Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы проектирования газораспределительного механизма четырёхтактных ДВС 17
1.1 Фазы газораспределения и время-сечение клапанов 17
1.2 Процессы и периоды газообмена четырёхтактных ДВС 31
1.3 Исследования «ЯМЗ», ф. «AVL» и ОАО «КАМАЗ» 37
1.4 Традиционные способы профилирования кулачков ДВС 48
1.5 Постановка задач на выполнение работы 53
Глава 2 Решение задачи газообмена и выбор величин углов фаз газораспределения в четырёхтактных двигателях 56
2.1 Принятые допущения 56
2.2 Соответствие кривой ускорения требованиям конструкции механизма газораспределения 56
2.3 Рабочий объём цилиндра и его составные части 60
2.4 Проходные сечения клапанов 64
2.5 Аналоги скорости рабочего тела в проходных сечениях клапанов 67
Глава 3. Разработка комплексной инженерной методики расчета кулачков распредвала для заданной размерности двигателя с учетом выбора фаз газораспределения 69
3.1. Методика формирования необходимых двигателю подъемов клапанов (толкателей) для каждой составной части цилиндра 69
3.2. Методика определения участков сбега 79
3.3. Методика формирования расчетных подъемов толкателей кулачками распредвала для каждой составной части цилиндра 83
3.4. Разработка профилей кулачков распредвала, обеспечивающих эффективную смену рабочего тела в цилиндрах двигателя и надежную работу механизма газораспределения 86
3.5. Расчётный выбор и назначение углов фаз газораспределения в зависимости от аналогов скорости рабочего тела в проходных сечениях клапанов 97
3.6. Критерии качества проектирования и надёжности работы ГРМ 105
Глава 4. Экспериментальная проверка теоретических разработок 113
4.1. Испытательная станция и ее оборудование 113
4.2. Схема информационно-измерительной системы стенда 117
4.3. Результаты испытаний 119
Основные выводы 125
Список используемой литературы
- Фазы газораспределения и время-сечение клапанов
- Соответствие кривой ускорения требованиям конструкции механизма газораспределения
- Методика формирования необходимых двигателю подъемов клапанов (толкателей) для каждой составной части цилиндра
- Схема информационно-измерительной системы стенда
Введение к работе
Наибольшее распространение в ДВС получили клапанные системы газораспределительных механизмов. В подавляющем большинстве современных ДВС применяют механические приводы впускных и выпускных клапанов, вследствие чего процессами газообмена в цилиндрах управляют кулачки распределительных валов. Разработка эффективной и долговечной системы ГРМ ДВС невозможна без установления взаимосвязи её характеристик с размерами цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма, с процессами в цилиндрах, газо-воздушных трактах и условиями эксплуатации.
Газообмену посвящены труды Р.С. Березина, В.М. Бунова, М.М. Вихерта, В.Р. Гальговского, Ю.А. Гришина, Б.Х. Драганова, Б.П. Рудоя, В.Г. Дьяченко, Ю.Н. Исакова, А.С. Орлина, А.А. Меднова, О.Г. Красовского, М.Г. Круглова, Д.А. Мунштукова и др. Над решением задачи долговечности ГРМ работали Ю.Е. Абраменко, И.Б. Гурвич, B.C. Бениович, А.В. Васильев, Е.А. Григорьев, М.А. Григорьев, Р.П. Доброгаев, Я.И. Драбкин, А.Е. Кобринский, Л.В. Корчемный , Н.И. Левитский, В.И. Мороз, А.И. Петрусевич, К. Akiba, G. Deschler, D. Dowson, W.M. Dudley, A. Dyson, W. Furhman, J. Holland, и др.
Несмотря на наличие значительного количества исследовательских работ, посвященных газообмену в рабочем объёме цилиндра ДВС и долговечности ГРМ, и их несомненную значимость, они не удовлетворяют в полной мере запросам практики, так как не позволяют, в условиях все более жестких требований к технико-экономическим и экологическим показателям,
обеспечить (вместе с другими [61,79,80,82] мероприятиями) соответствие двигателей требованиям ТУ, перспективным нормам токсичности отработавших газов [80] и требуемую долговечность работы ГРМ в эксплуатации [39,40,42,44,47,48,49,51,54,55,58,60]. Выбор закона движения клапана (толкателя) наименее строго обоснован. Попытки получить этот закон решением различных задач оптимизации не дали желаемого результата [41]. Анализ традиционных методик профилирования кулачков показал:
- для расчета задаются только законами хода клапана или хода толкателя
[39,40,41];
- не учитываются влияния: конструкции [38,42,49,54,60], материалов [45,46,60]
и условий смазки в напряженных точках контакта пары «кулачок-толкатель»
[41,47,20], изменения сил клапанных пружин от колебания витков [49], газовых
нагрузок [44] на тарелки выпускного и впускного клапанов, превышение
номинальной частоты вращения коленчатого вала в эксплуатации [46], а также
параметры механизма газораспределения [48,49];
не известны законы изменения ускорения на характерных участках профиля кулачка;
профили кулачков распредвала рассчитывают без привязки к параметрам конкретного двигателя [51,52,53].
Для экономичной работы ДВС сопротивление переменных проходных сечений клапанных щелей по углу пкв прохождению рабочего тела должно быть минимальным. Наиболее эффективно это условие может выполняться только при наименьших скоростях и рабочего тела в проходных сечениях клапанных щелей. Для этого необходимо определить величины составных частей AV рабочего объёма цилиндра и проходных сечений клапанных щелей с учетом перекрытия клапанов для каждого угла прв. При этом величину
скорости Х)к, которая образуется конструкцией за один град, поворота
распредвала (мм/град прв), принято называть аналогом скорости [39,40,41]. Дополнительные проходные сечения клапанных щелей (при перекрытии
клапанов) ограничивают рост величины скорости 1)к рабочего тела в проходных
сечениях клапанных щелей на выпуске и впуске и обеспечивают внутреннюю рециркуляцию отработавших газов [77,82].
При увеличении перекрытия клапанов (за счёт фаз газораспределения) внутренняя рециркуляция может заменить внешнюю и повторное открытие выпускного клапана на такте впуска. Кроме того, требуется меньше отработавших газов при подводе их в цилиндр под давлением через впускной клапан на такте выпуска. При этом удельный расход топлива можно уменьшить на 4...6%, а эмиссию NOx на 25...40% [59,62,75,66,63,76] без применения дополнительных реагентов и оборудования. Проведенный анализ развития двигателей показывает, что фирмы «Скания» и «Ман» на своих новых двигателях значительно расширили угловой путь перекрытия клапанов.
Таким образом, применение традиционных методик расчетов ГРМ не гарантирует получение от реальных ДВС перспективных технико-экономических и экологических показателей и долговечной работы двигателей в эксплуатации и требует проведения сложных, трудоемких и длительных доводочных работ.
Цель работы
Повышение технического уровня четырёхтактных дизелей снижением скорости рабочего тела в проходных сечениях клапанов.
Объектом исследования являются четырехтактные ДВС.
Предметом исследования являются процессы принудительной очистки цилиндра от рабочего тела и наполнение цилиндра рабочим телом, влияние на них конструктивных параметров цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, законов движения клапанов и режимов эксплуатации дизеля.
Научная новизна работы: 1. Разработана математическая модель газообмена в цилиндре четырёхтактного двигателя, связывающая процессы очистки и наполнения цилиндра двигателя и на её основе выведены уравнения баланса рабочего тела (по массе) для любого
режима работы двигателя, что позволило выбирать фазы газораспределения на режиме прокрутки двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала.
Разработан и предложен алгоритм решения задачи газообмена в рабочем объёме цилиндра четырёхтактного дизеля, учитывающий геометрические размеры цилиндро-поршневой группы, размеры и характеристики кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов и заданные максимальные величины аналогов скорости рабочего тела по углу прв (пкв) в проходных сечениях клапанных щелей.
Предложены и проверены критерии качества проектирования и долговечной работы газораспределительного механизма, позволяющие на стадии проектирования (модернизации) четырехтактного двигателя конструировать приводы клапанов газораспределительного механизма, обеспечивающие без значительных доводочных работ улучшенные технико-экономические и экологические показатели.
Объективность и достоверность полученных результатов
Объективность и достоверность полученных результатов подтверждается:
использованием фундаментальных уравнений механики, гидродинамики;
обоснованностью допущений, принятых при разработке расчетных методик;
строгостью применяемого в работе математического аппарата; сопоставлением
расчетных данных с экспериментальными результатами; изучением быстро
протекающих процессов современными средствами измерений и
испытательным оборудованием; сопоставлением теоретических данных с экспериментальными и расчетными результатами других исследователей; повторяемостью полученных результатов при многочисленных стендовых испытаниях двигателя с применением высокоточной аппаратуры, отвечающей всем требованиям современного теплофизического эксперимента; результатами независимой экспертизы, проводимой при сертификации двигателей и автомобилей на Автополигоне научно-исследовательского центра по испытаниям и доводке автомототехники (НИЦИАМТ).
Практическая значимость
Разработана комплексная инженерная методика проектирования ГРМ, включающая:
методику формирования для заданного рабочего объема цилиндра двигателя необходимых проходных сечений клапанных щелей и величин подъемов клапанов (толкателей) для каждого угла прв, обеспечивающих эффективный газообмен в цилиндре двигателя;
методику определения необходимых максимальных величин участков сбега для профилей кулачков с учётом действующих сил и характеристик их приводов;
методику формирования расчетных величин подъемов клапанов (толкателей) для каждого угла прв, обеспечивающих неизменность в процессе работы необходимых величин подъемов клапанов (толкателей);
методику определения параметров непрерывной результирующей кривой ускорений (из пяти участков) для половины зависимости расчетных подъёмов клапанов (толкателей) по углу прв с целью придания приводам клапанов и профилям кулачков надежной работы на всех режимах эксплуатации двигателя;
методику расчета расположения осей кулачков относительно верхней мертвой точки (ВМТ), обеспечивающих согласование подъемов клапанов с ходом поршня и заданные максимальные величины аналогов скорости в проходных сечениях клапанных щелей;
методику расчета зависимостей фаз газораспределения от величины аналогов скорости рабочего тела (выбор величин углов фаз газораспределения);
- методику определения величины сил в ГРМ от колебания витков клапанных
пружин;
- методику определения величины и продолжительности действия газовой силы
на тарелки выпускного и впускного клапанов при различных условиях работы
двигателя, в том числе в режиме работы моторного тормоза;
- методику профилирования кулачков распредвала, обеспечивающую
долговечность работы привода газораспределительного механизма и двигателя
в эксплуатации;
- методику исследования механизмов вращения клапанов.
Реализация результатов работы
По предложенной методике рассчитаны законы движения клапанов ДВС с учетом заданных максимальных величин аналогов скорости рабочего тела в проходных сечениях клапанных щелей и проверены в эксплуатации на двигателях КамАЗ 740.11-240, КамАЗ 740.13-260, КамАЗ 740.30-260.
Комплексные сравнительные испытания дизелей КамАЗ (два клапана в цилиндре), укомплектованных опытными распредвалами: Э7404-1006015 (740.21-1006015) и Э7405-1006015, спроектированными по предложенной методике, и серийными распредвалами (740-1006015-01, 740-1006015-04), спроектированными по традиционной методике, показали, что дизели с опытными распредвалами имеют лучшие показатели, а именно:
уменьшается удельный эффективный расход топлива Ge на 3...11 г/(кВт-ч);
уменьшается дымность Кх на 5...25% по Хартриджу;
увеличивается расход воздуха Gb через цилиндр на 2...5%;
уменьшается температура газов Ts перед турбиной на 10...40 С;
уменьшается токсичность: СО на 2 г/(кВтч), СН на 1,5 г/ (кВт-ч), NOx на 0,28... 1,26 г/(кВт-ч);
снижается уровень шума ГРМ на 2 дБ при 1200 мин'1 и на 4 дБ при 3000 мин"1;
- обеспечиваются (вместе с другими мероприятиями) требования ТУ на
двигатель и перспективные нормы токсичности выпускных газов: Еврої, Евро2
иЕвроЗ;
наилучшие показатели имеет двигатель с распредвалом Э7405-1006015;.
сумма максимальных величин аналогов скорости (EDk max) в проходных
сечениях клапанов у двигателей КамАЗ с опытными распредвалами меньше, чем у двигателей с серийными - на 16,6...24,9 мм/град.прв.
3. Комплексная инженерная методика формирования расчетных законов движения клапанов (толкателей) с выбором фаз газораспределения экспериментально подтверждена и реализована в конструкциях двигателей КамАЗ. Распредвал 740.21-1006015 изготавливается на заводе «Серп и молот» (г. Саратов) и устанавливается на все двигатели ОАО «КамАЗ», что позволило обеспечить в эксплуатации наработку каждому двигателю в объеме по 600 000 км пробега и соответствие двигателей нормам Еврої, Евро2 и ЕвроЗ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на всесоюзных и международных конференциях: «Совершенствование конструкций тракторов, автомобилей и двигателей» (Челябинск, 1972г.); «Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан» (Набережные Челны, 1999г.); «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2004г.); «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов» (Пенза , 2004г.); «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004г.); «Силовым агрегатам КамАЗ-высокую надежность» (Набережные Челны, 2005г.); «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (Челябинск, 2006г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе получены два патента и три авторских свидетельства (внедрены: два патента и два авторских свидетельства).
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, содержит 137 страниц текста, 10 таблиц, 26 рисунков, список литературы из 95 наименований и 32 приложений, в том числе «Акты внедрения».
Фазы газораспределения и время-сечение клапанов
Процессы выпуска из цилиндра продуктов сгорания и наполнения цилиндра свежим зарядом называют процессами газообмена и описаны наиболее полно в [29]. Продолжительность процессов выпуска и наполнения, их последовательность в цикле двигателя определяются продолжительностью и последовательностью открытия клапанов, т. е. фазами газораспределения (рис. 1), которые задают угловыми координатами кривошипа колеивала в градусах относительно ВМТ и НМТ, указывая начало открытия и закрытие клапанов.
Анализ статистических данных (приложение 1) более 200 отечественных и зарубежных четырехтактных двигателей с клапанным газораспределением показывает: процессы газообмена занимают 55...72% времени (400...520 град, пкв), отведенного на рабочий цикл; продолжительность активной части профилей кулачков составляет: для впуска- 192...286 град, пкв; для выпуска-212...309 град, пкв; истечение газов из цилиндра начинается с открытия выпускных клапанов, ф = 26...82 град, пкв до НМТ; закрываются выпускные клапаны после ВМТ, ф2 = 0...50,5 град, пкв; открываются впускные клапаны до ВМТ, фз = 3...50 град, пкв; во время перекрытия выпускного и впускного клапанов (ф2 + фз = 4... 100 град, пкв) возможны продолжение выпуска газов из цилиндра или поступление заряда в цилиндр (продувка); дозарядка цилиндра происходит при уменьшении его объема во время такта сжатия до закрытия впускного клапана (ф4 = 7...76 град, пкв после НМТ). Однако при определенных условиях возможно и вытеснение части заряда из цилиндра во впускной трубопровод (обратный выброс);
положение осей выпускных кулачков находится в пределах 241...272,5 град, пкв (87,5... 119 град, пкв до ВМТ), а осей впускных кулачков 446...476 град, пкв (86... 116 град, пкв после ВМТ).
Значительный разброс статистических данных основных параметров фаз газораспределения четырехтактных двигателей с клапанным газораспределением не позволяет руководствоваться ими при модернизации существующих и проектировании новых ДВС. Одновременно этот факт указывает на отсутствие единого общепризнанного метода определения необходимого (двигателю) закона движения клапана (толкателя) и на наличие значительного количества различных расчетных методов, в каждом из которых учитывается только часть предъявляемых к ним требований. Кроме того, часть
зарубежных двигателей с диапазоном работы 4000 мин (приложение 1) имеет увеличенное количество клапанов в цилиндре, одноименные клапанам распредвалы и различные по конструкции механизмы для воздействия на них с целью поворачивания и кулачки с переменными профилями, что позволяет изменять в процессе работы как фазы газораспределения, так и высоту подъема клапанов.
Смена рабочего тела в цилиндре ДВС осуществляется совместными действиями цилиндро-поршневой группы и механизмами: кривошипно -шатунным и газораспределения. На работающем двигателе при повторении рабочих циклов рабочие объемы цилиндра остаются постоянными и не зависят от модификации двигателя (безнаддувный, наддувный или наддувный с промохлаждением).
На дизелях КамАЗ с рабочим диапазоном работы 1200 мин"1 и в подавляющем большинстве современных ДВС используется механический (с помощью нижних распредвалов) привод впускных и выпускных клапанов. При этом процессом газообмена в цилиндре управляют кулачки распредвалов, спроектированные для абстрактных двигателей по традиционным (существующим), чрезмерно упрощённым (без привязки к размерам рабочих объёмов цилиндра) методикам, широко распространенным в учебной и технической литературе [3,4,5,6,7,9,10,24,39,40,41,64,67,68]. Поэтому эффективность управления процессами выталкивания рабочего тела из цилиндра двигателя и наполнения цилиндра рабочим телом зависит только от законов движения клапанов по углу пкв и привязки их осей и фаз газораспределения относительно ВМТ и НМТ.
Существующие в настоящее время методы расчетной оценки выбора параметров органов газораспределения, получившие также широкое распространение в учебной и технической литературе [ 3,4,5,6,7,9,10,24,39, 40,41,64,67,68], основаны на определении «условных» скоростей после выполнения всех трудоемких расчетов по газораспределению [85] при допущениях, которые в реальных двигателях не имеют места: «клапан отсутствует», «поршень перемещается с постоянной средней скоростью при номинальной частоте вращения коленчатого вала», «клапан в течение всего такта впуска (выпуска) остается полностью открытым», «принята средняя площадь проходного сечения клапана за такт впуска».
"Условные" скорости в [12] не характеризуют действительные скорости потока рабочего тела (воздуха), а являются лишь статистическими параметрами, связывающими выбранные при проектировании размеры клапана di = dr, d , hKJI мах, а град и профиль кулачка (закон подъема клапана) с основными размерами цилиндра (D и S), а также со средней скоростью поршня при номинальной частоте вращения коленчатого вала.
В связи с большой сложностью характера движения газа во время газообмена и некорректными упрощающими допущениями при моделировании в результате расчета получаются неприемлемые значения фаз газораспределения. Поэтому окончательно фазы газораспределения в современных двигателях выбирают экспериментально [5,12,43,64,67,68,78,83] при проведении дорогих, трудоемких, сложных и длительных доводочных работ.
Расчетных методов определения фаз газораспределения в технической и учебной литературе не известно. В [83] описывается назначение каждого угла фаз газораспределения и делаются ссылки на величины уменьшенных углов перекрытия клапанов зарубежных дизелей: Даймлер-Бенц ОМ-403, Дойц F8L413, МАИ D2658M2 и др.
Соответствие кривой ускорения требованиям конструкции механизма газораспределения
Равенством максимальной скорости подъема толкателя определяется соответствие закона результирующей кривой ускорения толкателя конструкции механизма газораспределения: ф2 ф4 ф5 = ]{"( № ?= Jf "(ф 1ф + Jf"(q )d p = max о ф2 ф4 Ґм. \ dhT l-V l 1-У Г 57,3 R; 0,59і ( .2. М9[п]2— 1К]±Ра±Рг СІф2 М2(Ьттах-ЬтЬ;=о1Ек+Ет) + Б (20) где: Ri-радиус плоской тарелки толкателя; М-приведенная к клапану масса механизма; [п]=(1,2-1,4)п„„м-допустимая частота вращения коленчатого вала (назначается исходя из конкретных условий работы двигателя); d(p2 отрицательное ускорение толкателя на вершине кулачка; hTmax, h . о -подъемы толкателя: соответственно на вершине кулачка и в точке перемены знака ускорения; 1-передаточное отношение коромысла клапана; Кі-козффициент запаса, равный 1,05-1,15; Pa-изменение силы клапанных пружин, вследствие вибрации витков; Рг-сила газов, действующая на клапан в момент открытия; Ек, Е[-модули упругости материалов сопряженных поверхностей соответственно кулачка и толкателя; є - смещение середины кулачка относительно оси толкателя; 0...ф2, Ф2...Ф5 -продолжительности (в град, прв ) соответственно отрицательных и положительных (включая сбег Ф4...Ф5) участков ускорений толкателя на половине профиля кулачка; Ґ(ф)-вторая производная (непрерывная) хода толкателя.
Расчет хода толкателя возможен из любой точки по выражению: hTi =hT0+ J о ФІ vo+ Jf"( p)dq dq , (21) где вместо 0 (начало расчета профиля кулачка) можно подставить значение любого угла, а вместо Ьтои VQ - соответствующие ему значения хода и скорости толкателя. Если точка начала расчета выбрана на вершине кулачка, то hT0 =hmax, Vo=0. Это позволяет требовать прохождение кривой подъема толкателя через точки, заданные условиями газообмена в объёме цилиндра двигателя. При этом должно быть выдержано условие непрерывности результирующей кривой ускорения толкателя в точках сопряжения участков, т.е. равенство ускорений на стыках участков. Тогда для результирующей кривой ускорения толкателя на половине профиля кулачка будет иметь место система уравнений:
После совместного решения уравнений смежных участков получены выражения, показывающие, какие дополнительные требования (кроме непрерывности) предъявляются параметрами и конструкцией механизма газораспределения к частям результирующей кривой ускорения толкателя.
На участке выбора зазора законы скорости и хода толкателя определяются законом его ускорения dh ф5 -- ф5ф5 » j±= {Мф)с1ф и Ьтф4 = іу(ф) іфс1ф. (23) ф4 ф4 Ф4 Максимальная величина h,((p4) подсчитывается с учетом характеристик dhT механизма газораспределения двигателя и условии эксплуатации, а —L назначается конструктором с учетом применяемых материалов на фасках седла и клапана, назначения двигателя и находится в пределах 0,008...0.035 мм/град.
Рабочий объём цилиндра и его составные части
Рассмотрим подробнее периоды принудительного выпуска и наполнения рабочего объёма цилиндра одного цикла при медленной прокрутке двигателя. Известно [28], что количество свежего заряда G (воздуха для дизелей), поступившего в цилиндр двигателя в развернутом и обобщенном виде, выражается формулой: G = n,- f—Vh, (24) где 77, - коэффициент наполнения; = y0Jlk- - удельный вес воздуха; Рол о,м Poi - давление воздуха на входе в цилиндр перед впускными органами; R - газовая постоянная; TQkk - температура воздуха на входе в цилиндр перед впускными органами; Vh. рабочий объём цилиндра. Индексы применяются: «О» - для двигателей без наддува; «к» - для двигателей с турбонаддувом; «к1» - для двигателей с наддувом и промохлаждением наддувочного воздуха. Выразим V/, геометрическими размерами рабочего объема цилиндра. G = tJv.Jk .!L .s, (25) где D - диаметр цилиндра, мм; iS-ход поршня, мм. Подсчет величин изменения веса заряда, поступающего в цилиндр по ходу поршня, можно выполнять по выражению
Методика формирования необходимых двигателю подъемов клапанов (толкателей) для каждой составной части цилиндра
Для ДВС неизменно важными являются задачи повышения их мощностных, экономических, экологических показателей, надежности и уменьшения уровня шума. Решение этих задач связано с улучшением очистки и наполнения цилиндров, уменьшением потерь на газообмен, т.е. с совершенствованием системы газораспределения. На дизелях КамАЗ и в большинстве автомобильных и тракторных двигателей в мире для очистки и наполнения объема цилиндра применяют клапаны с конической уплотняющей частью. Проходным сечением (для рабочего тела) таких клапанов является боковая поверхность усеченного конуса (рис.12). Величина проходного сечения fK при подъеме клапана на величину hK определяется [4,27,67,68,84] по формуле (40).
В выражении (40) два неизвестных: hK и fK и не учитываются величины рабочего объема цилиндра и основной характеристики рабочего тела в проходном сечении клапана - его скорость, которые оказывают значительное влияние на показатели двигателя.
Зависимость величины хода клапана от угла поворота коленвала по традиционным (чрезмерно упрощённым, оторванным от конструкции двигателей) методикам, описанным в учебной и технической литературе, определяется только после окончания выполнения трудоемких расчетов профиля кулачка [23,24,27,39,40,41,67,68,85] без привязки его оси относительно ВМТ по углу пкв. Учитывая, что последующее определение средних величин проходных сечений клапанов и скоростей рабочего тела в них производится без учёта площадей перекрытия клапанов в районе ВМТ ( из-за их малости), а скорости рабочего тела в клапанных щелях по углу пкв вообще не подсчитываются из-за отсутствия данных по давлению рабочего тела (сложности индицирования низких давлений) и параметрам газа в цилиндре [12], то фазы газораспределения всегда выбираются экспериментально при выполнении доводочных работ.
Автомобильный транспорт наряду с вредными выбросами промышленных предприятий и электростанций, так же причастен к загрязнению атмосферы. В ведущих индустриальных государствах его доля выбросов составляет около 20% от общей эмиссии вредных веществ [37,77]. Для транспортных дизелей в последнее десятилетие нормативные ограничения по экологическим показателям стали значительно жёстче. В ближайшем будущем ещё более ужесточат. Зарубежные передовые двигателестроительные фирмы демонстрируют эффективные разработки транспортных дизелей в короткие сроки. Сказанное свидетельствует о том, что в век рыночных отношений длительные доводочные работы по совершенствованию уровня показателей необходимо заменять моделированием процессов на стадии проектирования и модернизации двигателей. В первую очередь это относится к механизму ГРМ.
В диссертационной работе предлагается расчетное формирование необходимых двигателю законов движения клапанов, профилей кулачков распредвала и выбор фаз газораспределения для проектируемого или модернизируемого двигателя.
В основу формирования необходимых двигателю законов движения клапанов (при условии неразрывности потока) положено определение необходимых величин проходных сечений клапанов по углу пкв, равных отношению объёмов составных частей рабочего цилиндра двигателя, приходящихся на каждые 2 град.пкв (1 град.прв), к соответствующим им заданным средним величинам аналогов скоростей рабочего тела в проходных сечениях клапанов. Это позволяет: создать единую (для четырёхтактных двигателей) методику профилирования кулачков распредвала на стадии проектирования или модернизации двигателя, обеспечивающую выполнение задач, стоящих перед ГРМ; преодолеть отчуждение традиционных законов движения клапанов от конструкции цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма, характеристик механизма газораспределения и двигателя; выбрать фазы газораспределения и расположение осей симметрии кулачков относительно ВМТ на распредвале в зависимости от максимальных величин аналогов скорости рабочего тела в проходных сечениях клапанов в районе ВМТ; применить методику (разработанную и оформленную автором в 1982г.) расчёта кулачков распределительного вала ДВС [47], по которой отрабатывалась надёжность ГРМ двигателей КамАЗ - 740 и КамАЗ - 7403, оправдавшую себя в эксплуатации более чем на миллионе двигателей при пробегах до капремонта в объёме 400000 км. и доработать ее в направлении улучшения показателей четырёхтактных ДВС.
Схема и ход расчёта Исходные данные: D - диаметр цилиндра, мм; г- радиус кривошипа коленвала, мм; 1Ш - длина шатуна между центрами, мм; 2 - число одноименных клапанов в цилиндре; п - номинальная частота вращения коленвала, мин"1; DTT - диаметр тарелки толкателя, мм; ш - диаметр шейки распредвала, мм; Ек - модуль упругости материала кулачка, Н/см2; Ет - модуль упругости материала тарелки толкателя, Н/см2; Мвх - приведенная к выпускному клапану масса привода, кгс- с /м; Мт - приведенная к впускному клапану масса привода, кгс- с /м; [а] - допускаемые для менее прочного материала контактные напряжения в точках контакта пары «кулачок - толкатель», Н/мм2; Рс - несущая способность масляной плёнки «смазочное число» между сопряжёнными поверхностями пары кулачок - толкатель, мм; I - передаточное отношение коромысла; v - максимальная величина аналога скорости толкателя на участке сбега, мм/град;
Зависимости величин аналогов скоростей vK((p, +1) рабочего тела в проходных сечениях выпускного и впускного клапанов от угла поворота коленчатого вала, заданные прямыми линиями графически или аналитически на основе опытных данных с перекрытием клапанов, приведены на рис.13. Резкое падение роста абсолютных величин аналогов скорости vK( p, + \) объясняется на выпуске открытием впускного клапана (начало открытия ф4 „„= 346град. пкв), а на впуске - закрытием выпускного клапана (конец закрытия ф4 вх= 371 град, пкв). Например, максимальные величины аналогов скорости рабочего тела в проходных сечениях клапанов составляют: на выпуске икмаквх= 30 мм/град, прв, на впуске икмакгш= - 23,6 мм/град. прв.
Схема информационно-измерительной системы стенда
Двигатель КамАЗ-7406 (наддувный, с охладителем наддувочного воздуха) №10, собранный в цехе сборки и испытаний двигателей НТЦ, укомплектованный: головками цилиндров с моментом количества движения воздушного заряда впускного канала Мв = 2,0 кГсм, турбокомпрессорами ТКР7С-6 (с корпусом турбины A/R-0,76), поршнями №1698/0194, ТНВД мод. Э337, форсунками с 5-й сопловыми распылителями ф. "Bosch" мод. DLLA152SV3142397 и "жесткой" муфтой опережения впрыскивания топлива. -Валы распределительные: 740. 1006015-01 -вариант 1 (серийный), Э7404. 1006015 - вариант 2 (опытный).
Сравнение показателей двигателя с вариантами распределительных валов представлено нагрузочными характеристиками в приложении 10 . Из них видно преимущество второго варианта по экономичности, дымности и температуре ОГ перед турбиной. Так, удельный эффективный расход топлива у него лучше на 3...7,0 г/(кВтч) во всем диапазоне частот вращения коленвала и нагрузок; дымность на 6...12% меньше при п=1600...Ю00 мин"1. При этом расход воздуха через двигатель выше на 1 ...4%, а температура отработавших газов перед турбиной меньше на 10...20С.
Объекты испытаний [79]: - Двигатель КамАЗ - 7405 (наддувный). Испытания проводились на двигателе КАМАЗ - 7406 (объект 3.3.1.) при отключенном теплообменнике системы охлаждения наддувочного воздуха. - Валы распределительные: 740.1006015-01 - вариант 1 (серийный), Э7404. 1006015 - вариант 2 (опытный).
Сравнение показателей двигателя с вариантами распределительных валов представлено нагрузочными характеристиками в приложении 11. Из них видно преимущество второго варианта по экономичности, дымности и температуре ОГ перед турбиной. Так, удельный эффективный расход топлива у него лучше на 5... 11 г/кВт.ч во всем диапазоне частот вращения коленвала и нагрузок, дымностьна4...17%меньше при п=1600... 1000 мин"1. При этом расход воздуха через двигатель выше на 3...5%, а температура отработавших газов перед турбиной меньше на 10...50 С.
Объекты испытаний [80]: - Двигатель КамАЗ - 740.11 - 240 (наддувный) № 044345, изготовленный на заводе двигателей с отклонением от конструкторской документации (КД). В исходном состоянии установлены: серийный распредвал 740.1006015 - 04 и турбокомпрессоры мод. ТКР7С-6 (по КД распредвал Э7404.1006015, турбокомпрессоры мод. ТКР7Н-1). - Двигатель КамАЗ - 740.11 - 240 (наддувный) № 100032, изготовленный в НТЦ по конструкторской документации (распредвал Э7404.1006015, турбокомпрессоры мод. ТКР7Н-1).
Сравнение показателей двигателей КамАЗ модели 740.11-240 № 044345 и № 100032, укомплектованных турбокомпрессорами одной модели ТКР7Н-1 с распределительными валами в исходных комплектациях представлены в приложении 12 в виде внешних скоростных и нагрузочных характеристик. Из них следует: образец двигателя мод. 740.11-240 № 100032, укомплектованный опытным распредвалом по чертежу Э7404.1006015 по параметрам: Мс. Ne. gc соответствует требованиям ТУ, по удельным выбросам NOx соответствует уровню ЕВРО-1, дымность ОГ двигателя по ВСХ не превышает значения 15%.
Проведенная серия испытаний подтверждает результаты, полученные в пункте [3.3.2] [79]: при установке опытного распредвала (Э7404.1006015) на двигатель мод.740.11-240 достигается эффект 5... 11 г/(кВтч) по ВСХ и снижается дымность ОГ на 26%. Сделано заключение: "Освоение производства двигателей мод. КамАЗ-740.11 -240 (ЕВРО-1) необходимо проводить при безусловном внедрении опытного распредвала (черт. Э7404-1006015). После окончания подготовки производства опытный распредвал Э7404-1006015 стал серийным 740.21-1006015 (Евро-1).
Объект испытаний [81]: - Двигатель КамАЗ - 740.10 (S:D = 120:120; безнаддувный) № 770294. Валы распределительные: 740.1006015-04 -серийный, 740.21-1006015 - устанавливаемый на двигатель КамАЗ 740.11-240. Результаты испытаний представлены в таблице 9 и в приложении 13 в виде внешних скоростных и нагрузочных характеристик. Анализ представленных результатов показывает, что двигатель КамАЗ-740.10 с распределительным валом 740.21-1006015 соответствует требованиям ТУ 37.00 Г.840-78 и имеет больший расход воздуха и лучшую организацию рабочего процесса в результате чего произошло улучшение экономических и мощностных показателей двигателя, снижение дымности и температуры отработавших газов. Разрешена установка распредвала 740.21-1006015 на двигатели 740.10.
