Анализ кинематической схемы поршневого W-образного двигателя с прицепными шатунами

Исторически сложилось, что поршневые двигатели получили широкое распространение не только в наземной, но и в авиационной технике. В начале двадцатого века авиационные двигатели представляли собой простые маломощные машины, которые разрабатывались и строились одна за другой для конкретных самолетов. Но очень скоро двигатели начали производиться в больших количествах, часто несколькими производителями в разных странах, получившими лицензию от проектировщика или первоначального производителя [1-6]. В последнее время поршневое двигателестроение для авиационной промышленности приобрело особое звучание в плане развития БПЛА и легкомоторной авиации. В этой связи некоторые технические решения, разработанные в плане развития авиационного поршневого двигателестроения, предложенные авторами в этой статье, могут быть полезны в решении задач, стоящих перед специалистами, занимающимися вопросами проектирования и изготовления авиационных поршневых двигателей. По мнению авторов, это будет способствовать созданию отечественного рынка разработок новых конструкций, актуальность которого направлена на обеспечение суверенитета авиационной промышленности России, основы которого были заложены работами отечественных специалистов [7-9].

Очевидно, что для участия в разработках новых конструкций и в работах по созданию отечественного рынка авиационных поршневых двигателей необходимо знать требования и технические характеристики малогабаритных авиационных поршневых двигателей. В этой связи работы, выполненные специалистами [10, 11], представляют определенный практический интерес.

Как известно, одним из важнейших показателей авиационного поршневого двигателя является его удельная масса, которая для современных двигателей составляет 0,4…0,6 кг/кВт. Еще одним важным критерием являются потери мощности на трение, которые должны составлять не менее 10.. .15 % от номинальной мощности двигателя [8].

Таким образом, вопрос реализации поршневого двигателя, имеющего необходимые и достаточные массогабаритные показатели, наряду с мощностными и трибомеханическими характеристиками является одним из основных направлений, развиваемых авторами при проработке конструкции W-образного двигателя с прицепными шатунами. В этой связи работы, выполненные авторами [12-14], по анализу характера периодических и случайных нагружений, а также W-двигателей представляются в достаточной мере актуальными. Двигатели такой конструкции довольно часто используются в автомобильной промышленности [15]. К автомобилям с двигателем W относятся: VW Phaeton [16], Audi A8 [17], Bentley Continental GT [18] и Bugatti Veyron [19], а также многие другие, менее известные автомобили. Перечень различных модификаций W-образного двигателя представлен в обзоре [20]. Концепция W двигателя представлена в программе [21], которая знакомит читателя с механическими компонентами и их функциями в двигателях семейства W. В статье [22] объясняются основные отличия между возможными типами расположения цилиндров (рядное, V и W) в автомобильных двигателях.

По мнению авторов, для современных беспилотных устройств массогабаритные показатели двигателей имеют превалирующее значение. Следовательно, разработка компактных двигателей с заданными техническими параметрами, с возможностью автоматического регулирования напряженности деталей ЦПГ и КШМ без существенного изменения мощностных параметров является задачей исследований.

На рис. 1 представлены конструкции W-образного двигателя с прицепными шатунами (авторский вариант), W-образного двигателя производства концерна Volkswagen [23] и V-образного двигателя с прицепными шатунами. Как следует из рис. 1, длины коленчатых валов и блок-картеров W-образных конструкций двигателей существенно меньше по сравнению с их V-образной конструкцией. Существенный вклад в расчетные исследования, посвященные надежности коленчатых валов, представлены в работах [24, 25].

Как видно из описания конструкции двигателя Volkswagen, шатунная шейка имеет две оси (см. рис. 1), которые смещены относительно друг друга как по высоте, так и по углу поворота между осями, что создает дополнительные сложности при изготовлении такого коленчатого вала.

Учитывая, что предлагаемая авторами конструкция коленчатого вала проще в изготовлении, то и затраты на производство этого вала будут меньше. Кроме этого, вес коленчатого вала этого двигателя будет в два раза меньше, чем у V-образного и почти в полтора раза меньше, чем у W-образной конструкции Volkswagen. Следовательно, и амплитуда крутильных колебаний при прочих равных геометрических размерах будет меньше [23-25]. При этом жесткость такого коленчатого вала будет выше, что будет способствовать уменьшению амплитуды крутильных колебаний коленчатого вала и, соответственно, повышению надежности его трибосопряжений. Теоретический анализ, представленный в работах [26, 27], с использованием современных методов оценки кинематических схем представляет практический интерес.

Конструкция W-образного двигателя

Особенность предлагаемого двигателя с прицепными шатунами заключается в создании кинематической схемы, включающей в себя два главных шатуна, параллельно расположенных на одной шатунной шейке.

При этом прицепные шатуны, сочленённые с главными, образуют кинематическую схему, обеспечивающую определенную последовательность взаимного расположения поршней, находящихся в цилиндрах каждого ряда двигателя. Общий вид этой кинематической схемы представлен на рис. 2.

Двигатель V12

Коленчошй бел двигателя WI2                        Коленчатый вал двигателя W12                       Коленчатый вал двигателя V12

Рис. 1. Сравнение длин блок-картеров и коленчатых валов 12-цилиндровых двигателей

Рис. 2. 3D-модель секции W-образного двигателя: a) его кинематическая схема б): T – направление тангенциальной силы на ось цапфы кривошипа; Z – направление нормальной силы на оси цапфы кривошипа; α – угол поворота кривошипа; β – угловое перемещение шатуна от оси цилиндра; ω – направление угловой скорости вращения коленчатого вала

б)

Особенность данной кинематической схемы заключается в том, что последовательность нахождения поршней в определенной точке (симметричной относительно оси коленчатого вала) хода зависит от угла развала цилиндров в блоке и от угла развала блоков двигателя.

Для удобства описания конструкции авторы применили термин «секция». Секция – это четыре поршня с двумя главными и двумя прицепными шатунами, конструктивно сочлененные на одной шатунной шейке (рис. 2 а и б).

Графическая зависимость положений поршней от угла поворота коленчатого вала (ПКВ) наглядно представлена на рис. 3.

Рис. 3. Графики хода поршней секции W-образного двигателя

Логический анализ рис. 2 и 3 позволяет отметить, что если поршень первого главного цилиндра находится в верхней мертвой точке (ВМТ), то поршень второго главного цилиндра и поршни боковых цилиндров достигнут аналогичных точек соответственно через период времени, равный углу ПКВ при совпадении оси кривошипа с осями цилиндров двигателя. Разница значений этих углов будет равна разнице углов между осями соответствующих цилиндров.

В качестве объекта исследований был рассмотрен двигатель размерностью 10/12, мощность которого при частоте вращения коленчатого вала 3400 мин-1 равна 588 кВт. Смещение осей цилиндров (дезаксаж) равно 15,5 мм, угол развала цилиндров между соответствующими головками блоков равен 72 градусам, а угол развала между цилиндрами одного ряда составляет 21 градус. Некоторые результаты выполненных авторами работ представлены в журнале «Двигателестрое-ние» [28, 29].

Результаты расчетных исследований 12-цилиндрового W-образного виртуального двигателя позволяют оценить технические особенности виртуального двигателя, такие как взаимное расположение и характер последовательного движения поршней в главных и боковых цилиндрах в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Можно отметить, что каждый поршень приходит в ВМТ своего цилиндра в строгой последовательности: первый главный при «0 град. ПКВ»; второй главный при «21 град. ПКВ»; первый боковой при «72 град. ПКВ» (21 + 51); второй боковой при «93 град. ПКВ» (72 +21). Это соответствует особенностям ориентации осей цилиндров, то есть их расположению в строгом соответствии со значениями углов ПКВ и кинематической схемы, представленной на рис. 2б.

Как представлено на рис. 3, продолжительность такта «Рабочий ход» в секции происходит в течение 273 град. ПКВ в период с 360 до 633 градусов, в то время как у классического двигателя продолжительность такта «Рабочий ход» составляет 180 град. ПКВ от 360 до 540 градусов. Следовательно, воздействия газовых сил на детали КШМ в секции относительно классической схемы работы двигателя, продолжительнее на 93 град. ПКВ.

При этом следует учитывать, что тепловое воздействие распределено на четыре цилиндра, а силовое распределяется на два шатунных подшипника скольжения в виде силы «Т» (см. рис. 2б), где сила «T» характеризует силу, определяющую изменение вращающегося момента. Значение силы складывается из воздействия сил, возникающих в каждом из четырех цилиндров секции.

Варианты организации работы W-образного двигателя

Анализ кинематики и динамики предложенного W-образного механизма позволяет утверждать о возможности управления тактами работы двигателя. Это может быть исполнено следующим образом: при движении поршней от ВМТ в двух цилиндрах секции можно организовать такт «Впуск», а в двух других – такт «Впуск» или такт «Рабочий ход» организацией подачи топлива в цилиндры, а при движении поршней от НМТ в двух цилиндрах можно организовать такт «Сжатие», а в двух других – такт «Сжатие» или такт «Выпуск». Кроме этого, следует учесть, что невозможно организовать в двух цилиндрах секции такт «Впуск» или «Рабочий ход», а в двух других цилиндрах – такт «Сжатие» или «Выпуск», так как в этом случае два поршня должны двигаться от ВМТ, а два поршня – к ВМТ, что конструктивно невозможно, как это показано на рис. 4.

Как видно из графиков, после отметки 453 градуса ПКВ все поршни секции перемещаются от ВМТ к НМТ, соответственно, последовательно в каждом цилиндре можно организовать такт «Впуск» или «Рабочий ход».

Таким образом, организация конкретного такта в каждом цилиндре секции позволит изменять порядок воздействия на сопрягаемые детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунного механизма (КШМ) за счет изменения тактов в цилиндрах двигателя. Организация работы двигателя по различным вариантам представлена на рис. 5, 6, 7.

Рис. 4. Графики расположений поршней секции в ВМТ

Для оценки работы тепловой и силовой нагруженности секции W-образного двигателя по вариантам (а, б, в) организации рабочего цикла необходимо учитывать следующие принципиальные конструктивные особенности:

• 1.    Детали ЦПГ первого и второго главных цилиндров относятся к левой стороне блока цилиндров, а детали ЦПГ первого и второго боковых цилиндров относятся к правой стороне блока цилиндров.

• 2.    Детали ЦПГ первого и второго главных цилиндров аналогично деталям ЦПГ первого и второго боковых цилиндров конструктивно располагаются близко друг к другу.

• 3.    Первый и второй шатунные подшипники конструктивно располагаются на одной шатунной шейке.

• 4.    Детали ЦПГ первого главного и первого бокового цилиндров конструктивно связаны с первым шатунным подшипником.

Детали ЦПГ второго главного и второго бокового блоков цилиндров конструктивно связаны со вторым шатунным подшипником.

Анализ тепловой и силовой нагруженности деталей двигателя

Организация работы двигателя по варианту «а»

При организации работы двигателя по варианту «а» можно отметить следующий отрицательный фактор: такт «Впуск» начинается во втором главном, в первом и втором боковых ци- линдрах, с периодичностью в 21, 72 и 93 градуса ПКВ от начала такта «Впуск» в первом главном цилиндре. Тогда взаимное влияние процессов сгорания в первом и втором главных цилиндрах аналогично взаимному влиянию в первом и втором боковых цилиндрах на детали ЦПГ и будет максимальным, так как эти цилиндры конструктивно располагаются близко и в одном ряду.

К положительным факторам можно отнести то, что силовое влияние воздействия на детали КШМ, в частности на шатунную шейку коленчатого вала, складывающееся из суммарного воздействия газовых и инерционных сил, действующих в первых главном и боковом цилиндрах, с соответствующим смещением по углу ПКВ газовых и инерционных сил, действующих во вторых главном и боковом цилиндрах, воздействует на разные шатунные подшипники, разнесенные как по длине шатунной шейки, так и по координатному углу, что позволяет реализовать большую мощность двигателя и больший крутящий момент, так как на такте «Рабочий ход» действующие газовые силы складываются в определенной последовательности, что позволяет пролонгировать действие газовых сил на шатунную шейку на 92 градуса ПКВ, как это показано на рис. 5.

К следующему положительному фактору можно отнести то, что силовое воздействие на шатунные подшипники скольжения разнесено как по координатному углу оси шатунной шейки, так и по разным подшипникам скольжения, которые расположены на одной шатунной шейке. ПерВый глобный цилиндр

Начало и конец подачи и сгорания топлиВа

Рабочий ход

Открытие и закрытие опускных клапанов 1-го главного цилиндра

Выпуск град. ПКВ720

с

d

Открытие и закрытие Выпускных клапшоВ 1-го главного цилиндра

Второй глоВный цилиндр

Первый бокобой цилиндр

Рис. 5. Схема работы одной секции W-образного двигателя с прицепными шатунами (вариант «а»), где: α, β, c, d – моменты открытия и закрытия клапанов, которые определяются временем изодрома электромагнитного клапана и гидравлической системы, φ, κ, μ – начало тактов в цилиндрах секции двигателя

Организация работы двигателя по варианту «б»

При организации работы двигателя по варианту «б» можно отметить следующие отрицательные факторы:

– локальная суммарная мощность и момент будут меньше вследствие разделения такта «Рабочий ход» в цилиндрах как по углу ПКВ, так и по координатному углу, составляющему 72 градуса ПКВ;

– нагрузка на каждый шатунный подшипник возрастет, так как суммарное силовое воздейст- вие от процессов, происходящих в первых главном и боковом цилиндрах, а также во вторых главном и боковом цилиндрах, будет суммироваться.

К положительным факторам можно отнести то, что когда такт «Впуск» начинается в первых главном и боковом цилиндрах, а во вторых главном и боковом цилиндрах начинается такт «Ра- бочий ход», тогда взаимное влияние тепловых процессов, происходящих в цилиндрах, где реализуется такт «Рабочий ход», будет минимальным, так как они расположены в разных блоках.

Силовое влияние от процессов, происходящих в цилиндрах, на тактах «Рабочий ход» будет меньше вследствие их смещения на 72 градуса ПКВ по координатному углу. Первый г лобный цилиндр

Сжатие

Начало и конец подачи и сгорания топлиба

Открытие и закрытие опускных клапанай 1-го глайнага цилиндра

Рабочий ход

Выпуск

Открытие и закрыто выпускных клапанай 1-га глайного цилиндра

Второй главный цилиндр

Рис. 6. Схема работы одной секции W-образного двигателя с прицепными шатунами (вариант «б»)

Организация работы двигателя по варианту «в»

При организации работы двигателя по варианту «в» можно отметить такие отрицательные факторы, как:

• –    суммарная мощность и момент будут больше, чем при организации работы двигателя по варианту «б» вследствие разделения такта «Рабочий ход» в цилиндрах как по углу ПКВ, так и по координатному углу, составляющему 21 градус ПКВ;

• –    взаимное влияние тепловой нагрузки на первый и второй главные цилиндры для деталей ЦПГ возрастет, так как цилиндры конструктивно расположены рядом, в одном блоке.

К положительным факторам можно отнести то, что нагрузка на каждый шатунный подшипник снизится, так как суммарное силовое воздействие от процессов, происходящих в главных, а также в боковых первом и втором цилиндрах, будет осуществляться для разных шатунных подшипников и будет растянута по длине шатунной шейки.

Рис. 7. Схема работы секции W-образного двигателя с прицепными шатунами (вариант «в»)

Результаты расчетного анализа

Сравнительные результаты логического анализ организации работы секции двигателя целесообразно оценить на анализе характера изменения суммарной силы «Т» (характеризующей вращательный момент) в зависимости от вариантов организации работы двигателя.

Как видно из анализа характера изменения силы «Т» (рис. 8), при использовании различных вариантов организации работы двигателя, можно отметить следующее:

• –    при использовании варианта «а» продолжительность и амплитуда действия силы «Т» на участке хода поршней от 360 до 600 град. ПКВ выше, чем при использовании вариантов «б» и «в»;

Рис. 8. Характер изменения силы «Т» при организации работы двигателя по вариантам «а», «б», «в»

• –    при использовании варианта «б» можно отметить снижение амплитуды и продолжительность действия силы «Т» на участке хода поршней от 420 до 600 град. ПКВ, а также возникновение двух пиков на участке хода поршней от 0 до 240 град. ПКВ;

• –    при использовании варианта «в» можно отметить снижение амплитуды и продолжительность действия силы «Т» на участке хода поршней от 360 до 600 град. ПКВ, а также возникновение двух пиков на участке хода поршней от 30 до 240 град. ПКВ.

Выводы

• 1.    Графический анализ кинематических схем показал преимущество W-образной кинематической схемы двигателя как по массогабаритным показателям, так и по амплитуде крутильных колебаний, так как длина коленчатого вала W-образного двигателя существенно меньше.

• 2.    Графический анализ хода поршней секции показал, что организация тактов работы двигателя может быть осуществлена в каждом цилиндре только как «впуск и рабочий ход» или как «сжатие и выпуск», так как на основной части хода поршней в секции они перемещаются или от ВМТ или к ВТМ.

• 3.    Развертки круговых диаграмм работы секции наглядно позволяют оценить напряженность деталей ЦПГ и КШМ с учетом развала цилиндров, их расположения в каждом ряду, а также с учетом такта работы двигателя в каждом цилиндре.

• 4.    Предварительный анализ характера изменения силы «Т» при организации работы двигателя по вариантам показал, что положительная направленность действия силы «Т» составляет для варианта « а» – 58 %, « б» – 60 % и « в» – 66 % рабочего цикла двигателя.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание на выполнение фундаментальных научных исследований № FENU-2023-0013 (2023013ГЗ)).