Моделирование кривошипно-шатунного механизма ДВС с отключаемыми цилиндрами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

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 28.11.2007г.

УДК 621.43

МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ДВС С ОТКЛЮЧАЕМЫМИ ЦИЛИНДРАМИ

В.А. Зеер, А.А. Мартынов

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск E-mail: [email protected]

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 ХХ 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 <ф < 180 рае"\ 180 <ф< 360

р. (ф) = \ р,, 370 ;

рс (1/ е) п, 370 <ф< 540 ре, 540 <ф < 720

давление газов в отключенном цилиндре двигателя по тактам, МПа

ра, 0 <ф < 180 рае 1, 180 <Ф<360 ;

рс (1/ е) и'°, 360 <ф< 540 ’

^ре, 540 <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,Ми\ф),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& Щтш-М& '°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 значения ^для 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

<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. 2227838 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 14846-88. 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.