сотрудник
Россия
Россия
УДК 6 ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ. МЕДИЦИНА. ТЕХНИКА. СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Эффективность работы автомобиля или трактора сельскохозяйственного назначения зависит от характеристик двигателя, определяемых газораспределительным механизмом (ГРМ). Традиционный ГРМ с фиксированными фазами газораспределения, не обеспечивает качественный газообмен на всех рабочих режимах двигателя. Исследования проводили с целью улучшение характеристик двигателя путем использования гидропривода клапанов ГРМ. Привод позволяет отключать отдельные клапаны, задавать произвольным образом моменты их открытия и закрытия, обеспечивать несколько срабатываний клапанов ДВС в течении рабочего цикла. Работой привода управляет электронный блок управления (ЭБУ). Он обеспечивает подъем клапанов ГРМ на высоту порядка 14 мм. Закон перемещения клапана, выявленный экспериментально, близок к трапециевидному. Использование гидропривода клапанов оказывает положительное влияние на фактор «время-сечение» в зоне малых и средних частот вращения коленчатого вала. Приращение фактора «время-сечение» обусловлено значительными скоростями открытия и закрытия клапанов. В связи с особенностями кинематических характеристик движения клапанов при использовании гидропривода для их перемещения использование серийных фаз газораспределения двигателя нецелесообразно. Численным моделированием работы ДВС определена закономерность изменения фаз газораспределения от скоростного режима работы двигателя. Критерий оптимизации – достижение максимальной мощности. При выборе фаз газораспределения была исключена возможность встречи впускных и выпускных клапанов с поршнем двигателя. Оптимизация фаз при низкой частоте вращения коленчатого вала приводит к увеличению мощности до 4,5 %. Увеличение скоростного режима сопровождается уменьшением прироста мощности, а при высокой частоте вращения коленчатого вала – наблюдается ее незначительное (1,4 %) снижение. Увеличение крутящего момента, вплоть до коэффициента использования мощности равного 0,9, и последующее его снижение позволяют стабилизировать скорость движения автомобиля по поверхности с переменным сопротивлением. Повышение рабочего давления в гидроприводе клапанов позволяет интенсифицировать газообмен и при высокой скорости вращения коленчатого вала
газораспределение, газообмен, гидропривод клапанов, фазы газораспределения, моторный стенд, эксперимент
Введение. Двигатель сельскохозяйственной машины работает на различных скоростных и нагрузочных режимах. Значительное время он функционирует на переходных режимах. Большое влияние на режим его работы оказывают непрерывно меняющееся сопротивление со стороны поверхности почвы и используемого орудия [1].
Отдельные рабочие процессы в двигателе внутреннего сгорания традиционной конструкции оптимизированы в узком диапазоне рабочих режимов. За их пределами эффективность работы двигателя снижается, что негативно сказывается на расходе топлива и времени проведения сельскохозяйственных работ.
Один из способов улучшения характеристик ДВС – интенсификация газообмена цилиндров с окружающей средой. Этого можно достичь путем повышения скорости перемещения клапанов ГРМ и управления моментами их открытия и закрытия.
Традиционный ГРМ с механическим приводом клапанов практически исчерпал возможности своего усовершенствования. В последние годы стали широко применять системы изменения фаз газораспределения [2], системы ступенчатого и бесступенчатого [3, 4, 5] изменения порядка работы впускных клапанов. Однако они усложняют конструкцию ДВС и имеют определенные недостатки, ограничивающие гибкость управления клапанами.
Ряд авторов предлагают для перемещения клапанов использовать электромагнитный [6, 7], электромеханический [8] или пневматический [9] приводы клапанов. При этом они также не лишены изъянов, ограничивающих возможности применения в двигателях автомобилей и тракторов сельскохозяйственного назначения.
Для перемещения тяжелых клапанов ГРМ крупных ДВС хорошо подходит гидравлический привод с электронным управлением от бортового компьютера [10, 11, 12]. Благодаря высокому рабочему давлению он способен развивать значительные усилия при малых размерах. В силу малой сжимаемости жидкости положением клапана можно управлять с высокой точностью.
Наибольшие возможности для управления обеспечивает индивидуальный привод аккумуляторного типа [13]. Он позволяет управлять моментами открытия и закрытия каждого клапана ГРМ, эффективно гасить колебания клапанов, не нуждается в регулировке тепловых зазоров.
Цель исследований – улучшение характеристик ДВС путем установки гидропривода клапанов ГРМ с электронным управлением, взамен традиционного механического привода.
Условия, материалы и методы. В работе [14] авторами предложена схема гидравлического привода клапанов (рис. 1). В ней открытие клапанов ДВС 12, 13 осуществляется поршнем 8 гидроцилиндра 6, а его закрытие происходит под действием клапанной пружины. Для управления положением гидроцилиндра предназначены два электромагнитных клапана (ЭМК) 5, 7. Работой клапанов управляет электронный блок управления. Подача масла в гидроцилиндр осуществляется из рампы 4, снабженной демпфером (гидроаккумулятором) 9. Ограничение высоты подъема клапанов ДВС реализуется посредствам пояска ограничителя 11, перекрывающего при подъеме клапана более 14 мм подачу масла в гидроцилиндр. Плавная посадка клапана двигателя на седло реализуется благодаря перекрытию торцом поршня сливного отверстия окна гидротормоза 10 в стенке гидроцилиндра.
Отдельные конструктивные решения предлагаемой схемы были защищены патентом [15].
Выбор такой схемы обусловлен возможностью легкого монтирования гидропривода на двигатель КАМАЗ 740. Кроме того, она позволяет уменьшить длину магистралей, в которых рабочее тело (моторное масло) движется с высокой скоростью. Это должно положительно сказаться на эффективности гидропривода.
Для определения конструктивных параметров элементов гидропривода была составлена физико-математическая модель. При ее разработке использовали подходы, предложенные в работах [16], а также специально разработанное программное обеспечение [17]. По результатам моделирования привода [18] был предложен способ ограничения перемещения поршня гидроцилиндра [19].
Натурный эксперимент проводили на моторном стенде (рис. 2).
В качестве маслобака использовали поддон двигателя, температуру масла в котором контролировали с использованием датчика температуры 10 и указателя 9. Масло в рампу 15 подавали штатным насосом гидроусилителя автомобиля 11, 12. Регулировку давления в рампе осуществляли с использованием крана 14. Давление масла контролировали манометром 16 и стабилизировали гидроаккумулятором 17. На одну головку ДВС монтировали гидропривод, включающий два гидроцилиндра 23, обеспечивающих перемещение впускного и выпускного клапанов 24. Подачу масла в гидроцилиндры организовывали питающие электромагнитные клапаны (ЭМК) 18, 19, слив – ЭМК 20, 21. Управляет работой ЭМК блок управления 2 через усилители 3. Питание усилителей происходит от источников питания 1. Программирование блока управления в режиме реального масштаба времени осуществляет ПК 22. Положение клапанов контролировали скоростной видеокамерой 5. Моменты подачи питания на ЭМК определяли визуально по включению светодиодов 4, также снимаемых видеокамерой. Для возможности съемки клапанов ДВС головка двигателя была приподнята над цилиндром с помощью дистанционных втулок 6.
Для обоснования целесообразности применения гидравлического привода клапанов ГРМ с электронным управлением было проведено моделирование работы ДВС КАМАЗ 740.72-360, реализованное с использованием ПО AVL Boost. Модель двигателя состоит из набора стандартных блоков библиотеки AVL Boost (рис. 3). В отдельной форме каждого блока задаются его параметры. Модель учитывает наличие на двигателе двух турбокомпрессоров и охладителя наддувочного воздуха. Процесс сгорания задавали с помощью формулы Вибе, теплообмен цилиндра с окружающей средой – с помощью формулы Вошни. Для контроля параметров в модель были введены несколько измерительных точек.
Для подтверждения адекватности созданной модели реальному двигателю проводили ее верификацию с использованием внешней скоростной характеристики двигателя КАМАЗ 740.72-360. Сопоставление результатов расчетов с ВСХ, представленной заводом изготовителем (рис. 4), свидетельствует о их хорошем совпадении.
Результаты и обсуждение. Покадровая обработка видеоизображения позволила определить закон перемещения органов газораспределения по углу поворота коленчатого вала (рис. 5). Оно близко к трапециевидному. Средняя скорость подъема клапанов при давлении в гидроприводе 8 МПа составляет порядка 1,02 м/с, средняя скорость посадки клапана – 1,75 м/с. Скорость открытия клапанов ГРМ определяется рабочим давлением привода. В зоне удержания клапанов отмечается наличие автоколебаний с амплитудой менее 1 мм.
Результаты анализа влияния фаз газораспределения впускного клапана на мощность двигателя (рис. 6) свидетельствуют, что полученная трехмерная поверхность имеет одиночный максимум, соответствующий оптимальным фазам газораспределения. При частоте вращения коленчатого вала равной 1900 об/мин максимальная мощность двигателя достигается при угле опережения открытия впускного клапана 20º и угле запаздывания закрытия 15º поворота коленчатого вала.
Исследование влияния фаз газораспределения впускного и выпускного клапанов на мощность во всем скоростном режиме работы двигателя КАМАЗ 740.72-360 позволило определить оптимальные. При их окончательном выборе была исключена возможность встречи клапана с поршнем ДВС путем корректировки момента закрытия выпускного клапана или момента открытия впускного клапана. При увеличении скорости вращения коленчатого вала необходимо увеличивать углы опережения открытия впускного и выпускного клапанов. Угол запаздывания закрытия впускного клапана меняется с максимумом при 1500 об/мин, а угол запаздывания закрытия выпускного клапана уменьшается по мере увеличения скорости вращения коленчатого вала.
Моделирование привода выявило, что скорость движения клапана слабо зависит от давления газов в цилиндре.
Анализ результатов исследований свидетельствует, что использование фаз газораспределения традиционного ГРМ для гидроуправляемого нецелесообразно. В связи с изменением скорости открытия и закрытия клапанов существенно меняется характер газообмена на начальных и заключительных этапах движения клапана и его влияние на внутрицилиндровые процессы. На отдельных режимах наблюдаются обратные выбросы свежего заряда, недостаточная дозарядка цилиндра, избыточный свободный выпуск, снижающий работу расширения газов. Для гидроуправляемого ГРМ необходимо использовать фазы газораспределения, отличные от традиционных. Они должны меняться при изменении скоростного режима работы двигателя.
При использовании гидроуправляемого ГРМ возможна встреча клапанов с поршнями двигателя. Это вынуждает уменьшать угол опережения открытия впускного клапана при низкой скорости вращения и угол запаздывания закрытия выпускного клапана при высокой скорости вращения вала двигателя.
Особенность гидравлического привода клапанов – наличие зависимости фактора «время-сечение», определяемого по подъему клапана и углу поворота коленчатого вала от скоростного режима работы ДВС. С увеличением скоростного режима работы ДВС фактор «время-сечение» уменьшается. При минимальной частоте вращения коленчатого вала он значительно больше, чем у серийного ГРМ. При номинальном скоростном режиме работы ДВС (1900 об/мин) гидравлический привод не имеет преимуществ, по сравнению с традиционным. Поэтому прирост крутящего момента и мощности двигателя наблюдается при низкой и средней скорости вращения коленчатого вала.
Выводы. Использование гидроприводного ГРМ целесообразно для двигателей автомобилей и тракторов сельскохозяйственного назначения. Результатом воздействия на газообмен служит увеличение мощности и крутящего момента двигателя при малых и средних частотах вращения коленчатого вала. Незначительное снижение мощности при номинальном режиме приводит к увеличению коэффициента приспособляемости по моменту. Это стабилизирует скорость проведения сельскохозяйственных работ в условиях переменного сопротивления со стороны поверхности почвы и используемого орудия. Для улучшения газообмена при номинальном режиме необходимо увеличить давление в гидроприводе. Проведенная работа позволяет рекомендовать установку гидравлического привода клапанов в процессе модернизации двигателей традиционной конструкции, а также использовать его при разработке новых ДВС.
1. Халиуллин Ф. Х., Зиганшин Б. Г. Классификация условий эксплуатации энергетических установок машинно-тракторных агрегатов (на примере почвообработки) // Техника и оборудование для села. 2018. №3. С. 27-29.
2. Березовский А. Б., Максимов А. В. Двигатели внутреннего сгорания: Конструкция двигателей и их систем: учебно-методическое пособие. Казань: Изд-во АН РТ, 2020. 492 с.
3. От Valvematic до Variocam Plus: системы регулировки подъема клапанов и их ремонт. URL: https://5koleso.ru/articles/garazh/ot-valvematic-do-variocam-plus-sistemy-regulirovki-podema-klapanov-i-ih-remont (дата обращения: 05.11.2021).
4. Audi valvelift system. URL: https://www.audi-technology-portal.de/en/drivetrain/engine-efficiency-technologies/audi-valvelift-system_en (дата обращения: 05.11.2021).
5. Valve-train-components-technology-and-failure-diagnosis. URL: https://ab-engine. com/manuals/ina-valves.pdf (дата обращения: 07.11.2021).
6. Соснин Д. А., Яковлев В. Ф. Новейшие автомобильные электронные системы: учеб. пособ. для специалистов по ремонту автомобилей, студентов и преподавателей вузов и колледжей. М.: СОЛН-Пресс, 2005. 240 с.
7. Static and Dynamic Simulation of an Electromagnetic Valve Actuator Using COMSOL Multiphysics. URL: https://www.comsol.com/paper/download/45996/Wislati.pdf (дата обращения: 05.11.2021).
8. Британские инженеры «оцифровали» распределительный вал ДВС. URL: https://hightech.fm/2018/01/22/combustion-engine (дата обращения: 06.11.2021).
9. Бескулачный бой. Как устроен революционный двигатель без распредвала? URL: https://motor. ru/lab/koenigsegg. htm (дата обращения: 05.11.2021).
10. Забойщиков, В. Технология MultiAir. Дайте больше воздуха. URL: http://www.5koleso.ru/articles/Tehnika/Tehnologiya_MultiAir_Daite_bolshe_vozduha (дата обращения 05.11.2021).
11. Design and Performance Evaluation of an Electro-Hydraulic Camless Engine Valve Actuator for Future Vehicle Applications / N. Kanghyun, Ch. Kwanghyun, P. Sang-Shin, et al. // Sensors. 2017. Vol. 17. No. 12. 2940. URL: https://www.mdpi.com/1424-8220/17/12/2940. doi: 10. 3390/s17122940 (дата обращения: 05. 11. 2021).
12. Expanding Combustion Knowledge - Lotus AVT. URL: https://lotusproactive.wordpress.com/2014/04/09/expanding-combustion-knowledge-lotus-avtsystem/?shared=email&msg=fail (дата обращения: 05.11.2021).
13. Lotus Active Valve Train (AVT): circuito idraulico e diagramma distribuzione. URL: https://www. ralph-dte.eu/2011/05/24/lotus-active-valve-train-avt-circuito-idraulico-e-diagramma-distribuzione (дата обращения: 05.11.2021).
14. Численное исследование газораспределительного механизма с электрогидравлическим приводом / А. Б. Березовский, Н. А. Гатауллин, Л. А. Зимина и др. // Журнал автомобильных инженеров. 2015. №5 (94). С. 16-22.
15. Патент РФ №2014122679/06, 03. 06. 2014. Устройство гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания (варианты) // Патент России № 2569982. 2015. Бюл. № 34 / А. В. Максимов, А. Б. Березовский, Л. А. Зимина и др.
16. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. ; 4-е изд., стереотипное, перепечатка со второго издания 1982 г. М.: «Издательский дом Альянс», 2010. 423 с.
17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015661650. Программа определения характеристик системы привода газораспределительного механизма ДВС с электрогидроуправляемыми клапанами 2015 / А. Б. Березовский, А. В. Максимов, Л. А. Зимина и др. Заявка №2015615396. Дата поступления 22 июня 2015 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 03 ноября 2015 г.
18. Electrohydraulic gas distributing mechanism control / A. V. Maksimov, A. B. Berezovsky, L. A. Zimina, et al. International journal of applied engineering research. Vol. 10. No. 24. 2015 С. 44966-44973.
19. Патент РФ №2014123242/06, 06. 06. 2014. Исполнительный механизм гидравлического привода клапана двигателя внутреннего сгорания (варианты) Патент России № 2561936. 2015. Бюл. № 25 / А. В. Максимов, А. Б. Березовский, Л. А. Зимина и др.
