Проектирование адаптивного двигателя

внутреннего сгорания

 Б.П. Семёнов, Д.В. Герасимов, С.А. Пыжов

Самара, 2000г.

 English version

Спроектирован адаптивный двигатель, допускающий четыре режима работы: четырёх - и двухтактного ДВС, пневмодвигателя и пневмотормоза с регулируемыми фазами газораспределения. Проведён тепловой и кинематический расчёты базового четырёхтактного варианта ДВС. Найдены структурные схемы патентоспособных механизмов относительного поворота и управляемого редуктора.

СОДЕРЖАНИЕ 

1.    Постановка задачи технического поиска

2.    Общее описание адаптивного двигателя

3.    Общее описание механизма относительного поворота вращающихся деталей

4.    Общее описание переключаемой передачи

5.    Режим четырёхтактного ДВС

6.    Режим двухтактного ДВС

7.    Режим пневмодвигателя

8.    Режим пневмотормоза

9.    Основные требования к системе управления ГРМ

10. Способ повышения работоспособности ДВС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Постановка задачи технического поиска

Двигатель внутреннего сгорания – частный вариант машины объёмного вытеснения, к которым относятся также насосы и компрессоры различного назначения. Из всего многообразия механизмов машин объёмного вытеснения наибольшее практическое применение в автомобилестроении получили кривошипно–ползунные поршневые механизмы, в частности четырёхтактные поршневые ДВС, отличавшиеся по сравнению с двухтактными большей экономичностью. Двухтактные ДВС до недавнего времени по экономичности уступали четырёхтактным, т. к. при карбюраторном смесеобразовании в процессе газообмена часть свежей рабочей смеси попадала в выпускной коллектор. В последние годы положение радикально изменяется в связи с распространением более совершенных систем смесеобразований, в частности систем впрыска топлива, и применением на двухтактных ДВС дополнительных клапанов, обеспечивающих реализацию продольной продувки. По мнению некоторых специалистов в ближайшие годы двухтактные ДВС могут серьёзно потеснить четырёхтактные ДВС на новых массовых автомобилях. Теоретически двухтактный ДВС по сравнению с четырёхтактным при том же рабочем объёме может обеспечить почти двухкратное увеличение литровой мощности при одних и тех же оборотах за счёт удвоения числа рабочих ходов. Обнадёживающие результаты многих фирм, выпускающих двигатели для автомобилей, в частности  Orbital Engine Co и AVL (рис.1 а, б), cвидетельствуют о возможности широкого применения двухтактных ДВС в автомобилестроении уже в ближайшие годы. В частности, в конце 2001 года заключено соглашение между Orbital Engine Co и ЗиЛом о постановке такого двигателя на российских автомобилях.

а)                                                                     б)

Рисунок 1 – Выпускающие двигатели

Современные требования экологичности и экономичности заставляют искать не только новые конструкции двигателей, но и альтернативные источники энергии. Известно множество положительных результатов по использованию на автомобилях электроэнергии. Современные электромобили имеют не только химические аккумуляторы, но и топливные элементы, как на опытном автомобиле “Антел” АвтоВАЗа, использующие в качестве топлива водород и кислород.

Наиболее оригинальным техническим предложением последних лет является использованные в качестве источника энергии для автомобиля сжатого газа. Наибольшего успеха удалось достигнуть нидерландской фирме Motor Development International(MDI), широко рекламирующей, в частности, автомобиль TOP–TAXI и заводы по их сборке. Обратим внимание на тот факт, что в силовом агрегате различных модификаций этого автомобиля использованы поршневые двигатели (рис.2 а, б, в).

а)                                           б)                                            в)

Рисунок 2 – Модификации ДВС

Следует отметить, что кроме сжатого воздуха известны предложения использовать в качестве ”топлива” для поршневого ДВС автомобиля жидкий азот, весьма перспективного для городского автотранспорта, в частности, тех городов, где имеется производства кислорода.

Таким образом, поршневые машины объёмного вытеснения имеют перспективы дальнейшего практического применения не только в ДВС, работающих на жидком топливе, но и на других видах топлива.

Поршневые ДВС в известных конструкциях некоторых тяжёлых автомобилей имеют ещё один рабочий режим – использование в качестве тормозящего устройства. Большие грузовики и автобусы фирм Caterpiller, MAN и других, используют тормозные системы прежде всего фирм Jake Brake и MAN (рис.3 а, б), в которых за счёт применения дополнительных гидроприводов газораспределительного механизма, двигатель переводят в режим работы компрессора.

а)                                                                 б)

Рисунок 3 – Переход двигателя в режим работы компрессора

Общими конструктивными элементами для двух и четырёхтактного ДВС, пневмодвигателя и пневмотормоза является цилиндр, установленный с возможностью свободного перемещения в нём поршень (ползун), кинематически связанный с кривошипом при помощи шатуна. Перевод подобной машины объёмного вытеснения с одного режима работы на другой может быть реализован за счёт изменении фаз газораспределения. По этой причине практический интерес представляет совершенствование систем изменения фаз газораспределения четырёхтактного ДВС.

Фазы распределения (газораспределения) - углы открытия и закрытия клапанов, исчисляемые в градусах поворота коленчатого вала от теоретических мертвых точек.

Фазы газораспределения называют богатыми, когда углы действия клапанов большие, а следовательно и велики отклонения начала и конца работы клапанов от теоретических мертвых точек соответствующего кривошипа, и бедными - когда эти углы сравнительно малы (табл.1, рис.4а и 4б).

Таблица 1 – Примеры фаз газораспределения четырёхтактного ДВС 

 Исходя из условий удешевления производства (одни и те же копиры), широко применяются фазы распределения с равными углами действия всасывающих и выхлопных клапанов (рис. 4а), но при определённом ущербе в работе газораспределительной системы.

     а)                                                б)

Рисунок 4 – Фазы газораспределения

Теоретическое определение фаз распределения невозможно так же, как невозможно теоретически подобрать трубопроводы из-за весьма большого количества факторов, совокупность влияния которых настолько сложна, что не поддаётся аналитическому решению.

Поэтому при проектировании двигателя фазы распределения намечаются ориентировочно по аналогии с фазами распределения уже работающих и зарекомендовавших себя двигателей сходного типа, а по изготовлении опытного экземпляра путем заводских, иногда очень длительных, испытаний окончательно подбираются и фазы распределения, и трубопроводы и регулировка карбюратора, т. е. вся газораспределительная система в целом. Этот подбор особенно тщательно производится на рабочих режимах и оборотах двигателя, где желательно получить наиболее полную характеристику.

Ниже приведены практически апробированные диапазоны варьирования моментов открытия и закрытия клапанов ДВС.

Таблица 2 –  Рекомендуемые диапазоны изменения фаз газораспределения четырёхтактного ДВС

 Сказанное о карбюраторных двигателях применимо и для двигателей газовых, газогенераторных и дизелей.

Известно, что для того чтобы мотор имел малую массу и размеры необходимо повышать его рабочие частоты вращения, что приводит при заданной мощности к снижению крутящего момента на валу двигателя. Однако, для автомобиля желательно, например при движении по бездорожью, понижение частоты вращения выходного вала при соответствующем увеличении крутящего момента. Таким образом, к нему предъявляются противоречивые требования, и из-за этого возникает необходимость введения в газораспределительный механизм системы, регулирующей фазы газораспределения в процессе работы двигателя.

Одной из первой осмелилась на такой решительный шаг компания Alfa-Romeo в 1983 году. Она установила на двигателе гидромеханическую систему, работающую по сигналам электронной системы управления двигателем, которая вращением меняла исходное угловое положение из двух верхних вращающихся распредвалов, а именно распредвала впускных клапанов в течение движения автомобиля. Позднее этот же принцип был использован фирмами Daimler-Benz и Nissan. Более сложную систему VTEC, предусматривающую одновременное изменение хода подъема клапанов, предложила компания Honda. В настоящее время обе эти системы продолжают находиться на производстве, существенно корректируя прохождение кривой максимального момента по оборотам. На низких оборотах величину крутящего момента удается поднять на 25 - 30%, а при номинальной частоте вращения - на 5%. Подъем клапанов одновременно с регулированием фаз газораспределения позволил добиться, чтобы при низких частотах вращения скорость входа воздуха в цилиндр была достаточной для интенсивной турбулизации заряда.

Таким образом, задачу технического поиска настоящего проекта можно сформулировать следующим образом: проектирование механической системы изменения фаз газораспределения четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания, ориентированной на возможность массового производства, отличающейся патентной новизной.

 В качестве прототипа принят наиболее современный двигатель автомобиля ВАЗ–2112 АО “АвтоВаз” с двумя распределительными валами. Из-за отсутствия чертежей этого двигателя исходные данные выбраны по материалам открытой печати [4].

2. Общее описание адаптивного двигателя

Известны двигатели внутреннего сгорания, состоящие из машины объемного вытеснения c раздельными кулачковыми валами впускных и выпускных клапанов с механизмами регулирования начала фаз открытия клапанов и шкивами, связанными гибкой связью, например зубчатым ремнем, с ведущим шкивом коленчатого вала, в частности по патенту РФ № 2109145 на «Соединение двигателя и шестеренного привода и двигатель».

Недостатком известного двигателя можно считать ограниченную область практического применения.

Известен современный пневмодвигатель MDI с механизмом машины объемного вытеснения более сложным по сравнению с традиционным кривошипно-ползунным механизмом большинства современных ДВС.

Недостатком последнего устройства, использующего в качестве источника энергии сжатый газ, можно считать ограниченную область практического применения.

Цель – расширение области практического применения механизма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

С этой целью ведущий шкив связан с коленчатым валом переключаемым редуктором, установлены датчики положения кулачковых валов и шкивов, а также блок управления механизмами регулирования начала фаз перемещения клапанов.

На рис. 5 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Кулачковые валы 1 и 2 соответственно впускных и выпускных клапанов четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, не показанного на чертеже, связаны с ведомыми шкивами 3 и 4 при помощи механизмов регулирования начала фаз перемещения клапанов 5 и 6, например по патенту РФ №2109145 или другого устройства, с управляемыми приводами, также не показанными на чертеже. Гибкая связь, например зубчатый ремень, 7 передает вращение от ведущего шкива 8, связанного  коленчатым валом двигателя, не показанного на чертеже, переключаемым редуктором

Рисунок 5 – Адаптивнй двигатель  

Натяжной ролик 10 компенсирует допуск на длину зубчатого ремня 7, его вытяжку и обеспечивает удобство сборки ременной передачи.

Метки 11, 12 и 13 соответственно на шкивах 3, 4 и 8, а также метки 14 и 15 – на кулачковых валах 1 и 2 выполнены для регистрации на каждом обороте угловых смещений Δ φ₁ и Δ φ₂ каждого ведомого вала 1 и 2 от ведущего шкива 8 при помощи жестко связанных с корпусом двигателя датчиков, не показанных на чертеже, сигналы которых передаются на блок управления 16.

Предлагаемый двигатель имеет четыре основных режима работы: четырехтактного ДВС, двухтактного ДВС, пневмодвигателя и пневмотормоза.

Режим четырехтактного ДВС. Переключаемый редуктор 9, конструкция которого не существенна для данного описания, жестко связывает коленчатый вал двигателя с ведущим шкивом 8. При диаметре ведущего шкива 8, равном половине диаметров ведомых шкивов 3 и 4, за два оборота коленчатого вала кулачковые валы совершают по одному обороту. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала, сигналов датчиков от меток 11-15 и прочих, принятых во внимание факторов, блок управления 16 формирует соответствующие сигналы на приводы механизмов 5 и 6, изменяющих моменты начала фаз перемещения клапанов.

Режим двухтактного ДВС. Переключаемый редуктор 9 повышает в два раза частоту вращения ведущего вала 8. За один оборот коленчатого вала двигателя кулачковые валы совершают также по одному обороту. Блок управления 16 по соответствующей программе перестраивает механизм газораспределения с четырехтактного на соответствующий базовый двухтактный вариант и корректирует смещение Δφ₁ и Δφ₂ в процессе работы двигателя.

Режим пневмодвигателя. При двухтактном и четырехтактном режиме работы, учитывая возможности изменения фаз газораспределения при помощи механизмов 5 и 6, двигатель может использовать в качестве источника энергии сжатый газ.

Следует признать, что без существенных доработок использование стандартного ДВС в качестве пневмодвигателя не обеспечит высокого энергетического совершенства. Однако, этот режим может получить практическое применение при запуске двигателя или при кратковременной езде по экологически чистым территориям.

Режим пневмотормоза. Изменяя фазы газораспределения двигателя, используем его в качестве компрессора, в частности при движении на спусках, а также при торможении.

По сравнению с известными системами торможения двигателем, например Jake Brake или MAN, предлагаемый двигатель не требует для реализации этого режима никаких доработок.

По сравнению с прототипом, за который принят двигатель по патенту РФ № 2109145, предлагаемый двигатель имеет более широкую область практического применения.

В предлагаемом двигателе изменение фаз газораспределения осуществляет электромеханическая система управления со специальным бортовым компьютером, принципиальная схема которой не существенна в рамках настоящего описания.

3. Общее описание механизма относительного поворота вращающихся деталей

Известно «Соединение двигателя и шестеренчатого привода и двигатель» по патенту РФ № 2109145 (рис.6), в котором для достижения относительного поворота вращающихся шкива и вала использован зубчатый планетарный механизм.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции при ограниченной работоспособности.

Рисунок 6 – Зубчатый планетарный механизм

 Цель – повышение технологичности изготовления и работоспособности.

С этой целью вал и шкив, неподвижный корпус и дополнительно установленные соосно с валом втулка, кольца с ведомым и ведущими пальцами выполнены в виде вращательных кинематических пар, при этом вал и шкив, корпус и втулка выполнены с прорезями, в которые установлены соответственно ведомый и ведущий пальцы.

На рис.7 приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Вал 1, свободно вращающийся в неподвижном корпусе (стойке), и шкив 2, неподвижный корпус 3 и дополнительно установленные соосно с валом втулка 4, кольца 5 и 6 соответственно с ведомым 7 и ведущим 8 пальцами выполнены в виде вращательных кинематических пар, при этом между ними может быть установлен подшипник качения 9. Вал 1 и шкив 2 выполнены с пазами 10 и 11, корпус 3 и втулка 4 – с пазами 12 и 13, в которые установлены соответственно ведомый 7 и ведущий 8 пальцы. Втулка 4 может быть выполнена с червячным колесом 14, сопряженным с червяком 15, приводимым во вращение, например, реверсируемым электродвигателем, не показанным на схеме.

При повороте втулки 4 палец 8, взаимодействуя со стенками пазов 12 и 13, как минимум один из которых выполнен винтовым, перемещается вдоль оси вала 2.

Рисунок 7 – Механизм относительного поворота вращающихся деталей

 Перемещение ведущего пальца 8, а следовательно и кольца 6, приводит к перемещению и ведомого пальца 7, который, взаимодействуя со стенками пазов 10 и 11, поворачивает вал 1 относительно шкива 2, как в состоянии покоя, так и при вращении последнего.

По сравнению с прототипом, за которой принято устройство по патенту РФ № 2109145,предлагаемый механизм отличается более технологичной конструкцией и при использовании современных материалов и технологий повышения контактной прочности обладает высокой работоспособностью и надежностью.

4. Общее описание переключаемой передачи

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому является дифференциальный зубчатый механизм с двумя свободно вращающимися центральными шестернями и сопряжёнными с ними, как минимум, одним сателлитом с водилом.

При вращении одной из центральных шестерён дифференциальный механизм не обеспечивает определённости передаточного отношения между центральными шестернями.

Цель – достижение двух разных передаточных отношений между центральными шестернями.

С этой целью водило связано вращательной кинематической парой с дополнительно установленной с возможностью перемещения вдоль вала одной из шестерен кареткой, а другая шестерня и каретка, водило и неподвижное основание выполнены с элементами кулачковых муфт сцепления.

На рис.8 показана структурная схема предлагаемого механизма.

Центральная шестерня 1 установлена с возможностью свободного вращения на оси шестерни 2, свободно вращающейся в неподвижном корпусе 3, а сопряженный с ним сателлит 4 , в частности двухвенцовый с венцами 4 и 4^I - на водиле 5. Дополнительно установленная с возможностью свободного перемещения вдоль оси вала шестерни 2 каретка 6, например с использованием шпоночного или шлицевого соединения, связана вращательной кинематической парой с водилом 5. Шестерня 1 и каретка 6 выполнены с сопрягаемыми элементами 7 и 8 кулачковой муфты сцепления, показанной в разъединенном положении. Водило 5 и неподвижный корпус 3 также выполнены с элементами 9 и 10 кулачковой муфты сцепления. Шестерня 1 может быть выполнена со шкивом 11.

При введении в зацепление элементов 9 и 10 кулачковой муфты “водило 5 – неподвижный корпус 3”, как показано на чертеже, вращение от ведущей шестерни 2 передается на сателлит 4, а затем - на ведомую шестерню 1.

 Рисунок 8 – Переключаемая передача

 При передаточном отношении U_2-4= -Z₄/ Z₂= -0,5 и U₄^I_-1= - Z₁ / Z₄^I= -1, достигается передаточное отношение U_2-1=0,5, т.е. ведомая шестерня 1 вращается в два раза быстрее ведущей шестерни 2.

При введении в зацепление элементов 7 и 8 кулачковой муфты «шестерня 1- каретка 6», достигается «прямая передача» между шестерней 2 и шестерней 1, т.е. они вращаются с равными угловыми скоростями. Относительные смещения шестерен 1 и 4^I, а также 2 и 4, не влияют на работоспособность устройства, т.к. в этом случае на сателлит 4 никакого крутящего момента не передаётся.

При выведении из зацепления элементов кулачковых муфт 7 и 8, а также 9 и 10, передача вращения между шестернями 1 и 2 исключается, т.е. обеспечивается «холостой ход».

Особенность предлагаемого устройства заключается в исключении «холостого вращения» сателлита 4 при «прямой передаче», что повышает его ресурс и работоспособность.

По сравнению с прототипом – зубчатым дифференциальным механизмом - предлагаемое устройство обеспечивает возможность достижения двух передаточных отношений, а также холостого хода между центральными шестернями.

5. Режим четырёхтактного ДВС

За один оборот коленчатого вала ведущий шкив совершает один оборот, следовательно при диаметре ведомых шкивов равных удвоенному диаметру ведущего шкива, за два оборота коленчатого вала оба распределительных вала совершают по одному обороту.

Для построения профиля кулачка должны быть заданы: 1) фазы распределения, 2) высота подъёма клапана, 3) зазор между толкателем и клапаном, 4) отношение плеч рокеров и верхних коромысел (при верхних клапанах), 5) радиус ролика или скользящей поверхности рокера (в случае толкателя с плоской тарелкой этот радиус равен бесконечности) (рис.9 а, б).

а)                                                                б)

Рисунок 9 – Профиль кулачка

Если предварение открытия клапана - А и запаздывание закрытия - В, то угол кулачка α можно определить следующим образом

т. к. кулачок вращается вдвое медленнее, чем кривошип. Например: всасывающий клапан открывается за 20˚ до В.М.Т. и закрывается, когда кривошип повернётся на 50˚, пройдя Н.М.Т., тогда при нулевых зазорах между элементами кулачкового механизма (рис. 9 б.).

α= =125˚30΄

При проектировании ГРМ большое значение имеет проблема профилирования кулачков. Профиль кулачка должен удовлетворять следующим основным требованиям: а) определяемое им время-сечения клапана должно быть возможно больше; б) ускорения (или замедления) движения клапана не должны превосходить известного предела, так как иначе для противодействия силам инерции понадобятся очень сильные пружины, которые увеличивают механические потери и нежелательны по чисто конструктивным причинам; в) кулачок должен быть достаточно прост в производственном отношении; с этой точки зрения наиболее удобны выпуклые профили, состоящие из дуг и прямых линий; они и применяются обычно на практике; профили, имеющие вогнутые участки кривой, могут быть отшлифованы только в том случае, если радиус имеющихся в наличии шлифовальных камней меньше минимального радиуса кривизны соответствующего участка профиля.

Как было отмечено ранее, возможность изменения фаз газораспределения существенно улучшает характеристики двигателя. Следует отметить, что известны системы газораспределения в которых, за счёт применения электромагнитного привода изменяется как продолжительность фаз подъёма и опускания клапана, так и момент начала открытия клапана. В наиболее распространённых системах ГРМ используются кулачковые механизмы с постоянными фазами удаления и возврата. В регулируемых ГРМ с кулачковыми валами наиболее часто применяют механизмы, допускающие в процессе работы двигателя изменения момента начала открытия клапанов, а следовательно, и уже не занимаясь изменением фаз удаления и возврата кулачкового механизма. В этом случае при постоянном угле кулачка также происходит изменение фаз ГРМ. Концентрация внимания на системе регулирования ГРМ с применением традиционных кулачковых распределительных валов обеспечивает возможность создания надёжных и работоспособных двигателей.

Совершенство работы двухтактного и четырёхтактного двигателей зависит не столько от размеров впускных и выпускных органов, сколько от фаз распределения. Последние же невозможно рассчитать сколько-нибудь достоверно.

Например, в НАМИ был сконструирован двухтактный двигатель, запроектированный на мощность 90 л.с. при 1800 об/мин., показал при первом испытании 23 л.с.(!) и 1525 об/мин. После 14 переделок (распиливания окон, устройства добавочных окон пр.) мощность двигателя удалось довести до 85 л.с. при 1630 об/мин.

Для автомобильного мотора крайне желательно большое значение крутящего момента на низких частотах вращения коленчатого вала. При увеличении крутящего момента с уменьшающейся одновременно частотой вращения двигателя в случае движения автомобиля на подъеме его скорость падает, но при этом нет необходимости переключать коробку передач на более низкую ступень, что удобно для водителя, и такой характеристике момента всегда отдают предпочтение.

Зависимость крутящего момента двигателя от его частоты вращения в значительной степени обусловлена фазами газораспределения, т.е. моментами открытия и закрытия клапанов. Для получения хорошего наполнения цилиндров при низких частотах вращения коленвала не требуется большого запаздывания закрытия впускного клапана после низшей мертвой точки (НМТ), поскольку при низких скоростях воздуха, проходящего через клапанную щель в этих условиях, цилиндр хорошо наполняется горючей смесью. Поэтому впускной клапан при низких частотах вращения желательно закрывать сразу после НМТ.

В период хода расширения для достижения большого значения крутящего момента, чтобы давление газов в цилиндре действовало на поршень как можно дольше, и выпускной клапан открывался по возможности как можно ближе к положению поршня в НМТ. При низких частотах вращения малой продолжительности открытия клапана достаточно для снижения давления газов в цилиндре прежде, чем поршень дойдет до НМТ, и на такте выпуска при движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) на него уже не будет действовать большое противодавление отработавших газов.

При высоких частотах вращения картина выглядит по-иному. Время открытия клапанов сокращается и поэтому для хорошего наполнения цилиндра и хорошей его очистки клапаны должны быть открыты в течение большего угла поворота коленчатого вала. Таким образом, впускной клапан должен закрываться позднее, а выпускной - открываться раньше относительно НМТ. Такие фазы газораспределения естественно невыгодны при низких частотах вращения, так как в этом случае перед закрытием впускного клапана происходит выталкивание части воздуха, поступившего в цилиндр ранее, а выпускной клапан открывается слишком рано, и из цилиндра отводятся газы с относительно высоким давлением, т.е. с не полностью использованной энергией.

Ниже приведены примеры  фаз газораспределения некоторых четырёхтактных ДВС.

Двигатель АDD.16 автомобиля Моррис 1100. Распределительный вал обеспечивает следующие фазы газораспределения: открытие впускного клапана 5˚ до в.м.т., закрытие 45˚ после н.м.т., открытие выпускного клапана 55˚ до н.м.т., закрытие 21˚ после в.м.т.

Двигатель автомобиля Стандар-Триумф. Фазы газораспределения следующие: впускной клапан открывается за 18˚ до в.м.т. и закрывается через 58˚ после н.м.т.; выпускной клапан открывается за 58˚ до н.м.т. и закрывается через 18˚ после в.м.т.

В двигателе с рабочим объёмом 948 см3 были увеличены диаметры впускного канала и впускного трубопровода в соответствии с изменением диаметра смесительной камеры карбюратора с 26 до 28 мм. Фазы газораспределения были изменены. Впускной клапан открывался за 12˚ до в.м.т. и закрывался через 52˚ после н.м.т., а выпускной клапан открывался за 52˚ до н.м.т. и закрывался через 12˚ после в.м.т.

Таким образом, при современном состояний наших знаний будет вернее при назначении фаз газораспределения окон следовать тому пути, который намечен выше, т.е. задаваясь средней распределительной характеристикой (как это и практикуется при расчёте четырёхтактных двигателей), установить их в соответствии с теоретическими и практическими данными, имея в виду, что окончательные поправки будут внесены экспериментально.

Общие рекомендации по выбору диапазонов изменения фаз газораспределения четырёхтактного ДВС приведены ранее в табл. 1.

Адаптивный двигатель допускает возможность изменения фаз газораспределения в процессе работы. Не изменяя фаз удаления и возврата кулачкового механизма, т. е. при постоянных углах кулачков распределительных валов регулируем моменты начала открытия клапанов. Бортовой компьютер системы управления подаёт на привод механизмов относительного поворота соответствующего команды, обеспечивающие работу двигателя для требуемого режима двигателя автомобиля.

Предварительно на основе теоретических и экспериментальных исследований подбираются фазы газораспределения двигателя для следующих активных режимов двигателя автомобиля: экономичный, скоростной, тяговый и экологический. Проектирование системы управления выходит за рамки настоящего проекта. Далее будут сформулированы основные требования к ней.

Фазы газораспределения для четырёхтактного базового режима работы проектируемого двигателя приведены на (рис.10а). Изменения фаз газораспределения при постоянном коэффициенте повышения давления k=P_z/P_c приводит к изменениям как мощности, так и частот вращения выходного вала двигателя на установившихся режимах работы (рис.10б). Использование распределительных валов с разными по величине углами кулачков расширяют диапазон возможных изменений мощности двигателя (рис.10в).

 Рисунок 10 – Режим четырёхтактного ДВС

6. Режим двухтактного ДВС

За один оборот коленчатого вала ведущий шкив совершает два оборота, следовательно, при диаметре ведомых шкивов равному удвоенному диаметру ведущего шкива за один оборот коленчатого вала оба распределительных вала также совершают по одному обороту. Удвоение оборотов ведущего шкива обеспечивает переключаемая передача.

Двухтактный режим работы требует продувки цилиндра в районе НМТ. По этой причине по команде системы управления распределительного вала выпускных клапанов поворачивается относительно своего шкива и обеспечивается фаза выпуска Δφ₂, превышающую фазу впуска Δφ₁. (рис.11). Для повышения эффективности процента газообмена желательно выпускной клапан открыть раньше впускного, а закрытие выпускного также должно определить закрытие впускного клапана.

На рис.(11а, б, в) приведены индикаторные диаграммы, а также значения мощности и частоты вращения на установившимся режиме работы для различных сочетаний фаз впускных и выпускных клапанов при угле кулачка выпускного распределительного вала, превышающего угол кулачка впускного.

Расчёты проведены с использованием программы Piston, обеспечивающей определение установившегося режима работы двухтактного ДВС.

Выбор в качестве основного режима работы проектируемого двигателя режим четырёхтактного ДВС накладывает определённые ограничения, исключающие возможность оптимизации его двухтактного режима работы. В частности приходится использовать распределительные валы с кулачками, углы которых оптимальны. Однако, как видно из приведённых на (рис.11 б) диаграмм двухтактный режим обеспечивает существенное приращение мощности проектируемого двигателя.

Рисунок 11 – Режим двухтактного ДВС

7. Режим пневмодвигателя.

Переключаемый редуктор обеспечивает один оборот распределительных валов за два оборота коленчатого вала.

Использование сжатого газа в качестве источника энергии для поршневого двигателя требует принципиальных изменений приводов, в частности привода впускных клапанов. Теоретически идеальным можно считать кратковременное открытие впускного клапана в работе ВМТ. Использование распределительного вала впускных клапанов базового четырёхтактного двигателя требует нестандартного подхода и организации процесса газообмена.

В качестве рабочей гипотезы принимаем следующее. При симметричном расположении угла кулачка относительно ВМТ работа сжатого газа из баллона высокого давления примерно, равна работе его расширения. При фазе впуска Δφ₁‹α₁/2 (рис.12в), т.е. при времени открытия впускного клапана при его подходе к ВМТ меньшем времени его закрытия при удалении от ВМТ, возможно - при исключении утечек через уплотнения поршня – совершение полезной работы (рис.12б.).

Рисунок 12 – Режим пневмодвигателя

8. Режим пневмотормоза

Возможности изменения фаз газораспределения поршневого двигателя обеспечивает реализацию режима пневмотормоза.

Предварительно прекращается подача в цилиндры топлива и отключается система зажигания.

Четырёхтактный режим. Переключаемый редуктор ведущего шкива обеспечивает один оборот каждого из ведомых шкивов за два оборота коленчатого вала.

Изменяются фазы газораспределения (рис.13а), что приводит к изменению параметров индикаторной диаграммы (рис.13б). При вращении коленчатого вала необходимо совершить работу по преодолению сопротивления сжимаемого в цилиндр воздуха.

Двухтактный режим. Переключаемый редуктор ведущего шкива обеспечивает один оборот каждого из ведомых шкивов за один оборот коленчатого вала.

Изменение фазы газораспределения (рис.13в) обеспечивает достижение работы сжатия воздуха в цилиндрах, что подтверждается индикаторными диаграммами (рис.13г), т.е. переводят двигатель в режим пневмотормоза.

Следует отметить, что использование наддува приводит к существенному увеличению эффективности режима торможения (рис.13б и рис.13г).

Как и на режиме двигателя, корректировка фаз газораспределения на режиме пневмотормоза позволяет оптимизировать процесс торможения автомобиля с учётом его массы, скорости движения, а также передаточного отношения от ведущих колёс к валу двигателя.

Рисунок 13 – Режим пневмотормоза

9. Основные требования к системе  управления ГРМ

Бортовой компьютер системы управления двигателем (рис.14) связан с датчиками положений ведущего и ведомых шкивов и кулачковых валов и с приводами механизмов относительного поворота и переключаемой передачи.

Установка датчиков положений ведущего и ведомых шкивов позволяет определить углы рассогласований γ₁ и γ₂ отметок ВМТ ведомых и ведущего шкива.

Датчики положений кулачковых валов впускных и выпускных клапанов обеспечивают возможность регистрации фаз моментов начала их открытия Δφ₁ и Δφ₂.

По командам бортового компьютера приводы механизмов относительного поворота и переключаемой передачи обеспечивают переход на один из четырёх режимов работы, а также оптимизацию этих процессов.

Система управления механизмом газораспределения двигателя на любом из режимов работы может быть использована и для реализации различных режимов движения автомобиля. Можно выделить четыре основных режима движения автомобиля:

1.     Скоростной режим.

2.     Экономичный режим.

3.     Тяговый режим.

4.     Экологичный режим.

Каждый из перечисленных выше режимов обеспечивает оптимизацию одного из требуемых параметров при некотором допустимом ухудшений других. Например, на скоростном режиме движения можно допускать некоторое повышение расхода топлива, на экономичном – некоторое снижение скорости движения, на тяговом –  максимальное увеличение крутящего момента на ведущих колёсах, на экологичном – пожертвовать и скоростью, и мощностью движения, ради минимизации вреда окружающей среде.

Разработка системы управления ГРМ выходит за рамки настоящего проекта. Основное внимание было сконцентрировано на поиске оригинальных механизмов, допускающих практическую реализацию возможностей перспективных систем управления.

Рисунок 14 – Блок-схема системы управления ГРМ

10. Способ повышения работоспособности ДВС

Известны различные способы повышения  работоспособности ДВС с искровым зажиганием, обеспечивающие его работу на обедненной рабочей смеси  за счет местного повышения концентрации топлива рабочей смеси в области электродов свечи.

          Наиболее близким к предлагаемому является способ, при котором устанавливают центральный и боковой электроды запальной свечи по потоку рабочей смеси из-под впускного клапана.

          Недостатком последнего способа можно считать  малую его эффективность при использовании стандартной запальной свечи.

          Цель - повышение эффективности .С этой целью увеличивают аэродинамическое сопротивление бокового электрода запальной свечи.

Известны различные устройства, реализующие способы повышения работоспособности ДВС с искровым зажиганием за счет увеличения местной концентрации топлива рабочей смеси в области зазора между электродами свечи. Используются крышка цилиндров и днище поршня специальной формы, например, поршни  с дефлекторами и углублениями, а также устройства впрыска топлива в район свечи.

Наиболее близким к предлагаемому устройству можно считать традиционную запальную свечу с корпусом, центральным и  боковым электродами  

Недостатком известного устройства является относительно низкое его аэродинамическое  сопротивление потоку рабочей смеси из-под впускного клапана.

Цель - повышение эффективности предлагаемого способа. С этой целью корпус выполняется с меткой на наружной части в плоскости «ось центрального - ось симметрии бокового электрода»  и боковой электрод выполнен с уширенным основанием; на боковом электроде установлен дополнительный экран.

          На рис.15а показана метка на корпусе запальной свечи, на рис.15б - свеча с уширенным основанием бокового электрода, на рис.15в - с дополнительным экраном.

          Запальная свеча с корпусом 1, центральным 2 и боковым 3 электродами выполнена с меткой 4, например, с точкой, выполненной кернением, в плоскости оси 0₁0₁ центрального 1 и осью симметрии 0₂0₂ бокового электрода 2 (рис.15а). Боковой электрод 3 выполнен с уширенным основанием 5 (рис.15б).  Вспомогательный экран  6 может быть установлен как на свечу с уширенным основанием 5 , так и на стандартный ее вариант (рис.15в).

          При традиционном способе установки запальной свечи на двигатель положение бокового электрода не контролируется. Как убеждает опыт , его положение практически не влияет на процесс воспламенения рабочей смеси при достаточной концентрации в ней топлива. Однако, при холодном пуске и при работе  на обедненной смеси установка запальной свечи таким образом, что рабочая смесь из-под впускного клапана сначала набегает на центральный 2, а затем- на боковой 3 электроды, существенно улучшает работу двигателя.

          Опытная проверка этого способа на обычных свечах убеждает в его эффективности. Метка 4 на наружном корпусе запальной свечи облегчает предлагаемый вариант установки ее на двигатель. Уширенный в основании 5 боковой электрод 3 существенно увеличивает его аэродинамическое сопротивление потоку рабочей смеси из-под впускного клапана, что повышает концентрацию топлива рабочей смеси в области искрового зазора между электродами 2 и 3.

          Дополнительный экран 6 на боковом электроде 3 значительно увеличивает возможности создания оптимальной аэродинамики в области искрового зазора. Существенным фактором является возможность установки экрана 6 как на электроде 3 с уширенным основанием 5, так на серийных традиционных свечах.

          По сравнению с прототипами, за который приняты известные способ и  свеча, предлагаемый способ, основанный на увеличении аэродинамического сопротивления бокового электрода, и свеча с уширенным основанием бокового электрода и дополнительным экраном обеспечивает эффективность воспламенения обедненной рабочей смеси, что повышает работоспособность двигателя.

Рисунок 15 – Способ повышения работоспособности ДВС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты настоящего проекта подтверждают возможность создания многорежимного ДВС и могут быть использованы на этапе эскизного проектирования.

Следует отметить, что создание подобного двигателя связано с разработкой системы управления, требующей помимо теоретического обоснования достаточно большого объёма предварительно проведённых экспериментальных исследований.

Практическую ценность представляет организация работ по созданию предлагаемого адаптивного двигателя. На первом этапе – создание четырёхтактного варианта, затем – многорежимного варианта. 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.     Орлин А.С. Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1980. – 570с.

2.     Лукачёв С.В. Основы рабочего процесса и характеристики ДВС: Учебное пособие. Куйбышев: КуАИ, 1987. – 76с.

3.     Косарев С.Н., Козлов П.Л., Волгин С.Н., Яметов В.А. Автомобили  ВАЗ-2110 Устройство, ремонт, эксплуатация, техническое обслуживание – М.: Колесо,  2001. – 240с.

4.     Иерусалимский А.М. Теория и расчёт мотоцикла.– М.: Машгиз 1947. – 415с.

5.     Панкратов С.Ю. Двигатели внутреннего сгорания, автомобили, трактора и их эксплуатация. – М.: Высшая школа, 1989. – 205с.

6.     Крайнев А.Ф. Механика машин / Фундаментальный словарь. – М.: Машиностроение, 2000. – 289с.

7.     Семёнов Б.П. Кинематика двигателей внутреннего сгорания / Тезисы лекций. – Самара: СГАУ, 2001. – 114с.

8.     Пат. №2168057 РФ. Способ подготовки двигателя с искровым зажиганием к работе на обеднённой рабочей смеси и свеча зажигания для его реализации / Б.П. Семёнов, С.А. Пыжов. МКИ F 02 P 13/00, H 01 T 13/02.

9.     Способ повышения работоспособности двигателя внутреннего сгорания / С.А. Пыжов // VI Королёвские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция, Самара, 3 – 4 октября 2001г.: Тезисы докладов. Том 1. – Самара; Издательство Самарского научного центра Российской академии наук, 2001. – 113с.

10. Б.П. Семёнов, Д.В. Герасимов, С.А. Пыжов Модификация четырёхтактного ДВС: Уч. Пособие / Самара, Самарский гос. аэрокосм. ун-т., 2002.– 38с.

Назад на первую страницу