автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка конструкции, исследование и доводка геометрической формы впускных и выпускных каналов головок цилиндров двигателей семейства Камаз

Основные условные обозначения и сокращения.

Введение.

Гпава 1 Обзор литературы и анализ состояния вопроса.

1.1 Типы каналов, используемых в ГЦ ДВС, их геометрические и газодинамические характеристики.

1.2 Общая характеристика течения в каналах ГЦ, цилиндре и камере сгорания в процессе впуска и сжатия свежего заряда.

1.3 Основные направления совершенствования геометрической формы впускных и выпускных каналов ГЦ ДВС .'.

1.4 Экспериментальные методы исследования и доводки газодинамических характеристик впускных и выпускных каналов ДВС.

1.5 Постановка задачи исследования.

Гпава 2 Расчет но -теоретические исследования.

2.1 Формирование геометрической формы газовых каналов ГЦ.

2.2 Сравнительный анализ компоновочных схем ГЦ дизелей КамАЗ.

2.3 Расчет геометрических проходных сечений клапанной щели.

2.4 Расчет оптимальной интенсивности вихревого движения воздушного заряда в камере сгорания.

2.5 Теоретические исследования рабочего процесса дизеля с 2х- и

4х- клапанными ГЦ.

2.6 Методика обработки результатов статических продувок впускных и выпускных каналов.

2.6 Выводы.

Глава 3 Методика экспериментальных исследований газодинамических характеристик впускных и выпускных каналов ГЦ:.

3.1 Объекты исследований.

3.2 Стенд для проведения газодинамических испытаний впускных и выпускных каналов.

3.3 Методика проведения продувок впускных и выпускных каналов.

Глава 4 Результаты исследований газовых каналов ГЦ.

4.1 Результаты визуализации структуры потока в каналах ДВС.

4.2 Газодинамические характеристики и оценка уровня совершенства впускных каналов 2х-клапанной ГЦ.

4.3 Газодинамические характеристики впускных каналов

4-х клапанной ГЦ.

4.4 Газодинамические характеристики и оценка уровня совершенства выпускных каналов 2х-клапанной ГЦ.

4.5 Газодинамические характеристики выпускных каналов

4-х клапанной ГЦ.

4.6 Выводы.

Гпава 5 Использование результатов работы при проектировании впускных и выпускных каналов ДВС.

5.1 Впускные каналы.

5.2 Выпускные каналы.

В энергетике и на транспорте Российской Федерации и Республики Татарстан большая роль принадлежит двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Современный ДВС должен отвечать широкому комплексу разнообразных жестких, нередко противоречивых, требований. К их числу относятся: низкая стоимость производства и эксплуатации, минимальные габаритные размеры и масса, оптимальное соответствие характеристикам приводимого агрегата, большой моторесурс и высокая надежность в эксплуатации, низкий расход топлива и других эксплуатационных материалов, соответствие все более жестким экологическим требованиям. Особенно жесткие требования предъявляются к транспортным двигателям, в силу специфики их применения - работе двигателя в широком диапазоне изменения нагрузок и частот вращения коленчатого вала, значительной доли времени их работы на неустановившихся режимах. Оптимизация каждого из показателей оценки совершенства двигателя с учетом разброса в серийном, характерном для транспортных ДВС, производстве дает существенный экономический эффект. Преобладающее влияние на основные технико-экономические и экологические показатели двигателя оказывает способ организации и качество осуществления рабочего процесса (РП). При этом сложность, взаимосвязанность и недостаточная изученность физико-химических явлений, формирующих протекание рабочего процесса, большое число влияющих на него факторов, не позволяют с достаточной достоверностью определять расчетным путем многие показатели создаваемого двигателя. Последнее приводит к необходимости проведения комплекса экспериментальных доводочных работ.

Пути и методы оптимизации показателей и характеристик конкретных моделей ДВС определяются их индивидуальными конструктивными особенностями, связанными с принятой по условиям размещения на приводимом транспортном средстве компоновкой, масштабами выпуска, условиями эксплуатации, существующей производственно-технической базой и т.д. Вместе с тем, имеется много общих закономерностей протекания процессов, составляющих рабочий цикл, одинаково, или сходно действующих факторов, аналогично проявляющихся механизмов явлений для широкого класса однотипных ДВС с идентичной организацией процессов смесеобразования и сгорания. Использование таких закономерностей при доводке параметров РП позволяет значительно сократить объем доводочно - регулировочных работ, их продолжительность, избежать повторения наиболее явных ошибок и создать двигатель, отвечающий современным требованиям.

В настоящее время наиболее остро стоит проблема экологии, поэтому первоочередной задачей, при проектировании новых и совершенствовании показателей существующих ДВС, является выполнение все более жестких экологических требований (норм "EURO - 3", "EURO - 4" и перспективных норм 2008г.) по выбросу вредных веществ (ВВВ) с отработавшими газами (ОГ) двигателя.

Эффективность работы ДВС в значительной степени зависит от совершенства процессов, протекающих во впускной и выпускной системах, и, прежде всего, от конструкции впускных и выпускных каналов, определяющих их наиболее "узкое" звено. Выполненные исследования по улучшению геометрической формы проточной части впускного и выпускного трактов в целом, и отдельных их элементов (в частности газовых каналов) подтверждают, что имеется резерв повышения технико-экономических показателей ДВС [9,17,18,40,63].

Данные, полученные в условиях стационарной продувки выпускных каналов показывают, что значение коэффициента расхода -/и каналов различных ДВС заметно отличаются друг от друга [9,16,18]. Существенная разница в величинах коэффициента расхода // у различных двигателей указывает на резервы улучшения газодинамики проточной части каналов. Для выпускного тракта от 50 до 60% от всех потерь на выпуск сосредоточено в клапанной щели и выпускном канале [16,17,18,58]. Во впускном тракте наибольшие потери наблюдаются на участке входа в канал и в самом канале, и составляют от 90 до 95% от всех потерь во впускной системе двигателя [9,10,27,66].

Таким образом, пути улучшения воздухоснабжения цилиндров ДВС заключаются. в первую очередь, в улучшении газодинамических характеристик впускных и выпускных каналов головок цилиндров (ГЦ).

Целью настоящей работы являлось улучшение технико-экономических и экологических показателей комбинированных дизелей семейства КамАЗ за счет совершенствования геометрической формы проточной части впускных и выпускных каналов ГЦ.

Научная новизна:

1.Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены возможности улучшения воздухоснабжения цилиндров дизелей КамАЗ за счет совершенствования газодинамических характеристик каналов ГЦ.

2. С учетом ограничений существующего производства впервые разработана конструкция газовых каналов, их клапанов и седел для двух вариантов исполнения 4х-клапанной ГЦ дизелей КамАЗ.

3. На основе опытных исследований определены количественные зависимости основных параметров оценки совершенства газовых каналов 2х и 4х-клапанной ГЦ.

4. Даны рекомендации по профилированию впускных и выпускных каналов, их клапанов и седел при проектировании многоклапанных ГЦ дизелей.

Практическая значимость работы :

1. Внедрение в производство 2х-клапанных ГЦ впускных и выпускных каналов с улучшенными по результатам проведенных работ газодинамическими характеристиками обеспечивает (в комплексе с другими мероприятиями по РП) выполнение двигателями КамАЗ современных требований по токсичности ОГ.

2. Теоретически и экспериментально показано, что применение 4х-клапанной ГЦ на дизелях КамАЗ позволит обеспечить выполнение перспективных норм по токсичности ОГ.

3 Представленные экспериментальные материалы, методы и методики, а также отдельные конструктивные решения могут быть использованы специалистами, занимающимися доводкой РП транспортных ДВС.

4. Материалы диссертации могут быть использованы в ВУЗах для обучения студентов по специальности 101200 - "Двигатели внутреннего сгорания".

Практическая реализация :

Материалы представленной работы в виде отчетов и чертежей переданы в Научно -Технический Центр (НТЦ) и на заводы ОАО "КамАЗ" и используются специалистами КамАЗа при проектировании многоклапанных ГЦ. Изготовленная литейная оснастка используется для проведения доводочных моторных испытаний опытных образцов двигателей

Материалы докладывались на VI Международном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (г.Владимир, 1997г.), Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" (г.Набережные Челны, 1997г.), Всероссийской научной конференции "Тепловые двигатели в XXI веке. Фундаментальные проблемы теории и технологии" (г.Казань, 1999г.), Юбилейной научно-практической конференции "Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан" (г. Набережные Челны, 1999г). Результаты работы рассмотрены и получили одобрение на выездной сессии головного совета "Машиностроение" при МО РФ по проблеме "Совершенствование конструкции и технологии производства большегрузных автомобилей" (г.Набережные Челны, 29-30 января 2001г.), 11 международной научно-практической коференции "Автомобиль и техносфера"(г.Казань13-15.06.2001 г.)

Общие выводы

1. Впускной канал и выпускной каналы 2х-клапанной ГЦ с доведенными по результатам представленной работы характеристиками внедрены в производство и, в комплексе с другими мероприятиями по рабочему процессу, обеспечивают выполнение дизелями КамАЗ норм "EURO-2" по ВВВ с ОГ.

2. Резервы совершенствования газодинамических характеристик газовых каналов 2х-клапанной головки цилиндра дизелей КамАЗ практически исчерпаны. .

3. Уточнен закон изменения площади проходных сечений выпускного канала по длине его осевой линии.

4. Разработана методика расчета геометрических проходных сечений клапанной щели с учетом влияния стенки цилиндра.

5. Спроектирован и изготовлен стенд для проведения газодинамических исследований впускных и выпускных каналов ГЦ.

6. Проведена экспериментальная доводка геометрии проточной части опытных впускных и выпускных каналов 4х-клапанной ГЦ для двух вариантов исполнения. Определены их газодинамические характеристики:

- при обеспечении одинаковых значений интенсивности вихря Мв впускные каналы 4х-клапанной головки цилиндра дают существенное (до 35%) увеличение расхода воздуха GB и эффективного проходного сечения juF в сравнении со впускным каналом 2х-клапанной головки цилиндра.

- имеется перспектива дальнейшего улучшения расходных характеристик впускных каналов 4х-клапанной головки цилиндра еще на 10ч-15%.

- все варианты опытных выпускных каналов 4х-клапанной головки цилиндра дают существенное (от 45 до 50%) увеличение расхода воздуха GB на максимальном подъеме клапана hu.lY

7. С учетом возможностей дальнейшего совершенствования параметров рабочего процесса перспективных дизелей семейства КамАЗ по результатам экспериментальной доводки газодинамических характеристик впускных и выпускных каналов на безмоторном стенде рекомендована компоновка 4х-клапанной головки с параллельным расположением одноименных клапанов, относительно продольной оси двигателя,.

8. При переходе к 4х-клапанному газораспределению по результатам испытаний рекомендовано уменьшить максимальный подъем клапанов hMAXна 10-И 2% что позволит снизить динамические нагрузки в деталях привода механизма газораспределения и даст возможность использования более "полных" профилей впускных и выпускных кулачков распределительного вала.

9. Изготовлена литейная оснастка для опытного производства.

10. Проведено уточнение конструкторской документации на впускные и выпускные каналы, их клапаны и седла для 4х-клапанной головки цилиндра дизелей семейства КамАЗ.

1. Белоконь К. Г. Проверка газодинамических характеристик газовых каналов головок цилиндров дизелей КамАЗ на безмоторном стенде / Электронный сборник КамПИ :kampi. ken. ru/~ zhurnal; E-mail: zhurnal @ kampi. ken.

2. Белоконь К. Г Визуализация структуры течения во впускных и выпускных каналах ДВС с использованием теневого прибора ИАБ-458 / Электронный сборник КамПИ: kampi. ken. ги/ ~ zhurnal; E-mail: zhurnal @ kampi. ken.

3. Белоконь К. Г. Газодинамические исследования впускных каналов 4х-кпапанных головок цилиндров дизелей КамАЗ / Электронный сборник КамПИ: kampi. ken. ru/ ~ zhurnal; E-mail: zhurnal @ kampi. ken.

4. Белоконь К.Г. Разработка конструкции, профилирование и доводка газодинамических характеристик выпускных каналов 4х-кпапанных головок цилиндров дизелей КамАЗ / Электронный сборник КамПИ: kampi. ken. ru/ ~ zhurnal; E-mail: zhurnal @ kampi. ken

5. Бычков Ю.М. Визуализация течения в каналах и выбор их оптимальных форм // Механика турбулентных потоков. М., 1980. - с.285 - 292.

6. Вихерт М. М., Грудский Ю. Г. Конструирование впускных систем быстроходных дизелей. Москва. : Машиностроение, 1982. - 151с.

7. Гальговский В. Р., Каракулина И. Ф. О совершенствовании конструкции впускных каналов дизелей // ДВС, Межвузовский сборник научных трудов.-Ярославль: Ярославский политехнический институт, 1973 с. 38 - 49.

8. Гальговский В. Р. Определение тангенциальной скорости воздушного заряда в камере сгорания дизеля с непосредственным впрыском топлива // Труды НАМИ,-М., 1969. №118. -с.56-75.

9. Гальговский В. Р. О выборе числа сопловых отверстий в распылителе в дизеле с непосредственным впрыском. // Известия ВУЗов СССР. Машиностроение,-М., 1970,- №3. - с.56 - 69.

10. Гальговский В. Р. О выборе диаметра камеры сгорания в дизеле с непосредственным впрыском // Известия ВУЗов СССР. Машиностроение. - М., 1970, -№5. - с.115 - 120.

11. Гальговский В. Р. Об особенностях формирования показателей дизеля с непосредственным впрыском. // Межвузовский сборник трудов. Ярославль: ЯПИ, 1978. - с 76-87.

12. Гальговский В. Р., Каракулина И. Ф. Исследование выпускных каналов дизелей // ДВС, Межвузовский сборник трудов. Ярославль: ЯПИ, 1975. - с. 69-81.

13. Гальговский В. Р. Совершенствование организации рабочего процесса автомобильных дизелей с камерой в поршне при использовании организованного движения заряда: Дис. канд. техн. наук / Моск. автодор. ин-т. М. -232 с.

14. Гальговский В. Р Пути и методы совершенствования экономических и эколоческих показателей транспортных дизелей: Автореферат дис. д-ра. техн. на-ук.М.1991. 64с.

15. Гальговский В. Р., Каракулина И. Ф., Вихерт М. М. О движении воздуха в цилиндре дизеля с камерой сгорания типа ЯМЗ // Труды НАМИ М.,1972,-Вып.140,- с.3-23.

16. Гатауллин Н.А., Горюнов Л.В., Ржавин Ю.А. Влияние конструктивных параметров на эффективность ЦБК малоразмерных ТКР, Казань, 1998, 41с (Препринт/ Казан, гос. техн. ун-т. им. А.Н. Туполева; Казань, 9807)

17. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания. М: Машиностроение., 1964.

18. Грехов Л. В., Ивин В. И. Профилирование впускных каналов дизеля // Вопросы совершенствования работы дизелей на неустановившихся режимах и при высокой форсировке: Сб .науч. тр. Хабар, политехи, ин-та. Хабаровск, 1979,- с.64 -72.

19. Гришин Ю. А., Круглов М. г. Методы визуализации газового потока в проточных частях двигателей внутреннего сгорания: Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей // Межвуз. науч. сб. 1985. - Вып.7,- с.З - 11.

20. Гришин Ю. А., Манджгаладзе А. А. Принцип профилирования выпускных каналов и впускных патрубков двигателей внутреннего сгорания // Изв. вузов. Машиностроение. 1982. - №9. - с.95 - 98.

21. Грудский Ю. Г., Чирик П. И., Шведов В. Ф. Методы и результаты оценки качества профилирования впускных каналов // Науч. тр. УСХА,- 1973. Вып.89. с. 17 -21.

22. Грудский Ю .Г., Шайкин В. И. Методы оценки совершенства выпускных каналов дизелей //Труды НАМИ.- 1979.-Вып.176,- с.130 -140.

23. Драганов Б. X. и др. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания. / Б.Х. Драганов, М.Г. Круглов, B.C. Обухова. Киев: Высшая школа, - 1987. - 175с.

24. Драганов Б. X. Методика профилирования проточной части впускных каналов ДВС // Науч. тр. УСХА,-1973. Вып.79. - с.5 -16.

25. Драганов Б. X. К вопросу об аэродинамических характеристиках впускных систем двигателей внутреннего сгорания // Науч. тр. УСХА,- 1977. Вып. 136 - с.5 -16.

26. Драганов Б. X., Рудык Э. г. Исследование структуры воздушного потока в тангенциальном впускном канале дизельного двигателя // Науч. тр. УСХА,- 1972. Вып.54. - с. 143 -149.

27. Дьяченко В. Г., Савран Г. Д. Истечение газа через впускные клапана // Двигатели внутреннего сгорания. 1970. - Вып. 11. - с. 11 - 16.

28. Закржевский В.П. Аналитический расчет вращательного движения воздушного заряда в камерах сгорания дизелей // Двигателестроение.-1982.-№6.-с. 11-13.

29. Ивин В. И., Васильев Л. А., Возчиков С. М. Экспериментальное исследование потока во впускном канале ДВС//Известия ВУЗов, Машиностроение, 1975. - 12.-с.81-85.

30. Ивин В. И., Васильев Л. А. Структура и интегральные характеристики потока в выпускном канале двигателя при стационарных и нестационарных условиях // Двигателестроение. 1985,- №1.-с.14-17.

31. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления. Госэнергоиздат, 1954.

32. Казачков Р. В., Лысенко В. Г., Левкович С. Л. Исследование эффективных проходных сечений при физическом моделировании впускного тракта тепловозного дизеля // Двигатели внутреннего сгорания. 1973. - Вып. 18. - с.ЗО - 37.

33. Корчемный Л.В. Механизм газораспределения двигателя. М: Машиностроение , 1964. -212с.

34. Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. Кинематика и динамика.-2-е изд., перераб. и доп.- М: Машиностроение, 1981.-191 с.

35. Кутенев В.Ф., Тер-Мкртичьян Г. Г., Зеленко М. А. Пути повышения топливной экономичности автомобильных двигателей на режимах частичных нагрузок. Труды НАМИ.

36. Круглов М. Г., Ивин В. И., Грехов Л. В. Применение метода стробоскопической визуализации для изучения кинематики газовых потоков в полостях ДВС // Двигателестроение . 1983. - №9. - с.58 - 61.

37. Лазурко А.А., Соколов С.С. Измерения и моделирование при проектировании газовыпускных систем ДВС // Двигателестроение. 1985. - №1,

38. Никитин Е. А., Драганов Б. X. Исследование теневыми методами структуры потока во впускном канале двигателей Д30/58 // Изв. вузов. Машиностроение. -1974. №2.-с.115-118.

39. Никитин Е. А., Драганов Б. X., Коробко В. М. Исследование оптическими методами течения потока в выпускном канале двигателя ЧН 38/38 И Науч. тр. УСХА,- 1977. Вып. 136. - с.51 - 55.

40. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания: Учебное пособие. Ленинград: ЛГУ, 1983.

41. Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении,- Ленинград. Машиностроение. 1974. - 479 с.

42. Повх И. Л. Теоретическая гидромеханика. Ленинград. Машиностроение. - 1976,- 502 с.

43. Рудой Б.П. Теория газообмена ДВС: Учебное пособие.-Уфа: УАИ, 1978109с.

44. Самойлов Н.П. Влияние дополнительного воздуха на дозарядку двигателя во время наполнения // Труды Казанского СХИ -1972,- вып.65,- с. 183 189.

45. Самойлов Н.П. Влияние вихревого потока, созданного дополнительным воздухом на процесс сгорания // "Автомобильная промышленность".-1980.- №3. ,-сЗ -6.

46. Самойлов Н.П. и др. Бензиновые двигатели с подачей в цилиндры дополнительного воздуха / Н. П. Самойлов, P. X. Зарипов, Д. Н. Самойлов. Казань : Форт Диалог, 1995,-70с.

47. Соколов С. С., Лазурко А. А. Профилирование выпускных каналов четырехтактных дизелей // Двигатели внутреннего сгорания. 1972. - №19. - с.25 - 30.

48. Соколов С.С., Горбунов Е.С. Методика профилирования выпускных каналов // Труды ЦНИДИ. 1983. - выпуск 68. - с. 76 - 85.

49. Сонкин В. И. Исследование течения воздуха через клапанную щель// Труды НАМИ. -1974 .- Вып. 149 .- с. 21 38.

50. Сонкин В. И. Измерение параметров воздуха в цилиндре двигателя при испытаниях на вакуумной установке //Труды НАМИ. 1969,- вып.111.

51. Ханин Н. С., Бочин В .В., Косенкова Л. М. Исследование процессов в системе выпуска на установке оптического типа // Труды НАМИ .- 1971. Вып. 127.-с.36 - 46.

52. Хачиян А. С. и др. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей / А.С Хачиян, В. Р Гальговский, С. Е. Никитин. Москва: Машиностроение, 1976. -104с.

53. ХовахМ. С. Автомобильные двигатели М . Машиностроение 1977с.591

54. Ховах М. С., Хачиян АС., Гальговский В. Р. Некоторые особенности организации рабочего процесса автомобильного дизеля при наддуве //Автомобильная промышленность. 1971. - №3. - с.4 - 8.

55. Чжен П. Отрывные явления .- Москва: Мир, 1972.-298 с.

56. Чжен П. Управление отрывом потока. Москва; Мир, 1979.-552 с.

57. Чернышев Г.Д., Письман Я.Б., Гальговский В.Р Совершенствование экономических и экологичемких показателей дизелей Ярославского моторного за-вода // Двигателестроение. 1986. - №6. - с.З - 8.

58. Чернышев Г.Д. и др. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей / Чернышев Г.Д., Хачиян А.С., Пикус В.И. Москва: Машиностроение.-1986,-216с.

59. Чернышев Г. Д., Гальговский В. Р., Левит М.С., Письман Я.Б. Выбор параметров впускного канала для четырехтактных двигателей ЯМЗ // Автомобильная промышленность. 1968. - №9. - с 3 - 7.

60. Франц X. Мозер. Критерии и потенциал четырехклапанного газораспределения для дизельных двигателей грузовиков II MTZ 50 (1989) №6: Пер. с нем. / Перевод ОРПД С 40 15с. ОАО "КамАЗ".

61. Утверждаю1' /^даректор ДР и ВНР Главный;ко нстш^тор ОАО "КАМАЗ" 1 ' Валеев "jjj' (f2001 г.1. АКТо внедрении результатов диссертации старшего преподавателя кафедры ДВС Камского политехнического института (КамПИ) Белоконь Константина Григорьевича на тему:

62. Разработка конструкции, исследование и доводка геометрической формы впускных и выпускных каналов головок цилиндров двигателейсемейства КАМАЗ", представленной на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02. "Тепловые двигатели"

63. Научные результаты и рекомендации по проектированию 4х-клапанных головок цилиндров, полученные в диссертации, приняты к внедрению для перспективных дизелей на предприятиях ОАО "КАМАЗ".

64. Основные результаты работ Белоконь К.Г., по проектированию многоклапанных головок цилиндров нашли отражение в двух научно-технических отчетах ДР и ВНР ОАО "КАМАЗ".

65. Главный конструктор по двигателям ^

66. ОАО "КАМАЗ", к.т.н. Н.А.Гатауллин