Введение
Широчайшее распространение транспортных поршневых ДВС, обусловленное их высокими потребительскими свойствами, вкупе с высокими рыночными ценами на топливо и мощным конкурентным давлением со стороны зарубежных двигателестроителей, вызывает острую необходимость повышения технико-экономических показателей отечественных поршневых двигателей. Термины «современный двигатель» и «система регулирования фаз газораспределения» уже стали устойчивым словосочетанием. Моторы с такими механизмами есть почти у всех производителей. Механизмы управления процессами газообмена (путем регулирования фаз газораспределения) в современных двигателях обеспечивают формирование внешних скоростных и нагрузочных характеристик ДВС.
Цель исследования
Цель исследования состоит в уточнении методики проектирования и модернизации газораспределительного механизма (ГРМ) поршневого двигателя, позволяющей решать проблему повышения технико-экономических показателей транспортных поршневых двигателей. Решаемые в исследовании задачи:
- выбор и доработка соответствующей математической модели процессов газообмена; разработка численных алгоритмов решения уравнений принятых математических моделей, их реализация в виде пакета прикладных программ; проведение серии вычислительных экспериментов и на основе анализа их результатов выбор наиболее рациональной характеристики ГРМ;
- проведение комплекса экспериментальных работ с целью оптимизации характеристик элементов органов впуска и выпуска и получения эмпирических данных, уточняющих разработанную математическую модель;
- создание скорректированной методики проектирования ГРМ с рациональными характеристиками, разработка рекомендаций по модернизации существующих механизмов газораспределения;
- разработка конструкций новых деталей ГРМ, их изготовление, обработка, испытания и доводка;
- экспериментальная проверка эффективности изменений, внесенных в организацию процессов газообмена поршневого двигателя.
Материал и методы исследования
Одним из перспективных путей улучшения конструкции поршневых двигателей с целью приближения их энергетических и экономических показателей к предельным показателям идеального двигателя является путь совершенствования процесса наполнения цилиндра двигателя свежим зарядом, оптимизации дозарядки в конце процесса наполнения, совершенствования смесеобразования в цилиндре за счёт создания вращательного движения свежего заряда, совершенствования процесса расширения за счёт оптимизации предварения открытия выпускного отверстия, совершенствования процесса выпуска [7].
Совершенствование организации и протекания названных процессов предлагается осуществлять за счёт корректировки параметров работы механизма газораспределения. Обзор современных достижений и перспективных технологий в разработке ГРМ поршневых двигателей внутреннего сгорания, в том числе анализ существующих конструктивных схем привода ГРМ, методов профилирования кулачковых шайб распределительного вала, способов организации потока рабочего тела во впускном и в выпускном отверстиях, мероприятий по обеспечению стабильности характеристик ГРМ на расчётном рабочем режиме, динамических исследований работы ГРМ показал, что в данном направлении имеются существенные резервы для совершенствования конструкций. Модернизацию механизма газораспределения, обеспечивающую совершенствование рабочих процессов поршневого двигателя, предложено проводить в рамках существующей технологии в направлении обеспечения большей согласованности совместного действия кривошипно-шатунного механизма, органов впуска и выпуска и газораспределительного механизма за счёт совмещения их характеристик.
В ходе исследования построена математическая модель удаления отработавшего рабочего тела из цилиндра четырёхцилиндрового четырёхтактного двигателя и заполнения его свежим зарядом, позволяющая, в том числе, оценить распределение параметров состояния рабочего тела по длине газовоздушного тракта. Построенная математическая модель основана на совместном использовании принципа изотропности и основных уравнений нестационарной газодинамики. Параметры газового потока, которые необходимо рассчитать, определяются тремя законами сохранения – законами сохранения массы, импульса и энергии [6]:
Решение задачи об органах впуска и выпуска в квазиодномерном приближении описывается системой дифференциальных уравнений, построенной на основании законов сохранения массы (уравнение неразрывности), импульса (уравнение Эйлера) и уравнения адиабатного состояния газа (уравнение адиабаты Пуассона) [3, 4, 5]:
,
где t – время,
k – показатель адиабаты рабочего тела,
a – местная скорость звука,
W – мгновенная скорость рабочего тела,
х – геометрическая координата.
Решение задачи о цилиндре описывается системой дифференциальных уравнений, построенной на основании законов сохранения массы и энергии и уравнения состояния идеального газа для открытой термодинамической системы [1. 2]:
где t – время,
p – давление в цилиндре в текущий момент времени,
k – показатель адиабаты рабочего тела,
M – масса рабочего тела в цилиндре двигателя в текущий момент времени,
V – объем цилиндра в текущий момент времени,
f – эффективная площадь поперечного сечения отверстия для газообмена,
W – мгновенная скорость истечения рабочего тела,
r – плотность рабочего тела в цилиндре в текущий момент времени.
Основными допущениями построенной математической модели являются:
- применение модели невязкого совершенного газа;
- применение модели квазиодномерного нестационарного изоэнтропийного течения рабочего тела по газовоздушному тракту;
- применение гипотезы мгновенного выравнивания параметров состояния газа по всему объему цилиндра.
Особенностями математической модели являются:
- корректировка параметров рабочего тела в цилиндре с учетом процесса переноса теплоты;
- итерационный способ определения начальных условий;
- задание граничных условий, позволяющее моделировать целенаправленную модернизацию механизма газораспределения;
- учет влияния процессов в смежных ветвях органов впуска и выпуска, осуществляемый по аналогии с работой инжектора.
Главной особенностью построенной математической модели является постановка граничных условий по эффективной площади впускного и выпускного отверстий, что позволило моделировать влияние целенаправленной модернизации ГРМ на процессы газообмена и решать задачу подбора эффективной площади впускного и выпускного отверстий в ходе вычислительного, а не натурного эксперимента.
Результаты исследования и их обсуждение
Как показывает решение, полученное с использованием построенной математической модели для описания процессов продувки рабочей камеры цилиндра, необходимо введение дополнительного динамического критерия – отношения среднего за период продувки объема цилиндра к объему камеры сжатия. Анализ серийно производимых поршневых двигателей показывает, что в случае регулирования фаз газораспределения только по впуску момент совпадения величин подъема впускного и выпускного клапанов не всегда приходится на момент нахождения поршня в верхней мертвой точке. Это увеличивает среднюю за период продувки величину объёма цилиндра на 3…7 %, рисунок 1. Увеличение продуваемого объема одновременно ведет и к изменению геометрических параметров продуваемого пространства – изменению отношения высоты и ширины. Влияние этого фактора на процессы газообмена нуждается в дополнительном исследовании.
Рис. 1. Уменьшение продуваемого объёма цилиндра.
Увеличение продуваемого объема неизбежно ведет к ухудшению очистки цилиндра от отработавших газов и снижению качества процессов образования горючей смеси. Данные теоретические построения были проверены экспериментально.
С целью реализации предложенных изменений в организации процессов газообмена поршневого двигателя в комплектации «нетто» за счёт корректировки параметров работы механизма газораспределения были разработаны рабочие чертежи деталей модернизированного механизма газораспределения — впускного клапана изменённой геометрии и распределительного вала с новым профилем кулачковых шайб и с изменённым порядком работы цилиндров.
Новый профиль кулачковых шайб был рассчитан методом Multipol, рекомендуемым к применению в современных двигателях специалистами фирмы Ricardo Consulting grp. Согласно рассчитанному профилю были разработаны рабочие чертежи механической оснастки, необходимой для изготовления модернизированного распределительного вала — высокоточного копира и копирного валика.
По специальному заказу на Ивановском заводе ремонта и изготовления автомобильной техники была изготовлена опытная партия модернизированных деталей ГРМ (впускного клапана и распределительного вала). На специализированном моторном стенде определены сравнительные оценочные показатели модернизированного двигателя.
Заключение
Таким образом, с точки зрения организации процессов газообмена одной из важнейших характеристик КШМ является средняя за период перекрытия впускного и выпускного отверстий величина объёма цилиндра. Приближение данного показателя к объёму камеры сжатия при неизменных времени-сечении и длительности фазы перекрытия впускного и выпускного отверстий позволяет увеличить степень согласованности работы КШМ и ГРМ поршневого двигателя.
Это позволяет сделать практически важный вывод о целесообразности регулирования фаз газораспределения одновременно и на впуске, и на выпуске, что требует конструкции с отдельными распределительными валами.
Рецензенты:
Зуев В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.
Ваганов А.Б., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Аэро-гидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.
Библиографическая ссылка
Хрунков С.Н., Мозолин Н.Е. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООБМЕНА ДЛЯ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11354 (дата обращения: 19.04.2024).