ВВЕДЕНИЕ 4
1 ГАЗООБМЕН ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 8
1.1 Роль воздушного потока 8
1.2 Газообмен четырехтактного двигателя 8
1.2.1 Фазы газораспределения четырехтактных двигателей 8
1.2.2 Индикаторная диаграмма процессов газообмена 9
1.2.3 Показатели качества газообмена 11
1.3 Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на наполнение цилиндра 13
2 СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НАПОЛНЕНИЯ ДВС 14
2.1 Впускной коллектор с изменяемой геометрией 17
2.1.1 Впускной коллектор переменного сечения 18
2.1.2 Впускной коллектор переменной длины 19
2.2 Системы с регулируемыми фазами газораспределения 28
2.2.1 Регулировка фаз газораспределения проворачиванием распределительного вала 29
2.2.2 Регулировка фаз газораспределения с помощью применения разной формы кулачков распредвала 30
2.2.3 Регулировка фаз газораспределения изменением подъема клапана 33
2.3 Безвальный механизм газораспределения 38
3 ТРЕБОВАНИЯ РЕГЛАМЕНТА FORMULA STUDENT К СИЛОВЫМ АГРЕГАТАМ 41
3.1 Анализ способов повышения наполнения, применяемых в Formula Student 43
4 РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ВПУСКА 55
4.1 КРИТЕРИАЛЬНАЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВС ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАДДУВЕ 55
4.2 Расчет системы впуска двигателя KTM LC 4 63
4.3 Имитационный расчет двигателя для болида класса «формула студент» в пакете AVL BOOST 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
Formula Student - студенческие соревнования, проводимые Сообществом Автомобильных Инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE) с 1978 года. По условиям соревнований команда из студентов является инженерной группой, которая занимается разработкой, изготовлением и сборкой, тестированием прототипа автомобиля формульного типа (автомобиля с открытыми колесами). Прототип должен быть построен согласно специальным требованиям, задачей которых является обеспечить безопасность на треке (автомобили пилотируются студентами), а также поиск решения проблем, возникающих при разработке. На сегодняшний день в мире существует более 500 команд- участников, что создает высокую конкуренцию.
У регламента Formula Student относительно немного ограничений. Это обеспечивает высокий уровень разнообразия болидов на соревнованиях, что редко встречается в автоспорте. Двигатели не имеют ограничений по максимальной мощности, количество цилиндров также не регламентировано. Двигатели должны быть поршневыми, четырехтактными с рабочим объемом не более 710 см3 (до 2017 года не более 610 см3) [1].
Средством ограничения выходной максимальной мощности двигателей болидов является ограничение максимального массового расхода воздуха двигателя. Орган, санкционирующий формулу SAE, требует использования ограничителя потребления воздуха, чтобы ограничить производительность, снизить затраты и поддерживать безопасность. Рестриктор — ограничитель потока газа или жидкости.
Назначение рестриктора в автоспорте заключается в уменьшении максимальной мощности, путем ограничения количества поступающего воздуха. Обычно выполняется в виде шайбы, устанавливаемой на воздухозаборник. При этом не допускается делать обходные системы забора воздуха, т.е. весь воздух поступающий в цилиндры двигателя должен проходить через рестриктор. В соревнованиях ДТМ и НАСКАР используются пластины с несколькими отверстиями. Рестрикторы применяют на атмосферных и турбокомпрессорных двигателях. Увеличение давления наддува не оказывает влияния на максимальную мощность двигателя, но позволяет развивать её на более низких оборотах. В Формуле Студент не регламентирована форма рестриктора, участники обычно используют форму сопла. Максимальный диаметр отверстия 20 мм [2].
Командам не запрещается разрабатывать и изготавливать двигатели самостоятельно. Но это возможность используется крайне редко из-за высокой стоимости разработки и изготовления. Обычно используются и адаптируются четырехцилиндровые двигатели с рабочим объемом до 600см3, от спортивных мотоциклов, по причине их широкой доступности. Однако встречаются команды, которые в качестве силового агрегата выбирают V- образные двухцилиндровые и одноцилиндровые с целью экономии веса [1].
Впускной тракт является одним из основных компонентов двигателя, оказывающих влияние на показатели эффективности силовой установки. С введением воздушного ограничителя, серийный двигатель не может продолжать использовать систему впуска воздуха, которая была изначально предназначена для этого. Рестриктор имеет целью ограничить мощность двигателя, внося потери давления на впуске.
Таким образом, становится актуальным вопрос поиска решений, позволяющих повысить коэффициент наполнения цилиндров в условиях ограничения пропускного сечения трубопровода без существенного усложнения конструкции двигателя. Рестриктор создает проблему для повышения производительности двигателя. Понимание воздействия рестриктора на двигатель приводят к улучшению производительности, что повышает конкурентоспособность автомобиля.
Целью работы является повышение коэффициента наполнения с учетом требований регламента «FS».
Для достижения цели решались следующие задачи:
• анализ факторов влияющих на значение коэффициента наполнения;
• аналитический обзор существующих способов повышения наполнения цилиндров ДВС;
• анализ регламента соревнований Formula Student, рассмотрение ограничений касающихся силового агрегата;
• анализ способов повышения коэффициента наполнения, применяемых для болидов команд Formula Student;
• расчет системы впуска воздуха двигателя.
Практическая значимость работы:
Результат работы позволяет применить данные полученные в ходе анализа и расчета при изготовления системы впуска воздуха для болида класса Формула Студент.
Теоретическая значимость работы:
Предложена модель системы впускной системы резонансного наддува для болида класса Formula Student, удовлетворяющая требованиям регламента.
Апробация работы:
Основные положения работы были представлены в виде доклада на международной научно-практической конференции «Эволюция современной науки»
Публикации. По теме диссертации опубликована 1 печатная работа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов и приложений. Объем диссертации составляет 81 страницу, включая 45 рисунков.
В работе приведены результаты тематического обзора открытой литературы, работ, проводимых по теме исследования, оценена практическая возможность различных способов повышения наполнения цилиндров.
С целью повысить коэффициент наполнения двигателя с учетом требований регламента Formula Student проведен литературный анализ факторов влияющих на значение коэффициента наполнения. Основными конструктивными параметрами которые оказывают существенное влияние на коэффициент наполнения являются геометрические характеристики компонентов впускного тракта длина, диаметр сечения и конфигурация. Гидравлические потери в выпускных клапанах значительно меньше влияют на коэффициент наполнения, чем потери во впускных. Наибольший коэффициент наполнения получают, если каждый цилиндр двигателя имеет отдельный неразветвленный трубопровод оптимального диаметра и оптимальной, достаточно большой, длины. В таком случае эффект дозарядки цилиндра, связанный с волновыми явлениями в трубопроводах, наибольший.
Проведен анализ существующих способов повышения наполнения цилиндров ДВС. Способом воздействия на показатели наполнение цилиндров являются системы впуска и изменяемой геометрией, которая зависит от оборотов двигателя и нагрузки. Применяются следующие системы:
• с изменяемой длинной трубопроводов;
• с изменяемым диаметром трубопроводов;
• переключение между трубопроводами различной длины или диаметра;
• изменение/переключение объема впускного ресивера.
Настройка фаз газораспределения также оказывает существенное влияние на коэффициент наполнения. На различных режимах работы двигателю требуются различные настройки работы клапанов. С этой целью были разработаны системы изменения фаз газораспределение, которые регулируют длительность впуска и выпуска.
Проведен анализ регламента соревнований Formula Student, были рассмотрены ограничения касающихся силового агрегата. В качестве топлива допускается использовать бензин с октановым числом 98 или этанол (E85). Все компоненты систем впуска воздуха и топлива (включая дроссельный узел, впускной ресивер, воздушный фильтр и воздуховоды), не должны выходить за пределы, которые образуются воображаемыми линиями проведенными от главной дуги к четырем колесам болида. Весь поток воздуха должен ограничиваться рестиктором. Рестриктор должен быть неподвижным (не может быть подвижной частью дроссельного узла), не допускается изготовление из гибких или эластичных материалов. Максимальные размеры внутреннего диаметра рестриктора:
• для автомобилей использующих бензине в качестве топлива - 20 мм;
• для автомобилей использующих Е-85 - 19 мм.
Запрещено располагать баки или ёмкость, значительно расширяющая обычную систему впускного тракта перед дроссельным узлом.
Проведен анализ способов повышения коэффициента наполнения, применяемых для болидов команд Formula Student.
Выполнен расчет впускной системы резонансного наддува для двигателя KTM LC 4 с рабочим объемом 654 см3, который используется командой ТГУ Togliatti Racing Team.
Представлена модель впускной системы резонансного наддува, в которой диаметр впускного трубопровода составляет 0,054 м, длина впускного трубопровода — 0,304 м, объем ресивера - 0,0029м3. Как видно из расчета прирост мощности на расчетном режиме составляет 18%.
Проведен Имитационный расчет двигателя для болида класса «формула студент» в пакете AVL BOOST. Проведенные имитационные расчеты различных вариантов двигателя КТМ LC4 показали, что использование рестриктора сказывается на значениях мощности и крутящего момента при частоте вращения коленчатого вала выше 4000 об/мин. В результате расчетная мощность варианта двигателя с использованием турбокомпрессора превосходит мощность базового двигателя во всем диапазоне работы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
