автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Управление фазами газораспределения с целью повышения эффективности транспортных средств сельскохозяйственного назначения

На правах рукописи

Бобровников Дмитрий Евгеньевич

Управление фазами газораспределения с целью повышения эффективности транспортных средств сельскохозяйственного назначения

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва 2013

005542869

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина».

Научный руководитель Дидманидзе Отари Назирович

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАСХН, проректор по дополнительному образованию и повышению квалификации ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева

Официальные оппоненты: Девянин Сергей Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

Загарин Денис Александрович

кандидат технических наук, доцент, руководитель научно-исследовательского центра по испытанию авто и мототехники ФГУП «НАМИ»

Ведущая организация ГНУ «Всероссийский научно-исследователь-

ский институт механизации сельского хозяйства»

Защита диссертации состоится 23 декабря в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина».

Автореферат разослан 22 ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.С. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В данной работе рассматриваются методы проектирования газораспределительного механизма с управляемыми фазами газораспределения для транспортных средств сельскохозяйственного назначения. Основная цель состоит в увеличении значений крутящего момента в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

Эксплуатация транспортных средств сельскохозяйственного назначения связана в основном с движением по грунтовым дорогам и по бездорожью. Это обусловливает движение с низкими скоростями при минимальных частотах вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания при дефиците крутящего момента. Все это снижает производительность, а в некоторых случаях делает невозможным выполнение работ транспортными средствами в сельском хозяйстве.

Увеличение значений крутящего момента двигателя внутреннего сгорания в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала возможно осуществить несколькими способами. Наиболее приемлемым для реализации на транспортных средствах сельскохозяйственного назначения является применение газораспределительного механизма с управляемыми фазами газораспределения.

Цель работы - обосновать увеличение значений крутящего момента двигателя внутреннего сгорания в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала при управлении фазами газораспределения.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Проанализировать существующие способы управления фазами газораспределения и механизмы, реализующие их. Оценить возможность их использования в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

2. Разработать методику расчета газораспределительного механизма с гидроприводом двойного действия двигателя внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

3. Разработать конструкцию газораспределительного механизма с гидроприводом двойного действия.

4. Провести расчетные исследования по определению оптимального «времени-сечения» клапанов механизма газораспределения.

5. Провести экспериментальные исследования с целью подтверждения полученных результатов.

Объекты исследования - процессы управления газораспределительным механизмом с гидроприводом двойного действия, улучшающие протекание внешней скоростной характеристики двигателя внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Методы исследования. Решение поставленных задач проведено с использованием системного и математического анализа, математического

моделирования и экспериментальной проверки. Используемые программы: Matlab Simulink, Компас 3D v.13, Microsoft Office Excel 2011.

Научная новизна заключается в обосновании применения для изменения фаз газораспределения газораспределительного механизма с гидроприводом двойного действия.

Практическая ценность. Дано дальнейшее развитие перспективному направлению «управление фазами газообмена» в двигателях внутреннего сгорания, применение которого в транспортных средствах сельскохозяйственного назначения позволит увеличить значение крутящего момента в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» и могут быть применены при проектировании двигателей внутреннего сгорания.

На защиту выносится:

• обоснование применения управляемых фаз газораспределения в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения;

• конструкция газораспределительного механизма, позволяющая реализовать управление фазами газораспределения;

• методика расчета газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ, 20-22 февраля 2012 года); Петербургском международном автотранспортном форуме «Автотранспорт будущего» (Санкт-Петербург, Ленэкспо, 24-25 октября 2013 года).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 3 работы в научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций, один патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы, изложена на 120 страницах машинописного текста, включая 76 рисунков, 26 таблиц и библиографический список из 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, представлена общая характеристика работы и научные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен обзор существующих на данный момент конструкций механизмов управления фазами газораспределения, применяемых автопроизводителями.

4

Вопросами альтернативного привода механизма газораспределения для двигателей внутреннего сгорания занимались в разное время ученые и специалисты: И.П. Бородулин, В.Н. Васильев, A.C. Виноградов, Н.Д. Гриценко, Г.И. Левин, М.Г. Маханько, А.П. Третьяков, Э.А. Улановский, Ю.Я. Фомин, И.И.Фроликов, А.И.Хуциев.

Проблему регулирования фаз газораспределения в разное время исследовали ученые: В.Я. Аладышкин, В.Г. Афанасьев, A.A. Берман, В.Г. Богачев, A.B. Братченко, Н.М. Глаголев, О.П. Дзецин, C.B. Камкин, A.JI. Лемещенко, Д.И. Леонов, В.И. Мороз, H.H. Патрахальцев, Г.В. Пыжанкин, Д.Г. Серафимов, Л.В. Станиславский, В.Л. Строков, A.B. Суранов, A.M. Тарасов, H.A. Толкачев, Е.И. Усачев, Ю.Н. Хмельницкий, О.И. Хохлов и др.

На основе анализа газораспределительных механизмов с управляемыми фазами газораспределения определено, что основным критерием при выборе типа газораспределительного механизма для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения является возможность поддержания постоянного значения «времени-сечения» клапана во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала.

В главе 2 «Теоретические основы управления фазами газораспределения» представлена разработанная схема

газораспределительного механизма, наиболее подходящая для применения в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения, рассмотрены возможные алгоритмы работы, их возможности и ограничения.

управляемыми фазами газораспределения

Разработанная конструкция (рисунок 1) устанавливается на двигатель вместо штатного механизма газораспределения. Система состоит из корпуса 2 закрытого крышкой 3, внутри которого расположен плунжер 4, который при помощи штатных сухариков и гайки жестко соединяется с клапаном 1. Также в корпусе располагается гидроклапан 7. На корпусе крепится электромагнит б, который управляет гидроклапаном, и с помощью кронштейна - датчик положения плунжера 5. В целях снижения веса система выполнена из отдельных модулей, которые крепятся к головке блока цилиндров посредством шпилек крепления стоек коромысел. Между собой модули соединяются монтажной плитой, внутри которой расположены напорный и сливной каналы.

Принцип действия системы подобен принципу действия гидроцилиндра. Гидроклапан управления в «нейтральном» положении удерживается при помощи «нуль» пружины 8. В этом положении напорные и сливные каналы перекрыты, плунжер 4 находится в неподвижном положении.

При подаче тока на нижний электромагнит гвдроклапан 7 перемещается вниз, открываются напорный канал надплунжерной полости и сливной канал подплунжерной полости, плунжер вместе с клапаном быстро открывается. Степень открытия клапана контролируется датчиком перемещения 5, подвижный элемент которого жестко связан с плунжером. При достижении необходимой степени открытия клапана электронный блок управления прекращает подачу тока на нижний электромагнит, магнитное поле исчезает, и гидроклапан при помощи пружины «нуль» возвращается в нейтральное положение, каналы перекрываются и клапан I остаётся в неподвижном положении. Схема работы механизма представлена на рисунке 2.

Клапан закрыт

П

Клапан открывается

ПпП

Клапан открыт

Клапан закрыдается

Рисунок 2 - Схема работы механизма

б

Для предотвращения «встречи» клапана с поршнем при поломках системы под плунжером находится пружина, которая при спаде давления в системе гидропривода переведет клапан в закрытое положение.

При работе системы четкое копирование клапаном траектории движения поршня обеспечивается посредством датчиков частоты вращения коленчатого вала, угла поворота коленчатого вала и перемещения плунжера.

Преимущества: данная система не изменяет габаритных размеров двигателя и не требует модернизации головки блока цилиндров; позволяет задать любой закон движения клапана, включая режим «оба клапана закрыты» и режим «оба клапана открыты».

Недостатки: возможна неустойчивая работа непрогретого двигателя на холостом ходу, так как вязкость масла в этом случае выше. Эту проблему можно решить посредством установки предпускового подогревателя.

Для моделирования работы газораспределительного механизма с гидроприводом двойного действия была разработана система уравнений и расчетная схема (рисунок 3)

ИМ

Рисунок 3 — Гидравлическая схема Определение баланса расходов

Объем исполнительного механизма при подъеме клапана определяется по формуле

Ж.МП = ^ОП + ^юЛорП

(1)

где И^0п - начальный объем полости подъема клапана; Лкл - ход клапана; п — площадь поршня в полости подъема.

Объем исполнительного механизма при опускании клапана определяется по формуле

о = ИЪо + (/гкл тах - ккл) х Я1,™р о ,

где УИ00 - начальный объем полости опускания клапана; Лкл - ход клапана; ^клтах- максимальный ход клапана; ^пор о - площадь поршня в полости опускания.

Определение расхода рабочей жидкости, поступающей из напорной магистрали при подъеме клапана

<= (3)

<?м

и/зоЛД(Рм - Рпп); (4)

лРпорп (Иг

= - л' ^

где рм - плотность рабочей жидкости при подъеме клапана; Рм - давление рабочей жидкости при подъеме; Рпп - давление поршня при подъеме клапана.

Определение расхода рабочей жидкости при опускании клапана:

(6)

Осл = Ц/з*ол (Рпо- Ро) ; (7>

\ Рм

_ ПРпорО (1/1 /оч

Чсл ~ 4 йС'

где р„ - плотность рабочей жидкости при опускании клапана; Р0 - давление рабочей жидкости в сливной магистрали; Рпо - давление поршня при опускании клапана.

Уравнение динамического равновесия при подъеме клапана

р _ р _ р (9)

сН2 дм пр г '

где т - масса всех подвижных элементов механизма; Рдм - сила развиваемая давлением масла; Рпр - сила сжатия пружины; Рг - сила давления газов.

Р = р р (10)

*ДМ »ПП'ПП 5 4 '

где Рпп - давление в полости подъема; Рпп - площадь полости подъема.

Р = Р + к 8 (11)

гпр гпро т "клипр ' 4 '

где Рпр0 - сила предварительного сжатия пружины; 5пр - жесткость пружины.

р = р р _ р р (12) гг гц*клт ^к'клк» 4 '

где Рц - давление в цилиндре двигателя внутреннего сгорания; Рклт - площадь тарелки клапана со стороны цилиндра; Рк - давление в коллекторе; Рклк -площадь клапана со стороны коллектора.

Уравнение динамического равновесия при опускании клапана:

Р"дм - Р"пр " Р"г , (13)

где т- масса всех подвижных элементов механизма; Р"дм — сила, развиваемая давлением масла; Р"пр - сила сжатия пружины; Р"г - сила давления газов.

Р ДМ = Рпо^ю > (14)

где Р"по - давление в полости подъема; Гпо - площадь полости подъема.

Р"пр = Р"про + Ьклбпр , (15)

где Р"про _ сила предварительного сжатия пружины; бпр - жесткость пружины.

Р Г = Р Ц^КЛТ ~ Р К^СЛК > (16)

где Р"ц - давление в цилиндре двигателя внутреннего сгорания; Рклт - площадь тарелки клапана со стороны цилиндра; Р"к - давление в коллекторе; /-¡„к -площадь клапана со стороны коллектора.

Закон движения клапана описывается решением системы уравнений

гШ »»им п = ИЪп + ^кл^пор П '

IV "им О = Що + (^клтах- ^кл)^порО

<2м = <и

<}м = Ц/зол^ ^(Рм-О;

<5м = ТГ^Пор п йН

4 М'

<}сл = ¿Ю»» „ »

Qcл = зол Д(Р„о-Ро);

<}сл = гсГпор 0 Ш1

4 м'

йг11 т—- <н2 = Р ГДМ - р - р • гпр гг»

т-гг — Р" 4. Р" Р" ~~ Г дм т г пр г г-

По данным уравнениям был построен график кинематических и динамических характеристик клапана, который представлен на рисунке 4. Для наглядности приведены характеристики в случае применения стандартного газораспределительного механизма.

У. м/с'

Рисунок 4 - Кинематические и динамические характеристики клапана

В главе 3 «Методика определения оптимального «времени-сечения» клапанов газораспределения» представлена разработанная методика для расчета оптимального «времени-сечения» впускного клапана двигателя внутреннего сгорания, которая имеет принципиальные отличия от используемых на данный момент методик. Основное отличие заключается в том, что результатом расчета является необходимое оптимальное «время-сечение» впускного клапана, а не фактически реализованное. По разработанной методике был проведен расчет оптимального «времени-сечения» впускного клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания ВАЗ 2110-1500.

Методика расчета оптимального «времени-сечения» клапана В основе расчёта лежат следующие постоянные параметры двигателя внутреннего сгорания:

рабочий объём цилиндра Уц , см3;

скорость потока воздуха на входе в камеру сгорания м/сек; поперечное сечение впускного окна головки блока цилиндра 5оц, мм .

Ю

При расчете использовались следующие постоянные величины: объем цилиндра - 375 см3;

скорость потока воздуха в поперечном сечении впускного окна головки блока цилиндров - 20 м/с;

диаметр клапана - 29 мм.

Из таблицы видно, что оптимальное «время-сечение» впускного клапана остается постоянным во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, тем самым обеспечивается максимально полное наполнение цилиндра рабочей смесью. Постоянное «время-сечение» обеспечивается изменением хода клапана, что, в свою очередь, изменяет проходное сечение впускного окна головки блока цилиндров.

На рисунке 5 представлен график который показывает изменения сечения потока на впуске, необходимого хода впускного клапана, оптимального и фактического «времени-сечения» в зависимости от частоты вращения коленчатого вала для проектируемого и базового газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 5 - Изменение рабочих параметров газораспределительного механизма в зависимости от частоты вращения коленчатого вала

Ход клапана, мм

♦ Необходимое сечение потока, смЛ2

-тАг— Оптимальное время-сечение, смЛ2сек

—йг—Необходимый ход клапана, мм

Н Фактическое время-сечение, смЛ2сек

Ж Фактический ход клапана, мм

Частота вращения коленчато вала, об/мин

МЁМЖЖМШтИи!!»* > М * Л

Как видно из графика, кривые времени сечения базового и проектируемого газораспределительного механизма пересекаются в точке, соответствующей частоте вращения 5100 об/мин. Данная частота вращения, соответствует номинальной частоте вращения базового двигателя ВАЗ 21101500, что подтверждает справедливость проведенных расчетов.

Рисунок 7 — Возможная внешняя скоростная характеристика испытуемого двигателя внутреннего сгорания

На основании полученных теоретических и экспериментальных данных можно судить о том, что применение управляемых фаз газораспределения в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств сельскохозяйственного назначения позволяет увеличить значение максимального крутящего момента в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 1500 до 2500 об/мин на 20 Нм (около 20 %), что улучшает проходимость в условиях бездорожья и условия работы водителя.

Для оценки влияния управления фазами газораспределения на динамические характеристики автомобиля был проведен тягово-динамический расчет. На рисунке 8 представлено сравнение динамических характеристик автомобиля со стандартным и модернизированным двигателем внутреннего сгорания, где 1, 2, 3, 4, 5 - номер передачи, М - модернизированный двигатель, Б — базовый двигатель. Динамический фактор у автомобиля с модернизированным двигателем выше, чем у базового автомобиля, при эксплуатации это позволит улучшить проходимость и увеличить углы преодолеваемого уклона.

Рисунок 8 - Динамическая характеристика автомобиля со штатным и модернизированным двигателем внутреннего сгорания

Общие выводы

1. Показано преимущество управляемых фаз газораспределения позволяющее получить большие значения крутящего момента в зоне малых частот вращения (для двигателя ВАЗ 2110 - 1500 при частоте 1500...2000 об/мин увеличение составляет около 20 %), что важно для транспортных средств сельскохозяйственного назначения.

2. Разработана конструкция, алгоритм и методика расчёта газораспределительного механизма с гидроприводом двойного действия, проведённые расчёты показали возможность увеличить кинематические и динамические характеристики клапана в два раза.

3. Проведённые расчётные исследования позволили определить, что оптимальное «время-сечение» впускного клапана для двигателя внутреннего сгорания ВАЗ 2110-1500 по условию максимального наполнения цилиндра в диапазоне частот вращения коленчатого вала от 2500 до 7000 составляет 6,2...6,4 мм2/с.

4. Проведенные экспериментальные исследования на двигателе внутреннего сгорания ВАЗ 2110-1500 показали увеличение протяжённости полки максимального крутящего момента с диапазона 3000...4700 об/мин до 2500...7000 об/мин. При этом динамический фактор увеличился с 0,37 до 0,4, что увеличивает углы преодолеваемого уклона и улучшает проходимость в условиях бездорожья. Погрешность при проведении эксперимента составила 5%.

Список опубликованных работ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Бобровников, Д. Е. Программа испытаний комбинированной энергоустановки на основе двигателя внутреннего сгорания и системы компенсации мощности на базе трактора ВТЗ-2048А [Текст] / Д. Е. Бобровников, А.Н. Евсеенков // Международный технико-экономический журнал.-2010.-№4.-С. 65-67.

2. Бобровников, Д. Е. Экспериментальные исследования влияния фаз газораспределения на мощностные показатели двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Д. Е. Бобровников // Международный технико-экономический журнал. -2013.-№4,- С. 85-87.

3. Бобровников, Д. Е. Расчёт оптимального «времени-сечения» впускного клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания в комбинированных энергетических установках [Текст] / Д. Е. Бобровников // Международный научный журнал. - 2013. - № 5. - С. 110-112.

Патенты на полезную модель

4. Пат. 83160 Российская Федерация, МПК H02J17/00. Устройство импульсного электропитания нагрузки [Текст] / Строганов A.B., Демидов A.B., Бобровников Д.Е., Шитов P.A. - №2008137169/22; заявл. 17.09.2008; опубл. 20.05.2009, Бюл. №14. - 1 с.

Подписано к печати 20.11.2013 г.

Формат 68x84/16

Бумага: писчая

Печать: трафаретная

Уч.-изд. п. 0,98

Тираж 100 экз.

Заказ № 337

Отпечатано ООО «УМЦ Триада»

127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д.7 корп.2.