Научные основы создания двигателей с управляемой степенью сжатия

В последние годы наблюдается значительный прогресс в повышении топливной экономичности и снижении содержания токсичных компонентов в отработавших газах автомобильных двигателей. Этому способствует ужесточающийся контроль государства чистоты окружающей среды и экономного использования не возобновляемых природных ресурсов. Ведущие автомобильные фирмы, участвуя в непрерывной гонке с законодателем и борясь за потребителя, вынуждены совершенствовать двигатели, используя новейшие конструктивные и технологические решения.

Реализуемые в двигателях новшества относятся к совершенствованию его систем и агрегатов, в первую очередь элементов топливной аппаратуры, с целью улучшения протекания рабочих процессов. При этом законы движения поршней остается жестко заданными и зависящими только от неизменных параметров кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Указанное обстоятельство не позволяет использовать такие мощные резервы оптимизации показателей рабочих процессов двигателя во всем диапазоне режимов его работы, как регулирование степени сжатия и рабочего объема.

До последнего времени считалось аксиомой, что степень сжатия является неизменным конструктивным параметром двигателя, таким как, например, диаметр цилиндра. Действительно, в традиционных двигателях величина степени сжатия однозначно определяется размерами кривошипно-шатунного механизма, высотой поршня, а также расположением головки цилиндра относительно оси коленчатого вала.

Как известно, мощность и топливная экономичность двигателя возрастают при увеличении степени сжатия вследствие повышения индикаторного КПД. При достижении величин степени сжатия 13−14 улучшение показателей двигателя прекращается из-за неизбежного роста механических потерь. Поэтому указанные величины степени сжатия являются оптимальными.

В тоже время заложенная в конструкцию двигателей величина степени сжатия отличается от оптимальной. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается детонацией. Она меньше оптимальной и, как правило, не превышает 10. В дизелях степень сжатия выбирается с учетом обеспечения надежного самовоспламенения топлива при пуске холодного двигателя. Она больше оптимальной и для дизелей с непосредственным впрыском топлива редко опускается ниже 16, а для вихрекамерных дизелей доходит до 24.

Многочисленные расчеты и экспериментальные исследования показали, что и для бензинового двигателя и для дизеля регулирование степени сжатия способно обеспечить приблизительно одинаковое улучшение топливной экономичности на 20%, хотя причины этого и алгоритм регулирования степени сжатия для бензинового двигателя и для дизеля различны.

В дизеле с регулированием степени сжатия можно значительно увеличить давление наддува, повысив за счет этого мощность. А можно сохранив мощность прежней снизить рабочий объем (количество цилиндров), улучшив при этом топливную экономичность, уменьшив массу и стоимость двигателя.

В бензиновом двигателе при снижении степени сжатия можно увеличить давление наддува без детонации, повысив при этом литровую мощность со всеми сопутствующими положительными эффектами, в том числе улучшением топливной экономичности на режимах больших нагрузок. При повышении степени сжатия топливная экономичность будет улучшаться на режимах малых нагрузок.

Возможность регулирования рабочего объема еще более ценна для показателей двигателя, чем регулирование степени сжатия. Большой рабочий объем существующих двигателей двигателя автомобилю нужен только для движения с максимальной скоростью. Этот режим не превышает 10% общего времени движения автомобиля. Наибольшую часть времени, например, при движении в городе автомобилю требуется экономичный двигатель с маленьким объемом. Совместное регулирование степени сжатия и рабочего объема открывает широкие перспективы создания двигателя нового типа с управляемым движением поршней. Это будет «эластичный» двигатель, гибко приспосабливающий свои объем и степень сжатия к условиям движения автомобиля. Например, когда нужна большая мощность этот двигатель будет эквивалентен 6-цилиндровому двигателю. Если большая мощность не требуется (городской режим движения), он будет соответствовать 4-цилиндровому и даже 3-цилиндровому двигателю обычного типа. При этом можно ожидать значительного снижения расхода топлива. Поэтому работы по созданию двигателей с управляемым движением поршней (регулируемыми степенью сжатия и/или рабочим объемом) являются актуальными и имеют большое экономическое значение.

Количество предложенных конструкций, позволяющих регулировать степень сжатия и рабочий объем двигателя очень велико. Однако, подавляющее большинство из них, теоретически позволяя решать поставленные задачи по управлению движением поршней, оказались не пригодными для практической реализации из-за невозможности обеспечить приемлемую работоспособность двигателя, или по технологическим причинам. Поэтому только ограниченное число двигателей было реализовано в металле и лишь единичные конструкции производились серийно.

Целью настоящей работы является разработка научных основ и комплекса технических мероприятий, направленных на создание двигателей с управляемым движением поршней, в первую очередь с регулируемой степенью сжатия, с плоскими преобразующими механизмами.

В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследований:

• систематизация и критический анализ известных технических решений, позволять управлять степенью сжатия и рабочим объемом;

• поиск перспективных конфигураций преобразующих механизмов двигателей с управляемым движением поршней;

• разработка теории, математических моделей и программных средств для расчетов и оптимизации параметров двигателей с управляемым движением поршней;

• разработка теории оптимального регулирования степени сжатия;

• теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в двигателях с регулируемой степенью сжатия.

Результатом поставленных в работе задач будут являться разработка, изготовление и доводка конструкции образцов двигателей с регулируемой степенью сжатия, тесно унифицированных с серийно выпускаемыми автомобильными двигателями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Теоретически обосновано понятие — объемный расход рабочего тела, характеризующее топливную экономичность двигателя. Показано, что для повышения топливной экономичности надо стремиться к тому, чтобы двигатель, работая на каждом из рабочих режимов, развивал необходимую для движения автомобиля мощность при минимальной величине объемного расхода рабочего тела. Имеются различные направления минимизации объемного расхода рабочего тела — понижение частоты вращения коленчатого вала, отключение цилиндров, пропуск рабочих циклов, регулирование степени сжатия и/или рабочего объема при управлении движением поршней. Работы в этих направлениях, проводимые в НАМИ с 80-х годов XX века, показали, что наиболее перспективным с точки зрения промышленной реализации является управление движением поршней с помощью плоских преобразующих механизмов, позволяющих регулировать степень сжатия, уменьшая за счет этого исходную величину объемного расхода рабочего тела, а также обеспечивающих регулирование рабочего объема.

2. Предложена классификация преобразующих механизмов на базе плоских кинематических цепей с кинематическими парами первого рода. Показано, что указанные механизмы могут быть подразделены на одно-, трех-, пятии т.п. элементные механизмы по количеству дополнительных элементов, добавляемым к трем обязательным звеньям механизмаостову, поршню и кривошипу. Простейшим преобразующим механизмом является одноэлементный механизм — традиционный кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Возможности КШМ по управлению движением поршней существенно ограничены и при их использовании не удается обеспечить удовлетворительную надежность. Значительно большими возможностями регулирования степени сжатия и рабочего объема обладают трехэлементные механизмы, которые могут быть подразделены на балансирные и траверсные. Использование преобразующих механизмов с числом элементов больше трех нецелесообразно из-за увеличения количества кинематических пар и звеньев механизма.

3. Разработана классификация трехэлементных преобразующих механизмов, все многообразие которых можно подразделить на балансирные и траверсные первого и второго родов. Балансирные механизмы имеют практически такие же ограниченные возможности регулирования движения поршней, как и КШМ, но позволяют получить более надежную конструкцию двигателя. Наибольшие перспективы использования в двигателях имеют траверсные преобразующие механизмы, в которых наряду с регулированием степени сжатия имеется так же возможность изменять ход поршня.

4. Проведен комплекс исследований по выявлению влияния степени сжатия на механические потери, которые могут возрастать при минимизации объемного расхода рабочего тела. Получена зависимость механического КПД от нагрузки и степени сжатия £о на режиме полной нагрузки. И в бензиновом двигателе и в дизеле при снижение £о на 20% при соответствующем увеличении среднего эффективного давления механический КПД увеличивается в среднем на 5%. В бензиновом двигателе такое снижение £о эквивалентно двум, а в дизеле, соответственно, — трем единицам. При частичных нагрузках снижение Ео вызывает прогрессирующее увеличение механического КПД. При нагрузке 20% от полной, характерной для городского режима движения легкового автомобиля, снижение £о на 20% вызывает увеличение механического КПД на 15%. Если снизить £о на 30% (на три и пять единиц, соответственно, для бензинового двигателя и для дизеля) при городском режиме движения автомобиля механический КПД увеличится на 25%.

5. Разработана теория рационального регулирования степени сжатия, базирующаяся на безразмерном комплексе kj/km, характеризующем эффективность преобразования химической энергии топлива в механическую работу. Получены зависимости для определения оптимальных величин максимальной и минимальной степени сжатия, а также закона ее изменения. На режиме максимальной нагрузки существует оптимальная величина степени сжатия, при которой обеспечивается максимум эффективного КПД (минимальная степень сжатия £о), определяемая величиной комплекса kj/km. В дизеле из-за более высокого уровня комплекса kj/km и оптимальная величина Ео и максимальная величина эффективного КПД выше, чем у бензинового двигателя. При снижении средней скорости поршня оптимальная величина £о увеличиваются. На режиме полной нагрузки целесообразно иметь степень сжатия меньше оптимальной величины с проигрышем по эффективному КПД в этой точке, но при этом обеспечить высокий средний уровень Г|е в возможно широком диапазоне изменения нагрузки. В двигателе с искровым зажиганием максимальная степень сжатия будет оптимальной при достижении максимума индикаторного КПД. При увеличении средней скорости поршня оптимальная величина zmax увеличивается вследствие снижения тепловых потерь из-за уменьшения времени соприкосновения стенок камеры сгорания с горячими газами. В дизелях максимальная величина степени сжатия определяется не обеспечением минимального расхода топлива на режиме холостого хода, а условиями надежного запуска холодного двигателя. Оптимальный закон изменения степени сжатия в зависимости от нагрузки может быть представлен степенной функцией, с показателем степени, определяемым величиной комплекса kj/km, диапазоном изменения степени сжатия и давлением наддува на режиме полной нагрузки.

6. Разработана математическая модель траверсного преобразующего механизма, проведен его кинематический и динамический анализ, в результате которого решена оптимизационная задача минимизации габаритных размеров механизма, нагрузок в шарнирах и усилий в органе управления степенью сжатия. Конфигурация механизма и найденные оптимальные соотношения размеров его звеньев защищены патентами развитых стран. В траверсных двигателях и с оптимизированным преобразующим механизмом неуравновешенные силы инерции в три раза ниже, чем в двигателях с КШМ, что явилось одним из главных аргументов в пользу выбора этой схемы для разработанных и изготовленных в НАМИ двигателей.

7. Разработаны программные средства автоматизированного расчета и проектирования двигателей с трехэлементными преобразующими механизмами, в которых базовым является программный комплекс ТМА (Traverse Mechanism Analysis). Комплекс позволяет осуществлять синтез, кинематический анализ и анализ уравновешенности, а также проводить оптимизацию траверсного механизма по различным критериям в зависимости от задач, стоящих перед разработчиком. Для оптимизации траверсного механизма разработаны подпрограммы, входящие в состав комплекса, основанные на методологии численного планирования эксперимента и регрессионного анализа.

8. Предложены безразмерные параметры, характеризующие тепловые потери в камере сгорания двигателя и позволяющие оценивать их изменение при управлении движением поршней. В дизеле с регулируемой степенью сжатия относительная поверхность камеры сгорания уменьшается, что оказывает благоприятное воздействие на рабочий процесс. В двигателе с искровым зажиганием при управлении движением поршней, как с целью регулирования степени сжатия, так и с целью регулировании рабочего объема, относительная поверхность камеры сгорания возрастает. Это ослабляет положительное влияние управления движением поршней на топливную экономичность. Теоретически обосновано, что для двигателей с управляемым движением поршней оптимальными являются камеры сгорания, объем которых полностью сосредоточен в надпоршневом пространстве (плоские камеры сгорания в двигателях с искровым зажиганием и камеры типа Гессельман в дизелях). В этом случае при наименьшем искажении формы камеры сгорания возможно обеспечить рациональное разнонаправленное совместное изменение степени сжатия и рабочего объема (Е уменьшается при росте Vh или, соответственно, Е увеличивается при снижении Vh), необходимое для получения максимальной топливной экономичности во всем диапазоне рабочих режимов двигателя.

9. Разработаны, изготовлены и прошли циклы всесторонних испытаний, в том числе и на надежность, двигатели с искровым зажиганием и дизели с траверсным преобразующим механизмом, позволяющим управлять степенью сжатия. При создании этих двигателей была обеспечена максимальная конструктивная, технологическая преемственность и унификация с серийными базовыми двигателями ЯМЗ и DaimlerChrysIer. Основное внимание было уделено как унификации конструктивных элементов, позволяющей сократить номенклатуру обрабатывающего, мерительного и монтажного инструмента, так и унификации по узлам и агрегатам. В двигателях с регулируемой степенью сжатия по сравнению с базовыми серийными используются три основные дополнительные деталитраверса, коромысло и эксцентриковый вал, изготавливаемые по стандартным технологиям из традиционных материалов. Меняются, в основном, четыре детали базового двигателя — блок цилиндров, коленчатый вал, поршень, шатун. Причем для поршня изменения минимальны и не затрагивают геометрию его боковой поверхности. Шатун нового двигателя проще в изготовлении и дешевле шатуна базового двигателя. Технологические отличия блока цилиндров и коленчатого вала нового и базового двигателей невелики. Проведенный комплекс работ позволил создать конструкции двигателей с регулируемой степенью сжатия, приспособленных для изготовления на стандартном оборудовании в условиях действующего двигательного производства.

10. Получены новые экспериментальные данные о влиянии степени сжатия на рабочий процесс дизеля. Установлено, что при уменьшении степени сжатия с сохранением постоянной нагрузки дизеля степень повышения давления при начальном сгорании увеличивается, а степень повышения давления при основном сгорании уменьшается. Общая степень повышения давления при сгорании практически не меняется и зависит только от угла опережения впрыскивания топлива. Период задержки воспламенения увеличивается, а суммарная продолжительность периодов начального и первой части основного сгорания практически не меняется вне зависимости от угла опережения впрыскивания топлива. При этом индикаторная диаграмма эквидистантно смещается вправо от ВМТ. Такой же эффект наблюдается при уменьшении угла опережения впрыскивания топлива, но неизменной степени сжатия. По воздействию на характерные углы процесса сгорания уменьшение степени сжатия эквивалентно уменьшению угла опережения впрыскивания топлива.

11. Экспериментально подтверждена возможность организации рабочего процесса без ухудшения индикаторного КПД в дизеле с изменяемой степенью сжатия. Индикаторный КПД при снижении степени сжатия и неизменной степени повышения давления при сгорании уменьшается за счет уменьшения термического КПД. При изменении степени сжатия от 17 до 13,5 уменьшение индикаторного КПД составляет 5%. Компенсировать уменьшение индикаторного КПД, вызванное снижением степени сжатия, можно за счет роста степени повышения давления при сгорании А, при увеличении угла опережения впрыскивания топлива 0. При этом величина максимального давления сгорания, снизившаяся вследствие уменьшения степени сжатия, восстанавливается до исходного значения за счет роста А,.

12. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено значительное положительное влияние регулирования степени сжатия на улучшение экологических показателей дизеля. Снижение степени сжатия в дизеле Т-01 с 17 до 10 при неизменном угле опережения впрыскивания топлива вызывает уменьшение дымности отработавших газов К на 45%. При увеличении угла опережения впрыскивания К дополнительно уменьшается еще на 20%. Таким образом при совместном варьировании степенью сжатия и величиной 0 дымность отработавших газов может быть уменьшена в три раза. Эмиссия окислов азота при снижении степени сжатия так же уменьшается на 45%. Совместное воздействие на степень сжатия и угол обеспечивает широкие возможности изменения NOx и К. Например и выбросы NOx и дым могут быть снижены на 45% (практически в два раза). Возможно более значительное снижение дымности отработавших газов — в три раза, но при этом концентрация NOx не уменьшается.

Снижение степени сжатия значительно усиливает положительное влияние рециркуляции на уменьшение эмиссии окислов азота. Так, например, если при степени сжатия 17 при рециркуляции 15% эмиссия Nox уменьшается на 40%, то при степени сжатия 10 выбросы Nox уменьшаются в три раза. Дымность отработавших газов при этом возрастает что объясняется уменьшением коэффициента избытка воздуха. Однако при уменьшении степени сжатия отрицательное влияние снижения коэффициента избытка воздуха на рост дымности ослабляется.

13. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что, не смотря на присутствие в траверсном преобразующем механизме трех дополнительных шарниров при оптимизации параметров и конструкции элементов механизма в траверсном двигателе возможно обеспечить механические потери на практически таком же уровне, что и в базовом двигателе с традиционным КШМ.

14. Разработаны и защищены патентами траверсные преобразующие механизмы двигателей, позволяющие управлять и степенью сжатия и рабочим объемом. На основе траверсного преобразующего механизма можно создавать двигатели с совместным регулированием и степени сжатия и рабочего объема, причем при уменьшении степени сжатия рабочий объем увеличивается. При введении в конструкцию траверсного механизма некоторых изменений он может быть модифицирован в силовой механизм, позволяющий увеличивать рабочий объем двигателя на 40% при уменьшении степени сжатия в два раза. Обеспечение более широкого диапазона регулирования рабочего объема может быть достигнуто за счет значительного усложнения конструкции, введения дополнительных изменений — синхронного вращения эксцентрикового вала и фазового сдвига эксцентрикового вала относительно коленчатого вала. В этом случае может быть достигнуто взаимное изменение рабочего объема и степени сжатия примерно в два раза. Создание двигателя с совместно регулируемыми и рабочим объемом и степенью сжатия, гибко адаптирующегося к условиям движения автомобиля, позволит значительно улучшить топливную экономичность автомобиля. На режимах малых и средних нагрузок регулирование и степени сжатия и рабочего объема обеспечивает в полтора-два раза большее улучшение топливной экономичности по сравнению с регулированием только степени сжатия.