Разработка автомобильного двигателя мощностью 90 кВт

Содержание Введение

1. Обзор конструкций современных двигателей

2. Анализ тенденций развития автомобильного двигателестроения

2.1 Тенденции развития рабочего процесса

2.2 Материалы в современном двигателестроении и тенденции применения новых материалов

2.3 Перспективы развития конструкции основных деталей двигателя

3. Обоснование выбора исходных данных

3.1 Описание конструкции двигателя

4. Тепловой и динамический расчет двигателя

4.1 Тепловой расчет двигателя

4.1.1 Результаты теплового расчета двигателя

4.1.2 Анализ результатов теплового расчета двигателя

4.2 Динамический расчет двигателя

4.2.1 Выбор и обоснование исходных данных для динамического расчета двигателя

4.2.2 Результаты динамического расчета двигателя

4.2.3 Анализ результатов динамического расчета двигателя

5. Прочностной расчет шеек коленчатого вала и шатуна

5.1 Выбор и обоснование исходных данных для прочностного расчета двигателя

5.2 Результаты прочностного расчета двигателя

5.3 Анализ результатов прочностного расчета двигателя

6. Анализ уравновешенности двигателя

7. Технология проведения работ по сборке-разборке двигателя

7.1 Разборка двигателя

7.2 Разборка и сборка головки цилиндра

8. Технология производства шатуна

8.1 Конструктивные особенности шатуна

8.2 Схема технологического процесса обработки шатуна резаньем

8.3 Расчет штучного времени на производства шатуна

9. Технико-экономическое обоснование

10. Меры по технике безопасности Список литературы

Введение

Данный дипломный проект посвящен разработке конструкции бензинового автомобильного двигателя мощностью 90 кВт, предназначенного для установки на легковые автомобили.

Работа включает в себя, описание конструкции двигателя, обоснование выбора исходных данных, расчеты прочности основных деталей двигателя, технологическую и экономическую части, а также главу, посвященную вопросам охраны труда.

Можно сформулировать некоторые основные требования, предъявляемые к двигателю.

Ш Простота конструкции.

Ш Надёжность работы на всех эксплуатационных режимах.

Ш Минимальный расход топлива и масла.

Ш Минимальные габаритные размеры и масса двигателя.

Ш Полная динамическая уравновешенность сил и моментов движущихся масс.

Ш Надёжный пуск.

Ш Удобство и безопасность обслуживания при эксплуатации.

Ш Автоматизация управления.

Ш Отсутствие запретных зон частот вращения для эксплуатационных режимов работы.

Ш Технологичность конструкции деталей, узлов и агрегатов.

Ш Пожаро-безопасность.

1. Обзор конструкций современных двигателей В этом году двигатель внутреннего сгорания будет праздновать свой 152-й день рождения, так как в далеком 1860 году, когда по всему миру «царствовали» конные экипажи, гражданин Франции механик Э. Ленуар сконструировал первый рабочий газовый двигатель. Этот мотор был достаточно капризен и несовершенен, что, в принципе, не странно. Через 6 лет известный изобретатель Н. Отто предложил миру свою, довольно совершенную по тем временам конструкцию 4-тактного газового двигателя. Прообразом же двигателя внутреннего сгорания послужила в первую очередь паровая машина, так как единственное принципиальное отличие — отсутствие достаточно громоздкой парокотельной установки. С «потерей» парового агрегата в процессе эволюции ДВС приобрел свои плюсы: значительно больший КПД, меньшую массу и размеры. Были также и минусы — двигатель требовал более качественного и технологичного топлива, так как работать на дровах он уже отказывался.

В нашей же стране ДВС был «изобретен» только в 80-х годах XIX века, именно в это время наш соотечественник О. С. Костович работал над конструкцией бензинового карбюраторного двигателя. Дальнейшее же развитие ДВС связано в первую очередь с именем немецкого инженера Рудольфа Дизеля, так как в 1897 году именно он предложил использовать сжатие для воспламенения топлива. Это было рождением двигателей, работающих на тяжелом топливе, — дизельных двигателей.

Дальнейшее развитие поршневых двигателей внутреннего сгорания шло семимильными шагами. В конструкции моторов менялось многое, но неизменна оставалась лишь его суть.

ДВИГОТЕЛЕСТРОЕНИЕ В НАШЕ ВРЕМЯ Время, прошедшее со времени сотворения первого ДВС, безусловно, повлияло и на концепцию создания современного поршневого автомобильного двигателя. Девиз двигателя наших дней — больше мощность, меньше расход. Казалось бы, эти два понятия противостоят друг другу, но, оказывается, это не так. И для того, чтобы это подтвердить, двигателисты различных автомобильных компаний не спят ночами, придумывая различные системы, позволяющие поднять КПД двигателя до предела.

Для того чтобы понять, в каком направлении в дальнейшем будет развиваться двигателестроение, необходимо уяснить, какие препятствия стоят на пути. А препятствия следующие: механические потери, неполное использование энергии сгорания топлива, вопросы, связанные с экономичностью, высокая себестоимость современных двигателей и систем управления, увеличение массы мотора, улучшение характеристик двигателя.

Начнем по порядку. Механические потери в современных двигателях можно снизить несколькими способами.

Ш Значительно ужесточить допуски на изготовление деталей двигателей.

Ш Необходимо уменьшить инерционность кривошипно-шатунной системы, то есть необходимо максимальное облегчение поршней, шатунов, коленчатого и распределительного вала, а также маховика. Недаром в современных моторах используются поршни с короткой «юбкой», изготовленные на основе алюминиевых сплавов. Причем для их производства используются две технологии. По первой технологии изготавливаются поршни для невысоко форсированных двигателей — их производят различными методами литья. По второй технологии изготавливаются поршни для форсированных двигателей — методом объемной штамповки (или, проще говоря, ковкой). Распределительные валы изготавливаются пустотелыми по следующей технологии: на охлажденную в жидком азоте трубчатую заготовку вала насаживаются отдельно изготовленные кулачки. Маховик делают максимально легким, чтобы не утруждать двигатель вращением лишней массы, да и отклик на нажатие педали газа при этом сократится.

Ш Необходимо упомянуть современные моторные масла с низкой вязкостью, которые тоже делают небольшой вклад в копилку увеличения КПД, так как снижаются потери на трение, как при перекачке по масляным каналам, так и внутри самого масла.

Ш Расширить применение различных антифрикционных покрытий, способных значительно уменьшить силу трения, а также использование деталей, изготовленных на основе соединений нитрида и карбида кремния, то есть керамики.

Следующий вопрос был посвящен экономичности современных двигателей. Здесь используются различные концепции минимизации расхода топлива, просто одни пытаются «выжать» все из бензиновых двигателей, вторые делают ставку на дизельные моторы, ну, а третьи строят гибридные силовые установки. Кто окажется прав, увидим в ближайшем будущем.

Дело в том, что вне зависимости от того, кто какой концепции придерживается, все используют практически одинаковые технологические наработки. Сегодня, например, невозможно увидеть современный двигатель с двумя клапанами на цилиндр. Применение многоклапанного (от 3 до 5 клапанов на цилиндр) газораспределения позволяет снизить насосные потери и увеличить мощность и экономичность двигателя. Кстати говоря, стоит вспомнить наш автопром, а именно 4_цилиндровые 8_ и 16_клапанные двигатели АвтоВАЗа: при одинаковом объеме 1,5 литра один из них выдавал 78 л. с., а другой — 92.

Кроме многоклапанного газораспределения применяются фазовращатели на газораспределительных валах, с помощью них осуществляется постоянная регулировка фаз впуска и выпуска. Особенно в этой области преуспели немецкие и японские инженеры. Например, система VANOS от BMW, которая впервые появилась на моторе серии М50 в 1992 году и позволяла регулировать фазы открытия и закрытия только впускных клапанов. Через некоторое время появилась система BI-VANOS, которая заведовала уже как впускными, так и выпускными клапанами. Работа этих систем сводится к следующему. На малых оборотах двигателя фазовращатели смещают момент открытия впускного клапана в более поздний период, что обеспечивает топливную экономичность и повышает крутящий момент. При средних оборотах двигателя клапаны открываются чуть раньше, это позволяет увеличить крутящий момент и значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. На высоких же оборотах двигателя впускные клапаны открываются с небольшим опозданием, благодаря чему значительно увеличивается мощность в зоне максимальных оборотов, так как в цилиндре создается большее разряжение, а значит, и воздуха в цилиндры попадает значительно больше. Интересно и то, что совсем недавно, впервые в мире, на автомобилях LEXUS появились фазовращатели с электроприводом, которые позволяют регулировать фазы газораспределения практически с нулевых оборотов двигателя, что в принципе невозможно для фазовращателей с гидроприводом.

СМЕЩЕНИЕ ФАЗ Необходимо отдельно упомянуть системы регулирования величины подъема клапанов (Honda i-VTEC, BMW Valvotronic, Porsche VarioCam Plus), благодаря которым значительно улучшаются как характеристики двигателя, так и топливная экономичность. Для примера рассмотрим знаменитую систему Valvetronic от компании BMW. Разрабатывая эту систему, инженеры решили кардинально отказаться от дроссельной заслонки, хотя в процессе доводки ее все-таки оставили, она стала служить для диагностики системы Valvetronic и находится постоянно в открытом положении. Стоит напомнить, что при управлении процессом подачи воздушной смеси с помощью дросселя возникают значительные аэродинамические сопротивления и завихрения, особенно при неполном открытии заслонки. Регулирование количества воздушной смеси в системе Valvetronic должно было происходить за счет изменения величины подъема клапанов, то есть сам клапан при этом выполнял функцию дроссельной заслонки. Для этого был разработан специальный механизм, позволявший регулировать подъем клапана в пределах от 0 до 10 мм. Идея системы состоит в следующем. Распредвал заведует открытием клапана не на прямую, а через специальный рычаг, который может менять свое положение в пространстве, тем самым изменяя величину перемещения коромысла, которое непосредственно воздействует на клапан. Регулировка рычага осуществляется с помощью червячной передачи и электромотора, а всем этим процессом заведует компьютер. Применение этой системы привело к тому, что на малых оборотах снизилось потребление топлива, а на больших возросла мощность, так как значительно увеличилась скорость заполнения цилиндров топливно-воздушной смесью. При этом значительно уменьшилось время отклика на педаль акселератора. Но у двигателей, оснащенных этой системой, появился небольшой недостаток — отсутствие разряжения во впускном коллекторе, которое необходимо для работы вакуумного усилителя тормозов. Проблема была решена следующим образом: немецкие инженеры взяли и поставили отдельный насос, который создавал необходимое разряжение.

ЭКОНОМИЯ ТОПЛИВА НА ХОЛОСТОМ ХОДУ Кроме таких высокотехнологичных мер, как электропривод помпы, отключаемый генератор, электроусилитель руля, применяемых для увеличения экономичности двигателей, используются также и другие, более радикальные способы. Например, отключение части цилиндров на холостом ходу или в режимах частичных нагрузок у многоцилиндровых двигателей. Причем до недавнего времени этими системами пользовались в основном американские конструкторы, взять хотя бы систему отключения цилиндров Displacement-on-Demand («рабочий объем по требованию») от компании General Motor. Замысел системы достаточно прост: по достижении двигателем рабочей температуры электроника начинает опрашивать различные датчики, и если она обнаруживает, что мотор работает в режиме частичной нагрузки, то прекращает подачу топлива в половину цилиндров, то есть в 4. Причем цилиндры отключаются по диагонали, чтобы в двигателе не возникли вибрации. Максимальный достигнутый эффект экономии топлива составил 25% от номинального, и это достаточно неплохой результат. Похожую систему представила и компания Honda, показав общественности новый 3,4_литровый 6_цилиндровый двигатель, в котором при спокойном перемещении в пространстве будут отключены 3 цилиндра.

Повысить экономичность и КПД двигателя можно также с помощью более совершенной системы зажигания. Достаточно вспомнить знаменитые моторы с системой Twin Spark от Alfa-Romeo, где использованы две свечи на цилиндр. Эта система, как, в принципе, и многое другое, перекочевала в автомобильное двигателестроение с авиационных двигателей еще в 20_е годы прошлого столетия. Вторая свеча зажигания позволила обеспечить более полное сгорание топлива, отчего увеличился КПД, да плюс ко всему прочему снизилось потребление топлива, и увеличилась детонационная стойкость. Недаром в 12_цилиндровом турбированном двигателе от Mersedes, где вопрос детонации стоит наиболее остро, применена система зажигания с двумя свечами на цилиндр.

Невозможно не упомянуть в нашем разговоре о современных веяниях двигателестроения: непосредственном впрыске топлива в цилиндры. Идея подавать топливо непосредственно в цилиндры достаточно не нова, впервые ее воплотили в жизнь инженеры компании Robert Bosch еще в 30_х годах XX века при конструировании авиационных двигателей, причем управление системой было механическим. Долгое время система непосредственного впрыска топлива не находила должного применения, хотя периодически появлялись автомобили, оснащенные ею. Вспомнить хотя бы легендарный Mercedes-Benz 300SL 1954 года, ведь он был оснащен механическим впрыском от фирмы Bosch. Свое второе рождение система непосредственного впрыска пережила в начале 90_х годов прошлого века, когда стали появляться достаточно надежные и современные электронные системы управления.

Большой шаг в развитие и внедрение этих систем сделала компания Mitsubishi со своими двигателями GDI. Уникальность этого двигателя была в том, что он мог работать на сверхобедненной топливовоздушной смеси, в которой соотношение бензина к воздуху по массе достигало 40:1, при том, что идеальное соотношение 14,7:1. То есть настолько обедненная смесь вообще не должна была гореть, но благодаря специальной форме поршня и узконаправленного факела распыла смесь с идеальным стехиометрическим составом попадала прямо на свечу зажигания, хотя по всему объему цилиндра была очень бедной. В данном двигателе было организовано три режима работы системы.

Ш Первый — впрыск топлива происходил на тактах впуска и сжатия, этот режим был необходим для увеличения крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Ш Второй — впрыск в момент впуска, этот режим применялся для достижения двигателем максимальной мощности.

Ш Третий режим — режим впрыска обедненной смеси на такте сжатия применялся для увеличения топливной экономичности на режимах малой нагрузки и холостого хода.

Отдельно стоит сказать о том, что впрыск бензина непосредственно в камеру сгорания позволяет повысить детонационную стойкость двигателя, так как при испарении бензин забирает часть тепла у нагретого в цилиндре воздуха. Этот фактор позволяет повысить степень сжатия и, соответственно, еще больше уменьшить расход топлива. При всех своих преимуществах, а именно увеличении мощности, топливной экономичности и уменьшении выбросов вредных веществ, двигатель получился достаточно дорогим, так как в нем применялись высокотехнологичные компоненты. Например, топливный насос высокого давления, развивавший 50 бар (в последних разработках давление достигает 200 бар), а педаль газа не имела прямой связи с дроссельной заслонкой. Была также применена оригинальная головка блока цилиндра, в которой впускные каналы сделаны прямыми по вертикали. С того времени как стал выпускаться этот двигатель, прошло уже более 10 лет, и сейчас практически все производители применяют непосредственный впрыск для своих двигателей.

Сегодня специалисты в области двигателестроения заняты не только вопросами улучшения топливной экономичности и КПД поршневого двигателя, их особенно волнует вопрос резкого «утолщения» мотора, нашпигованного различными электронно-механическими системами. В эпоху карбюраторного двигателя было все намного проще, блок цилиндров изготавливался из достаточно тяжелого, но прочного специального серого чугуна. Кстати говоря, применение этого вида материала не случайно, ведь колебания, возникшие в сером чугуне, гасятся примерно в 10 раз быстрее, чем в стали. Головка отливалась из сплава на основе алюминия, и все было хорошо. Сейчас же борьба идет за каждый грамм лишнего веса. Вспомнить хотя бы биметаллический блок цилиндров 3_литрового 6_цилиндрового двигателя от BMW. Внутренняя, более нагруженная часть блока цилиндров до рубашки охлаждения выполнена из алюминиевого сплава с большим содержанием кремния. А наружная часть, менее нагруженная, сделана из магниевого. Технология получения такого блока цилиндров очень сложна, а экономия массы составляет примерно 10 кг по сравнению с цельноалюминиевым блоком. Конечно, можно подумать, что это только маркетинговый шаг, направленный на повышение марки, но это не совсем так. Потому что, если нам удастся «сбросить» с одной детали несколько килограммов или даже граммов, то в совокупности мы получим огромный выигрыш по массе. Надо сказать, что во время внедрения алюминия в двигателестроение инженеры столкнулись с проблемой малой износостойкости крылатого металла. Поэтому впоследствии были разработаны специальные покрытия, предохраняющие зеркало цилиндра от износа. Одним из таких покрытий был широко известный «Никасил» — соединение жаростойкого никеля с износостойким карбидом кремния, он пришел в массовое автомобилестроение из мира королевских гонок. Кроме снижения массы автомобильные компании пытаются снизить расходы, связанные с разработкой и производством двигателей. Поэтому сегодня достаточно часто можно наблюдать сотрудничество крупных автомобильных компаний при конструировании моторов.

ИНОВАЦИИ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ То, что произойдет в мире двигателестроения в ближайшие 10 лет, предсказать достаточно сложно, но определить генеральные линии развития все-таки можно. Самое главное направление удара — это гибридизация, причем пока акцент, надо сказать, ставится на бензино-электрический тандем, хотя дизельно-электрическое сотрудничество, на наш взгляд, более оправданно, особенно если главной целью является экономия топлива, а не маркетинговые хитрости. «Игры» с водородом, скорее всего, прекратятся, так как выгода от автомобилей, оснащенных двигателями на сверхлегком топливе, достаточно туманна. Необходимо сначала получить водород, а из водорода уже с помощью дорогущих топливных элементов — электричество.

Скорее всего, достаточно скоро будет представлен двигатель, оснащенный гидравлическим или электромагнитным приводом клапанов. Это новшество позволит отказаться сразу от двух систем: регулировки фаз газораспределения и величины подъема клапанов. Да и КПД от этого нововведения тоже подрастет, так как не нужно будет приводить во вращательное движение массивные элементы системы газораспределения. Хотелось бы наконец увидеть и серийный двигатель, оснащенный системой регулировки степени сжатия, теоретически он должен стать очень экономичным.

Дальнейшее развитие получат и маленькие «злые» моторчики, оснащенные турбонаддувом, так как соотношение лошадиных сил и крутящего момента к единице массы у них достаточно велико. К выхлопной трубе, кстати говоря, может переехать и генератор, так как энергия выхлопных газов имеет большую величину, а практически не используется. Говоря о двигателях, не стоит забывать дизельные моторы, они, скорее всего, и получат численное превосходство в будущем, потому что уже сегодня в Европе продается больше дизельных автомобилей, чем бензиновых.

ПЕРСПЕКТИВА Двигатели с непосредственным впрыском, как дизельные, так и бензиновые, продолжают захват новых территорий. С дизельными моторами все более-менее ясно — предкамерные моторы сдают позиции, а вот двигателям с впрыском бензина в цилиндр потребуется еще доказать свою «состоятельность», чтобы потеснить под капотом привычные конструкции. Но активность ведущих фирм на этом направлении позволяет надеяться, что новое время не за горами.

Отечественная промышленность тоже сделала пусть запоздалый, но большой шаг вперед. Сейчас в России серийно выпускают два двигателя с четырехклапанными головками цилиндров, гидротолкателями клапанов и распределенным впрыском топлива: ЗМЗ-406 и ВАЗ-2112. Малыми сериями в Барнауле сделали первый в стране легковой дизель для автомобилей ВАЗ. Правда, по конструкторским решениям он весьма архаичен. Зато в Нижнем Новгороде пытаются освоить производство, а пока собирают из импортных деталей дизельный двигатель «Штайр» очень оригинальной конструкции: с непосредственным впрыском, насос-форсунками и головкой цилиндров, выполненной заодно с блоком. Над легковым дизелем работает и заволжский завод. Так что движение есть, пусть и в глубоком арьергарде мировой техники.

Двигатели Волжского автомобильного завода Настало время поговорить немного о том, как же развивается двигателестроение на отечественных автомобильных заводах. Конечно, наше автомобилестроение отстает немного от зарубежного, но все же…

Увеличение рабочего объема — наиболее радикальный способ увеличения мощностных показателей двигателя. Рабочий объем определяется количеством цилиндров, их диаметром и величиной перемещения (ходом) поршня. Поскольку количество цилиндров — величина неизменная, варьировать можно только два последних параметра.

Диаметр цилиндра определяется конструкцией двигателя. Для его увеличения в двигателях с чугунными блоками цилиндров (F3R и ВАЗ) применяется расточка блока цилиндров для установки поршней большего диаметра с последующим хонингованием (нанесением микронеровностей) для задержки масляной пленки на рабочей поверхности стенки цилиндра. Наиболее просто изменение рабочего объема осуществляется в двигателях с алюминиевым блоком цилиндров и вставными мокрыми гильзами (двигатель УЗАМ). В этом случае для изменения диаметра цилиндра используют соответствующие новые гильзы, имеющиеся в ассортименте. Следует иметь в виду, что посадочный диаметр гильз для двигателя УЗАМ имеет различные типоразмеры — для двигателей УЗАМ-412 и УЗАМ-331.10 рабочим объемом 1.5л применялись гильзы внутреннего диаметра 82 мм с посадочным диаметром 89 мм, а для двигателей УЗАМ большего рабочего объема — гильзы с посадочным диаметром 92 мм. Для установки гильз внутренним диаметром 85 мм в стандартный блок 1.5 л можно проточить наружный диаметр посадочной части гильзы до 89 мм; в продаже также встречаются уже проточенные гильзы внутренним диаметром 85 мм под блок цилиндров 1.5. Установить в такой блок без его доработки гильзы внутренним диаметром 88 мм невозможно, т.к. толщина стенки получается всего 0,5 мм. Однако можно расточить блок цилиндров 1.5 л под установку гильз с посадочным диаметром 92 мм, но это требует применения сложного специального оборудования. Блоки же цилиндров рабочим объемом более 1.5 л имеют посадочные места под гильзы диаметром 92 мм, поэтому в них можно установить гильзы как с внутренним диаметром 85 мм, так и с внутренним диаметром 88 мм.

2. Анализ тенденций развития автомобильного двигателестроения

2.1 Тенденции развития рабочего процесса

Анализ имеющейся технической информации по двигателям зарубежных аналогов показывает, что основной тенденцией развития рабочего процесса, отслеживающейся на протяжении последних десятилетий, является снижение выбросов токсичных веществ и расхода топлива. Она же, по всей видимости, сохранится и в ближайшем будущем.

Для принятия оптимальных решений по концепции рабочего процесса двигателей после 2000 г. необходимо провести ряд работ по проверке эффективности, технологической возможности и экономической целесообразности следующих направлений.

Повышение степени сжатия рабочего тела. При этом ограничение детонации на режиме полных нагрузок снимаются устройствами, снижающими давление конца сжатия или ограничивающими максимальное давление сгорания. К примеру, такое решение реализовано в серийном двигателе фирмы Mazda, где достигнуто снижение расхода топлива на автомобиле 10…15%

Использование двигателей уменьшенного рабочего объема при повышении мощностных показателей за счет применения наддува. Такое решение на автомобиле Мерседес класса «С» дало экономию расхода топлива 14% (2,3 л. с компрессором, 142 кВт, против 2,8 л., 142 кВт). Часто применяется акустический наддув, в том числе и управляемый. Данное мероприятие реализуется применением впускной трубы с переменной длиной воздушного тракта. Обычно такая система является двухрежимной. Для работы двигателя на высоких оборотах, соответствующих максимальной мощности, реализуется короткий трубопровод; при настройке на обороты, близкие к зоне максимального момента — длинный. Поток воздуха направляют заслонки с сервоприводом. Подобная система есть, например, в новейших моторах ЕСОТЕС фирмы OPEL.

Отключение части цилиндров на режимах малых нагрузок. По данным фирмы Альфа Ромео снижение расхода топлива:

Ш при отключении топливоподачи — до12%;

Ш при отключении топливоподачи и закрытии клапанов — до 25%;

Ш при полном отключении части цилиндров — до 40%.

Использование частичного качественного регулирования двигателя на «бедных смесях», за счет применения:

Ш организации тангенциального вихревого движения заряда, обеспечивающего более качественное смесеобразование и сгорание. Достигнутый на двигателях ВАЗ 2106, 21 063 эффект по расходу топлива 3…5%, по токсичным выбросам 30…50%;

Ш организации управляемого расслоенного смесеобразования с формированием продольного вихревого движения заряда за счет направленного впрыска топлива и струйной подачи дополнительного воздуха на открытый впускной клапан;

Ш непосредственного впрыска топлива в цилиндры (реализовано в двигателе фирмы Мицубиси);

Ш снижения энергии воспламенения смеси за счет микродобавок легко воспламеняемых компонентов (водород).

Ш повышения энергии и количества источников воспламенения. Один из способов повышения эффективности системы зажигания — камера сгорания с несколькими свечами зажигания. В этом случае значительно сокращается путь фронта пламени, распространяющегося по камере сгорания, а следовательно, повышается скорость сгорания топливо-воздушной смеси, расширяются пределы ее обеднения, улучшаются антидетонационные свойства двигателя. Так, две синхронно работающие свечи, установленные на серийном двигателе NISSAN, обеспечили возможность его работы на стехиометрической смеси с 33%-ой рециркуляцией отработавших газов, что резко снизило выбросы оксидов азота. Но и это не предел: если система зажигания использует 2 свечи и сделать асинхронным, то, по данным НАМИ, эти выбросы можно уменьшить еще на 10−15%. Причем, одновременно заметно улучшатся и антидетонационные качества двигателя. Экзотическую четырех свечевую систему разработала фирма MAZDA для своего экспериментального четырех клапанного двигателя рабочим объемом 1290 см³. На нем три свечи располагаются по периферии шатровой камеры сгорания и одна в центре. Для создания интенсивного вихря на впуске на частичных нагрузках, отключается один из двух впускных каналов. Двигатель имеет степень сжатия 12 и оборудован антитоксичной системой с трехкомпонентным нейтрализатором. По данным фирмы, распространение пламени от периферии к центру предотвращает проникновение несгоревшей смеси в щели между гильзой, поршнем и верхним компрессионным кольцом и в масляную пленку, уменьшает жесткость процесса и температуру сгорания, благодаря чему снижаются выбросы углеводородов и оксидов азота при сохранении термического КПД. Отмечается улучшение на 16% топливной экономичности по сравнению с базовым односвечным двигателем, работающим на стехиометрической смеси, и на 12% при работе с одной центральной свечой на бедных смесях.

Применение форсунок с регулируемыми параметрами факела совместно с системами раннего испарения топлива (электроподогрев).

Отработка алгоритмов управления составом смеси на переходных режимах с применением широкополосного ?-зонда и моделированием настенной топливной пленки.

Управление фазами ГРМ по нагрузочному и скоростному режимам работы двигателя. Использование регулируемой системы впуска для повышения крутящего момента двигателя в зоне низких оборотов коленчатого вала при сохранении высоких мощностных показателей. Практически реализовано несколько схем механизма изменения фаз. Большинство фирм использует сервопривод, который через специальную передачу изменяет угловое положение распределительного вала. Такой механизм применим на тех двигателях, где впускными и выпускными клапанами управляют разные распределительные валы. BMW сегодня предлагает два варианта этой системы (фирменное название — VANOS). Более простой изменяет только угловое положение распределительного вала, управляющего впуском, и применяется на шестицилиндровых бензиновых двигателях с 1993 г. На модели М3 установлен механизм, получивший название «Double VANOS», который изменяет положение обоих валов. Такая система значительно дороже и требует дополнительного обслуживания, зато результаты впечатляют. Крутящий момент мотора BMW — М3 близок к максимальному в диапазоне от 3000 до 6000 об/мин коленчатого вала. Свой путь избрала японская фирма HONDA. На ее двигателях, оснащенных системой VTEC, распределительный вал снабжен «лишними» кулачками. Клапанами управляют кулачки с разным профилем, позволяя изменять в зависимости от режима работы не только фазы, но и высоту подъема клапана. Результаты — 160 л.с. (117 кВт) и 150 нм для двигателя объемом 1595 см³.

2.2 Материалы в современном двигателестроении и тенденции применения новых материалов

a) Блок цилиндров.

Наиболее часто применяются литейные алюминиевые сплавы и высокопрочные чугуны. Корпус водяного насоса выполняется в отливке.

К перспективным типам конструкции блоков цилиндров относятся моноблоки и блок-картеры из специальных легких сплавов и блоки с различными видами покрытий цилиндров и залитыми вставками из композиционных материалов, целями создания которых являются существенное снижение массы блока (до ~50%), реализация минимального теплового зазора в паре цилиндр-поршень и обеспечение высокого ресурса пар трения цилиндр-поршень-поршневые кольца.

Основной проблемой создания, указанных выше блоков, является отработка высокоэффективной технологии изготовления. К блокам такого типа относятся блоки из заэвтектических высококремнистых алюминиевых сплавов, блоки с покрытием типа Nicasil, NCC, блоки армированные различными минеральными волокнами и керамическими материалами.

В качестве перспективных материалов для изготовления блоков цилиндров рассматривается и литейный алюминиевый сплав.

Гильзы цилиндра изготавливаются из трубы, выполненной из стандартного алюминиевого сплава или заэвтектического сплава типа «390» с антифрикционной обработкой рабочей поверхности оксидированием, покрытием Nicasil или др., либо из серого чугуна с финишной обработкой.

Кроме того, дальнейшее развитие получают компактные тонкостенные негильзованные чугунные блоки цилиндров повышенной жесткости, отличающиеся высокой компактностью конструкции, что особо важно для уменьшения продольного габарита двигателя.

b) Головка блока цилиндров.

Применяются литые тонкостенные головки блоков цилиндров, обеспечивающие достаточную прочность конструкции при сложных компоновочных схемах, характерных для многоклапанных двигателей. В настоящее время в качестве перспективного направления рассматривается использование керамических обкладок выпускных каналов для снижения тепловых потоков, что приводит к снижению детонации, увеличивает надежность камеры сгорания за счет уменьшения на 20? С температуры в районе седла. Температура газов увеличивается на 30? С, что важно с точки зрения снижения токсичности на фазе прогрева (за счет сокращения и ускорения выхода нейтрализатора на рабочий режим).

В качестве перспективных материалов для изготовления головок блока цилиндров рассматривается жаропрочный композиционный износостойкий сплав, исключающий направляющие втулки клапанов. Композиционные составляющие делаются на основе коротковолокнистой кремнеземной керамики, пропитанной литейным алюминиевым сплавом. Процент содержания керамики позволяет изменять в широком диапазоне теплофизические и механические свойства композитного материала, не повышая при этом общую массу детали.

c) Крышка головки блока, держатели сальников.

Сплав магния или пластмасса ПА 6.6.

d) Коленчатый вал.

Применяются полноопорные, стальные и чугунные коленчатые валы с уменьшенной шириной коренных шеек для снижения потерь трения.

e) Шатун.

В качестве перспективы рассматриваются варианты конструкции, исключающие применение верхней втулки шатуна. С целью повышения надежности работы и снижения массы детали рассматриваются варианты применения в качестве материалов:

Ш композиционного материала на основе алюминия.

Ш титанового сплава.

f) Детали механизма газораспределения.

Перспективный вариант впускного клапана — выполнение его из сплава титана или алюминида титана (удельный вес 3,5 г/см³) с целью облегчения и повышения ресурса. Клапан выпускной делается либо охлаждаемым, либо выполняется из жаропрочных композитов (алюминида титана или керамика типа SIC, SI₃N₄). Пружина клапана выполняется из сплава титана. Направляющие втулок клапанов выполняются из порошковой композиции железо-медь-графит, обладающей высокой теплопроводностью и низким коэффициентом трения.

Привод клапанов от распределительного вала осуществляется через гидрокомпенсаторы зазоров. Толкатель клапана — алюминиевый сплав с антифрикционным покрытием, например оксидированием, хотя новым веяньем автомобильного прогресса, все больше и больше мировых производителей переходят с гидрокомпенсаторов на обычные толкатели.

g) Поршень.

Перспективным является облегченный поршень, выполненный по технологии объемной штамповки с кристаллизацией под давлением, с уменьшенной поверхностью тронка за счет его подрезания в зоне бобышек, с овалобочкообразным профилем рабочей поверхности, уменьшенными зазорами, несущий три (или даже два) поршневых кольца.

В качестве перспективных поршневых материалов рассматриваются:

Ш заэвтектический сплав с содержанием кремния до 20%;

Ш жаропрочный композиционный сплав на основе алюминия.

h) Картер масляный:

Ш литейный магниевый сплав;

Ш стандартный литейный алюминиевый сплав.

2.3 Перспективы развития конструкции основных деталей двигателя

К перспективным типам конструкции блоков цилиндров относятся моноблоки и блок-картеры из легких сплавов с различными видами покрытий цилиндров и залитыми вставками из композиционных материалов. Головки блока цилиндров в перспективе будут блочными с применением конструкторских и технологических мер по снижению тепловых потоков через стенки в систему охлаждения, что приведет к снижению температуры стенок камеры сгорания, вероятности появления детонации, увеличит надежность камеры сгорания.

Во многих странах сейчас вводятся ограничения по шуму (74 дБ) с последующим понижением до 64 дБ.

Поэтому в настоящее время применяется:

a) Капсюлирование силового агрегата, системы выпуска.

b) Непосредственный привод клапанов с жесткими толкателями.

c) Привод распределительного вала зубчатым ремнем.

d) Максимальное снижение массы возвратнопоступательно движущихся деталей КШМ.

e) Повышение жесткости силового агрегата (двигатель + КПП) за счет жесткого масляного картера и дополнительного крепления к нему КПП.

3. Обоснование выбора исходных данных

Выбор тактности.

Преимущества 2-х тактных двигателей:

Ш большая равномерность выходного крутящего момента;

Ш лучшие условия работы подшипников коленчатого вала;

Ш высокая удельная мощность.

Недостатки 2-х тактных двигателей:

Ш большая чувствительность к величине противодавления выпуску вследствие резкого ухудшения наполнения цилиндра;

Ш повышенный расход воздуха (еще и на продувку) — увеличение воздухопровода и воздушных фильтров;

Ш более высокий уровень шума и дымности отработавших газов;

Ш худшие пусковые свойства вследствие плохой очистки и наполнения цилиндра при пуске;

Ш большие габариты в длину из-за увеличения шага двигателя;

Ш большие габариты в высоту из-за высоких размеров поршня, гильзы и шатуна;

Ш высокая токсичность (CH);

Ш низкая надежность колец из-за работы по окнам.

Все это неприемлемо в двигателях малолитражных автомобилей. Поэтому выбран двигатель 4-х тактного типа.

Выбор вида охлаждения.

Преимущества системы жидкостного охлаждения:

Ш эффективность теплоотвода от стенок цилиндра вследствие более высокой теплоемкости и теплопроводности охлаждающей жидкости по сравнению с воздухом;

Ш возможность применения блочных конструкций (блок-картер, блочная головка цилиндров). Это значительно повышает жесткость корпуса, сокращает шаг двигателя, общую длину двигателя, уменьшает длину коленчатого вала, тем самым повышая его жесткость и прочность на кручение;

Ш снижение общего уровня шума вследствие демпфирования колебаний стенок цилиндра водяной рубашкой.

Все эти преимущества для легкового автомобиля очень важны. Основным же недостатком жидкостного охлаждения является повышенная чувствительность к увеличению температуры окружающей среды. При этом падает перепад температуры между воздухом и поверхностью водо-воздушного радиатора. Но поскольку в наших широтах t_{воздуха} редко превышает 25−30°С, то это не страшно. Система заполняется антифризом поэтому размораживание двигателя зимой не произойдет.

При равных условиях охлаждение водой приблизительно в 175 раз эффективней. На практике этого не происходит т.к. воздух холоднее воды, его скорость выше и больше обдуваемая поверхность. Однако при воздушном охлаждении существует проблема охлаждения критических зон (напр. перемычки между цилиндрами).

Выбор числа и расположения цилиндров.

При выборе компоновочной схемы руководствуются:

Ш номинальной мощностью;

Ш предназначением двигателя, тактностью;

Ш динамической уравновешенностью;

Ш равномерностью выходного момента;

Ш габаритными ограничениями;

Ш видом охлаждения.

Исходя из данных условиях нашего агрегата, водяного охлаждения и применяемости двигателя можно выбрать рядную схему двигателя.

Выбор основных геометрических параметров двигателя.

Для того чтобы определить рабочий объем цилиндра необходимо задаться Pe (средним эффективным давлением). У автомобильных двигателей такого класса Pe = 0,6−1,3 МПа. Для оценочного расчета Vh, Pe возьмем равным — 1,1 МПа, в дальнейшем Pe будет рассчитано более точно.

Где: Ne = 90 кВт — заданная мощность двигателя;

m = 2 — коэффициент тактности двигателя;

Pe = 1,1 МПа — среднее эффективное давление;

n = 5000 об/мин — обороты.

Т.е. рабочий объем двигателя 2,0 л. Следовательно, рабочий объем одного цилиндра 0,49 л.

Полученный рабочий объем немного выше, чем у двигателей ВАЗ 21 063, следовательно, новый двигатель можно считать на основе конструкции уже имеющихся, увеличив рабочий объем и применив некоторые из современных конструктивных решений, что позволит получить современный и вполне реальный двигатель.

Основные геометрические параметры примем следующие:

Ш степень сжатия =9

Ш отношение радиуса кривошипа к длине шатуна = 0,3

Ш S = 80 мм; D = 89 мм, таким образом, Vh=0,49 дм³.

3.1 Описание конструкции двигателя

Проектируется 4-х цилиндровый, 4-х тактный бензиновый двигатель.

Блок цилиндров, материал: СЧ24−44.

Двигатель рядный с чугунным блоком несущего типа.

Блок без гильз, что с одной стороны увеличивает тепловой зазор, но с другой стороны технология изготовления такого блока более проста. Это позволяет уменьшить межцилиндровое расстояние. Блок данной конструкции обеспечивает необходимую жесткость, надежность внутренних полостей и технологичность изготовления. Блок цилиндров коробчатой формы состоит из верхних и нижних плит с отверстиями цилиндров, продольных стенок и поперечных перегородок. Система стенок и перегородок образует внутреннюю герметичную полость для циркуляции охлаждающей жидкости (рубашку охлаждения). Кроме того, в блоке имеются отверстия под болты крепления головки, отверстия для перепуска воды и масла из блока в головку цилиндров, через установочные втулки для головки.

Коленчатый вал, материал: сталь 40ХН.

Коленвал работает в тяжелых условиях, на него действуют переменные силы давления газов, силы инерции, вызывающие в элементах КВ скручивающие и изгибающие моменты, а также крутильные поперечные и продольные колебания вала. В результате циклического действия этих сил и моментов, все элементы КВ работают на усталость при неизбежной концентрации напряжений в отдельных местах. Трущиеся поверхности работают на износ при высоких удельных давлениях. Поэтому КВ должен отвечать ряду требований:

a) динамическая и статическая уравновешенность;

b) обеспечение работы цилиндров в определенном порядке и уравновешенностью двигателя;

c) высокая механическая прочность и жесткость;

d) высокая усталостная прочность;

e) высокая износостойкость трущихся поверхностей;

f) минимальный удельный вес и габариты;

g) отсутствие высоких амплитуд крутильных колебаний в рабочем интервале чисел оборотов.

Исходя из этих требований: КВ цельный, на подшипниках скольжения, закрепленный на нескольких опорных подшипниках с параллельным подводом смазки, подвесного типа. Масло подается к наружным поверхностям коренных шеек. Далее по каналам в КВ поступает внутрь коренных шеек, далее масло двигается по каналу в шатунные шейки и изнутри по каналам к наружным поверхностям шатунных шеек. В данном двигателе применена равномерная продольно-симметричная схема КВ (РПСС), т.к. данная схема имеет ряд преимуществ:

Ш динамическое самоуравновешивание вала (частичное или полное).

Ш высокопрочная технологичность вала, т.к. каждая пара соосных кривошипов может обрабатываться одновременно.

В нашем случаи вал данной схемы в 4-х цилиндровом двигателе, остаются неуравновешенными силы инерции 2-го порядка. Чтобы их уравновесить, необходимо вводить в конструкцию двигателя две одинаковые противоположно вращающиеся массы со скоростью 2?, что внесло бы существенное усложнение в конструкцию. Такое уравновешивание делают на двигателях автомобилей высокого класса. Поскольку данные силы существенных вибраций не вызывают, уравновешиваться они не будут.

Все переходы на КВ выполняются плавными, для уменьшения концентрации напряжений, несколькими радиусами. У выхода смазочного отверстия острые кромки не допускаются. Щеки овальной формы, выполнены заодно с противовесами, выполняющими роль разгрузки коренных подшипников.

Осевая фиксация КВ от перемещения осуществляется упорными полукольцами на 3-й коренной шейке. Передача момента потребителю осуществляется непосредственно с КВ посредством маховика. КВ несет элементы уплотнения по маслу (сальники). Привод вспомогательных агрегатов осуществляется с носка двигателя посредством зубчатого ремня.

Головка блока цилиндров, материал: АЛ-4.

Условия работы: силы давления предварительной затяжки силового крепежа, высокие температуры.

Эти требования выполняются за счет необходимой жесткости конструкции и организацией эффективного теплоотвода, при общем стремлении наиболее равномерного распределения температур.

Головка по возможности максимально симметричная, чем достигается равнопрочностные характеристики. Головка блочная, с верхнеклапанной схемой, 4 клапана на цилиндр, с двумя расположенным в верху кулачковыми валами. В верхней плите головка имеет опорные площадки для установки деталей привода клапанов, отверстия для силовых болтов. В нижней плите расположено огнеупорное днище с седлами посадки клапанов, опорная поверхность газового стыка, в которой имеются отверстия для перетекания масла и охлаждающей жидкости. Внутри головки имеются газо-воздушные каналы и система перегородок, образующих рубашку охлаждения. С одной стороны головки выпускной коллектор, с другой стороны впускной. В головку сбоку установлены форсунки так, что факел направлен на перемычку, которая находится между клапанами. Форсунки соединены топливной рампой.

Клапан обычный, тарельчатый, с плоским днищем. Приводится в действие распределительным валом через кулачек, задача которого, выбирать зазор, между клапаном и валом.

Шатун, материал: 40Х.

Условия работы: знакопеременные нагрузки, работает одновременно как поступательно, так и вращательно. Работает на усталость.

Шатун обычной конструкции. С двутавровым сечением стержня. Прямым разъемом нижней головки. Масло к нижней головке подводится через КВ. Верхняя смазывается масляным туманом подающаяся с картера. Крышка нижней головки шатуна крепится двумя болтами.

Поршень, материал: АК4.

Условия работы: высокие механические нагрузки (для данной конструкции Pz до 6,3 МПа). Высокие температурные нагрузки. Поршневые кольца работают на износ в условиях плохой смазки.

Необходимо: обеспечить минимальный вес, при достаточной прочности и жесткости, максимальный срок службы, герметичность полости цилиндра, минимальный расход масла на угар (тем самым закоксовку колец), надежная смазка трущейся пары, эффективный теплоотвод, высокая износостойкость тронка, поршневых колец, канавок и т. п.

Поршень тронковый, цельный. Днище головки поршня плоское, смесеобразование объемное. Цилиндрическая часть поршня имеет 3 канавки, две компрессионные и одна маслосъемная. В конструкции поршня предусмотрены три кольца для обеспечения достаточного уплотнения и теплоотвода, а так же равномерной смазки цилиндра по всей длине стенки рабочего хода цилиндра.

Поршневой палец пустотелый, на свободной посадке. От осевого перемещения закрепленный стопорными кольцами.

Описание работы системы смазки двигателя.

Запас масла находится в картере. Оттуда через маслозаборник масло поступает в шестеренчатый насос, установленный непосредственно на носке КВ. Из насоса при превышении заданного давления масло через редукционный клапан может быть слито обратно в картер. Из насоса масло попадает в масляный фильтр, в котором также есть редукционный клапан, который, если фильтр засорился отправляет масло в обход фильтрующего элемента. Из масляного фильтра масло поступает в главную масляную магистраль, из которой распределяется по коренным шейкам, из которых по каналам в КВ двигается к шатунным отверстиям. Из подшипников скольжения масло выдавливается в картер. В маслораздаточной канавке коренной шейки имеется канал в масляную форсунку, которая брызгает на поршень, с целью его охлаждения, тем самым снижает детонацию. В форсунках имеются клапана, которые срабатывают в зависимости от давления в системе. Из центрального масляного канала по каналу в блоке масло двигается в головку. В вертикальном масляном канале имеется противосливной клапан, предотвращающий слив масла во время стоянки. В головке масло распределяется по двум канавкам из которых по индивидуальным сверлениям подается к шейкам распредвалов и толкателям. Из толкателей и от распредвалов масло собирается в полость внизу головки и оттуда по сверлению сливается в картер.

Описание работы системы управления двигателем с распределенным впрыском топлива.

В данную систему входят:

a) Система подачи топлива.

b) Система зажигания.

c) Система гашения детонации.

d) Система кондиционирования воздуха.

e) Система вентиляции картера.

f) Система впуска воздуха.

g) Вентилятор системы охлаждения.

Основу системы управления двигателем составляет электронный блок управления (ЭБУ). Он является центральным устройством управления системы впрыска топлива. Он постоянно получает информацию от различных датчиков и управляет системами, влияющими на токсичность выбросов и рабочие показатели автомобиля. ЭБУ имеет программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). В ППЗУ находится общая программа, которая содержит последовательность рабочих команд (алгоритмы управления) и различную калибровочную информацию. Калибровочная информация представляет собой данные управления холостым ходом и т. п., которые в свою очередь зависят от массы автомобиля, типа и мощности двигателя, от передаточных чисел трансмиссии и других факторов.

В ЭБУ стекаются данные от различных датчиков.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ).

ДТОЖ представляет собой термистор, т. е. резистор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Датчик установлен в потоке охлаждающей жидкости двигателя на отводящем патрубке охлаждающей рубашки в головке цилиндров. Температуру охлаждающей жидкости ЭБУ рассчитывает по падению напряжения на ДТОЖ, имеющие переменное сопротивление.