Моделирование кривошипно-шатунного механизма ДВС с отключаемыми цилиндрами

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ция пара в окружающей среде, с — концентрация пара на поверхности пленки, находящейся на угольной частице, а — константа (0,276).
Таким образом, по результатам расчетов по формуле (6) в камере срыва могут высохнуть путем испарения влаги только частицы угля размером менее 80… 100 мкм. В итоге следует, что количество тепла, требуемое для обезвоживания углей, содержащих то или иное количество тонких классов угля, будет определяться содержанием последних. Так как одновременно с испарением влаги, находя-
щейся на комплексных частицах угля, происходит испарение с поверхности других угольных частиц и водоугольных капель, то расход тепла должен быть увеличен.
Выполненные исследования подтверждают выдвинутую гипотезу о наличии двух качественно различных систем капель при распылении ВУТ Первая система с «каплями», диаметр которых больше 80… 100 мкм, представлена угольными частицами, а вторая, с диаметром частиц меньше 80… 100 мкм, — водоугольными каплями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мурко В. И. Научные основы процессов получения и эффективного применения водоугольных суспензий: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. — М., 1999. — 48 с.
2. Мурко В. И., Федяев В. И., Дзюба Д. А. Водоугольное топливо // Уголь. — 2002. — № 6. — С. 58−59.
3. Делягин Г. Н. Сжигание водоугольных суспензий — метод использования обводненных твердых топлив: Дис. … д-ра техн. наук. — М.: ИГИ, 1970. — 32 с.
4. Хзмалян Д. М. Теория топочных процессов. — М.: Энергоато-миздат, 1990. — 352 с.
5. Корсунов Ю. А. Экспериментальное исследование дробления капель жидкости при низких значениях чисел Рейнольдса // Механика жидкости и газа. — 1971. — № 2. — С. 182−186.
6. Грин Х., Лейн В. Аэрозоли — пыли, дымы и туманы (пер. с англ.). — Л., 1969. — 426 с.
Поступила 28. 11. 2007 г.
УДК 621. 43
МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ДВС С ОТКЛЮЧАЕМЫМИ ЦИЛИНДРАМИ
В. А. Зеер, А.А. Мартынов
Сибирский федеральный университет, г. Красноярск E-mail: muromcev_aleksei@mail. ru
Предложена методика расчета силовых параметров кривошипно-шатунного механизма двигателя с отключаемыми цилиндрами. Представлены результаты математического и имитационного моделирования кривошипно-шатунного механизма на примере рядного четырехцилиндрового двигателя.
Проблема экономии топлива автомобильными двигателями и загрязнения ими окружающей среды становится все более актуальной. Это связано, с одной стороны, быстрыми темпами роста числа потребителей, с другой, небезграничностью и не-восполняемостью природных ресурсов (нефти).
Известно, что автомобильные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) работают в основном на режимах, не требующих максимальной мощности, при этом режимы холостого хода (ХХ) в городе составляют до 35% от общего времени [1]. Режимы Х Х и малые нагрузки являются не эффективными с позиции сгорания топлива при традиционном дросселировании, поэтому для них характерны низкий КПД и высокая концентрация продуктов неполного сгорания, в частности, СО. В этой связи метод регулирования мощности двигателя путем отключения части цилиндров на режимах частичных нагрузок и ХХ является одним из эффективных способов экономии топлива и снижения ток-
сичности отработавших газов. В зависимости от варианта реализации отключения части цилиндров двигателя, условий эксплуатации и категории автомобиля получена экономия топлива до 40%.
На кафедре «Автомобили и двигатели» Сибирского федерального университета, г. Красноярск, был предложен способ отключения цилиндров (ОЦ), который применим к современным ДВС с искровым зажиганием [2]. Сущность способа заключается в следующем (рис. 1): в разрыв цепей между электронным блоком управления (ЭБУ) и топливными форсунками устанавливается логическое устройство, которое блокирует или пропускает сигнал без изменения от ЭБУ к форсункам в зависимости от заданного алгоритма. Такой подход позволяет реализовать различные алгоритмы ОЦ: это и постоянное отключение того или иного цилиндра, и кратковременное.
Например, для двигателя ЗМЗ-406.2 с порядком работы цилиндров 1−3-4−2 исследовались следую-
Рис. 1. Система управления топливоподачей ДВС с ОЦ
щие алгоритмы отключения: № 1 — «1 через 1» (постоянно отключены два цилиндра), № 2 — «1 через 2» (отключаемые цилиндры чередуются), № 3 — «1 через 3» (постоянно отключен один цилиндр), № 4 — «1 через 4″ (отключаемые цилиндры чередуются), № 5 — „1 через 5″ (отключаемые цилиндры чередуются).
Следует отметить, что логическое устройство может выполняться как в виде отдельного блока, так и в виде дополнительной программы в ЭБУ, что абсолютно не требует изменения конструкции ДВС.
Стендовые испытания двигателя ЗМЗ-406.2 показали [3], что наибольшая эффективность по топливной экономичности и экологичности достигается при алгоритме отключения цилиндров № 1 (снижение часового расхода топлива на режиме холостого хода составило 30%, при этом выбросы СО уменьшились с 1,5 до 0,3%). Резкое уменьшение содержание СО в отработавших газах объясняется тем, что в отключаемые цилиндры вместо топливовоздушной смеси подается чистый воздух.
Однако, все известные способы отключения цилиндров, несмотря на конструктивные различия в их реализации, приводят к расширению спектра основного возмущающего фактора — опрокидывающего момента, и понижению частоты возбуждения, что негативно влияет на комфортабельность автомобиля.
Существующие методики расчета двигателей не позволяют оценивать качественное и количественное влияние метода отключения цилиндров на неравномерность крутящего момента коленчатого вала и его показателей. Состояние рабочего тела, а
также термодинамические процессы, протекающие в цилиндрах двигателя при различных вариантах ОЦ, подробно изложены в [4].
В этой связи нами разработана методика, представленная в виде блок-схемы алгоритма (рис. 2), позволяющая определять силовые параметры кривошипно-шатунного механизма двигателя, в том числе суммарный крутящий момент и его оценочный показатель при различных алгоритмах отключения цилиндров на режимах холостого хода, в том числе с чередованием отключаемых цилиндров через цикл работы двигателя.
Особенностью данной методики является ее универсальность. Она позволяет производить расчет сил и моментов, действующих в поршневых двигателях с разными типоразмерами, как без отключения, так и с отключением цилиндров по различным алгоритмам, на любых режимах работы.
На основе предложенной методики и расчетных зависимостей, применяемых в теории двигателей, теории механизмов и машин была разработана модель кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами.
В модели не учитывались силы трения в кривошипно-шатунном механизме, поскольку их влияние незначительно на режиме холостого хода относительно насосных потерь, которые в свою очередь учитывались силами давления газов в цилиндрах двигателя. Кроме того, в модели детали кривошипно-шатунного механизма принимались абсолютно жесткими и частота вращения коленчатого вала постоянной.
С
Начало
I
I. Ввод данных
II. Определение давления и температуры газов в работающем и отключенном цилиндрах за цикл работы двигателя
III. Определение сил и моментов, действующих в КШМ за рабочий цикл двигателя в работающем и отключенном цилиндрах
IV. Определение суммарного и среднего крутящих моментов двигателя при различных алгоритмах отключения цилиндров
Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета силовых параметров двигателя с отключаемыми цилиндрами
Определение сил и моментов, действующих в кривошипно-шатунном механизме двигателя проводится параллельно для работающего и отключенного цилиндров по зависимостям:
• давление газов в работающем цилиндре двигателя по тактам, МПа
ра, 0 & lt-ф & lt- 180 рае& quot- 180 & lt-ф<- 360
р. (ф) = р, 370 —
рс (1/ е) п, 370 & lt-ф<- 540 ре, 540 & lt-ф & lt- 720
давление газов в отключенном цилиндре двигателя по тактам, МПа
ра, 0 & lt-ф & lt- 180 рае 1, 180 & lt-Ф<-360 —
рс (1/ е) и'-°, 360 & lt-ф<- 540 '
ре, 540 & lt-ф<- 720
силы давления газов в работающем и отключенном цилиндрах, кН
РХФ)=(Р (Ф)-Р0)^ 10−3, Р!(ф)=(р!(ф)-р“)?п. 10−3- сила инерции масс, совершающих возвратнопоступательное движение, кН
р°(ф) =
РДф)=-т-Лю2(со8ф+Асо82ф) —
• суммарные силы, действующие на поршни КШМ в работающем и отключенном цилиндрах
РЕ (ф) =Р (ф)+Р (ф), Ре0(ф) =Р°(ф) Щф) —
• боковые силы, действующие на поршни перпендикулярно оси цилиндров в работающем и отключенном цилиндрах, кН
Щф)=Р,(фШ Щф)=РЛфШ
• тангенциальные силы, действующие на кривошип в работающем и отключенном цилиндрах, кН
Дф)=ре (ф)т°(ф)=Ре0(ф)
• крутящие моменты, создаваемые работающим и отключенным цилиндрами, Нм
щф)=цф)Я, мДф)=Г (ф)Д,
где ф — угол поворота коленчатого вала, °п.к.в., в -угол между осями цилиндра и шатуна, °, е — степень сжатия, щ — политропа сжатия, п2 — политропа расширения, р0 — атмосферное давление, МПа, ?п — площадь днища поршня, м2, т] - масса деталей КШМ, совершающих возвратно-поступательное движение, кг, Я — радиус кривошипа, мм, а — угловая частота вращения коленчатого вала, с-1, Я — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Основные результаты математического моделирования представлены на рис. 3.
Суммарный крутящий момент на коленчатом валу двигателя МкЕ (ф) определяется путем сложения крутящих моментов отдельных цилиндров, работающих и отключенных. При этом учитывается число, расположение, тактность, порядок работы цилиндров двигателя, период изменения крутящего момента и алгоритм отключения цилиндров.
МЛф)=ЦММ, Миф), в, а, в, т), где Ми (ф), Ми°(ф) — крутящий момент от /-го работающего и отключенного цилиндров соответственно, а — порядок работы цилиндров и их расположение, в — алгоритм отключения цилиндров, в — период изменения суммарного крутящего момента, °п.к.в., т — тактность.
Моменты Мь (ф) и Ми°(ф) зависят от сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме в работающем и отключенном цилиндрах- ти, а характеризуют конструктивные параметры двигателя- в и в характеризуют алгоритм отключения цилиндров.
Разработанная методика реализована в виде программы расчета на ПЭВМ применительно к рядному четырехцилиндровому двигателю с предложенными алгоритмами отключения цилиндров.
Результаты расчетов сил и моментов, действующих в КШМ двигателя, показали, что:
• в отключенном цилиндре боковая сила, прижимающая поршень к зеркалу цилиндра меньше по амплитуде, чем в работающем, что дает предпосылки к неравномерному износу ЦПГ по цилиндрам двигателя при постоянном отключении одних и тех же цилиндров-
О 60 120 180 240 300 360 400 460 520 580 640 700 Угол поворота коленчатого вала, град
а

*
/ *
д
/
1 * \
Г*"*1 щл t»!11 Ж-ЯШш
*"*н
О 80 160 240 320 380 420 460 540 620 700
Угол поворота коленчатого вала, град
0 60 140 220 300 350 390 430 500 580 640 720
Угол поворота коленчатого вала, град в
Угол поворота коленчатого вала, град
г
А/^. Нм 100
-100
360 720 1080 1440 1800 2160 2520 2880 3240 3600 Угол поворота коленчатого вала, град
Угол поворота коленчатого вала, град
б
Рис. 4. Суммарный крутящий момент двигателя: а) без ОЦ- б) с ОЦ по алгоритму № 1
Рис. 3. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме двигателя на режиме холостого хода: а) сила давления газов- б) суммарная сила- в) боковая сила- г) тангенциальная сила. 1 — в работающем и 2 — в отключенном цилиндрах
• отличие амплитуд тангенциальных сил в работающем и отключенном цилиндрах приводит к изменению характеристик суммарного крутящего момента двигателя.
По результатам расчетов МкЕ (ф), выявлено, что в зависимости от алгоритма отключения цилиндров изменяется период Мк1 и размах амплитуды в областях действия работающих и отключенных цилиндров (рис. 4), что влияет на показатель неравномерности МЛ и виброактивность двигателя.
Неравномерность по углу поворота коленчатого вала крутящего и опрокидывающего моментов вызывают переменные реакции на опорах двигателя, а также переменную закрутку деталей трансмиссии. Для оценки степени неравномерности изменения суммарного крутящего момента вводится оценочный относительный показатель неравномерности МкЕ двигателя, работающего на холостом ходу с отключаемыми цилиндрами ?, который определяется по зависимости:
%=[(i-k)(M& amp- Щтш-М& amp- '-°ш1п)+к (М, Е°т"х-М, Е0ш1п)]/г (МЕт"1-МЕш1п), где МкЕ °max, МкЕтп — максимальное и минимальное значение суммарного крутящего момента двигателя с отключаемыми цилиндрами в зоне влияния работающих цилиндров, Нм, МкЕ°шх, МкЕшп — то же в зоне влияния отключенного цилиндра, Нм, МкЕшх, МкЕш1п — то же без отключения цилиндров двигателя, работающего на режиме холостого хода, Нм, i — число цилиндров двигателя, k — число отключенных цилиндров двигателя.
На рис. 5 представлены расчетные значениядля предложенных алгоритмов ОЦ, из которых видно, чем больше число отключаемых цилиндров, тем выше коэффициент неравномерности МкЕ двигателя.
Для оценки адекватности математической модели было проведено имитационное моделирование с помощью CAD/CAE технологий.
Задачей имитационного моделирования кривошипно-шатунного механизма являлось определение зависимости суммарного крутящего момента от угла поворота коленчатого вала двигателя МкЕ=Кф) при различных алгоритмах отключения цилиндров.
I 1,08 —
5
И 1,06 —
09
а
6 W4
I
& lt-D
Н 1 cd 1
М рЗ
g 0,98
С 0 1 2 3 4 5
Алгоритмы отключения цилиндров
Рис. 5. Зависимость показателя неравномерности от алгоритмов ОЦ
Имитационное моделирование кривошипношатунного механизма двигателя с отключаемыми цилиндрами включает этапы:
• твердотельное моделирование деталей-
• сборка деталей-
• приложение сил к деталям.
Реализация первых двух этапов производилась в пакете Sol1d Work. Смоделированные детали кривошипно-шатунного механизма идентичны реальным размерам и массовым характеристикам серийно выпускаемого двигателя ЗМЗ-406.2.
Для реализации третьего этапа имитационного моделирования использовался пакет программ Work1ng Module. При этом фиксированными параметрами являлись угловая частота вращения коленчатого вала ю, геометрические и массовые параметры кривошипно-шатунного механизма, варьируемыми — силы давления газов Рг=/(ф), Р ?=Кф), действующие на поршни. Пример расчета на имитационной модели представлен на рис. 6. Результаты сравнения математической и имита-
ционной моделей показали качественное совпадение зависимостей Мк1=Кр) при различных алгоритмах отключения цилиндров. Максимальное численное расхождение составило 7%.
Рис. 6. Пример определения М^(р) на имитационной модели кривошипно-шатунного механизма
Результаты экспериментальных исследований косвенно подтвердили теоретические расчеты, а именно при увеличении числа отключаемых цилиндров увеличиваются показатель неравномерности суммарного крутящего момента двигателя и общие уровни вибрации на рабочем месте водителя. При этом любой из предложенных алгоритмов ОЦ увеличивает общий уровень вибрации (максимальное увеличение вибрации на 17%), но не больше допустимых значений, регламентируемых ГОСТ 12.1. 012−98 и Санитарными нормами 2.2. 4/2.1.8. 566−96, что дает возможность применения данных алгоритмов ОЦ на практике без изменения конструкции опор силового агрегата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Морозов К. А. Токсичность автомобильных двигателей. — М.: Легион-Автодата, 2000. — 80 с.
2. Пат. 2 227 838 РФ. МПК7 F02D 17/04. Способ управления двигателем внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами / А. А. Мартынов, Ю. В. Краснобаев, В. А. Зеер. КГТУ. Заявлено 19. 06. 2002- Опубл. 27. 04. 2004, Бюл. № 12. — 6 с.: ил.
3. ГОСТ 14 846–88. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 48 с.
4. Гутаревич Ю. Ф. Снижение вредных выбросов и расхода топлива двигателями автомобилей путем оптимизации эксплуатационных факторов. — Киев: Наукова думка, 1985. — 538 с.
Поступила 19. 12. 2007 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой