автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение энергетических показателей автомобильных двигателей в процессе проектирования и освоения

На правах рукописи УДК 621.431.73

ГОЛУБЕВ ПЕТР АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОСВОЕНИЯ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2005

Работа выполнена на «Заволжском моторном заводе» (ОАО «ЗМЗ), в Нижегородском государственном техническом университете и Нижегородском филиале института машиноведения им. Благонравова А.А. РАН.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Сыркин П.Э.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Химич В. Л.

кандидат технических наук профессор Макаров А.Р.

Ведущая организация: ОАО «Ульяновский автомобильный завод»

Защита состоится 17 февраля 2005 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете, по адресу: 603155, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 603155, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.04.

Автореферат разослан января 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.165.04 доктор технических наук, профессор

Л.Н.Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Конкуренция на рынке автомобильной техники вызывает необходимость совершенствования конструкции двигателей.

Проблеме повышения энергетических показателей ДВС посвящено много работ, однако ряд вопросов, связанных с применением современных методов расчета, испытаний и освоения ДВС на основе компьютерных технологий применительно к конкретным условиям производства, освещены недостаточно.

Построение структурных моделей двигателя в целом и его отдельных систем позволяет обоснованно найти способы повышения его параметров. Применение компьютерных технологий открывает возможности совмещения этапов проектирования и освоения новых конструкций, отойти от традиционных подходов их последовательности. Рост удельных мощностей приводит к возрастанию нагрузок на детали ДВС и требует применения совершенных методов анализа их напряженно-деформированного состояния, позволяющих обеспечить прочность при минимизации массы.

Поэтому изыскание путей повышения энергетических показателей двигателя и решение связанных с этим проблем всегда было одной из актуальных задач при их создании, совершенствовании и освоении.

Целью работы являлось повышение энергетических показателей автомобильных двигателей с искровым зажиганием в процессе проектирования и освоения на основе комплексных экспериментальных и расчетных исследований.

В соответствии с поставленной целью были определены задачи исследований, которые сводились к решению 4-х групп взаимосвязанных вопросов:

1. Разработка структурных моделей газодинамического тракта и рабочего процесса двигателя и выбор их параметров.

2. Оценка напряженно-деформированного состояния деталей кривошип-но-шатунного механизма и обеспечение их прочности.

3. Разработка и реализация мероприятий, направленных на обеспечение качества двигателей и, прежде всего - эксплуатационной надежности и экологических показателей.

4. Проектирование и освоение на основе проведенных исследований семейства поршневых двигателей с искровым зажиганием рабочим объемом 2,3...2,7л.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований являлисьдви-гатели ЗМЗ-402.10, ЗМЗ-406.10 и их опытные модификации. Предметом исследований являлись энергетические показатели этих двигателей, влияние различных факторов на их изменение и влияние изменения энергетических показателей на другие показатели двигателей.

Методика исследований. Использованы положения теоретической механики, термо- и газовой динамики, строительной механики, металловедения.

Расчеты проводились с применением метода конечных элементов и специализированного программного обеспечения; испытания двигателей проводились на динамометрических и других стендах с компьютерной обработкой результатов; измерение нагрузок, напряжений и расходов жидкостей и газов - с помощью электронной аппаратуры; линейные и другие геометрические измерения как с помощью универсальных, так и специальных инструментов. Математическая обработка осуществлялась методами дифференциального и интегрального исчислений и математической статистики.

Достоверность результатов подтверждается аттестацией примененных средств измерений, большим набором статистического материала, высокой повторяемостью результатов эксперимента, использованием апробированных методов измерений.

Научная новизна.

1. Разработана структурная модель двигателя и его газодинамического тракта на основе дальнейшего развития моделирования в специализированном программном обеспечении WAVE. Созданная гибридная WAVE-модель двигателя, впускной и выпускной систем автомобиля в целом, позволила реализовать меры по повышению энергетических показателей двигателя.

2. С помощью компьютерных технологий и МКЭ разработаны:

- подход к проектированию силовой схемы деталей кривошипно-шатунного механизма (в частности, шатуна), основанный на идее минимизации энергии деформации в сочетании с методом конечных элементов и получены разрешающие уравнения для итерационной процедуры;

- методика параллельного проектирования деталей двигателя и подготовки их производства в процессе освоения.

3. Разработаны алгоритмы для исследования и применения на двигателях микропроцессорной системы управления топливоподачей и зажиганием.

4. Предложен, исследован и внедрен комплекс методик для реализации мер, обеспечивающих соблюдение норм по токсичности Евро-2.

5. Предложена методика ускорения разработки новых моделей на стадии испытаний путем создания для этого производственных предпосылок.

Практическая ценность и реализация работы. На основе выполненных исследовательских, конструкторских и технологических работ:

- обеспечено освоение четырехцилиндрового двигателя ЗМЗ-406.10 с впрыском топлива и электронным регулированием топливоподачи и зажигания, имеющего повышенные энергетические показатели по сравнению со своим предшественником - двигателем ЗМЗ-402.10;

- разработано и освоено на базе двигателя ЗМЗ-406.10 семейство четырехцилиндровых автомобильных двигателей. С начала производства и к 2004 году их выпущено 646 тыс. экземпляров, и выпуск их наращивается;

- внедрены в производство результаты и методики компьютерных технологий, экспериментальных исследований и освоенная аппаратура для выполнения конструкторских и технологических работ при создании новых двигателей и, в частности, двигателя V-6, дизельного Р-4.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Структурная газодинамическая модель двигателя и его газодинамического тракта, ее анализ, пути и результаты совершенствования

2 Результаты анализа и обеспечения прочности сталей при повышении энергетических показателей двигателя с применением компьютерных технологий

3 Разработанные и реализованные мероприятия и их результаты, направленные на повышение качества двигателей и, в частности, надежности и экологических показателей в соответствии с нормативными требованиями

4 Методика параллельного компьютерного проектирования деталей двигателя и составных частей подготовки производства с целью ускорения их освоения и повышения качества

5 Мероприятия, направленные на ускорение разработки новых моделей ДВС путем создания для этого производственных предпосылок

Апробация работы Основные положения работы в целом и ее части докладывались самостоятельно и в соавторстве на следующих конференциях, семинарах, технических советах ВГУ, г Владимир, 1994 г, институт машиноведения РАН, 1997 г, НИКТИД, г Владимир, 2000 г , ВГТУ, г Владимир, 2001 г, США, г Детройт, 2001 г, Австрия, г Грац, фирма ЛУЬ, 2003 г, Германия, г Штутгарт, 2003 г, ряде семинаров и технических совещаний в НГТУ, г Нижний Новгород и др

Публикации Опубликовано 20 работ, их них 17 по теме работы, в том числе 4 монографии, 4 статьи, 2 тезисов докладов, 10 патентов, авторских свидетельств и заявок на изобретения, из которых 7 - по теме работы

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложения Объем диссертационной работы составляет 153 страницы, в том числе 11 таблиц, 47 рисунков, библиографический список из 115 наименований, 1 приложение на 31 странице СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткое определение энергетических показателей двигателей и обосновывается необходимость проведения исследований, а также приводится общая характеристика работы

В первой главе, названной «Обзор состояния вопроса и постановка задачи исследования» отмечено, что фундаментальные основы теории и методологии исследований энергетических параметров ДВС создали ведущие отечественные и зарубежные ученые Большой вклад в автомобильное двигателестрое-ние внесен школами, созданными в научно-исследовательских институтах -НАМИ, НАТИ, НИКТИД - и технических университетах - МГТУ им Н Э Баумана, МГТУ (МАМИ), МГТУ (МАДИ), Санкт-Петербургском, Владимирском, Нижегородском, Волгоградском и др

Заслуживает внимания развитие теории и конструирования ДВС заводами ОАО «ЗИЛ», ОАО «ГАЗ», ОАО «ЗМЗ», ОАО «ВАЗ»,' ОАО «УМЗ» и др

Далее кратко характеризуется состояние отечественной автомобильной промышленности и стоящие перед ней задачи Подчеркивается, что усилившаяся конкуренция требует повышения показателей двигателей - энергетических, экономических, экологических и надежности Подчеркивается, что для предприятия нет более важного и ответственного решения, чем выбор объекта производства и его освоение Именно на основании проведенного в предлагаемой работе исследования были определены параметры нового двигателя, осуществлена разработка его конструкции и освоение в производстве

К основным энергетическим показателям поршневых двигателей внутреннего сгорания относятся мощность, крутящий момент, удельная (литровая) мощность, удельный (литровый) крутящий момент

Важное значение для оценки энергетических показателей ДВС, имеет не только абсолютная величина максимальной и удельной мощности, но и протекание характеристик, в частности, скоростных

Для обеспечения надлежащей динамики автомобиля важен коэффициент

.. Мтау

приспособляемости , то есть отношение величины максимально-

Mf! шах

го крутящего момента к моменту при максимальной мощности

Динамические качества автомобилей улучшаются, если максимум крутящего момента располагается в области малой частоты вращения, что характеризуется отношением К0g = 1 - ^тах Этот коэффициент показывает, в какой

nN max

доле скоростного режима по внешней скоростной характеристике двигатель работает устойчиво при возрастании потребного крутящего момента

Интенсивный путь увеличения энергетических показателей связан с увеличением коэффициента наполнения , плотности воздуха , частоты вращения

, коэффициентов полезного действия и В этом направлении и проводилось исследование

Важнейшими факторами, влияющими на коэффициент наполнения, в конечном итоге являются рк, Тк, у, ДТ и С, ( коэффициент дозарядки)

Пути, направленные на повышение рк, Е и ^ , снижение Тк, AT и у общеизвестны и давно реализуются в двигателестроении Задача обычно сводится к поиску таких решений, которые были бы наиболее удобны для конкретных условий эксплуатации производства и учитывали стоимость

Очевидно, что повышение рк может рассматриваться для трех случаев - при свободном всасывании воздуха или смеси При этом задача сводилась к тому, чтобы давление в цилиндре к концу такта всасывания было как можно ближе к атмосферному Для этого должны быть устранены все факторы, повышающие гидравлические потери, которые удалось снизить до 1 %

- при газодинамическом наддуве. Все факторы, учитываемые для первого случая, должны быть соблюдены также и при газодинамическом -наддуве. Отличительной особенностью является конструкция впускного тракта, длина, форма и объем которого должны обеспечить использование волновых явлений, создающих повышение рг_ в момент впуска. Экспериментальное и расчетное исследование газодинамического наддува изложено в настоящей работе;

- при принудительном наддуве повышение рг_ не является проблемой, поскольку может быть обеспечено до любого технически приемлемого уровня прежде всего по условиям надежности двигателя и качеству рабочего процесса. Поэтому речь идет о выборе такого наддувочного агрегата и такой системы наддува, которые смогут обеспечить наилучший КПД как двигателя, так и наддувочного устройства.

Снижение Т было реализовано путем устранения подогрева.

Снижение коэффициента остаточных газов у , осуществляемое в двигателях с внутренним смесеобразованием путем продувки, представляет собой известную проблему в двигателях с внешним смесеобразованием. Обычными путями снижения явились надлежащий подбор фаз газораспределения, уменьшение объема камеры сгорания и устранение в ней застойных мест.

Было также предусмотрено повышение £ и я.

Все эти пути были предварительно исследованы на двигателе ЗМЗ-402.10, затем на двигателе ЗМЗ-406.10 и реализованы в производстве.

Во второй главе рассматривается экспериментальный анализ путей повышения энергетических показателей двигателя действующего производства на модели 402.10. При этом было проделано:

- изготовление и испытание двигателя с верхним расположением распределительного вала;

- опробование впрыска топлива во впускные каналы с отечественной системой АВТЭ (аппаратура впрыска топлива с электронным управлением);

- исследование эффекта газодинамического наддува;

- разработка газотурбинного наддува;

- оценка надежности и, в частности, исследование деформации гильз цилиндров.

На опытном двигателе верхний распределительный вал приводился зубчатым ремнем. Для возможности форсирования по частоте вращения рабочий ход был уменьшен с 92 мм до 86,5 мм при сохранении базового диаметра цилиндров 92 мм.

По сравнению с карбюраторным двигателем 402.10, применение верхнего расположения вала в сочетании с впрыском увеличило литровую мощность на 28%, а момента - на 16,6%.

Полученные результаты послужили основанием для принятия последующих решений.

Исследование влияния газодинамического наддува в сочетании с впрыском топлива осуществлялось на двигателе с нижним расположением распределительного вала, оборудованного различными впускными системами (рис 1)

А - индивидуальное питание цилиндров, мм,

„,=42

Б - одноресиверная впускная система с объемом ресивера К(1 = 2 д,

объединяющего 4 впускных патрубка длиной ¿1 = 350 мм, дроссель-

ный патрубок dx¡¡ мм,

70

В - двухресиверная впускная система с воздушным фильтром с объемом

Одним из методов определения оптимальной длины впускного трубопровода для получения волнового (газодинамического) наддува является зависимость О Лутца резонансные и, обороты могут быть получены по

30 а

формуле

п„ = р М

тр

где а - скорость звука в воздухе, м/с, к - порядок гармоники

Анализ кривых изменения давления в зоне впускного клапана (рис 2) производился на основании оценки максимальной положительной амплитуды давления и ее фазового положения относительно середины опаздывания фазы впуска

Путем подбора были определены оптимальные длины труб с точки зрения получения максимальной мощности

ую= 8 л

Рис 2

Показатели двигателя с АВТЭ по внешней скоростной характеристике п сравнении с карбюраторным (вариант Г) показаны на рис 3

На следующем этапе было решено разработать на базе ЗМЗ-402 10 опытный двигатель с 16-ти клапанной головкой Этот двигатель имел следующие конструктивные особенности

- два верхних распределительных вала привод клапанов - толкателями по типу ВАЗ-2108

впрыск бензина во впускной канал в зоне его разделения,

- система впуска с газодинамическим наддувом.

Была получена мощность 105 кВт при 5200 мин1 и крутящий момент 205 Нм при 4500 мин1 вместо 72 5 кВт и 182 5 Н м.

Таким образом, появилась уверенность в необходимости ше стнадцатиклапанной головки бло ка

Далее был применен турбо-Рис 3 наддув.

Давление наддува не превышало 0 14 МПа по условиям бездетонационной работы двигателя на бензине АИ-93.

Применение турбонаддува позволило повысить мощность до 115 кВт Форсирование двигателя с помощью перечисленных выше методов приводило к существенному повышению напряжений в деталях Было сомнение в работоспособности гильз цилиндров Поэтому подверглась исследованиям деформация гильз, которая производилась тензометрированием

Исследования выявили, что при затяжке головки блока гильза приобретает форму обратного конуса, что не допускается ТУ, и что деформация (25 27 мкм на радиус) в среднем поясе наклейки тензодатчиков превышает в несколько раз допус гимые значения по ТУ

Проведенные на двигателе 402 10 исследования определили, во-первых, направления, позволяющие повысить энергетические показатели, а, во-вторых, установить, что выполнить все это путем его модернизации нецелесообразно, поскольку приведет, по существу, к созданию нового, но недостаточно надежного двигателя Нужно было создавать новую модель

Прежде всего, требовалось принять решение о конструкции остова двигателя Традиционно на двигателях ЗМЗ для блоков цилиндров применяется алюминиевый сплав Однако анализ реального состояния качества двигателя с алюминиевым блоком цилиндров и мокрыми сменными гильзами, а также вероятные перспективы модернизации принимаемого к производству двигателя выявил недостаточную жесткость конструкции, деформацию гильз и ограниченные возможности дальнейшего форсирования Учитывалась также возможность последующей разработки дизельного двигателя

Был произведен технико-экономический анализ применения алюминиевого и чугунного блока цилиндров и выбор был сделан в пользу чугуна также в

силу его меньшей стоимости За счет исключения вставных гильз удалось уменьшить межцилиндровое расстояние до 106 мм вместо 116 мм на серийныхдвигателях.

Уменьшение межцилиндрового расстояния позволило уменьшить габариты двигателя по длине и получить на опытных образцах массу двигателя на уровне серийного с алюминиевым блоком цилиндров.

Привод распределительных валов осуществлен по двухступенчатой схеме с двухрядной втулочно-роликовой цепью Натяжение холостых ветвей цепей - автоматическое с помощью унифицированных башмаков и гидравлических натяжителей (рис 4)

Четырехклапанная схема газораспределения (рис 5) значительно улучшила термодинамические показатели

Рис 4

Рис.

На этапе общей компоновки двигателя ЗМЗ-406 в конструкцию заложена возможность создания семейства двигателей с рабочим объёмом от 2300 до 2700 см3, как за счет увеличения диаметра цилиндров, так и за счет изменения хода поршня.

В качестве базовой системы питания принят фазированный впрыск топлива во впускные каналы каждого цилиндра. Разработан также карбюраторный вариант. Конструкция двигателя отрабатывалась с учетом широкого применения электроники с микропроцессорной системой управления (рис. 6).

Блок управления разработан московской фирмой Элкар с активным участием ЗМЗ. Датчики, исполнительные устройства и общая схема заимствованы у фирмы БОШ (Германия).

Подробное описание системы -датчиков, исполнительных устройств и методов диагностики приведено в книгах, написанных с участием автора.

Третья глава посвящена разработке структурной модели газодинамического тракта двигателя и выбору его параметров.

Для моделирования рабочего процесса исследуемого двигателя была принята компьютерная программа WAVE. Программа обеспечивает обработку газогидродинамических и термодинамических одномерных процессов конечно-разностным методом и моделирование полного цикла работы двигателя.

Количество тепла на теплоотдачу определялось с помощью соотношения Вошни (Woschni), которое выражает

коэффициент конвективного теплообмена hg :

hg = 0,0128£>~°20 Р°53КС

6

где Б - диаметр цилиндра; р - давление и Г - температура в цилиндре; ¥с -характеристическая скорость, которая представляет собой сумму средней скорости поршня и дополнительной скорости, связанной с процессом сгорания.

Модель сгорания для двигателей с искровым зажиганием основана на использовании функции Вибе:

где X - текущее время от начала сгорания; Х- - общая продолжительность сгорания; - показатель характера выгорания.

.0,6/ Л0,5 / \0,5 / -^0,8/

П

ту = туп

п

\

Р Т

1 СП* с

У с сп у

индекс п означает принадлежность параметра к номинальному режиму (для бензиновых ДВС ту„ = 3...4, Т2„ =50...70°ПКВ).

При построении структурной модели двигателя (рис. 7) были смоделированы следующие элементы: воздушный фильтр, газодинамический тракт (трубопроводы), ресивер, впускные каналы, цилиндры, выпускные каналы, выпускной коллектор, выпускная труба.

Рис.7

При этом учитывались элементы тракта: соединения, заслонки, элементы гидравлических сопротивлений и др.

Сравнение рассчитанных по программе WAVE и экспериментальных данных момента трения, эффективного момента, удельного расхода топлива и расхода воздуха для внешних скоростных характеристик двигателя показало, что разница между расчетными и экспериментальными значениями лежит в пределах экспериментальной погрешности и составляет 5... 8% (рис. 8 и 9).

Рис. 10

Рис.9

Одной из проблем установки двигателя в автомобиле является сложность размещения его вместе с впускной и выпускной системами. Путём проведения расчета и моделирования были найдены такие геометрические параметры систем, которые позволили разместить их в машине с одновременной минимизацией гидравлических потерь. На рис. 10 приведена трехмерная модель выпускной системы, а на рис. 11 - её структурная ""АУЕ-модель, скомбинированная с "АУЕ-моделью двигателя.

Значение коэффициента наполнения было принято в качестве критерия.

Расчетные характеристики коэффициента наполнения и уровень шума (рис. 12) хорошо согласуются с данными стендовых испытаний. При этом гидравлические потери на входе составляют менее 1%.

Рис.

11

Смоделированная впускная система, обеспечившая эффект газодинамического наддува, один из элементов которой, показан на рис. 13, исследована на двигателе.

При различных вариантах впускных труб (варьировались их длины и диаметры) были получены мощность от 114,5 до 121,3 кВт и крутящий момент от 212 до 227 Н.м.

При разработке тур-бонаддува с турбокомпрессорами фирмы Garret (модель ВТ-2,5, диаметр рабочего колеса компрессора 5,5 см) степень сжатия понижена до 8,0. При этом обеспечивалась бездетонационная работа двигателя при избыточном давлении наддува 0,064...0,069 МПа, температуре воздуха после охладителя примерно 60 °С и бензине АИ-95.

Для обеспечения надежности введены следующие по сравнению с безнаддувным вариантом изменения:

- поршень кованый вместо литого;

- охлаждение поршня с помощью масляных форсунок;

- втулки клапанов бронзовые вместо металлокерамических;

- седла клапанов бронзовые вместо чугунных;

- коленчатый вал из стали 42ХНМ вместо чугуна ВЧ50;

- выпускные клапаны с натриевым охлаждением;

- применено охлаждение наддувочного воздуха;

Введение наддува позволило поднять энергетические и другие показатели двигателя (рис. 14).

В главе четвертой произведен анализ напряженно-деформированного состояния деталей кривошипно-шатунного механизма.

ХМ м и/я

Рис. 14

Повышение энергетических показателей приводит к повышению нагрузки на детали двигателя. В связи с этим возникает необходимость обеспечить их прочность. Метод конечных элементов (МКЭ) в системе САЕ (Computer aided manufactured) стал основным методом структурного анализа и оптимизации конструкций ДВС.

Расчет шатуна ДВС, например, был основан на идее минимизации потенциальной энергии деформации. За основу была взята конструкция, состоящая из достаточно малых элементов, в пределах которых усилия и напряжения принимаются постоянными.

Известными приняты срединные поверхности элементов, а неизвестными их толщины 5. Находилось такое распределение некоторого заданного объема материала Vo по детали, при котором она имеет минимальную энергию деформации.

При определенной нагрузке и граничных условиях, напряжения и деформации зависят от распределения толщин в элементах

ст = о(5); е = е(5); 6 = 5 (р),

где: а,е,д,р - напряжение, деформация, толщина и точка срединной поверхности элемента, соответственно.

Потенциальная энергия деформации есть функционал от

£/=(/(§)-1(5,

2 V

(1)

Определяется закон распределения заданного объема материала

V по конструкции, минимизируя функционал (1).

Если г'-й элемент имеет площадь S- и толщину 5,-, тогда энергия деформации /-ого элемента составит

ип:

¿Л*5'-'

где:

- модуль упругости, начальная толщина, эквивалентные усилия и площадь в /-ом элементе конструкции, соответственно. Энергия деформации всей конструкции

1 Д 1 „2

ип

■ &0/

Теперь U0 рассматрив

Uo(S,) = — f -R:S, У '' 2£tT S,

(2)

На переменные 5; налоЯф^ _у _(

(3)

i=l

Значения 6,- определяем из условия минимума потенциальной энергии при помощи метода Лагранжа

где X - множитель Лагранжа.

] 2

Решение систем (2), (3) и (4) дает--— Л + Х.5(- = 0 (5)

При усилиях Яа , соответствующих новому распределению материала, заменяя 50;на 5|( , энергия деформации уменьшится и станет и\<И0. Если продолжить вычислительную процедуру по (6) и принять толщины за исходные, то получим дальнейшее уменьшение потенциальной энергии системы. Указанный итерационный процесс продолжается до тех пор, пока V- Иг< е, где е - наперед заданная малая величина.

Оптимальная конструкция имеет минимальное обобщенное перемещение и ее можно считать наиболее жесткой из заданного количества материала. Наиболее жесткие конструкции имеют одинаковую потенциальную энергию во всех невырожденных элементах и минимальную величину силового веса, которая вычисляется в данном случае как

Силовым весом называют произведение напряжений, возникающих в материале при передаче им усилий, на объемное количество этого материала.

Синтез конструкции шатуна позволил снизить его массу на 27% относительно первоначальной (рис. 15 и 16).

Вышеприведенная методология была применена для расчета прочности коленчатого вала и других деталей.

В пятой главе рассматриваются меры по обеспечению основных показателей качества двигателей. Важнейшим из них является надежность.

Для ее обеспечения потребовалось реализовать ряд решений: чугунный моноблок, коленчатый вал с закаленными шейками, чугунные распределительные валы с термообработанными кулачками, беззазорный механизм привода клапанов, гидромеханические натяжители цепей привода механизма газораспределения и др.

Эксплуатация двигателей ЗМЗ-4062 на автомобилях «Волга» и карбюраторного варианта двигателя ЗМЗ-4063 на автомобилях «ГАЗель» и «Соболь» подтвердила правильность выбранных конструктивных решений.

Фактические пробеги двигателей, а также результаты замеров основных деталей и определение темпа их износа показывают, что предусмотренный в ТУ ресурс до первого капитального ремонта в 250 тыс. км двигатели обеспе-

Конкурентоспособность двигателей не может быть достигнута без соблюдения норм к экологическим параметрам и прежде всего - токсичности ОГ.

Двигатели модели 406, согласно исследованиям фирмы Рикардо, сравнимы с современными европейскими аналогами и по выбросам соответствуют нормам Евро 2, на что получен сертификат.

Разработан и проходит испытания комплекс мероприятий для достижения уровня Евро-3:

- уменьшение объёма системы охлаждения двигателя и массы выпускного коллектора (ускорение прогрева);

- применение более легких поршней с уменьшенной высотой жарового пояса с узкими поршневыми кольцами с уменьшенной упругостью;

- оптимизация впускных каналов с целью усиления горизонтального вращения заряда;

- применение тонких прокладок головки цилиндров ~ 0,7... 1,2 мм вместо 1,7 мм (уменьшение щелевых объемов);

- применение двухструйных топливных форсунок с ориентацией их на каждый из двух впускных клапанов;

чивают (рис. 17).

Рис.17

- внедрение индивидуальных катушек зажигания на каждый цилиндр с обратной связью от датчиков детонации и системы бортовой диагностики.

Инструментом для получения надлежащего качества двигателя в процессе проектирования и освоения является CAD/CAM/CAE технология с ее программным обеспечением.

CAD/CAM/CAE технология позволила идти не от чертежа к трехмерному облику изделия, а от пространственной модели к автоматически сгенерированным чертежам уже на раннем этапе проектирования конструкции.

При использовании CAD/CAM/CAE был обеспечен сквозной цикл изготовления изделия: конструкторское проектирование разработка технологической оснастки (технологическое проектирование) анализ и оптимизация конструкции разработка управляющих программ для станков с ПУ.

Например, значительный эффект применения сквозной CAD/CAM/CAE технологии был получен при отработке геометрии впускных каналов двигателя.

После разработки первоначальной трехмерной формы каналов (рис. 18) производилась компьютерная оптимизация аэродинамических характеристик каналов по вихреобразованию и сопротивлению (рис. 19). Далее трехмерная геометрическая модель передавалась для разработки технологической оснастки и на подготовку управляющих программ для станков с ПУ. Стержневые ящики проектируются параллельно с проектированием каналов.

Весь цикл отработки геометрии каналов от создания трехмерной геометрии до ее изготовления на станке с ПУ составил 6-7 дней вместо 1-2 месяцев. Обеспечивается переход всего документооборота на безбумажную технологию.

(распределение

скоростей

потока

м/с)

1 13Е+02

2 28Е+01

1 65Е+01

3 73Е-01

Рис. 18

Рис. 19

Важнейшим фактором успеха предприятия является ускорение создания экспериментальных образцов двигателей. Обычно узким местом в разработке новых моделей было изготовление опытных образцов в экспериментальном цехе, располагающем универсальным оборудованием малой производительности.

Создание цеха малых серий (ЦМС), оснащенного гибкими переналаживаемыми станочными линиями и станками с ПУ позволяет вести одновременную отработку конструкции, подготовку производства, выпуск установочных партий и подготовку персонала.

Конечным итогом представленных к защите работ явилось освоение семейства четырехцилиндровых двигателей.

На базовом двигателе ЗМЗ-406 по сравнению с двигателем ЗМЗ-402.10 достигнуто (по внешней скоростной характеристике) повышение удельной мощности на 57% и снижение удельного расхода топлива на 7%.

С начала производства и к концу 2003 года произведено 646 тыс. экзем-ляров.

Показатели двигателей сравнимы с соответствующими зарубежными аналогами (таблица).

Модель двигателя ЗМЗ-4062.10 ЗМЗ-4052.10 ЗМЗ-409.10 Форд Крайслер Тойота ЗМЗ- 402.10

Рабочий объем, дм3 2,3 2,5 2,7 2,3 2,4 2,7 2,5

Диаметр цилиндра, мм 92,0 95,5 95,5 87,4 87,5 95,0 92,0

Ход поршня, мм 86 86 94 94 101 95 92

Степень сжатия. 9,3 9,3 9,0 9,7 9,4 9,5 8,2

Мощность, кВт при оборотах мин*' 106 5200 111 5200 117 5000 106 5500 110 5200 110 4800 73,5 4500

Удельная мощность, кВт/л 46,0 44,4 43,3 46,0 45,8 40,7 29,4

Крутящий момент, Н.м при оборотах мин"' 201 4000 201 4200 235 4000 203 2500 226 4000 240 4000 182 2500

Удельный расход топлива г/кВт.ч 265 265 265 235 245 260 285

Система питания впрыск впрыск впрыск впрыск впрыск впрыск карбюратор

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе развития методик моделирования разработана структурная модель рабочего процесса двигателя и его газодинамического тракта в совокупности с газодинамическим трактом автомобиля. Создана конструкция впускной и выпускной систем с газодинамическим наддувом, уменьшенным гидравлическим сопротивлением и геометрическими параметрами, позволившими разместить эти системы в автомобиле.

Расхождение между результатами расчета и эксперимента находятся в пределах 5...8%.

2 Двигатель ЗМЗ-406, разработанный и освоенный на базе моделей его рабочего процесса, впускной и выпускной систем, обеспечил по сравнению с серийным двигателем ЗМЗ-402.

- повышение удельной мощности на 57%,

- снижение удельного расхода топлива на 7%

(по внешней скоростной характеристике)

3 Разработан подход к проектированию силовой схемы деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ), основанный на идее минимизации энергии деформации Произведена оценка напряженно-деформированного состояния деталей КШМ, и реализованы меры по повышению их прочности и снижению массы по сравнению с исходной конструкцией

4 Разработан и внедрен комплекс методик для реализации мероприятий по улучшению качества двигателей, позволивших

- снизить токсичность отработавших газов по нормам Евро-2 и шумность,

- обеспечить показатели надежности в соответствии с ТЗ и ТУ, превышающие показатели серийного двигателя, и создать резервы для их дальнейшего повышения,

- оперативно анализировать и устранять дефекты,

- поддерживать позитивную динамику качества двигателей, поставляемых потребителю.

5 В практику проектирования внедрены компьютерные технологии

- WAVE для расчета параметров рабочего процесса с целью повышения энергетических и экологических показателей,

- CAD/CAM/CAE для расчета напряженно-деформированного состояния деталей с целью повышения их прочности, снижения массы и улучшения функциональных качеств

6 Внедрение компьютерных технологий ускорило освоение новых моделей благодаря возможности вести параллельно разработку конструкции двигателя, проектирование подготовки производства, изготовление оснастки и наладку станков с программным управлением

7 На основе проведенных исследований разработано и освоено в производстве семейство четырехцилиндровых двигателей с газодинамическим наддувом, че-тырехклапанным газораспределением, фазированным впрыском топлива, микропроцессорным регулированием систем топливоподачи и зажигания По своим показателям двигатели не уступают соответствующим зарубежным аналогам

7 Результаты и методики компьютерных технологий и экспериментальных исследований рекомендованы для практического применения, внедрены в производство ОАО «ЗМЗ», используются в учебном процессе НГТУ и других вузов

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Минееев А М, Столяров И И, I олубев П А Основные направления повышения

энергетических, экономических и экологических показателей двигателей ЗМЗ //

Проблемы машиноведения Тезисы докл науч -техн конф - Н Новгород, 1997 - С 64

2 Нестеренков А М, Столяров И И, Голубев П А Применение методов силового проектирования к разработке оптимальных конструкций шатунов поршневых машин // Прикладная механика и технология машиностроения Сб науч трудов-Н Новгород Интелсервис, 1997,ч 3-С 126-130

3 Пичугин В Б, Нестеренков А М, Нормухамедов Б Ф, Голубев П А Опыт компьютерного проектирования коленчатого вала У-образного двигателя внутреннего сгорания // Прикладная механика и технология машиностроения Сб науч тру-дов-Н Новгород Интелсервис-1997, ч 3-С 122

4 Минеев А М, Пичугин В Б, Поляков Л М, Голубев П А Новые четырехцилиндровые шестнадцатиклапанные бензиновые двигатели ЗМЗ // Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России Сб трудов - Н Новгород, НГУ, 1998 -С 379-381

5 Двигатели ЗМЗ Создание и развитие конструкций, технологий и производства 1958-1998 гг (монография) /А М Минеев, П А Голубев и др - Н Новгород, НГГУ, 1998-256 с

6 Минеев А М, Пичугин В Б, Поляков Л М, Нормухамедов Б Ф, Голубев П А Разработка и реализация гибких технологий в малосерийном производстве, как основа ускорения процессов создания и освоения в массовом производстве двигателей ЗМЗ нового поколения // Прикладная механика и технологии машиностроения Сб науч трудов-Н Новгород Интелсервис-1998, ч 1 -С 32

7 Солодкий П М, Стешов В В, Голубев П А Предварительные результаты исследования интенсивностей изнашивания деталей основных узлов трения двигателей ЗМЗ // Испытания материалов и конструкций Тезисы докл Межд науч-техн конф - Н Новгород, 2000 - С 36

8 Двигатели ЗМЗ-406 автомобилей ГАЗ и УАЗ Конструктивные особенности Диагностика Техническое обслуживание Ремонт (монография) /А К Гирявец, П А Голубев и др - Н Новгород, НГУ, 2000 - 368 с

9 Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малолитражных грузовиков (монография) /АД Блинов, П А Голубев и др - М Инженер, 2000-332 с

10 Нормухамедов Б Ф, Сыркин П Э, Шоткин Ю А, Голубев П А Остаточные напряжения в блоках цилиндров автомобильных двигателей (монография) -Н Новгород, НГГУ, 2003 -144 с

11 Яловицин А М, Голубев П А Провод свечи зажигания ДВС // Свидетельство на полезную модель № 18463 от 25 12 2000

12 Дюжаков В Ф, Миронычев М А, Голубев П А Уплотнение газового стыка между цилиндром и крышкой цилиндра ДВС // Патент на изобретение № 2001103453 от 05022001

13 Дюжаков В Ф, Миронычев М А, Голубев П А Поршень для ДВС // Пагенг на изобретение №2206776 от 12 07 2001

14 Акчурин X И, Миронычев М А, Голубев П А Клочай В В Способ работы и устройство поршневого ДВС с комплексной системой глубокой утилизации теплоты

и снижения вредных выбросов в атмосферу // Патент на изобретение № 2232912 от 06.12.2001.

15. Акчурин Х.И., Миронычев МА, Голубев ПА, Клочай В.В. Способ выделения влаги и твердых частиц из продуктов сгорания и устройство для его реализации в поршневом ДВС // Патент на изобретение № 2227833 от 25.03.2002.

16. Акчурин Х.И., Миронычев М.А., Голубев ПА, Клочай В.В. Композиционный материал и способ его получения для реализации требуемого коэффициента теплопередачи // Патент на изобретение № 2232786 от 26.04.2002.

17. Акчурин Х.И., Миронычев МА, Голубев ПА, Клочай В.В., Балуков В.П. Способ работы и устройство гидравлического привода транспортного средства // Заявка на изобретение № 2004106046 от 01.03.2004.

Подписано в печать 10 01 05 Формат 60x84 '/16 Бумаг а офсетная Печать офсетная Уч -изд л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 1

Нижегородский государственный технический университет Типография НГТУ 603600. Нижний Новгород, ул Минина, 24

05. O í -

of. О в

""694

??Of">005