Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с доминирующей ролью поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в энергетике, особенно на транспорте, неизменно важными являются задачи повышения их мощностных, экономических, экологических показателей и надёжности. Решение этих задач в значительной степени связано с совершенствованием системы газораспределения (ГР).
Клапанные системы ГР получили в ДВС наибольшее распространение. От их характеристик зависит эффективность протекания газообмена и рабочих процессов в целом. Выбор оптимальных фаз ГР и законов движения клапанов позволяет улучшить очистку и наполнение цилиндров, уменьшить потери на газообмен и, в конечном итоге, повысить мощность, топливную экономичность двигателя, улучшить его скоростные характеристики, снизить токсичность отработавших газов и уровень шума. Вместе с тем система ГР является одной из наиболее нагруженных в ДВС. На её долю приходится до 50% от всех отказов двигателя.
В связи с отмеченными обстоятельствами система ГР современного двигателя является предметом непрерывного совершенствования, приводящего к её дальнейшему усложнению, в частности, увеличению количества клапанов, применению различных конструкций гидроэлементов и разнообразных систем регулирования фаз ГР. В последние годы отмечен быстрый рост соответствующей патентной базы, а также перспективных разработок в этом направлении ведущих автомобильных фирм мира.
К числу наиболее сложных задач, решаемых при разработке системы ГР, относится синтез закона движения толкателя. Эти характеристики в значительной степени определяют не только показатели газообмена, но также динамические качества и надёжность механизма газораспределения (МГР). Многочисленные традиционные методы профилирования кулачков или формирования законов движения толкателей ориентированы, как правило, на ограниченные области применения. Каждому методу соответствует свой набор параметров, определяющих характеристики ГР, что затрудняет оптимизацию. Кроме того, заранее заданные способы описания движения толкателя или конфигурации кулачка, даже в случае их оптимальности в рамках используемого метода, не обеспечивают получение характеристик предельной эффективности при наличии многочисленных ограничений, связанных с кинематикой, динамикой, технологичностью и надёжностью механизма.
В процессе разработки и доводки МГР для расчётного определения его действительной нагруженности и законов движения элементов эффективно математическое моделирование динамики. Однако используемые модели динамики МГР не обладают универсальностью и не всегда обеспечивают высокую степень адекватности, особенно для современных систем, характеризуемых отмеченными выше особенностями и разнообразием кинематических
схем (с верхним и нижним расположением распределительного вала, с одной или несколькими клапанными пружинами, с подпружиненным толкателем, с вильчатым коромыслом или траверсой при использовании четырёхклапанной головки цилиндра).
Важно также отметить, что разработка эффективной и надёжной системы ГР ДВС невозможна без установления взаимосвязи её характеристик с рабочими процессами в цилиндрах и газовоздушном тракте, показателями газообмена, индикаторными и эффективными показателями двигателя. Изложенное определяет актуальность разработки обобщённых методик моделирования динамики МГР и синтеза законов движения его элементов, з также выбора параметров и характеристик ГР с учётом процессов газообмена. Часть исследований выполнялась в рамках фундаментальных НИР, финансируемых министерством образования РФ.
Цель работы - разработка теоретических основ, комплекса методов и средств для улучшения функциональных характеристик и надёжности системы ГР ДВС на стадии проектирования и доводки.
Научная новизна работы определяется следующими методическими и теоретическими разработками.
J. Комплексная методика формирования характеристик ГР двигателя, работающего в заданном поле эксплуатационных режимов, основанная на совместном решении задач синтеза законов движения толкателей, математического моделирования динамики МГР и рабочих процессов ДВС.
-
Пошаговый численный синтез закона движения толкателя и профиля кулачка с учётом типа и параметров МГР. Получаемый закон не описывается какой-либо заранее заданной аналитической зависимостью, а представляется в численном виде. Предложенный алгоритм формирования характеристик позволяет максимизировать площадь под кривой перемещения толкателя при выполнении на каждом шаге заданных ограничений, связанных с кинематикой, динамикой, технологичностью и надёжностью механизма.
-
Формирование на основе единого подхода характеристик ГР двигателей различного назначения и быстроходности: с разрывным и неразрывным, трапецеидальным и гладким законами ускорения толкателя при ограничениях на высшие производные, с верхним выстоем толкателя, с динамическим подавлением колебаний на заданном режиме работы, с несимметричными профилем кулачка и участком положительного ускорения толкателя, с заданными параметрами на сбеге.
-
Синтез законов движения толкателя предельной эффективности при активных ограничениях на контактное напряжение и угол давления в сопряжении кулачок-толкатель, гидродинамические условия смазки пары, радиус кривизны профиля, коэффициент запаса усилия клапанных пружин.
-
Обобщённая математическая модель динамики МГР, в которой реализована возможность формирования расчетной схемы требуемой структуры
и сложности, что позволет исследовать клапанные механизмы различных типов с учётом их характерных особенностей.
6. Моделирование в обобщённом виде гидродинамики смазки в зазорах и работы гидравлических устройств ГР, а также исследование влияние последних на динамику механизма и законы движения его элементов.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются использованием фундаментальных уравнений механики, гидродинамики и термодинамики, обоснованностью допущений, принятых при разработке расчётных моделей, использованием статистических критериев при оценке воспроизводимости выполненных экспериментов и адекватности математических моделей, высокой сходимостью результатов расчётов и экспериментальных данных, согласованностью с известными результатами исследований других авторов.
Практическую ценность работы представляют следующие результаты и разработки.
-
На основе созданных обобщённых методов синтеза закона движения толкателя, моделирования динамики МГР и рабочих процессов ДВС предложены соответствующие эффективные алгоритмы и создан автоматизированный комплекс взаимосвязанных компьютерных программ с общей базой данных, что позволяет организовать их оперативное взаимодействие и эффективное использование, сократить трудоёмкие и дорогостоящие экспериментальные исследования при решении задач проектирования и совершенствования системы ГР.
-
Разработаны и включены в состав упомянутого комплекса программы профилирования кулачков традиционными методами и расчёта характеристик профиля при табличном задании закона движения толкателя, расчёта данных для изготовления кулачков различными способами и контроля их параметров, а также ряд вспомогательных программ, что позволяет выполнять сравнительные расчёты, определять интегральные показатели динамики МГР, формировать исходные данные для моделирования и обрабатывать экспериментальные результаты.
-
Совместное моделирование работы системы ГР и рабочих процессов ДВС с использованием разработанных методов позволяет уточнить оценку нагруженности МГР и его динамические качества, а также формировать характеристики ГР с учётом их влияния на процессы газообмена при работе двигателя на различных эксплуатационных режимах.
-
Эффективность созданных методов, алгоритмов и программного комплекса при решении задач исследования, проектирования и оптимизации системы ГР и её элементов подтверждается опытом их использования для совершенствования клапанных механизмов различных модификаций двигателя 8ЧН15/16, в том числе с чегырёхклапанной головкой цилиндра. Построенные и идентифицированные по экспериментальным данным адекватные математические модели динамики МГР и рабочих процессов позволили оптимизи-
роаать фазы ГР и законы движения толкателей, улучшить динамику и надежность клапанного механизма, повысить качество протекания процессов газообмена, а также прогнозировать показатели двигателя при его форсировании.
Реализация результатов работы. Разработанные компьютерные программы пошагового формирования закона движения толкателя и профиля кулачка, моделирования динамики МГР и процессов газообмена внедрены в отделе главного конструктора ОАО ВгМЗ. Программный комплекс для профилирования кулачков зарегистрирован также в Государственном фонде алгоритмов и программ.
Изготовленные на ОАО ВгМЗ распределительные валы двигателя 8ЧВН15/16 с оптимизированными кулачками различной угловой протяжённости, спрофилированными разработанным методом, использованы в ходе моторных испытаний для экспериментального определения оптимальных фаз ГР. При этом рекомендованные законы движения толкателей обеспечили высокую эффективность, динамические качества и надежность при работе двигателя на повышенных скоростных режимах.
Предложенные разработки и рекомендации использованы также при проектировании системы ГР форсированной модификации двигателя 8ЧН15/16 с четырёхклапанной головкой цилиндра. Материалы диссертации используются в учебном процессе ВолгГТУ в ходе курсового и дипломного проектирования, а также при подготовке аспирантов. Реализация работы подтверждена соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион
ной рг.боты были представлены на Всесоюзных научно-практических семи
нарах «Совершенствование мощностных, экономических и экологических
показателей ДВС» (Владимир, ВГТУ, 1989, 1991, 1994, 1995), Межреспубли
канской научно-технической конференции «Совершенствование средств и
методов расчета изделий машиностроения» (Волгоград, 1988), научно-
технической конференции Московского автомеханического института
(Москва, МАМИ, 1989), Всесоюзных и межгосударственных научно-
технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигате
лей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (Саратов, СГАУ, 1989, 1990, 1992,
1999), Международной научно-технической конференции
«Совершенствование быстроходных дизелей» (Барнаул, АлтГТУ, 1993), Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации двигателей, автомобилей, вездеходных, специальных строительных и дорожных машин» (Нижний Новгород, НГТУ, 1994), Международной научно-технической конференции «Двигатель-97» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997), шестой Международной научно-технической конференции «AUTOPROGRES'98: Автомобили. Проблемы развития, качества и эксплуатации» (Яхранка, Польша, 1998), пятой Международной научно-технической конференции по двигателям внутреннего сгорания и транспортным средствам «MQTAUTO'98» (София, Болгария, 1998),
Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, ВолгГТУ, 1999), седьмом Международном симпозиуме «Совершенствование конструкции и методов эксплуатации автобронетанковой техники» (Варшава, Польша, 1999), ежегодных научных конференциях ВолгГТУ (Волгоград, ВолгГТУ, 1987 - 2000), объединённых научных семинарах кафедр «Теплотехника и гидравлика» и «сАвтотракторные двигатели» (Волгоград, ВолгГТУ, 1990 - 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, включая 2 учебных пособия, 8 патентов Российской Федерации и описание программного средства, зарегистрированного в Государственном фонде алгоритмов и программ. Кроме того, материалы работы представлены в четырёх отчётах о хоздоговорных и госбюджетных НИР.
Структура н объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений, содержащих некоторые схемы алгоритмов и акты о внедрении результатов работы. Объём диссертации составляет 483 страницы и включает: 272 страницы основного машинописного текста, 124 страницы со 115 рисунками и 16 таблицами, 51 страница списка литературы из 436 наименований и 36 страниц приложений.