Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООБМЕНА ДЛЯ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Хрунков С.Н. 1 Мозолин Н.Е. 1
1 ФГБ ОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Обоснована актуальность исследований в области повышения технико-экономических показателей работы поршневых двигателей внутреннего сгорания за счет совершенствования протекания рабочих процессов. Предложена методика проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, обеспечивающая решение поставленной задачи. Проведен анализ взаимосвязи совместной работы кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Предложена математическая модель процессов газообмена с указанием принятых допущений. Построенная математическая модель основана на совместном использовании принципа изотропности и основных уравнений нестационарной газодинамики. Рассмотрены задачи о цилиндре и об органах впуска и выпуска. Задача о цилиндре поставлена в форме открытой равновесной термодинамической системы. Задача об органах впуска и выпуска рассмотрена в квазиодномерной постановке. Обосновано использование нового динамического критерия оценки эффективности газообмена. Показана возможность численной оценки эффективности регулирования фаз газораспределения в процессе продувки цилиндра. Сделан вывод о необходимости одновременного регулирования фаз впуска и выпуска рабочего тела.
рабочие процессы
газообмен
двигатели внутреннего сгорания
1. Захаров И.Л., Макаров А.Р., Хрунков С.Н., Люхтер А.Б. Трехзонная математическая модель смесеобразования и сгорания в бензиновом ДВС // Автомобильная промышленность. – 2007. - № 1. – С. 15-18.
2. Захаров И.Л., Химич В.Л., Захаров Л.А., Тарасов А.Н. Методика оценки термодинамических показателей поршневого ДВС с переменной степенью сжатия на ранней стадии проектирования // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2012. – Т. 16. - № 5 (50). – С. 69-74.
3. Захаров И.Л., Химич В.Л., Тарасов А.Н., Захаров Л.А. Повышение технических показателей перспективного поршневого многотопливного ДВС с переменной степенью сжатия на ранней стадии проектирования // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева – 2012. - №4. – С. 207-213.
4. Захаров Л.А., Захаров И.Л., Сеземин А.В. Повышение топливной экономичности дизельного двигателя за счет снижения механических потерь // Журнал Автомобильных Инженеров. – 2011. - № 3 (68). – С. 41-43.
5. Захаров Л.А., Захаров И.Л., Хрунков С.Н. Моделирование смесеобразования и горения в рабочей камере поршневого двигателя внутреннего сгорания // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева – 2010. - №2. – С. 178-186.
6. Захаров Л.А., Хрунков С.Н., Лимонов А.К. Методика выбора рациональных технических характеристик газораспределительного механизма поршневого двигателя внутреннего сгорания // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2010. - № 4. – С. 181-189.
7. Хрунков С.Н. Повышение технико-экономических показателей поршневого двигателя за счет совершенствования механизма газораспределения: дис…. канд. тех. наук. – Нижний Новгород, 2001. – С. 122-129.

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: 07.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074