Помощь студентам в учебе
Реализация переменной степени сжатия в дизелях с высоким наддувом
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Конструкции, позволяющие регулировать степень сжатия и рабочий объем 9
1.1. Классификация способов регулирования степени сжатия и рабочего
объема 9
1.2. Одноэлементный преобразующий механизм - кривошипно- шатунный
механизм 15
1.2.1. Пути воздействия на степень сжатия и рабочий объем 15
1.2.2. Вариация высоты остова 19
1.2.3. Вариация высоты поршня и объема камеры сжатия 24
1.2.4. Вариация длины шатуна и радиуса кривошипа 27
1.2.5. Использование двух КШМ 30
1.3. Трехэлементные преобразующие механизмы 33
1.3.1. Определения и классификация 33
1.3.2. Балансирные механизмы 39
1.3.3. Траверсные механизмы 49
1.4. Выводы к Главе 1 53
ГЛАВА 2. Конструктивные особенности изготовленных в НАМИ двигателей с 3-элементными преобразующими механизмами 56
2.1. Изготовленные двигатели 56
2.2. Траверсный дизель Т-01 59
2.3. Двигатель VE111 НАМИ-DaimlerChrysler с искровым зажиганием 66
ГЛАВА 3. Изменение степени сжатия в турбопоршневых двигателях с высоким надувом 76
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 88
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛАВА 1. Конструкции, позволяющие регулировать степень сжатия и рабочий объем 9
1.1. Классификация способов регулирования степени сжатия и рабочего
объема 9
1.2. Одноэлементный преобразующий механизм - кривошипно- шатунный
механизм 15
1.2.1. Пути воздействия на степень сжатия и рабочий объем 15
1.2.2. Вариация высоты остова 19
1.2.3. Вариация высоты поршня и объема камеры сжатия 24
1.2.4. Вариация длины шатуна и радиуса кривошипа 27
1.2.5. Использование двух КШМ 30
1.3. Трехэлементные преобразующие механизмы 33
1.3.1. Определения и классификация 33
1.3.2. Балансирные механизмы 39
1.3.3. Траверсные механизмы 49
1.4. Выводы к Главе 1 53
ГЛАВА 2. Конструктивные особенности изготовленных в НАМИ двигателей с 3-элементными преобразующими механизмами 56
2.1. Изготовленные двигатели 56
2.2. Траверсный дизель Т-01 59
2.3. Двигатель VE111 НАМИ-DaimlerChrysler с искровым зажиганием 66
ГЛАВА 3. Изменение степени сжатия в турбопоршневых двигателях с высоким надувом 76
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 88
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
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 (КТТТМ). 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.
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.
Актуальность работы. Одними из наиболее важных направлений развития современного транспортного двигателестроения являются повышение экономичности; снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами; уменьшение металлоемкости; увеличение надежности, обеспечение многотопливности и пр. Решение многих этих проблем (помимо традиционных методов совершенствования рабочего процесса, электронного управления толливоподачей и пр.) может быть достигнуто при использовании двигателей с переменными степенью сжатия 8 и/или рабочего объема Vh.
Практическая ценность работы. Использование разработанных методик расчета нагрузочных характеристик в сочетании с известными методиками расчета силового и топливного баланса автомобиля позволяет определить эффективность применения регулирования рабочего объема двигателя в составе конкретного автомобиля на конкретных скоростных режимах.
Достоверность научных результатов подтверждается экспериментальной и расчетной проверкой с использованием современных методов твердотельного моделирования.
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 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 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.
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 (КТТТМ). 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.
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.
Актуальность работы. Одними из наиболее важных направлений развития современного транспортного двигателестроения являются повышение экономичности; снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами; уменьшение металлоемкости; увеличение надежности, обеспечение многотопливности и пр. Решение многих этих проблем (помимо традиционных методов совершенствования рабочего процесса, электронного управления толливоподачей и пр.) может быть достигнуто при использовании двигателей с переменными степенью сжатия 8 и/или рабочего объема Vh.
Практическая ценность работы. Использование разработанных методик расчета нагрузочных характеристик в сочетании с известными методиками расчета силового и топливного баланса автомобиля позволяет определить эффективность применения регулирования рабочего объема двигателя в составе конкретного автомобиля на конкретных скоростных режимах.
Достоверность научных результатов подтверждается экспериментальной и расчетной проверкой с использованием современных методов твердотельного моделирования.
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 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 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.
1. Теоретически обосновано понятие - объемный расход рабочего тела, характеризующее топливную экономичность двигателя. Показано, что для повышения топливной экономичности надо стремиться к тому, чтобы двигатель, работая на каждом из рабочих режимов, развивал необходимую для движения автомобиля мощность при минимальной величине объемного расхода рабочего тела. Имеются различные направления минимизации объемного расхода рабочего тела - понижение частоты вращения коленчатого вала, отключение цилиндров, пропуск рабочих циклов, регулирование степени сжатия и/или рабочего объема при управлении движением поршней. Работы в этих направлениях, проводимые в НАМИ с 80-х годов XX века, показали, что наиболее перспективным с точки зрения промышленной реализации является управление движением поршней с помощью плоских преобразующих механизмов, позволяющих регулировать степень сжатия, уменьшая за счет этого исходную величину объемного расхода рабочего тела, а также обеспечивающих регулирование рабочего объема.
2. Предложена классификация преобразующих механизмов на базе плоских кинематических цепей с кинематическими парами первого рода. Показано, что указанные механизмы могут быть подразделены на одно-, трех-, пяти- и т.п. элементные механизмы по количеству дополнительных элементов, добавляемым к трем обязательным звеньям механизма - остову, поршню и кривошипу. Простейшим преобразующим механизмом является одноэлементный механизм - традиционный кривошипно-шатунный механизм (КТТТМ). Возможности КШМ по управлению движением поршней существенно ограничены и при их использовании не удается обеспечить удовлетворительную надежность. Значительно большими возможностями регулирования степени сжатия и рабочего объема обладают трехэлементные механизмы, которые могут быть подразделены на балансирные и траверсные. Использование преобразующих механизмов с числом элементов больше трех нецелесообразно из-за увеличения количества кинематических пар и звеньев механизма.
3. Разработана классификация трехэлементных преобразующих механизмов, все многообразие которых можно подразделить на балансирные и траверсные первого и второго родов. Балансирные механизмы имеют практически такие же ограниченные возможности регулирования движения поршней, как и КШМ, но позволяют получить более надежную конструкцию двигателя. Наибольшие перспективы использования в двигателях имеют траверсные преобразующие механизмы, в которых наряду с регулированием степени сжатия имеется так же возможность изменять ход поршня.
4. Проведен комплекс исследований по выявлению влияния степени сжатия на механические потери, которые могут возрастать при минимизации объемного расхода рабочего тела. Получена зависимость механического КПД от нагрузки и степени сжатия £о на режиме полной нагрузки. И в бензиновом двигателе и в дизеле при снижение £о на 20% при соответствующем увеличении среднего эффективного давления механический КПД увеличивается в среднем на 5%. В бензиновом двигателе такое снижение £о эквивалентно двум, а в дизеле, соответственно, - трем единицам. При частичных нагрузках снижение Ео вызывает прогрессирующее увеличение механического КПД. При нагрузке 20% от полной, характерной для городского режима движения легкового автомобиля, снижение £о на 20% вызывает увеличение механического КПД на 15%. Если снизить £о на 30% (на три и пять единиц, соответственно, для бензинового двигателя и для дизеля) при городском режиме движения автомобиля механический КПД увеличится на 25%.
5. Разработана теория рационального регулирования степени сжатия, базирующаяся на безразмерном комплексе к;/кт, характеризующем эффективность преобразования химической энергии топлива в механическую работу. Получены зависимости для определения оптимальных величин максимальной и минимальной степени сжатия, а также закона ее изменения. На режиме максимальной нагрузки существует оптимальная величина степени сжатия, при которой обеспечивается максимум эффективного КПД (минимальная степень сжатия £о), определяемая величиной комплекса М<т. В дизеле из-за более высокого уровня комплекса кЛкт и оптимальная величина Ео и максимальная величина эффективного КПД выше, чем у бензинового двигателя. При снижении средней скорости поршня оптимальная величина £о увеличиваются. На режиме полной нагрузки целесообразно иметь степень сжатия меньше оптимальной величины с проигрышем по эффективному КПД в этой точке, но при этом обеспечить высокий средний уровень Г|е в возможно широком диапазоне изменения нагрузки. В двигателе с искровым зажиганием максимальная степень сжатия будет оптимальной при достижении максимума индикаторного КПД. При увеличении средней скорости поршня оптимальная величина zmax увеличивается вследствие снижения тепловых потерь из-за уменьшения времени соприкосновения стенок камеры сгорания с горячими газами. В дизелях максимальная величина степени сжатия определяется не обеспечением минимального расхода топлива на режиме холостого хода, а условиями надежного запуска холодного двигателя. Оптимальный закон изменения степени сжатия в зависимости от нагрузки может быть представлен степенной функцией, с показателем степени, определяемым величиной комплекса kj/km, диапазоном изменения степени сжатия и давлением наддува на режиме полной нагрузки.
6. Разработана математическая модель траверсного преобразующего механизма, проведен его кинематический и динамический анализ, в результате которого решена оптимизационная задача минимизации габаритных размеров механизма, нагрузок в шарнирах и усилий в органе управления степенью сжатия. Конфигурация механизма и найденные оптимальные соотношения размеров его звеньев защищены патентами развитых стран.. В траверсных двигателях и с оптимизированным преобразующим механизмом неуравновешенные силы инерции в три раза ниже, чем в двигателях с КШМ, что явилось одним из главных аргументов в пользу выбора этой схемы для разработанных и изготовленных в НАМИ двигателей.
2. Предложена классификация преобразующих механизмов на базе плоских кинематических цепей с кинематическими парами первого рода. Показано, что указанные механизмы могут быть подразделены на одно-, трех-, пяти- и т.п. элементные механизмы по количеству дополнительных элементов, добавляемым к трем обязательным звеньям механизма - остову, поршню и кривошипу. Простейшим преобразующим механизмом является одноэлементный механизм - традиционный кривошипно-шатунный механизм (КТТТМ). Возможности КШМ по управлению движением поршней существенно ограничены и при их использовании не удается обеспечить удовлетворительную надежность. Значительно большими возможностями регулирования степени сжатия и рабочего объема обладают трехэлементные механизмы, которые могут быть подразделены на балансирные и траверсные. Использование преобразующих механизмов с числом элементов больше трех нецелесообразно из-за увеличения количества кинематических пар и звеньев механизма.
3. Разработана классификация трехэлементных преобразующих механизмов, все многообразие которых можно подразделить на балансирные и траверсные первого и второго родов. Балансирные механизмы имеют практически такие же ограниченные возможности регулирования движения поршней, как и КШМ, но позволяют получить более надежную конструкцию двигателя. Наибольшие перспективы использования в двигателях имеют траверсные преобразующие механизмы, в которых наряду с регулированием степени сжатия имеется так же возможность изменять ход поршня.
4. Проведен комплекс исследований по выявлению влияния степени сжатия на механические потери, которые могут возрастать при минимизации объемного расхода рабочего тела. Получена зависимость механического КПД от нагрузки и степени сжатия £о на режиме полной нагрузки. И в бензиновом двигателе и в дизеле при снижение £о на 20% при соответствующем увеличении среднего эффективного давления механический КПД увеличивается в среднем на 5%. В бензиновом двигателе такое снижение £о эквивалентно двум, а в дизеле, соответственно, - трем единицам. При частичных нагрузках снижение Ео вызывает прогрессирующее увеличение механического КПД. При нагрузке 20% от полной, характерной для городского режима движения легкового автомобиля, снижение £о на 20% вызывает увеличение механического КПД на 15%. Если снизить £о на 30% (на три и пять единиц, соответственно, для бензинового двигателя и для дизеля) при городском режиме движения автомобиля механический КПД увеличится на 25%.
5. Разработана теория рационального регулирования степени сжатия, базирующаяся на безразмерном комплексе к;/кт, характеризующем эффективность преобразования химической энергии топлива в механическую работу. Получены зависимости для определения оптимальных величин максимальной и минимальной степени сжатия, а также закона ее изменения. На режиме максимальной нагрузки существует оптимальная величина степени сжатия, при которой обеспечивается максимум эффективного КПД (минимальная степень сжатия £о), определяемая величиной комплекса М<т. В дизеле из-за более высокого уровня комплекса кЛкт и оптимальная величина Ео и максимальная величина эффективного КПД выше, чем у бензинового двигателя. При снижении средней скорости поршня оптимальная величина £о увеличиваются. На режиме полной нагрузки целесообразно иметь степень сжатия меньше оптимальной величины с проигрышем по эффективному КПД в этой точке, но при этом обеспечить высокий средний уровень Г|е в возможно широком диапазоне изменения нагрузки. В двигателе с искровым зажиганием максимальная степень сжатия будет оптимальной при достижении максимума индикаторного КПД. При увеличении средней скорости поршня оптимальная величина zmax увеличивается вследствие снижения тепловых потерь из-за уменьшения времени соприкосновения стенок камеры сгорания с горячими газами. В дизелях максимальная величина степени сжатия определяется не обеспечением минимального расхода топлива на режиме холостого хода, а условиями надежного запуска холодного двигателя. Оптимальный закон изменения степени сжатия в зависимости от нагрузки может быть представлен степенной функцией, с показателем степени, определяемым величиной комплекса kj/km, диапазоном изменения степени сжатия и давлением наддува на режиме полной нагрузки.
6. Разработана математическая модель траверсного преобразующего механизма, проведен его кинематический и динамический анализ, в результате которого решена оптимизационная задача минимизации габаритных размеров механизма, нагрузок в шарнирах и усилий в органе управления степенью сжатия. Конфигурация механизма и найденные оптимальные соотношения размеров его звеньев защищены патентами развитых стран.. В траверсных двигателях и с оптимизированным преобразующим механизмом неуравновешенные силы инерции в три раза ниже, чем в двигателях с КШМ, что явилось одним из главных аргументов в пользу выбора этой схемы для разработанных и изготовленных в НАМИ двигателей.