Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Конструкции, позволяющие регулировать степень сжатия и
рабочий объем 8
1.1. Классификация способов регулирования степени сжатия и
рабочего объема 8
1.2. Одноэлементный преобразующий механизм - кривошипно-
шатунный механизм 13
Пути воздействия на степень сжатия и рабочий объем 13
Вариация высоты остова 17
Вариация высоты поршня и объема камеры сгорания 23
Вариация длины шатуна и радиуса кривошипа 28
Использование двух КШМ 31
1.3. Трехэлементные преобразующие механизмы 34
Определения и классификация 34
Балансирные механизмы 40
Траверсные механизмы 51
1.4. Выводы к Главе 1 59
ГЛАВА 2. Повышение топливной экономичности двигателей с управляемым движением поршней за счет минимизации объемного расхода рабочего тела. Выбор оптимального алгоритма управления
степенью сжатия 61
2.1. Повышение механического КПД за счет снижения объемного
расхода рабочего тела 61
2.2. Пути минимизации объемного расхода рабочего тела 66
Снижение частоты вращения коленчатого вала 67
Отключение цилиндров 70
Изменение тактности 72
Регулирование рабочего объема 73
Снижение исходной величины объемного расхода рабочего тела 74
2.3. Механические потери в двигателе внутреннего сгорания 75
Максимальная величина среднего эффективного давления. Влияние степени сжатия на режиме полной нагрузки на механический КПД 88
Расчетно-аналитическое обоснование выбора оптимального алгоритма управления степенью сжатия 98
2.5.1. Оптимальная степень сжатия на режиме полной нагрузки
(минимальная степень сжатия) 98
Максимальная степень сжатия 109
Оптимальный закон изменения степени сжатия 114
2.6. Выводы к Главе 2 122
ГЛАВА 3. Оптимизация параметров 3-элементных преобразующих
механизмов 125
3.1. Балансирный механизм 125
Термины и определения, условные обозначения 126
Описание механизма 126
Основные аналитические зависимости. Оптимизация размеров механизма 129
Выбор конфигурации коленчатого вала 133
Инерционные нагрузки. Уравновешенность механизма 135
Габаритные показатели 138
3.2. Траверсный механизм 139
Кинематика траверсного механизма 139
Критерии существования траверсного механизма 144
Кинематический и динамический анализ. Критерии оптимизации 146
3.2.3.1, Кинематический анализ и габаритные ограничения 146
3.2.3.2. Силовой анализ. Оптимизация размеров звеньев 152
Анализ уравновешенности двигателей с траверсными механизмами НАМИ 160
Программные средства автоматизированного расчета и проектирования двигателей с 3-элементными преобразующими механизмами 182
3.5. Выводы к Главе 3 191
ГЛАВА 4. Оптимизация конфигурации камеры сгорания в двигателях с
управляемым движением поршней 192
4.1. Выбор оптимальной формы камеры сгорания в двигателях с
управляемым движением поршней 192
Рациональная организация воздушных потоков в камере сгорания дизеля с регулируемой степенью сжатия 214
Выводы кГлаве4 226
ГЛАВА 5. Конструктивные особенности изготовленных в НАМИ 227
двигателей с 3-элементными преобразующими механизмами
Изготовленные двигатели 227
Траверсный дизель Т-01 231
Двигатель NAMI-DaimlerChrysler VE111 с искровым зажиганием .. 239
ГЛАВА 6. Некоторые результаты испытаний и доводка конструкций
двигателей НАМИ 249
6.1. Особенности рабочего процесса и экологические показатели
траверсного дизеля Т-01 с регулируемой степенью сжатия 249
Процесс сгорания 249
Топливная экономичность 257
Экологические показатели 262
6.2. Анализ возможностей снижения механических потерь в
траверсных двигателях НАМИ-DaimlerChrysler с искровым
зажиганием 268
6.3. Выводы кГлавеб 284
ГЛАВА 7. Организация совместного регулирования степени сжатия и
рабочего объема в траверсных двигателях 286
7.1. Синтез траверсного преобразующего механизма,
обеспечивающего совместное регулирование степени сжатия и
рабочего объема 286
7.2. Определение пределов оптимального регулирования рабочего
объема 295
7.3. Моделирование показателей адаптивного двигателя с
совместным регулируемыми степенью сжатия и рабочим объемом (на
примере двигателя с искровым зажиганием) 303
7.4. Выводы к Главе 7 308
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 309
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 316
Введение к работе
В последние годы наблюдается значительный прогресс в повышении топливной экономичности и снижении содержания токсичных компонентов в отработавших газах автомобильных двигателей. Этому способствует ужесточающийся контроль государства чистоты окружающей среды и экономного использования не возобновляемых природных ресурсов. Ведущие автомобильные фирмы, участвуя в непрерывной гонке с законодателем и борясь за потребителя, вынуждены совершенствовать двигатели, используя новейшие конструктивные и технологические решения.
Реализуемые в двигателях новшества относятся к совершенствованию его систем и агрегатов, в первую очередь элементов топливной аппаратуры, с целью улучшения протекания рабочих процессов. При этом законы движения поршней остается жестко заданными и зависящими только от неизменных параметров кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Указанное обстоятельство не позволяет использовать такие мощные резервы оптимизации показателей рабочих процессов двигателя во всем диапазоне режимов его работы, как регулирование степени сжатия и рабочего объема.
До последнего времени считалось аксиомой, что степень сжатия является неизменным конструктивным параметром двигателя, таким как, например, диаметр цилиндра. Действительно, в традиционных двигателях величина степени сжатия однозначно определяется размерами кривошипно-шатунного механизма, высотой поршня, а также расположением головки цилиндра относительно оси коленчатого вала.
Как известно, мощность и топливная экономичность двигателя возрастают при увеличении степени сжатия вследствие повышения индикаторного КПД. При достижении величин степени сжатия 13-14 улучшение показателей двигателя прекращается из-за неизбежного роста механических потерь. Поэтому указанные величины степени сжатия являются оптимальными.
В тоже время заложенная в конструкцию двигателей величина степени сжатия отличается от оптимальной. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается детонацией. Она меньше оптимальной и, как правило, не превышает 10. В дизелях степень сжатия выбирается с учетом
обеспечения надежного самовоспламенения топлива при пуске холодного двигателя. Она больше оптимальной и для дизелей с непосредственным впрыском топлива редко опускается ниже 16, а для вихрекамерных дизелей доходит до 24.
Многочисленные расчеты и экспериментальные исследования показали, что и для бензинового двигателя и для дизеля регулирование степени сжатия способно обеспечить приблизительно одинаковое улучшение топливной экономичности на 20%, хотя причины этого и алгоритм регулирования степени сжатия для бензинового двигателя и для дизеля различны.
В дизеле с регулированием степени сжатия можно значительно увеличить давление наддува, повысив за счет этого мощность. А можно сохранив мощность прежней снизить рабочий объем (количество цилиндров), улучшив при этом топливную экономичность, уменьшив массу и стоимость двигателя.
В бензиновом двигателе при снижении степени сжатия можно увеличить давление наддува без детонации, повысив при этом литровую мощность со всеми сопутствующими положительными эффектами, в том числе улучшением топливной экономичности на режимах больших нагрузок. При повышении степени сжатия топливная экономичность будет улучшаться на режимах малых нагрузок.
Возможность регулирования рабочего объема еще более ценна для показателей двигателя, чем регулирование степени сжатия. Большой рабочий объем существующих двигателей двигателя автомобилю нужен только для движения с максимальной скоростью. Этот режим не превышает 10% общего времени движения автомобиля. Наибольшую часть времени, например, при движении в городе автомобилю требуется экономичный двигатель с маленьким объемом. Совместное регулирование степени сжатия и рабочего объема открывает широкие перспективы создания двигателя нового типа с управляемым движением поршней. Это будет «эластичный» двигатель, гибко приспосабливающий свои объем и степень сжатия к условиям движения автомобиля. Например, когда нужна большая мощность этот двигатель будет эквивалентен 6-цилиндровому двигателю. Если большая мощность не требуется (городской режим движения), он будет соответствовать 4-цилиндровому и даже 3-цилиндровому двигателю
7 обычного типа. При этом можно ожидать значительного снижения расхода топлива. Поэтому работы по созданию двигателей с управляемым движением поршней (регулируемыми степенью сжатия и/или рабочим объемом) являются актуальными и имеют большое экономическое значение.
Количество предложенных конструкций, позволяющих регулировать степень сжатия и рабочий объем двигателя очень велико. Однако, подавляющее большинство из них, теоретически позволяя решать поставленные задачи по управлению движением поршней, оказались не пригодными для практической реализации из-за невозможности обеспечить приемлемую работоспособность двигателя, или по технологическим причинам. Поэтому только ограниченное число двигателей было реализовано в металле и лишь единичные конструкции производились серийно.
Целью настоящей работы является разработка научных основ и комплекса технических мероприятий, направленных на создание двигателей с управляемым движением поршней, в первую очередь с регулируемой степенью сжатия, с плоскими преобразующими механизмами.
В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследований:
систематизация и критический анализ известных технических решений,
позволять управлять степенью сжатия и рабочим объемом;
поиск перспективных конфигураций преобразующих механизмов двигателей с управляемым движением поршней;
разработка теории, математических моделей и программных средств для расчетов и оптимизации параметров двигателей с управляемым движением поршней;
разработка теории оптимального регулирования степени сжатия;
теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в двигателях с регулируемой степенью сжатия.
Результатом поставленных в работе задач будут являться разработка, изготовление и доводка конструкции образцов двигателей с регулируемой степенью сжатия, тесно унифицированных с серийно выпускаемыми автомобильными двигателями.
