10. Расчет оптимальных размеров трехступенчатого резонатора

Главным параметром при расчёте резонатора
является скорость звука в газе, этим определяется
скорость волн давления, которую используют в
резонаторе.
a0 401.8Tk
600000 * KW
СЭМД
SVCC * RPM
Tk 534.67 * e
0,0485*СЭМД

11.

Lt
Настроенной длиной выпуска(Lt) является
часть резонатора до конца сужающегося
конуса. Она может быть рассчитана по
формуле:
1000 * a0 * Qep
12 * RPM
K1 1.9899 * e
0,0581*СЭМД
ЭДВО
4 * width * height
K 0 1.0322 * e 0,0498*СЭМД
K 2 0.8439 * e0,1226*СЭМД

12.

Упрощенная схема
типичной резонансной
выпускной системы с
трехступенчатым
диффузором.
e X13
L01 = 0.10LT
L12 = 0.275LT
L23 = 0.183LT
L34 = 0.092LT
L45 = 0.11LT
X12
D2=D1*
L56 = 0.24LT
L67 = L56
D1 = K1 * ЭДВО
D4 = K2 * ЭДВО
D5 = K0 * ЭДВО
e
D3=D1*
e
X13

13.

Kh - Пиковый коэффициент, этому
коэффициенту присваиваются типовые
значения между единицей и двойкой
(подбирается экспериментально). Малые
величины Kh лучше подходят для Гран-при
двигателей с многоступенчатыми КПП,
неравномерной характеристикой крутящего
момента и с узкими участками мощности,
большие значения - для широкодиапазонных
двигателей с пологой характеристикой
мощности и крутящего момента, с хорошей
тягой на низких и средних оборотах, для
езды с нечастым переключением передач.

14. Описание программы

15.

16.

17. Эксперименты с двигателем

Тип двигателя
Бензиновый двухтактный
Число цилиндров
1
Рабочий объём, см куб.
199
Максимальная мощность, кВт/об. мин
10 / 5400
Длина фазы выпуска, градусов
110
Высота выпускного окна
20
Ширина выпускного окна
40

18. Тест 1. Двигатель без выпускной системы

Тип выпуска
Без системы выпуска
Время прохождения дистанции 50м
15.3с
Кол-во потребляемого топлива
24мл

19. Тест 2. Двигатель со стандартной выпускной системой

Тип выпуска
Стандартная
Время прохождения дистанции 50м
11.9с
Кол-во потребляемого топлива
18мл

20. Тест 3. Двигатель с настроенной выпускной системой

Мощность
Обороты
соответствую
щие
максимально
й мощности
Фаза выпуска
Пиковый
коэффициент
12.75 квт
Тип выпуска
5400 об / мин
110 градусов
Оптимально
настроенная
Время
прохождения
дистанции
50м
8.6с
Кол-во
потребляемо
го топлива
15мл
1.6
Ширина/длина
выпускного
окна
20/40 мм
Объём
199 см куб

21. 7. Анализ результатов

В результате использования настроенной
системы выпуска удалось заметно увеличить
мощность двигателя и уменьшить расход топлива.
Это говорит о том что рассчитанный с помощью
данной программы резонатор действительно
улучшает газообмен, и является очень важным
компонентом двухтактного двигателя.

22. Список литературы

Блэр Г.П. Основы проектирования двухтактных двигателей. SAE 1996
Блэр Г.П. Разработка и моделирование двухтактных двигателей. SAE 1996
Григорьев И.М. Мотоцикл без секретов. М. Досааф 1973
Иваницкий С.Ю., Карманов Б.С., Рогожин В.В., Волков А.Т. Мотоцикл. М.
Машиностроение 1971
Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, том 3 колебания, волны. М.
Наука 1972
http://www.krugosvet.ru
http://en.edu.ru
http://www.codenet.ru
http://www.motodom.net
http://motodrive.com.ua/
http://www.motoizh.ru/
http://excode.ru/
http://www.macdizzy.com/
http://www.tsrsoftware.com/
http://www.sae.org/