Теория и практика создания двигателей внутреннего сгорания с регулируемым рабочим объемом

Проблема снижения расхода топлива и выброса вредных веществ остается одной из самых актуальных для автомобильной промышленности. Постоянное ужесточение норм на токсичность и требований к экономичности автомобилей стимулирует поиск новых решений и критический анализ старых, но не нашедших в свое время практического воплощения технических идей. К таковым относится идея управления ходом поршня для реализации регулирования рабочего объема и/или степени сжатия. На взгляд автора эта идея является крупнейшим и практически не освоенным на сегодняшний день резервом повышения КПД двигателя. До сих пор, за исключением весьма ограниченных экспериментальных и теоретических работ, эта область остается без должного внимания со стороны и науки, и промышленности, хотя аргументация в пользу и регулирования рабочего объема, и регулирования степени сжатия давно была достаточно убедительной и никем не подвергалась сомнению. Тем не менее, немногочисленные работы в этом направлении до сего времени не выходят за рамки научных исследований и испытаний экспериментальных образцов.

Одной из задач данной работы является анализ причин такого положения и поиск наиболее перспективных путей в решении проблемы создания двигателей с регулируемым рабочим объемом и степенью сжатия. Автор сознательно не разъединяет, а точнее, объединяет эти понятия — регулирование рабочего объема и регулирование степени сжатия, поскольку те технические решения, изучению которых посвящена эта работа, в значительной своей части предполагают внедрение в саму основу двигателя, в силовой механизм, и позволяют одновременно воздействовать как на рабочий объем, так и на степень сжатия. И то, и другое направления взаимосвязаны не только конструктивно, но и по тому эффекту, который мы имеем при их реализации: влияние на механический и индикаторный КПД и, как следствие, на топливную экономичность.

Таким образом, целью настоящей работы является исследование потенциальных возможностей повышения топливной экономичности двигателей с регулируемыми рабочим объемом и степенью сжатия и создание научных основ их разработки.

Большинство из рассматриваемых в настоящей работе технических решений затрагивают базовый узел традиционного двигателя — кривошипно-шатунного механизм. И это не желание создать нечто необычное, экстравагантное, а вынужденная необходимость, имеющая бесспорное теоретическое обоснование. Заимствованный от паровых машин и заложенный в конструкцию традиционного двигателя «простой» кривошипно-шатунный механизм оказался в своей простоте настолько удачным, что за сотни лет его монополию в поршневых машинах не смогли нарушить ни один из других типов силовых механизмов. Практически все выпускаемые промышленностью двигатели — рядные, оппозитные, V-образные, W-образные, звездообразные и т. д. — являются вариациями на тему обычного плоского кривошипно-шатунного механизма. Но этот же механизм оказался слишком «простым», чтобы решить проблему управления движением поршней без его кардинального изменения.

Логика эволюции двигателей такова, что принципиально новые, т. е. отличные от классической рядной или V-образной компоновки, конструкции появляются и осваиваются в промышленности только тогда, когда получаемые за ее счет преимущества жизненно необходимы для решения стратегической технической задачи. Так было, например, со звездообразными двигателями, которые, несмотря на сложность и большую стоимость, все-таки были внедрены в промышленность, поскольку давали авиации принципиально новые возможности. Так было и с двигателями со встречно-движущимися поршнями, поскольку массогабаритные преимущества таких двигателей оказались принципиально важными для создания эффективной специальной техники.

Эта же логика показывает, что при освоении новых конструкций двигателей (или силовых установок), включая и вышеупомянутые, основным критерием по-прежнему является тандем параметров — топливная экономичность и удельная масса (кг/кВт). Стоимость силовой установки, хотя и является важнейшим показателем, стоит на втором, и даже на третьем после токсичности, месте. (Примером тому являются комбинированные энергетические установки, КЭУ). Причем, если решается задача улучшения массогабаритных характеристик в ущерб топливной экономичности, как, например, это было в двигателе Ванкеля, или наоборот, улучшения экономичности за счет ухудшения удельной массы, как это имеет место в двигателе Стирлинга (или тех же КЭУ на современном уровне их развития), — двигатель в лучшем случае займет свое место только лишь в решении каких-то частных, специальных задач, он не будет иметь перспектив массового производства. Поэтому, приступая к рассмотрению какой-либо новой конструкции двигателя, необходимо определить, какую стратегическую задачу решают авторы, достоверно ли оценен эффект от внедрения новой конструкции, стоит ли он того, чтобы идти на кардинальные изменения технологии производства, действительно ли эта задача не может быть решена в рамках обычной схемы, не нарушается ли при этом баланс между топливной экономичностью и массогабаритными показателями.

В настоящей работы изложены результаты исследования различных способов регулирования рабочего объема и степени сжатия и обоснован выбор наиболее перспективных направлений для реализации двигателя с управляемым движением поршней. Причем, здесь практически не рассматриваются известные или «классические» решения такие, как, например, ПАРСС (Поршень с Автоматическим Регулированием Степени Сжатия, это направление, строго говоря, можно также отнести к понятию «двигатель с управляемым движением поршней») или ВКАРО (управляемый вытеснитель в головке цилиндров). Они достаточно хорошо изучены. Акцент сделан на анализ относительно новых технических решений, появившихся за последние 20−30 лет и затрагивающих конструкцию силового механизма. Рассмотрены как «плоские», так и «объемные», в частности аксиальные механизмы.

Аксиальный двигатель (двигатель с компоновкой цилиндров вокруг продольной оси) рассматривается автором как одно из возможных средств достижения поставленной в настоящей работе цели. Аксиальная компоновка заслуживает внимание потому, что здесь есть (по меньшей мере, теоретическая) возможность сохранения компромисса между массогабаритными и экономическими показателями. Именно поэтому на протяжении всей истории развития двигателей аксиальная схема привлекала и привлекает к себе внимание. Ежегодно 5. 10 заявок или публикаций появляются в специальной литературе. Нужно сказать, что большинство из них принципиально отличаются друг от друга в самом главном — силовом механизме. Это многообразие схем говорит о том, что до сих пор не определены единые критерии конструирования аксиальных двигателей, что в свою очередь, по мнению автора, является следствием отсутствия полноценной теоретической базы. Восполнить этот недостаток — одна из задач данной работы.

Понимание особенностей кинематики «нетрадиционных» двигателей, специфики действия и передачи сил — необходимое условие для появления удачной конструкции силового механизма. В мировой практике двигателестроения появление «живой» конструкции нового двигателя — явление крайне редкое. Поэтому на наш взгляд изложение некоторых результатов работ с такими двигателями, созданными как в НАМИ, так и за рубежом, необходимо и для того, чтобы в будущем избежать сделанных ошибок, и для того, чтобы использовать апробированные удачные решения.

Автор отдает себе отчет в том, что многие идеи, изложенные в данной работе, особенно то, что касается собственно конструкции двигателя и его основных узлов, требуют обсуждения и уточнения. В работе практически не затрагиваются проблемы технологии изготовления двигателя, компоновки как единого силового агрегата, вопросы эксплуатационного обслуживания и т. д., что неизбежно должно привести к значительной коррекции существующих конструкций. Тем не менее, автор считает, что эти вопросы относятся к категории, хоть и не простых, но обычных инженерных задач и могут быть решены на стадии работ с опытными образцами последующих серии.

В последние годы разработан и реализован в виде опытных образцов ряд двигателей с силовыми схемами, обеспечивающими регулирование как Vh, так и совместное регулирование Vh и с. В публикациях, касающихся этих схем, практически не содержатся сведения о результатах расчетных исследований и обосновании выбора принятой концепции силового механизма. Поэтому научный анализ новых кинематических схем, определение преимуществ или недостатков того или иного технического решения с целью возможного использования этого решения или аргументированного отказа от него — одна из важнейших научных задач настоящей работы.

В данной работе сознательно опущен полноценный критический обзор многочисленных конструкций нетрадиционных двигателей. Это стало возможным, благодаря опубликованию докторской диссертации А. И. Яманина [57] и многотомного учебного пособия профессоров Кутенева В. Ф. и Яманин А. И. «Расчет и проектирование аксиально-поршневых двигателей» [27], а также работы «Проблемы создания двигателей с переменными степенью сжатия и рабочим объемом» [24], в которых подробно освещены вопросы истории создания этих двигателей, приведена классификация различных схем силовых механизмов и дан критический анализ наиболее характерных конструкций. Поэтому здесь использованы в основном лишь новые материалы, появившиеся за последние годы и которые имеют отношение к основной линии данной работырегулированию рабочего объема и степени сжатия на базе нетрадиционных схем силовых механизмов.

Эффективность регулирования Vh и с различна для разных типов (бензиновый, дизельный) и для разных режимов работы (полная нагрузка, холостой ход) двигателя. Возможность достоверного расчета прогнозируемого эффекта от применения регулирования Vh и е по характеристикам базового стандартного двигателя — актуальная научная задача.

Одним из перспективных направлений для достижения поставленной цели является упомянутый выше аксиальный двигатель — с расположением цилиндров вокруг и параллельно оси коленчатого вала. Реализация такого двигателя невозможна без решения задачи разработки методов расчета (кинематики и динамики) силового механизма аксиального двигателя с равномерной прецессией качающейся шайбы, расчета соотношений размеров звеньев силового механизма для взаимосвязанного регулирования Vh и е.

Все вышесказанное обуславливает круг расчетно-аналитических, конструкторско-технологических и экспериментально-исследовательских задач решаемых, в рамках настоящей диссертации:

— критический анализ существующих технических решений по регулированию Vh и? и обоснование выбора конструктивной схемы двигателя для практической реализации регулирования Vh и е;

— аналитическое и экспериментальное исследование потенциала регулирования Vh и е с точки зрения улучшения экономических и экологических показателей;

— разработка конструкции двигателя и его систем (управления Vh и с, газораспределения, смазки, подшипниковых узлов и т. д.);

— кинематический, динамический расчеты, расчет уравновешивания, оптимизация конфигурации двигателя;

— отработка технологии изготовления оригинальных деталей двигателя и экспериментальная проверка работоспособности отдельных узлов и двигателя в целом.

В задачи работы также входит экспериментальное исследование работоспособности аксиального двигателя (и его отдельных узлов) с принятой концепцией силового механизма.

Научная новизна работы заключается в следующих защищаемых автором положениях:

1. Разработан метод расчета топливной экономичности двигателей с регулируемыми рабочим объемом и степенью сжатия. Метод базируется на расчете нагрузочных характеристик «нового» двигателя по характеристикам базового стандартного двигателя.

2. Разработаны методики кинематического, динамического расчета аксиального двигателя с равномерной прецессией качающейся шайбы и управляемым движением поршней, а также метод уравновешивания двигателя, определена количественная взаимосвязь возвратно-поступательно и вращательно движущихся масс с целью уравновешивания аксиального двигателя одним противовесом.

3. Разработан метод оптимизации геометрических параметров силового механизма, показано, что наилучшими массогабаритными показателями обладают 7-ми цилиндровые версии аксиальных двигателей.

4. Получены экспериментальные данные о влиянии величины степени сжатия на расход топлива при работе двигателя на режиме холостого хода. Показано, что при реализации «стехиометрической» стратегии управления топливоподачей верхним пределом эффективного увеличения степени сжатия является величина ?=12. Если же стратегия управления топливоподачей допускает работу двигателя на обедненной топливовоздушной смеси, то степень сжатия на режиме холостого хода может быть увеличена до ?=14−15. При этом экономии топлива составит около 30% по сравнению с вариантом ?=7,5 (соответствующим стандартному надувному двигателю с пониженной степенью сжатия).

5. Получен расчетом и подтвержден экспериментально вывод о повышенной нагруженности косого колена аксиального двигателя, что является основным фактором, препятствующим увеличению частоты вращения аксиального двигателя. Созданы математические модели и разработаны методики кинематического и динамического расчета аксиальных двигателей с равномерной прецессией качающейся шайбы.

Достоверность научных результатов подтверждается экспериментальной и расчетной проверкой с использованием современных методов твердотельного моделирования.

Практическая ценность работы. Использование разработанных методик расчета нагрузочных характеристик в сочетании с известными методиками расчета силового и топливного баланса автомобиля позволяет определить эффективность применения регулирования рабочего объема двигателя в составе конкретного автомобиля на конкретных скоростных режимах.

Поставлены опорные эксперименты по определению эффективности регулирования рабочего объема и степени сжатия. Впервые в отечественной практике создан экспериментальный автомобиль, оборудованный двигателем с регулируемым рабочим объемом модульного типа и проведены его лабораторно-дорожные испытания. Экспериментально определена эффективность регулирования степени сжатия на режиме холостого хода. Данные эксперимента легли в основу методики расчета нагрузочной характеристики двигателя с регулируемой степенью сжатия.

Разработаны конструкции аксиальных двигателей различного типа, включая двигатели с управляемым движением поршней. Получены результаты экспериментальных исследований аксиальных двигателей. Созданы опытные образцы двигателей с регулируемыми Vh и е. Определены проблемные узлы. Ряд технических решений, как по силовому механизму, так и по системам двигателя, показавших хорошую работоспособность в ходе экспериментальных исследований (в частности, механизм управления ходом поршней, механизм газораспределения, шатунно-поршневая группа, блок масляного насоса) могут быть использованы в двигателях последующих серий. Впервые в России проведены лабораторно-дорожные испытания аксиального двигателя в составе автомобиля УАЗ. Накоплен ценный технологический опыт по изготовлению оригинальных деталей двигателей нетрадиционных конструкций. Результаты работы используются в учебном процессе в МАДИ и МАМИ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались: в 1991 г. на Международной конференции в Берлине (Германия) — в 1993 г. на 26-ом Международном симпозиуме ISATA в Аахене (Германия) — в 1994 г. на ежегодном Международном конгрессе SAE в Детройте (США) — в 1996 г. Международной научно-техническая конференции «100 лет российскому автомобилю» (МАМИ, Москва), на Научно-техническом симпозиуме «Двигатели-96» (Москва), на семинаре кафедры Э-2 МГТУ им. Баумана и XIY Научно-технической конференции «Экология и топливная экономичность автотранспортных средств» (Дмитров) — в 2005 г. на международном научном симпозиуме, посвященному 140-летию МГТУ «МАМИ», на Автомобильной секции в Доме ученых Российской Академии Наук, на 50-ой международной научно-технической конференции «Автомобиль и окружающая среда» (НИЦИАМТ, Дмитров), а также на секции НТС ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 научные статьи, (в соавторстве) одна монография и 16 патентов (России, Европатентов и патентов США).

Основные результаты и выводы В отношении регулирования рабочего объема и степени сжатия:

1. Разработан метод расчета топливной экономичности двигателя с регулируемыми рабочим объемом и степенью сжатия. Метод позволяет рассчитать нагрузочные, дорожно-экономические характеристики и расход топлива автомобиля по ездовому циклу для различных способов регулирования Vh и ?.

2. Из всех способов регулирования рабочего объема самым эффективным является способ, реализующий модульную концепцию силовой установки — МСУ. Расчет показывает и эксперименты подтверждают, что для автомобилей с МСУ суммарным рабочим объемом 1,5.3,0 л может быть обеспечено снижение эксплуатационного расхода топлива не менее чем на 25.35%.

3. Неизбежным недостатком МСУ является увеличение массо-габаритных показателей силового агрегата. Это ограничивает сферу возможного применения МСУ.

4. Из-за ограничений по вибрации силового агрегата практически модульный принцип применим только в случае использования модулей на базе 3-х и более цилиндровых двигателей.

5. Регулирование рабочего объема путем изменения хода поршня имеет эффективность в топливной экономичности несколько меньше (20−22%), чем при реализации модульной концепции, несмотря на то, что при этом, недискретном, способе регулирования Vh расширяется диапазон нагрузочных режимов, на которых экономия топлива данным способом возможна. Снижение эффективности регулирования в данном случае объясняется отрицательным влияние параметра D/S на индикаторный КПД при уменьшении хода поршня. Тем не менее, неоспоримым преимуществом данного способа перед другими является то, что он применим для двигателей самой широкой гаммы рабочих объемов независимо от числа цилиндров, включая наиболее массовую группу 3-х и 4-х цилиндровых двигателей Vh = 0,9.2,0 л.

6. Использование регулирования степени сжатия в дополнение к регулированию рабочего объема увеличивает эффект в улучшении топливной экономичности на 5. 6%.

7. Идея совместного регулирования Vh и е может быть реализована на базе модульной концепции, если в качестве модуля применить двигатель с регулируемой степенью сжатия. В качестве такого модуля наиболее перспективным представляется 3-х или 4-х цилиндровый модуль на базе траверсного двигателя НАМИ, который является в настоящее время наиболее надежным и работоспособным вариантом двигателя с регулируемой ?. 8. Пригодных для практической реализации технических решений по регулированию рабочего объема за счет управления движением поршней на базе «плоских» (двухмерных) силовых механизмов не найдено. Основной проблемой здесь является неуравновешенность двигателя.

9 Теоретически регулирование рабочего объема и степени сжатия может быть обеспечено на базе «объемных» (трехмерных) — аксиальных, силовых механизмов, в которых имеется теоретическая возможность совместного регулирования и Vh, и? по требуемому закону. В отношении аксиальных двигателей.

1. Несмотря на многочисленные попытки, реализация идеи управления движением поршней сдерживается отсутствием надежного силового механизма с гибко управляемой геометрией. Известные решения силового механизма аксиального двигателя с использованием зубчатого зацепления для синхронизации качающейся шайбы неприемлемы из-за невозможности обеспечения регулирования Vh и/или ?. Другие решения с использованием, например, (простых, одинарных) карданных шарниров не обеспечивают равномерную прецессию шайбы, и также являются неприемлемыми вследствие неуравновешенности и повышенного уровня вибраций.

2. Разработанный и исследованный в данной работе силовой механизм для аксиального двигателя обеспечивает.

— равномерную прецессию качающейся шайбы;

— полную уравновешенность;

— регулирование рабочего объема в 2,5 раза за счет изменения угла наклона качающейся шайбы;

— совместное регулирование рабочего объема и степени сжатия.

3. Разработаны методы расчета геометрических параметров аксиальных двигателей, а также методы кинематического и динамического расчета, в частности с использованием методов твердотельного моделирования.

4. Построены опытные образцы аксиальных двигателей различного назначения. Впервые в отечественной практике получены результаты стендовых испытаний (скоростная, нагрузочные характеристики) и проведены лабораторно-дорожные испытания аксиального двигателя в составе автомобиля. На автомобиле УАЗ, в частности, продемонстрированы массо-габаритные преимущества аксиальной компоновки.

5. Следствием конструктивных особенностей, присущих аксиальным двигателям с качающейся шайбой, является относительно большие, по сравнению с обычными двигателями, массы возвратно-поступательных и вращающихся частей силового механизма. Это обуславливает повышенные нагрузки от сил инерции на подшипники коленчатого вала.

6. Достигнутый в аксиальных двигателях НАМИ уровень частоты вращения (до 3000 мин" 1) хотя и является более высоким, чем в предшествующих аналогах, недостаточен для современного автомобильного бензинового двигателя и необходим поиск технических решений по снижению массы движущихся частей силового механизма с целью повышения «оборотности» двигателя.

7. Принципиальным недостатком аксиальных двигателей является отсутствие технологической преемственности с обычными двигателями. Практически все детали, за исключением клапанов и стандартных комплектующих систем питания и зажигания, являются оригинальными. Весьма сложными в изготовлении являются блок цилиндров и узел механизма газораспределения. Тем не менее, аксиальный двигатель с равномерной прецессией качающейся шайбы остается единственным в настоящее время вариантом двигателя, в котором, по меньшей мере теоретически, имеется возможность обеспечить регулирование рабочего объема и степени сжатия в широких пределах.

Заключение

.

Создания нового двигателя с новыми функциональными возможностями такими, как регулирование рабочего объема и степени сжатия — чрезвычайно сложная задача, требующая решения широкого комплекса проблем конструкторского и технологического характера, разработки оригинальных систем управления, специальных исследований материалов и покрытий, углубленных исследований условий работы специфических узлов, таких, например, как сферические подшипники, механизм газораспределения, система смазки и т. д. Здесь была сделана попытка решить или приблизиться к решению некоторых из этих проблем.

Разработанные методы кинематического и динамического расчета позволяют определять общие параметры двигателя, требуемые геометрические соотношения звеньев силового механизма и рассчитывать нагрузки в силовых сочленениях.

Разработанные конструкции, хотя и не в полной мере, но позволяют реализовывать регулирование рабочего объема и степени сжатия и проводить экспериментальные исследования таких двигателей.

Не следует считать, что разработанный в НАМИ силовой механизм аксиального двигателя с управляемым движением поршней является наилучшим и единственно возможным. Он использован лишь потому, что других более простых, более элегантных, более совершенных решений не было выявлено. Авторы отдают себе отчет в недостатках данного механизма, тем не менее, этот механизм позволил перейти к практической реализации идеи регулирования хода поршней и провести ряд уникальных экспериментов.

Проведенные автором исследования модульной силовой установки (МСУ) в составе автомобиля, в которой не просто имитировалось, а реально обеспечивалось регулирование рабочего объема в реальных условиях движения, экспериментально подтвердили большие резервы этого способа управления двигателем с точки зрения топливной экономичности. Аксиальный двигатель по сути — один из способов достижения того же эффекта, который достигается в модульной силовой установке. Хотя на взгляд автора МСУ, несмотря на недостатки по массо-габаритным параметрам, сама по себе достойна большего внимания. Это направление по мнению автора является отдельным и весьма перспективным направлением улучшения топливной экономичности двигателей относительно большого литража — 2,0.3,0 л и более, для автомобилей среднего класса, повышенной проходимости и специальной техники.

Автор попытался ослабить некоторую неопределенность в цифрах, характеризующих эффективность регулирования степени сжатия в бензиновом двигателе на дроссельных режимах. Поставленные эксперименты по регулированию степени сжатия на режиме холостого хода определили предельное значение реального (с учетом конструктивных ограничений) повышения экономичности. Эти значения могут быть несколько уточнены для конкретного двигателя, но предельным уровнем эффективности регулирования степени сжатия можно считать 30−35%, соответствующие режиму холостого хода — режиму предельного дросселирования. Упоминаемые многими авторами цифры -10, 15,15−20% и т. д. (в зависимости от глубины регулирования степени сжатия), следует рассматривать как «среднеэксплуатационные» проценты снижения расхода топлива при регулировании степени сжатия.

На протяжении всей истории развития двигателестроения проблемы регулирования рабочего объема и степени сжатия являются предметом постоянного интереса специалистов. Автор рассматривает данную работу лишь, как один из шагов в решении этих проблем и попытался внести свой вклад в теорию и практику создания двигателя с регулируемым рабочим объемом и степенью сжатия.