автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение топливной экономичности среднеоборотного четырехтактного дизеля на основе обеспечения заданных законов движения клапанов

На правах рукописи

МИНЛК Сергей Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ СРЕДНЕОБОРОТНОГО ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ НА ОСНОВЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННЫХ ЗАКОНОВ ДВИЖЕНИЯ КЛАПАНОВ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1993

Работа выполнена в Харьковском институте инженеров келеакодорожного транспорта.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.И.Мороз

Научный консультант - кандидат технических;наук, •

A.В.Братченко

Официальные оппоненты- доктор технических наук,

профессор В.Д.Сахаревич; - кандидат технических наук,

B.П.Ересысо- .

Ведуиее предприятие - Первомайский машиностроительный

завод им. 25 Октября

Защита состоится " & " шЛЛ, 1993г. в /5~часов на заседании специализированного совета К 114.04.01 по специальности 05.04.02 - "Тепловые двигатели" при Харьковском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 310050, г. Харьков-50, пл. Фейербаха, 7.

#

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковско института инженеров железнодорожного транспорта.

Автореферат разослан "

" аиугиьХ 1993 г.

Учений секретарь специализированного совета кандидат техкичэоких: неук

В.И.Пелепейчонко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Важнейшей задачей, стоящей перед двигатель-строением, является создание высокоэкономичных, надежных и долговечных двигателей внутреннего сгорания.

Одним из направлений ее решения является создание и освоение производства четырехтактных дизелей с высокими технико-экономическими показателями, а также дальнейшее развитие мощ-ностных рядов существующих дизелей, осуществляемое, главным образом, на основе повышения уровней форсирования по среднему эффективному давлению.

В нынешней ситуации, сложившейся в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях, особую актуальность приобретают работы, нацеленные на дальнейшее повышение топливной экономичности форсированных дизелей'.

Анализ научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этом направлении, проводимых ведущими в области двига-телестроения научными и производственными центрами /ЦНИДИ, НТО, ЛПИ,пХПИ, ХИИТ, ПО "Завод имени Малышева", ПО "Коломенский завод, ПО "Звезда" и др./, подтверждает что при форсировании дизеля весом.ая роль отводится улучшению газообменных процессов в цилиндрах, на качество протекания которых существенное влияние оказывают законы движения клапанов, определяемые конструкцией кулачковых механизмов газораспределения /КМГР/.

При этом в"основу проектирования КМГР закладываются требуемые по условиям качественного протекания рабочего процесса в цилиндрах двигателя фазы газораспределения, "время-сечение" /ВС/ впускных и выпускных клапанов, ограничительные условия по уровням кинематических и динамических параметров, механической напряженности и технологичности основных элементов привода. Контроль результатов проектирования выполняется на основе получаемых теоретических законоз движения клапанов.

По результатам экспериментальных исследований форсированных дизелей типа Д49 Д5ЧН26/26/, Д42/6ЧН30/38/ выявлены существенные отличия поручаемых на работающем двигателе /реальных/ законов движения клапанов от заданных, что проявляется в значительных отклонениях фаз газораспределения, уменьшении ВС клапанов » превышениях уровней кинематических и динамических параметров. Выполненные проработки показали, что причиной етлконе-ний являются деформации звеньев и динамические процессы, щютв-

кающие в приводах клапанов. Устранение указанных отклонений является резервов улучшения рабочего процесса и основных показателей работы форсированного дизеля.

Выполненная диссертационная работа направлена на решение актуальной и важной научно-технической задачи повышения топливной экономичности среднеоборотных четырехтактных дизелей типа Д42 на основе обеспечения требуемых законов движения клапанов.

: Разработка и 'практическая реализация научно обоснованных рекомендаций по повышению топливной экономичности среднеоборотных дизелей типа Д42 на основе обеспечения на работающем двигателе требуемых по условиям качественного протекания рабочего процесса законов движения клапанов.

Для ее достижения необходимо было решить следующие научно-технические задачи:

провести исследование по выявлению и оценке величин отклонений в получаемых на двигателе законах движения клапанов по сравнению с заданными; рассмотреть возможные пути их компенсации и выбрать приемлемый для практики вариант;

разработать методику, соответствующую математическую модель для моделирования и оценки реальных законов движения клапанов при проектировании КМГР;

разработать методику проектирования кулачков, обеспечивающих получение на работающем двигателе требуемых законов движе-. ния клапанов, при выполнении всех ограничительных условий по динамике, механической напряженности привода и технологии изготовления кулачков;

разработать уточненные методики расчета БС клапанов и показателей механической прочности деталей привода, основанные на использовании реальных законов движения клапанов;

провести расчетно-эксперимеитальное исследование н выработать рекомендации по модернизации КМГР дизеля 6ЧН30/38 с целы) повышения его топдиеной экономичности. Научною__новизну составляют:

методика и соответствующая ей математическая модель для моделирования реальных законов движения клапанов;

методика проектирования безударных координатных кулачков, защищенная.а.с. $ 1751367, обеспечивающая получение требуемых законов двнжэнич клапанов на работающем двигателе;

методики проведения уточненных расчетов ВС клапанов и показателей механической напряженности элементов конструкции клапанного привода, основанные на учете реальных законов движения клапанов;

математическая модель и реализующая ее программа для проектирования и исследования КМГР.

диссертационной работы характеризуется следующим:

приведены количественные оценки возникающих на работающих дизелях типа Д42 и Д49 отклонений в фазах газораспределения, ВС клапанов, кинематических и динамических параметров, показателей механической напряженности основных элементов привода клапанов;

предложен вариант модернизации КМГР дизеля 6ЧН30/38, обеспечивающий существенное повышение топливной экономичности дизеля за счет обеспечения при его работе требуемых законов движения клапанов.

Изготовлен комплект прошедших экспериментальную проверку . и принятых к внедрению высокоэффективных безударных кулачков для привода впускных и выпускных клапанов дизеля 6ЧН30/38, обеспечивающих получение на работающем двигателе требуемых законов движения клапанов.

Внедоение_рез^льтатов_работы. Полученные результаты, выработанные рекомендации, разработанные методики, реализующие их математические модели и программы переданы на ПО "Коломенский завод" и используются при создании и доводке современных форсированных дизелей. Они могут использоваться и другими ПО и организациями, занимающимися созданием дизелей.

Экономический эффект от внедрения результатов нестоящей работы в соответствии с актами за 1991-1992 гг. составил 546 тыс.руб.

42Е2§£Ц5Ш_В&$22ё» Основные результаты работы докладывались на научно-технических совещаниях в. ПО "Коломенский завод" /г.Коломна 1990, 19Э1 гг./, научно-методических семинарах и научно-технических конференциях в Харьковском институте инженеров железнодорожного транспорта /1991-1992 гг./.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, получено авторское свидетельство.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулированы основные задачи и пути их решения.

ё_П£Е52Ё_£2§Ш§ проведен анализ отклонений реальных законов движения клапанов от заданных при проектировании /теоретических/ и выполнена оценке перспективных направлений их компенсации.

По результатам экспериментальных исследований дизелей 16ЧН26/26 и 6ЧН30/38 /рис.1/, проведенных совместно со специалистами ПО "Коломенский завод", было установлено, что отличия реальных законов движения клапанов от теоретических проявляются в значительном изменении фаз газораспределения /запаздывание открытия и опережение момента закрытия впускных и выпускных клапанов составляет 6 + 12° ПКВ/, существенном уменьшении общей продолжительности открытия клапанов до 24° ПКВ, уменьшении величины подьема клапанов до I мм, увеличении их скоростей до 0,2 м/с и ускорений - более чем в 2 раза. Наличие данных отклонений в приводе приводит к уменьшению до 8 % задаваемой при проектировании величины ВС клапанов.

Отмечено, что достижение заложенной при проектировании величины ВС за счет обеспечения на работающем двигателе требуемых законов движения клапанов является одним из резервов повышения его топливной экономичности. Это обосновало необходимость поиска приемлемых для практики путей компенсации выявленных отклонений в реальных законах движения клапанов от теоретических.

Показано, что данная задача может быть сведена к компенсации начальных упругих деформаций звеньев КМГР, являющихся следствием динамических процессов, протекающих в упругой кинематической цепи привода клапанов.

Рассмотрены возможные варианты решения выделенной задачи. При этом наиболее приемлемым, не требующим существенных изменений в конструкции двигателя и эффективным вариантом, является решение задачи, основанное на применении новых высокоэффективных кулачков, профили которых'имеют кроме основных, определяемых углами действия, соответствующие компенсационные участки.

Показано, что в основу проектирования таких компенсацион-' них участков может быть заложен подход, аналогичный используемому при проектировании участков сбега в задачах профилирования безудашых кулачков. Причем, если при проектировании участков сбега основным исходным параметров является величина теплового

зазора /определяет соответствующее перемещение толкателя в конце участка сбега/, то при проектировании компенсационных участков - величина начальной деформации привода. Следует, отметить, что при необходимости компенсационный участок может выполнять функции и участка сбега. В этом случае его проектирование выполняется на основе соответствующей суммы величин упругой деформации и теплового зазора в приводе клапанов.

Таким образом решение задачи обеспечения на работающем двигателе требуемых законов движения клапанов связано с реализацией специального подхода к профилировании кулачков, имеющих компенсационные участки. Он предусматривает, в числе основных исходных параметров на проектирование, задание величины начальных упругих деформаций привода клапанов, которые при отсутствии экспериментальных данных можно получать путем математического моделирования. Это обосновывает.необходимость разработки соответствующей математической модели, построение которой рассмотрено во второй главе.

представлены разработанные методики, объединенные в математическую модель для проектирования высокоэффективных КМГР из условия получения на работающем двигателе требуемых законов движения клапанов.

Процесс проектирования, реализующий итерационный поиск конечного решения, проводится в соответствии со следующими этапами :

1. проектирование кулачков на основе исходных данных;

2. расчет кинематических характеристик и теоретических законов движения клапанов;

3. моделирование динамических характеристик н реальных законов движения клапанов;

4. сравнение реальных и теоретических законов движения клапанов и в случав недопустимых отличий - проектирование кулачков с компенсационными участками;

5. уточненная оценка ВС клапанов и показателей механической напряженности.

С учетом отмоченного математическая модель имеет модульноо строение и объединяет 4 основных модуля:

. I. Модуль профилирования кулачков без компенсационных" участков, обеспечивающий получение отвечающих заданным условием проектирования профиля, кинематических характеристик толкателя ■ и теоретических законов движения клапанов.

2. Модуль для моделирования динамических характеристик КМГР, оценки безударности и безразрывности кинематической цепи привода, моделирования реальных законов движения клапанов.

3. Модуль профилирования высокоэффективных безударных кулачков /с компенсационными участками/, обеспечивающих получе- , ние на работающей двигателе требуемых законов движения клапанов при выполнении всех основных и ограничительных условий на проектирование.

4. Модуль расчета ВС клапанов и прочностных характеристик основных деталей КМГР на основе реальных законов движения клапанов.

Основу первого модуля составляет разработанная методика 'профилирования кулачков в которой на первом этапе проектирования не учитывается начальная упругая деформация привода. Следует отметить, что особенности конструкции КМГР дизеля 6ЧН30/38 потребовали разработки математического описания для расчета кинематических характеристик толкателя и теоретических законов движения клапанов. Выведенные с помощью метода проекций замкнутого векторного контура на координатные оси расчетные зависимости представлены в диссертации.

Получаемые в первом модуле теоретические законы движения клапанов являются исходными для моделирования динамики привода и реальных законов движения клапанов во втором модуле. Его основу составляет разработанная в ХИИТе обобщенная динамическая модель привода, жесткостные и диссипативныа параметры которой определялись на основе экспериментальных исследований привода клапанов дизеля 6ЧН30/38. Адекватность данной модели подтверждена при проведении многочисленных экспериментальных исследований дизелей типа Д42 и Д49.

Рпсчитанные динамические характеристики, отражающие изменение упругих деформаций Z , мм привода по углу поворота кулачка используются для контроля безразрывности кинематической цепи /условия 2 > 0/, а производные 2' , мм/рад и и", мм/рад^ -г.ри моделировании реальных скоростей V* и ускорений О* клапана:

(К-г)//ООО , м

О/т , м/с и*/т , м/с

(1)

(2)

(3)

где £<-> - угловая скорость распределительного вала, рад/с.

Реальные законы движения клапанов сравниваются с теоретическими и оцениваются имеющие место отклонения. Для их устранения необходимо провести второй этап проектирования кулачков, с компенсационными участками на профилях, в основу построения которых закладываются начальные упругие деформации привода полученные, при расчете динамических характеристик. Разработанная для этого методика составляет основу третьего модуля.

Базой для новой методики профилирования кулачков послужила разработанная ранее методика, основанная на синтезировании требуемого закона изменений ускорений толкателя, условно названного трапецеидальным /с помощью заменяющих трапеций/. Она была ориентирована на механизмы с автоматической выборкой теплового зазора и не учитывала возможность ввода участков сбега. Однако при этом синтез базового закона изменений ускорений толкателя выполнялся из условия достижения наибольшей величины ВС клапанов при заданных условиях и ограничениях на проектирование.

В основе разработанной методики проектирования высокоэффективных координатных безударных кулачков используется синтезируемый по конкретным условиям на проектирование закон изменения ускорений толкателя, представленный на рис.2. Он характеризуется следующими основными параметрами:

<Л - протяженность участка компенсации упругих деформаций; (р4 - протяженность участка положительных ускорений толкате-.п ля /отсчитываемая от конца компенсационного участка/; с, - наибольший допустимый уровень аналога положительных ускорений толка-геля; - протяженность участков с линейным изменением аналога положительных ускорений толкэтеля, вводимые из условия получения безударного профиля; \'рй - протяженность участка отрицательных ускорений толкате-

8 к ля;

г - наибольший допустимый уровень аналога отрицательных ускорений толкателя; ^ - протяженность участков, на которых величина аналога отрицательно угловых ускорений толкателя изменяется по закону квадратной параболы; выбирается из условия обеспечения безразрывной динамики привода.

При этом основными условиями дАя пгюегстирования даи/ценса-ционных участков (рс являются: обеспечение э конце участков

соответствующее фазам газораспределения начало открытия и закрытие клапанов за ичет соответствующего подьема толкателя о70 , величина которого определяется из условия выборки теплового зазора и компенсации деформации звеньев привода; допустимая скорость посадки^клапана на седло; безскачковая сопрягаемость компенсационных участков с основным профилем кулачка.

Таким образом, формирование базового закона изменения ускорений толкателя на участке его положительных ускорений выполняется с учетом необходимости компенсации теплового зазора и начальной упругой деформации привода, достижения наибольшей эффективности при заданных фазах газораспределения и выполнении ограничительных условий по механической напряженности /допу-'стимой, по условию прочности деталей, величины контактных напряжений в кинематической паре кулачок-ролик толкателя/ (5*У/, а также технологии изготовления кулачков, в частности соблюдение ограничения по минимальному радиусу кривизны погнутого участка профиля кулачка >- [ .

На участке отрицательных ускорений толкателя - из условия достижения безударной и безразрывной динамики привода и,обеспечения требуемого запаса клапанных пружин по силам инерции /величина отрицательных сил инерции действующих в клапанном приводе должна обеспечивать соблюдение условия Мзп > I/.

В приведенных нижа зависимостях дпя определения текущих значений аналогов угловых ускорений толкателя соответствующих выбранному виду базового закона, для каждого из ввделенных участков текущее значение угла поворота -кулачка 1/> задается в радианах от нуля до заданной протяженности соответствующего участка.

& У2

$г

Участок I. = •

Участок 2.

я;

■А ■<Р

С4)

(5)

Участок

г . 11

Участок 4.

Л * (\ // / ф ,

^ (7р;)

(?)

Участок 5. Участок б.

Участок 7. где

/77 - коэффициент нарастания положительных ускорений толкателя на участке 3 базового закона; определяется отношением 8/ й величины аналога положительных угловых ускорений толкателя в конце участка 2;

П - коэффициент степенной функции, описывающей базовый закон изменения ускорений толкателя на участке 3; выбирается из условия достижения максимальной эффективности при обеспечении технологического ограничения по [] ;

К - коэффициент,равный отношению максимальной и минимальной величин ординат отрезка наклонной прямой, формирующей отрицательную область значений базового закона изменения ускорений толкателя на участке б; выбирается из условия обеспечения допустимого Им .

Следует ответить, что при разработке математического описания методики строго соблюдалось требование равенства площадей под кривыми положительных и отрицательных ускорений с учетом площадей под кривыми ускорений на компенсационных участках.

Математические зависимости для определения текущих значений аналогов угловых скоростей Ь' и угловых перемещений О коромыслового толкателя были получены путем интегрирования и двойного интегрирования формул (4) ... ("Ю).

Для спроектированных с помощью разработанной методики кулачт ков выполняются все описанные ранее этапы, сравниваются теорети-г ческне и реальные законы движения клапанов /до подтверждения соответствия реальных законов движения клапанов требуемым/.

Наличие реальных законов движения клапанов позволяет выполнить уточненную оценку ВС клапанов и показателей механической напряженности привода.

Отличительными особенностями предлагаемых подходов к определению ВС клапанов и проведению расчетов на прочность деталей

<{• П

привода, является использование в них реальных законов движения клапанов вместо теоретических. Целесообразность такого уточнения подтверждается результатами проведенных исследований по оценкам ВС и показателей прочности клапанных приводов дизелей 16ЧН26/26 и 6ЧН30/38.

При этом с учетом известных особенностей протекания процессов выпуска и наполнения в цилиндре двигателя, кроме суммарной величины ВС клапанов, в процессе исследования выполнялась оценка данного показателя на различных участках подьема клапанов. Так при уменьшении на работающем двигателе, по сравнению с теоретической, общей величины ВС клапанов дизеля 16ЧН26/26 с серийными тангенциальными выпускными кулачками на 2,5 %, в начале подьема клапана, оказывающем существенное влияние на процессы газообмена ь цилиндре двигателя, уменьшение ВС для выпускник клапанов составляет 3(3 % /рис.3/.

В качестве примера, обосновывающего необходимость уточнения методик расчета на прочность основных элементов КМГР, ниже рассмотрена оценка влияния реальных сил инерции действующих в клапанном приводе на коэффициент запаса клапанных пружин по си-дам инерции . Проведенный расчет Ад^ серийной клапанной пружины дизеля 6ЧН30/38, при использовании вариантных дуговых вогнутых кулачков, по теоретическим силам инерции Р"ыр. показал, что полученная величина данного коэффициента равная 5,37 удовлетворяет общепринятому условию Кза > 1,6. Вместе с тем пересечение кривой реальных сил инерции Рреал характеристики пружины Рпр. /заштрихованная область на рис.4/, а также уменьшение к3„ до 0,94 свидетельствует о нарушении йризеденного выше условия и возможности разрыва в кинематической цепи привода. Поэтому в связи с отмеченным значительным влиянием реальных сил инерции на прочностные характеристики клапанных пружин, предложено при их проектировании вводить в расчетные зависимости, в качестве уточняющего, коэффициент динамичности к'д , учитывающий отличие реального закона изменения сил инерции в клапанном приводе от теоретического и определяемый из соотношения:

ареол. рреа,,.

К9 _ "Я =* - ' ( П)

О те ср. Р-.

тс ср.

где Ореол. - максимальная величина ускорения клапана, определяемая реальным законом его движения;

Огео/1 ~ теоретическая величина ускорения клапана, соответствующая прогибу клапанной пружины при О^м,, .

Разработанная математическая модель, реализующая ее программа, позволили провести поисковые исследования, найти и предложить приемлемый для практики вариант модернизации КМГР дизеля 6ЧН30/38 направленный на повышение его топлизной экономичности, за счет обеспечения на работающем двигателе требуемых законов дзиления клапанов.

§_1Е§!Ь§й_главе представлен« результаты расчетно-экспери-ментального исследования по модернизации механизма газораспределения дизеля типа Д42 /6ЧН30/38/, направленной на повышение его топливной экономичности за счет обеспечения на работающем двигателе требуемых законов движения впускных и выпускных клапанов .

Как показано ранее,законы движения клапанов, получаемые на работающем двигателе 6ЧН30/38, существенно отличаются от требуемых. В результате имеют место значительные отклонения по фао&м газораспределения, .уменьшение продолжительности открытия и ВС клапанов, что негативно отражается на протекании рабочего процесса в цилиндрах и показателях работы двигателя. В этом плане устранение выявленных отклонений является резервом улучшения рабочего процесса и, как результат, повышения топливной экономичности дизеля 6ЧН30/33.

Подтверждением отмеченному являются результаты проведенных ранее в ПО "Коломенский завод" экспериментальных исследований по модернизации КМГР дизеля-6ЧН20/38 за счет применения газрэ-ботанных на заводе дуговых вогнутых кулачков, обеспечивающих по сравнению с серийными тангенциальными кулачками увеличение ВС впускных клапанов на б % л выпускных - на 10 %. Показано, что-такое увеличение ВС клапанов определяет значительное увеличение уровней расходов воздуха, коэффициентов наполнения, коэффициентов иэб*"*ка воздуха и в конечном итоге снижение удельных эффективных расходов топлива на 4-6 г/кВт ч на всех режимах нагрузочной характеристики двигателя / п = 750 мин"*/. Однако Енедрениэ дуговых вогнутых кулачков на дизеллх 6ЧН20/38 не представляется возможным по причине неприемлемого ухудшения динамики и показателей механической напряженности привода клапанов. В частности, наблюдались удары и многочисленные разрывы кинематической цени привода, колебания клапанов при их пелкок открытия, более чем б 2 раза увеличились напряжения в рычогах, нарушалось условие

запаса клапанных пружин по силам инерции.

С учетом подтвержденного экспериментальное улучшения рабочего процесса двигателя 6ЧН30/38 за счет увеличения ВС клапанов была поставлена задача по разработке приемлемого для практики варианта модернизации КМГР. Ее решение выполнялось по представленным в главе 2 методикам и моделям. При этом работы проводились из условия, что модернизированный КМГР дизеля 6ЧН30/33 должен обеспечивать:

1. Заданные по условиям качественного протекания рабочего процесса в цилиндрах законы движения клапанов на работающем двигателе /фазы газораспределения, подьемы и продолжительности открытия клапанов/;

2. увеличение ВС клапанов на 8тЮ % по сравнению с серийным вариантом /дальнейшее увеличение ВС ограничено площадями горловин каналов в крышке цилиндра/;

•3. безударную, безразрывную динамику клапанного привода;

4. приемлемую механическую напряженность основных деталей

КМГР;

5. выполнение всех ограничений, определяемых особенностями конструкции дизелей типа 6ЧН30/38 и технологией изготовления кулачков.

Как показано ранее поставленная задача может быть решена за счет применения в приводах впускных и выпускных клапанов новых координатных безударных кулачков, проектирование которых должно проводиться из условия обеспечения на работающем двигателе заданных законов движения клапанов. Дли этого может быть использована разработанная математическая модель.

В диссертации представлены исходные данные на проектирование, проведенные проектировочные расчеты, координаты профилей разработанных опытных кулачков для привода впускных и выпускных клапанов. Показано, что разработанные кулачки отвечают всем заданным условиям на проектирование. При этом достигается существенное увеличение ВС впускных /на 8 $/ и выпускных /на II %/ клапанов /рнс.5/, обеспечиваются безударная, безразрывная динамика привода /рис.б/, требуемые коэффициенты запаса клапанных пружин по силам инерции / = 1,9/, допускаемые значения показателей механической прочности, например, наибольшие контактные напряжения в кинематической паре кулачок-ролкк коромуслового толкателя не превышает 970 МПа.

С учетом отмеченного бьшо принято решение об изготовлении

комплекта разработанных опытных кулачков для привода впускных и выпускных клапанов и экспериментальной проверки их на двигателе 6ЧН30/38.

Экспериментальное исследование по проверке эффективности КМГР с разработанными опытными кулачками проводилось на стенде ПО "Коломенский завод", оборудованном дизелем 6ЧН30/38 /модификация: дизель-генератор 30 ДГ'М, - 17Е0 кВт, Л = 750 мин" /, современной измерительной и регистрирующей аппаратурой /прошедшей метрологическое освидетельствование.

Программа испытаний предусматривала сравнительную оценчу показателей рабочего процесса, а также законов движения клапанов, динамики-и механической напряженности клапанного привода по нагрузочным характеристикам / П - 750 мин-1/ при комплектации двигателя серийными тангенциальными и разработанными опытными кулачками. В работе представлены полученные результаты и их анализ, подтверждающие высокую эффективность и целесообразность ппимсне-ния разработанных опытных кулачков.

На рис.7 показано изменение основных показателей рабочего процесса дизеля 6ЧН30/38 по нагрузочным характеристикам при его комплектации серийными и опытными кулачками. Видно, что при применении на двигателе опытных кулачков, обеспечивающих по сравнению с серийными увеличение ВС клапанов, значительно повышается уровень расходов воздуха Ос,>» улучшаются условия наполнения, повышается уровень суммарных коэффициентов избытка воздуха сС . Отмеченное увеличение коэффициентов оС привело к улучшению индикаторного процесса в цилиндрах, что оказало определяющее влияние .«га значительное снижение удельных эффективных расходов топлива ¿е /на 4 т 5 г/кВт-ч/ по нагрузочной характеристике двигателя. Выполненный в диссертации анализ изменения составляющих балансов работ показал, что полученный эффект на 75 % определяется улучшением индикаторного процесса и на 25 % - уменьшением работы на преодоление насосных ходов.

На рис.8 предстацлены полученные з процессе испытаний реальные законы движения клапанов, а так хе напряжения, возникающие в рычагах привода впускных и выпускных клапанов при комплектации двигателя опытными кулачками. Обработка результатов подтвердила, что ппи использовании опмтных кулачков обеспечиваются заданные законы движения клапанов на работавшем двигателе. При это;.! отклонения по фазам газораспределения не превышают пределов регулировочного допуска, достигается безударная, безразрывная динамика и

допускаемые уровни механической напряженности деталей КМГР.

Представленные материалы подтвердили целесообразность внедрения предложенного варианта модернизации КМГР с целью по-.'.вышения топливной экономичности дизелей типа 6ЧН30/38.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненная диссертационная работа характеризуется следующими основными результатами и выводами:

1. Проведен анализ результатов экспериментальных исследований четырехтактных форсированных дизелей 16ЧН26/26 и 6ЧН30/38 с серийными тангенциальными кулачками приводов впускных и выпускных клапанов. Выявлены значительные отклонения получаемых

на двигателе законов движения клапанов, определяемых ими фаз газораспределения и ВС от задаваемых на стадии проектирования.

Показано, что достижение заданной величины ВС за счет обеспечения на работающем двигателе требуемых законов движения клапанов является одним из резервов повышения его топливной экономичности.

2. Рассмотрены возможные варианты компенсации выявленных отклонений в реальных законах движения клапанов, являющихся следствием динамических процессовг протекающих в упругой кинематической цепи привода клапанов.

Обосновано, что наиболее эффективным, не требующим существенных изменений ц конструкции двигателя, является вариант компенсации указанных отклонений за счет ввода на профилях кулачков соответствующих компенсационных участков.

3. Разработана новая методика профилирования безударных кулачков, защищенная а.с. 1.« 1751367, обеспечивающих на работающем двигателе требуемые законы движения клапанов, заданные фазы газораспределения и высокие значения ВС клапанов при выполнении всех ограничений по динамике и механической напряженности привода, а также технологии изготовления кулачков.

4. Предложены методики уточненного расчета ВС клапанов и прочностных характеристик элементов конструкции привода клапанов, основанные на учете отличий пеальных законов движения звеньев КМГР от теоретических.

5. Разработана математическая модель и реализующая ее программа. для оптимизационного проектирования КМГР дизеля 6ЧН30/38, обьединяющая модули: профилирования высокоэффективных кулачков;

расчета кинематических характеристик и теоретических законов движения клапанов; моделирования динамики клапанного привода и реальных законов движения клапанов; оценки ВС клапанов, прочностных расчетов элементов привода на основе реальных законов движения клапанов.

Математическая модель, соответствующая программа для ЭВМ могут быть использованы в качестве диаграммного модуля в САПР

да.

6. Разработан вариант модернизации КМГР дизеля 6ЧН30/38. Спроектированы и изготовлены безударные кулачки для приводов вцускных и выпускных клапанов, обеспечивающие на работающем двигателе заданные законы движения клапанов, фазы газораспределения, ЗС клапанов, при соблюдении условия безразрывности приводов и снижении механической напряженности элементов конструкции КМГР.

При этом по сравнению с серийными тангенциальными кулачками, величина ВС впускных клапанов увеличивается на 8 35, а выпускных - на II %.

7i Проведено экспериментальное исследование дизеля 6ЧН30/36 /30 ДГМ/ при его комплектации серийными и разработанными опытными кулачками. Подтверждено, что применение опытных кулачков приводит к существенному улучшению показателей работы дизеля, повышению топливной экономичности на 4-6 г/кВт ч на всех режимах нагрузочной характеристики / П = 750 мин /. Ппи этом обеспечивается безударная, безразркв.ная динамика КМГР и допустимая механическая прочность деталей привода. Предложенные опытные кулачки приняты к внедрению.

8. Разработанные методики, модели, программы для ПЭВМ, результаты проектирования, комплект опытных кулачков для дизеля 6ЧН30/38 переданы на ПО "Коломенский завод" п приняты к внедрению.

Экономический эффект от выполненных разработок по актам за 1991-92 годы составил 545 тыс.руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

I. Мороз В.И., Братченко А.В., Минак С.А. Методика проекти-ровония кулачков для механизма газораспределения форсированного дизеля, предусматрияающая учет и компенсацию динамических отклонений в реальных законах движения клапанов. - Деп. в

ЦШТЭИТяжмаш, № 800-тм91. - Харьков, 1991. - 12 с.

2. Мород В.И., Минак С.А., Братченко A.B. Уточнение методики проектировочных и прочностных расчетов клапанных пружин механизма газораспределения четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. - Деп- в УкрИЭНТИ, Ш 440-ук92. - Хальков, 1992.10 с.

3. Мороз В.И., Минак С.А. Особенности определения "время-сечение" клапанов форсированных дизелей. - Деп. в УкрИНТЭИ,

В 840-ук92. - Харьков, 1992. - 18 с.

4. Мороз В.И., Минак С.А., Захарченко В.В., Братченко A.B., Маршинин А.Е. Особенности проведения прочностных расчетов основных деталей клапанного привода ДВС ппи оценке эффективности различных профилей кулачков. - Деп. в УкрИНТЭИ, № П23-ук-92. -Харьков, 1992. - 12 с.

5. Разработка моделей и тасчетно-экспериментальное исследование динамических характеристик механизма газораспределения дизеля типа Д49 /16ЧН26/26, 20ЧН26/26/ с целью повышения уровня форсипования до цилиндровой мощности 400 л.с. - Отчет по НИР. -Авт. Мороз В.И., Братченко A.B., Минак С.А. и др. - ХИИТ, Хапь-ков, 1990. - 167 с. Г.р. № 0I9000I0652.

6. Мороз В.И., Минак С.А., Захарченко В.В. Оценка влияния отклонений реальных законов движения клапанов от теоретических на газообменные процессы в цилиндрах ДВС. - Тезисы докладов 53-й науч.-техн.конф. ХИИТа, с.28. - Харьков, ХИИТ, I9SI.

7. Мороз В.И., Братченко A.B., Минак С.А. К оценке прочности клапанных ^пружин двигателя внутреннего сгорания на. резонансных юежимах. - Тезисы докладрв 53-й науч.-техн.конф. ХИИТа, с.32. - Харьков, ХИИТ, 1991.

8. A.c. № I75I367 СССР, МКИ3Г 01 L 1/08. Кулачок механизма газораспределения двигатели внутреннего сгорания / Мороз В.И., Братченко A.B., Гугьев Ю.И., Мина;: С.А. - Опубл. в Б.И. -

№ 28, 1992.

Теоретические (--) и реальные (---) характеристики

движения впускного клапана дизеля 1641126/26

а.

м/Ь2

ад ' зоо

150 . О -150 -500 -450

/\ 1 \ Г\ 1 1 1 \ 1

1 г| 1

та г 1 1 1 \

-1 '1 11 .Л 1 \ vi 1 1

г 41 0 ¡\ м 3 к i Д 1 М н >э \ тл—г 1Й / / Чл9у/ /

! |Тч г V \ I ^

I \ 1 1 1 V и 1 \ л ЧУ

V.

м/с

• и мм

20 10 О

Рпс. I

Закон изменения ускорений толкателя

В"

Изменение теоретических (-) и реальных (---)

значений величин пиоходних оечэний вшускного клапана дизеля 16ЧН26/26 с серийнымг тангенциаль-шшц. кулачками

Г,

им

2000

1000

УУ УУ г

УУ УУ УУ V

У/ у

о

10 20 Рис. 3

30 </>, zpa¿

Характеристика прушиш и изменение сил инерции

по теоретическому (-) и реальному (---)

законам движения Епускного клапана дизеля 6ЧИ30/38 с дуговыми кулачками

Р

кИ

Яр

1 1 \ Л Л 1 1

гГ~ Itl я 1 \ i

1 \ 1 Í 1 1 1 1 < \ h \¡ V, у ш '¿ 0

1 1 tv 4 DUH У реал.

1 i •

Рис. 4

Изменение величины проходных сечений клапанов _ дизеля 6ЧН30/38

Г

мм*

■3000

2000 1000

X

блус кш киыг ■оно /V / / //

Р// / / / / /

/А /А/ / к л пустые апоиа

О 10 го 30 ¥>, град

- о серийными тангенциальными кулачками,

----с опытншлп коордипатиили кулачками.

Рис. 5

Динамические характеристик;! приводов клапанов дизеля 641130/38 с опытными кулачками

Z

мм 0,5

0/1 Q3

0.1

Á

Я-4\ I /I

-LI

. npuSog Ьыпусниого ыопана

\ Í 4-f

Л,

I

'i I

M

'ÍÍ7—Vi— IV

m

-r-v-

rjpuSoß

Ьпусиного

хлапона

\ г

Л

IU

+

ОУ

'ПО

1о0

203

¡JL

г*> !" ía?

1>е фВт ч)

гт 260 240 ' 220 200

0 \

с/

1.. —■ ---

4 V у

ч

300

600 900 Рис. 7

1200

Р* . кВт

оС

2.0

Саг кг/с

2,0 1,5 <.0

Результаты экспериментального исследования динамики приводов клапанов дизеля 6ЧН30/38 р- с опытными кулачками

МЛо

о

О

120 ао зоо збо що ад ^м

Рас. 3