Совершенствование конструкции газораспределительного механизма двигателей

Гришко А.К., Аверьянова Е. С. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЕЙ

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются источниками энергии для наземных транспортных средств, сельскохозяйственных, дорожно-строительных машин, тепловозов, речных и морских судов, и в своем большинстве относятся к классу транспортных двигателей.

Анализ многочисленных исследований по режимам работы транспортных ДВС в эксплуатации показывает, что для них характерны, во-первых, частая смена режимов, во-вторых, значительная доля времени работы на режимах холостого хода и малых нагрузках.

Увеличение удельного расхода топлива при работе ДВС на режимах холостого хода, малых нагрузок и переходных процессах в основном определяется ухудшением смесеобразования, увеличением относительных по-

терь теплоты в охлаждающую жидкость и масло, температура которых на частичных режимах, как правило, понижается.

Так же при работе двигателей на малых нагрузках увеличивается относительная доля затрат полезной мощности на преодоление механических сопротивлений, а при работе на холостом ходу вся развиваемая двигателем мощность (15...25 %) расходуется на преодоление трения, газообмен и на привод вспомогательных механизмов.

Анализ различных способов снижения расхода топлива на этих режимах показал, что наиболее эффективным оказывается способ отключения части цилиндров. Для четырехтактных двигателей он позволяет снизить расход топлива на 20.30% на указанных режимах, что выразится в снижении среднеэксплуатационного потребле-

ния топлива на 1.5%.

Одним из способов уменьшения расхода топлива является отключение цилиндров на холостом ходу и малых нагрузках. Регулирование мощности этим способом наиболее эффективно при большом мощностном диапазоне работы двигателя.

Современные системы отключения цилиндров включают два коренных направления:

- отключение топливоподачи;

- изменение газообмена.

Основным недостатком данного способа изменения мощности всех многоцилиндровых двигателей с отключающимися цилиндрами, является то, что в этом случае одна половина (часть) цилиндров ДВС должна быть основной, а вторая половина (часть) - вспомогательной. Естественно основная группа цилиндров подвержена более интенсивному износу, в сравнении со вспомогательной.

Если отключение цилиндров осуществляется за счет прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры, то в этом случае в обязательном порядке, даже при использовании общей рубашки охлаждения и запирания отработавших газов в полости отключенных цилиндров, будет наблюдаться изменение температурного режима отключенных цилиндров, а их выход на требуемый режим функционирования, в случае подключения, потребует дополнительных затрат топлива и времени.

Если же отключение части цилиндров осуществляется за счет разрыва кинематической связи, то такое техническое решение предполагает наличие сложного кинематического звена, обеспечивающего не только кинематическую связь ДВС, но и их синхронизацию. В дополнении к этому также будет присутствовать проблема повышенного износа основного модуля цилиндров и нарушение температурного режима дополнительного (вспомогательного).

Наиболее вероятным способом устранения указанных недостатков, обеспечения стабилизации параметров функционирования, а именно температурного режима, экономичности, уменьшения вредных выбросов, а также обеспечения равномерности износа деталей цилиндро-поршневой группы в известных многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания, работающих как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу, дизельных ДВС или ДВС легкого топлива с распределенным или непосредственным впрыском, является способ дискретного изменения мощности на средних нагрузках при эксплуатации на незначительных нагрузках за счет изменения порядка работы ДВС.

Реализация поставленной задачи достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания обеспечивается поочередный пропуск срабатывания цилиндров в зависимости от требуемой мощности на каждом обороте коленчатого вала, т. е. применительно к шестицилиндровому рядному четырехтактному ДВС с порядком работы 1 -

3 - 5 - 6 - 4 -2, при переходе на 50 % значение мощности требует изменения порядка работы, и порядок

работы станет 1 - 0 - 5 - 0 - 3 - 0 - 6 - 0 - 2 - 0 - 4, при этом, если при 100 % мощности угол перекрытия тактов рабочего хода составлял 60°, то при переходе на 50 % отбор мощности необходимо смещение на 60° между тактами рабочего хода. Переход на низшую 10 - 25 % мощность возможен по двум вариантам: это вариант с порядком работы 1 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 3 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 5 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 6

- 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 4 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 2 и со смещением на 300° между тактами рабочего хода и

второй вариант с тем же порядком, но со смещением на 660°, где 0 - шаг пропуска между рабочими ходами, соответствующий 60° угла поворота коленчатого вала.

Аналогичный способ дискретного изменения мощности можно применить для двигателей с непарным числом

цилиндров, работающих по двухтактному циклу. Так же для четырехтактных V - образных 4-х, 6-ти, 8-ми и

12-ти цилиндровых ДВС, а также для И - образных двигателей. Таким образом, способ дискретного изменения

мощности может быть реализован для любого N - цилиндрового двигателя.

Реализация предлагаемого способа достигается путем прекращения подачи топлива в отключаемые цилиндры двигателя посредством управления соответствующими секциями ТНВД, а также впускными и выпускными клапанами ГРМ. При этом в случае управления соответствующими секциями ТНВД, клапаны ГРМ могут находиться в одном из перечисленных положениях:

- при открытых положениях впускных клапанов отключаемых цилиндров для реализации наддува в рабочие цилиндры с одновременным снижением затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;

- при открытых положениях выпускных клапанов отключаемых цилиндров для снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах;

- при закрытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов отключаемых цилиндров с обеспечением снижения затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах за счет использования энергии разрежения;

- при открытых положениях как впускных, так и выпускных клапанов (перекрытия клапанов) отключаемых цилиндров с обеспечением снижением затрат на насосные потери в отключаемых цилиндрах и их дополнительной очистки от отработавших газов.

При этом в любом из перечисленных вариантов исключается соударение клапанов с поршнями при их нахождении в верхних мертвых точках.

Описанный способ, как вариант, может быть реализован несколько иначе: отличие состоит в том, что в

газораспределительном механизме могут быть использованы иные распределительные устройства, такие как лепестковые клапаны, золотниковые распределители и другие элементы.

Для реализации способа изменения мощности в состав ДВС работающего по четырехтактному циклу, вводится газораспределительный механизм с управляемым порядком срабатывания впускных и выпускных клапанов (См. рисунок 1) и состоящий из открывающего механизма, в качестве которого может выступать, например, гидроцилиндр, электромагнит или их комбинация, распределительное устройство и источник энергии механической или электрической, управление которыми осуществляется электронным блоком управления, входящего в состав микропроцессорной системы управления силовым агрегатом.

Для реализации указанного способа изменения мощности в состав ДВС работающего по двухтактному циклу и использующего продувочные клапаны, их конструкция, привод и элементы управления соответствует выше описанному.

Традиционные типы механического привода клапанов газораспределения не обеспечивают возможность попеременного отключения цилиндров. Одним из эффективных методов совершенствования механизма газораспределения это применение гибкого привода клапанов, который позволит не только попеременно отключать цилиндры, но и обеспечивает возможность оптимального регулирования фаз газораспределения и закона движения впускных и выпускных клапанов для каждого режима эксплуатации.

Рисунок 1 - Функциональная схема управляемого ГРМ

Расчетно-аналитические исследования показали, что при переходе на 50% и 25...10% значения меняется не только мощность, но и значение среднего крутящего момента (рисунок 2-5).

Как показывают расчетные графики суммарный крутящий момент для 100% мощности составляет Мкр.ср. = 73,1 кНм, при 50 % от номинальной мощности средний крутящий момент уменьшается в 2 раза Мкр.ср. = 3 6,8 кНм, при 25 % - Мкр.ср. = 16,5 кНм, при 10 % - Мкр.ср. = 9,8 кНм. При этом, эти значения превышают максимальный суммарный момент сопротивления Мсопр.мАХ = 4,33 кНм, для режима холостого хода.

Таким образом, одним из эффективных методов повышения экономичности работы транспортных дизелей на режимах преимущественной эксплуатации является совершенствование механизма газораспределения в направлении создания гибкого привода клапанов.

звое

Рисунок 2 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-5-6-4-2 при 10 0% мощности

Рисунок 3 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-5-6-4-2 при 50% мощности

і

Л « ч

г X V X ? 5 V. «..у V % N / У' / -

/ у  т-\ ,, : / , 1 й % * \ Я, 1 \ У 1 Х,<

Рисунок 4 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-5-3-6-2-4 при 25% мощности

и

кНм

о

С\ : V \

«и» 'V %"  у •I/ "ж

№ * ± к > / ?> т V!

*

Рисунок 6 - Кривая суммарного крутящего момента двигателя с порядком работы цилиндров 1-5-3-6-2-4

при 10% мощности

Основные конструктивные преимущества такого типа привода заключаются в упрощении компоновки крышки цилиндра (головки блока цилиндров), снижении динамических нагрузок, уровня шума и затрат металла, повышении уровня автоматизации за счет регулирования в требуемом диапазоне фаз газораспределения и закона движения клапанов.

Эффект от использования предлагаемого технического решения состоит в том, что увеличивается производительность двигателя за счет уменьшения времени выхода на режим при переходе на полную мощность, повышаются экономические и экологические показатели, а также в том, что повышается надежность двигателя за счет исключения дополнительных механизмов.

Уменьшение времени выхода на режим при переходе на полную мощность происходит за счет того, что тепловой режим процесса функционирования стабилизирован, это же обусловливает высокие экономические и экологические показатели.

Надежность функционирования повышается за счет того, что данное техническое решение обеспечивает гарантированное включение в работу двигателя в любом из режимов отбора мощности, а так же равномерный износ деталей цилиндропоршневой группы.

Кроме того, эффект от использования предлагаемого техническое решение состоит в том, что оно требует для своей реализации более простого механизма управления двигателем, простота которого определяется тем, что он необходим лишь для прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры или для задания полной подачи топлива, а также сигнала управления приводами открытия и закрытия клапанов. А использование в качестве приводов клапанов электрических, гидравлических, электрогидравлических или иных исполнительных элементов, позволяет исключить из состава двигателя механический ГРМ, а, следовательно, снизить потери на привод вспомогательных агрегатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балабин В. Н. Альтернативные немеханические системы газораспределения для дизелей / Мир транспорта, №2, 2004, с. 52-57.

2. Патент на изобретение № 214 6010 от 27 февраля 2000 г. Двигатель внутреннего сгорания. Грабовский А. А.

3. Авторское свидетельство (11) 561668 В.Н. Балабин, В.Н. Васильев, А.И. Ильясов, К.В. Макеев, А.В.

Нарейко, Ю.М. Сладковский, Электрогидравлическое устройство для управления газораспределительными органами двигателя внутреннего сгорания.

4. Двигатели внутреннего сгорания. Под. общ. ред. А.С. Орлина. Л.: Машиностроение, 1988. 420 с.