Способ обеспечения равенства хода поршней дезаксиальным расположением осей цилиндров

В ранее опубликованных работах решение проблемы равенства хода поршней заключалось в расположении элементов конструкции таким образом, чтобы обеспечить равенство углов между продольными осями главного шатуна и его прицепа с углом развала цилиндров [1].

В представленной работе выполнен анализ возможности решения вышеуказанной проблемы за счет определения численного значения дезаксажа осей цилиндров с определением соответствующего ему численного значения угла между продольными осями главного шатуна и его прицепа.

Наряду с этим при реализации равенства хода поршней проблема минимизации негативного влияния дополнительного изгибающего момента (ДИМ) на детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) может быть решена за счет минимизации угла между продольной осью прицепного шатуна и осью бокового цилиндра. В качестве критерия оценки такого угла авторы используют соответствующие геометрические параметры КШМ двигателей типа В-2, находящихся в экс- плуатации, и, следовательно, у этих двигателей негативное влияние ДИМ на детали КШМ было минимальным. При этом ход поршней в главном и боковом цилиндрах у этих двигателей был различный.

Конструкторы и разработчики фирмы Volkswagen при проектировании двигателей типа VR и W [2] применили дезаксаж осей цилиндров в качестве основного технического решения. Это дало возможность обеспечить достаточно свободное пространство для поршней в тот момент, когда они находятся в положении нижней мертвой точки (НМТ). Такое техническое решение является легко реализуемым. Однако эти специалисты не занимались вопросами равенства хода поршней.

В этой связи целесообразно рассмотреть некоторые особенности дезаксиального расположения осей цилиндров и угла между продольными осями главного шатуна и его прицепа в КШМ V-образного двигателя с прицепными шатунами.

При этом следует отметить, что результаты графического анализа положений деталей КШМ и элементов двигателя, представленные в статье, рассматриваются вблизи и через пять градусов после нахождения поршня бокового цилиндра в верхней мертвой точке (ВМТ) как момент, при котором расположение деталей КШМ и двигателя соответствует условию возникновения ДИМ. Это позволяет оценить период его негативного воздействия по относительному положению продольной оси прицепного шатуна и оси бокового цилиндра, а также уровня силового воздействия на детали двигателя.

Как отмечено в работе [3], некоторые аспекты дезаксиальных схем расположения цилиндров могут представлять практический интерес, например:

• –    разница давлений на стенки цилиндра уменьшается, что способствует более равномерному износу сопрягаемых поверхностей;

• –    во время такта «рабочий ход» давление на стенку цилиндра уменьшается, а во время такта «сжатие» увеличивается, что в целом снижает уровень механических потерь.

Также следует учесть особенность конструкции дезаксиального расположения осей цилиндров и их влияние на работу КШМ. Как отмечено в работах [4, 5], разнонаправленность дезаксажа в главном и боковом цилиндрах необходимо учитывать при организации процесса сгорания, например:

• –    скорость поршня в боковом цилиндре около ВМТ снижается, это способствует улучшению процесса сгорания топлива в цилиндре как процесса, происходящего при постоянном объеме. При этом снижение скорости поршня около ВМТ и процесс сгорания топлива в боковом цилиндре способствуют снижению скорости нарастания давления в нем;

• –    увеличение скорости поршня около ВМТ способствует увеличению процесса сгорания топлива в главном цилиндре и скорости нарастания давления.

Организация равного хода поршней при одинаковых значениях угла развала цилиндров и угла между продольными осями главного шатуна и его прицепа

Разработки, связанные с организацией равенства хода поршней, проводились еще в сороковых – шестидесятых годах прошлого столетия (И.Ш. Нейман [6], К.Г. Попык [3]). Авторы более поздних работ – П.Р. Вальехо Мальдонадо, Н.Д. Чайнов [7], А.Н. Гоц [8], В.Г. Камалдинов и И.О. Лысов [9] – подтверждают актуальность решения указанной задачи. Однако окончательного решения пока добиться не удалось.

Определенный практический интерес вызывают работы фирмы Volrswagen [2], направленные на решение проблемы по увеличению пространства в картере двигателя при положении поршней в НМТ, а также дезаксиальное расположение осей цилиндров при создании семейства двигателей типа VR и W, что позволило авторам работы [2] сделать двигатели этого семейства достаточно компактными.

Как было отмечено выше, основной причиной выхода из строя и поломки V-образного двигателя с прицепными шатунами является дополнительный изгибающий момент от действия силы давления газа в момент, возникающий при сгорании топлива в боковом цилиндре, когда ось прицепного шатуна не пересекла ось бокового цилиндра и сила, действующая по оси прицепного шатуна, создает момент относительно оси шатунной шейки. Аналитическое определение геометрических параметров деталей КШМ связано с некоторыми допущениями. В этом случае более просто и наглядно получение параметров КШМ с использованием программы «Компас – график» [10].

В табл. 1 представлен сравнительный анализ влияния углов развала цилиндров на изменение длины прицепного шатуна. Также показано влияние углов между продольными осями главного шатуна и его прицепа. Особо необходимо обращать внимание на знак угла между продольной осью прицепного шатуна с осью бокового цилиндра для двигателей типа В-2. Отрицательное значение знака угла характеризует собой условия возникновения ДИМ.

Очевидно, что использование подобного графического способа обеспечило быстрое решение практических задач по оценке и реализации равенства хода поршней и оказалось достаточно удобным и наглядным инструментом. Быстрое получение конкретных значений линейных и угловых размеров деталей КШМ позволяет выполнять анализ их взаимного расположения относительно внутреннего объема картера и сопрягаемых поверхностей двигателя.

Таблица 1 Результаты графического анализа для обеспечения равенства угла между продольными осями главного шатуна и его прицепа и угла развала цилиндров

Table 1 Results of graphical analysis to ensure equality of the angle between the longitudinal axes of the main and trailing connecting rods with the angle of the cylinder camber

№ варианта КШМ	Угол между продольными осями главного шатуна и его прицепа, град.	Угол развала цилиндров, град.	Ход поршней в главном и боковом цилиндрах, мм.	Длина прицепного шатуна, мм	Угол и знак угла γ между осью бокового цилиндра и продольной осью прицепного шатуна, знак угла
1	60	60	180	227,03	-5°45 '
2	62	62	180	227,16	-5°52 '
3	63	63	180	227,24	-5°55 '
4	63,5	63,5	180	227,28	-5°56 '
5	65	65	180	227,39	-6°01 '
6	67	67	180	227,53	-6°06 '

Все варианты конструкции КШМ, приведенные в табл. 1, могут быть реализованы и будут удовлетворять условию равенства хода поршней. При этом условия для возникновения ДИМ становятся благоприятными, что негативно скажется на работе двигателя в целом.

Подтверждением служат данные на рис. 1а: угол между осью бокового цилиндра (3) и продольной осью шатуна (4) составляет 4°45 ‘ . При дальнейшем довороте кривошипа (5) на пять градусов ПКВ (что соответствует пиковым нагрузкам на детали при сгорании) этот угол снижается до 3°06 ‘ . Однако даже в этом положении, судя по схемам, сохраняются предпосылки для возникновения ДИМ.

В этом случае увеличения угла между продольными осями главного шатуна и его прицепа, а также угла между элементами главного шатуна до 67° (рис. 1б) разница хода поршней составляет 6,7 мм. При этом поворот кривошипа на 5 град. ПКВ приводит к уменьшению численных значений соответствующих углов с 2 ° 06 ' до 0 ° 47 ‘ . Это приводит к уменьшению негативного влияния ДИМ и гарантирует эффективную работу двигателя типа В-2 и его модификаций.

Двигатели с такими параметрами КШМ, выпускаемые на ООО «ЧТЗ-УРАЛТРАК», обеспечивали необходимый уровень эксплуатационных характеристик силовых механизмов. При этом величины углов между продольной осью прицепного шатуна с осью бокового цилиндра справедливо считать реперными, если выполняется условие, что поршень бокового цилиндра находится в положении ВМТ и через пять град. ПКВ. В этом случае реперные точки характеризуют условия возникновения ДИМ.

Негативное влияние разницы в ходе поршней между блоками первоначально компенсировалось корректировкой объема подаваемого топлива. Благодаря выравниванию коэффициента избытка воздуха эту проблему удалось нивелировать частично. Однако, как демонстрирует рис. 1б, полностью устранить последствия не удалось: сохранялась повышенная вибрация, а также неравномерность теплового и силового нагружения блоков двигателя.

а)

б)

Рис. 1. Схемы расположения деталей КШМ и двигателя, характеризующие условия для возникновения ДИМ

Fig. 1. Layout diagrams of the crank mechanism and engine components, characterizing the conditions for the occurrence of DIM

Альтернативный подход к обеспечению равного хода поршней предложен авторами в работе [11]. Он базируется на оценке влияния дезаксажа осей цилиндров на кинематику поршней.

Организация равного хода поршней при разных значениях угла развала цилиндров с углом между продольными осями главного шатуна и его прицепа

Не менее эффективным способом для реализации равного хода поршней с разными углами развала цилиндров и геометрическими параметрами главного шатуна и его прицепа является использование дезаксиальных схем расположения осей цилиндров.

Дезаксаж осей цилиндров в декартовой системе координат представлен осью бокового цилиндра, находящейся в четвертой и первой координатных четвертях, и осью главного цилиндра, проходящей в третьей и во второй координатных четвертях. Таким образом, положение оси бокового цилиндра в векторной форме можно представить как вектор, выходящий из точки, находящейся на вертикальной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала и расположенной от нее вниз на расстоянии 10,8 мм.

Далее этот вектор под углом 60° проходит по четвертой и первой координатным четвертям, а вектор оси главного цилиндра проходит симметрично боковому вектору относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала по третьей и второй координатным четвертям.

Описанное расположение осей цилиндров дает возможность утверждать, что смещение оси бокового цилиндра, направленное в сторону вращения коленчатого вала, а главного – в противоположную сторону, характеризует собой разнонаправленный дезаксаж осей цилиндров. Это имеет свои характерные особенности, отмеченные выше, и может быть использовано как аргумент в пользу применения двухфазной схемы подачи топлива в цилиндры, характеризующийся снижением скорости нарастания давления в боковом цилиндре в конце такта «сжатие».

В табл. 2 представлены варианты КШМ с оценкой совместного влияния дезаксажа осей главного и бокового цилиндров, а также угла между продольными осями главного шатуна и его прицепа на ход поршней в главном и боковом цилиндрах.

По мнению авторов, выделенные серым цветом параметры КШМ и двигателя целесообразно применить при реконструкции двигателя как в плане использования базовых заготовок деталей и узлов, так и с целью минимизации конструктивных изменений таких деталей как верхний картер, главный шатун, а также привод механизма газораспределения с учетом оценки расположение деталей.

Таблица 2

Table 2

Варианты параметров КШМ и деталей двигателя при обеспечении одинакового хода поршней*

Variants of crank mechanism parameters and engine parts while ensuring the same piston stroke

« ей Н И ей я ей м ^	Угол между продольными осями главного шатуна и его прицепа, град.	Расстояние от точки пересечения осей цилиндров до оси коленчатого вала, мм	Дезаксаж осей главного и бокового цилиндров, мм	Ход поршней в главном и боковом цилиндрах, мм	Длина прицепного шатуна, мм	Угол γ между осью бокового цилиндра и продольной осью прицепного шатуна, град.
1	60	0,00	0,0	180	242,09	4 ° 27 ' / 2 ° 48 '
2	62	10,80	5,4	179,86	241,88	4 ° 18 ' / 2 ° 38 '
3	63	16,20	8,1	179,69	241,78	4 ° 14 ' / 2 ° 33 '
4	63,5	18,80	9,4	179,59	241,71	4 ° 11 ' / 2 ° 30 '
5	65	26,95	13,47	179,13	241,55	4 ° 03 ' / 2 ° 22 '
6	67	37,70	18,85	178,27	241,32	3 ° 52 ' / 2 ° 10 '

* Длина главного шатуна – 315 мм, длина прицепа – 76 мм, угол развала цилиндров – 60°, угол γ представлен в двух значениях: первое – при нахождении поршня в ВМТ, второе – через 5 град. ПКВ после ВМТ, соответствующее максимальному давлению газа в цилиндре.

60’

Рис. 2. Кинематическая схема осей, геометрические параметры которых характеризуются равенством хода поршней в главном и боковом цилиндрах и минимальным влиянием ДИМ

Fig. 2. Kinematic diagram of the axes, the geometric parameters of which are characterized by the equality of the piston stroke in the main and side cylinders and the minimal influence of the DIM

Применение графических методов перебора параметров для поиска условий обеспечения равного хода поршней позволило установить следующие зависимости:

• -    каждому значению угла между осями главного шатуна и прицепа соответствует строго определенная величина дезаксажа осей цилиндров;

• -    величина дезаксажа оказывает непосредственное влияние на длину прицепного шатуна, а также на угол между осью бокового цилиндра и осью прицепного шатуна;

• -    значение угла у, зафиксированное в двух ключевых точках – в ВМТ поршня бокового цилиндра и в момент пикового давления газов при сгорании топлива, – позволяет оценить степень влияния и условия возникновения ДИМ.

На рис. 2 представлена предлагаемая схема расположения осей КШМ и двигателя с обеспечением равенства хода поршней и организации минимального влияния ДИМ на работоспособность двигателя.

Данные, сведенные в табл. 2 и проиллюстрированные на рис. 2, подтверждают: ход поршней в главном и боковом цилинд- рах одинаков – 179,86 мм. В конфигурации с дезаксажем 5,4 мм и межосевым углом шатунов 62° в момент, когда газовые силы достигают пика, угол между прицепным шатуном и осью бокового цилиндра не превышает 2°38'. Подобная кинематика сводит к минимуму воздействие ДИМ.

Графическое построение элементов КШМ и двигателя

Графическое построение кинематической схемы КШМ и элементов двигателя, представленное на рис. 2, позволяет отметить равенство хода поршней (179,86 мм) в главном и боковом цилиндрах в соответствии с параметрами КШМ, представленными по варианту 2 (см. табл. 2).

В табл. 3 представлен анализ геометрических параметров КШМ в пространстве двигателя типа В-2 с оценкой значений угла γ как угла, характеризующего условия возникновения ДИМ, а также информация о геометрических параметрах деталей двигателя. Номера 1, 2, 3 соответствуют двигателям, находящимся в эксплуатации.

Более детально следует отметить, что кинематические параметры КШМ, представленные в варианте № 1, соответствуют более ранней конструкции двигателя. Переход на уменьшение длины главного шатуна произошел при повышении литровой мощности двигателя и возникшими проблемами в надежности сопряжений поршневого пальца (с применением КШМ с вариантами 2, 3), что обеспечило работоспособность серийного двигателя и двигателя, выпускаемого на заводе в настоящее время.

Следовательно, параметры КШМ и его геометрическое расположение в пространстве картера во время работы соответствуют условиям нормальной эксплуатации (варианты КШМ 1, 2, 3) и характеризуются минимальным влиянием ДИМ на работу двигателя. Тогда значения угла γ от 2 ° 26 ' до 2 ° 47 ' при положении поршня бокового цилиндра в ВМТ можно принять как реперные и характеризующие удовлетворительные условия работы двигателя при минимальном влиянии ДИМ.

Далее следует отметить, что численное значения угла y от 2 ° 50 ' до 2 ° 38 ' для вариантов виртуальных КШМ 4, 5, 6 близки к значениям угла γ вариантов КШМ 1, 2, 3 с тем отличием, что это совпадение наблюдается с интервалом, равным 5 град. ПКВ.

Таблица 3 Оценка совместного анализа условий по обеспечению одинакового хода поршней с целью минимизации негативного влияния ДИМ

Table 3 Evaluation of the joint analysis of conditions for ensuring the same piston stroke in order to minimize the negative impact of additional bending moment

g (S S 03	Длина главного шатуна, мм	Длина прицепа и прицепного шатуна, мм	Угол между продольными осями главного шатуна и его прицепа, град.	Угол развала и дезаксаж осей цилиндров, град./ мм	Угол γ между продольной осью прицепного шатуна и осью бокового цилиндра, град.
					ВМТ	5 град. ПКВ после ВМТ	10 град. ПКВ после ВМТ
1	320	82 / 238,8	67	60 / 00	-2 ° 26 '	-0 ° 46 '	+0 ° 54 '
2	315	82 / 233,9	67	60 / 00	-2 ° 34 '	-0 ° 53 '	+0 ° 50 '
3	315	87 / 228,9	67	60 / 00	-2 ° 47 '	-1 ° 03 '	+0 ° 39 '
4	315	80 / 238,1	62	60 / 5,4	-4 ° 36 '	-2 ° 50 '	-1 ° 13 '
5	315	78 / 240,0	62	60 / 5,4	-4 ° 27 '	-2 ° 46 '	-1 ° 05 '
6	315	76 / 241,9	62	60 / 5.4	-4 ° 18 '	-2 ° 38 '	-0 ° 57 '

Очевидно, что для реализации идентичных условий работы вариантов КШМ 4, 5, 6 условиям вариантов 1, 2, 3 необходимо организовать рабочий процесс двигателя таким образом, чтобы максимальное давление газа в цилиндре при сгорании топлива достигло своих максимальных значений на пять градусов позже, чем это происходит при обычной организации рабочего процесса.

Обзор и анализ публикаций, направленных на управление рабочим процессом, достаточно полно представлен в работах [12, 13]. Оценка механической и тепловой напряженности рассмотрена в работах [14, 15]. Организация процессов сгорания топлива и управления продолжительно- сти впрыска представлена в работах [16, 17]. Важным элементом управления рабочим процессом остается оценка параметров рабочего процесса на расчетных моделях [18–20] и экспериментальная проверка на полноразмерном двигателе.

В этой связи можно предположить, что организация управления рабочим процессом, обеспечивающим смещение максимального давления газа в цилиндре на пять градусов по углу ПКВ, или эффект, выраженный в снижении скорости повышения давления в цилиндре на такте «рабочий ход» в боковом цилиндре, может явиться решением задачи по минимизации негативного влияния ДИМ при одинаковом ходе поршней в цилиндрах.

Кроме этого, естественная особенность применения дезаксажа оси бокового цилиндра, в результате которой наблюдается снижение скорости повышения давления в цилиндре и соответствующее изменение значений угла γ вариантов 4, 5, 6 по отношению к вариантам 1, 2, 3 (см. табл. 3), может оказаться эффективной альтернативой.

Суть предлагаемого технического решения заключается в комплексном подборе геометрических параметров и параметров подачи топлива для оптимизации рабочего процесса. Это достигается за счет того, что угол развала цилиндров выполняется неравным углу между осями главного шатуна и прицепа. Одновременно с этим вводится дезаксаж осей цилиндров с соответствующим углом между осями шатунов.

Такая кинематика в сочетании с двухфазной системой подачи топлива (запальная и основная порции) позволяет:

• -    снизить скорость нарастания давления в боковом цилиндре благодаря его дезаксиальному расположению;

• -    улучшить процесс сгорания за счет оптимизации момента начала подачи топлива;

• -    обеспечить равный ход поршней при сохранении удовлетворительных динамических характеристик.

По мнению авторов, целесообразно оценить актуальность задержки подачи топлива на пять градусов ПКВ при двухфазном её применении как способе организации работы топливной аппаратуры с учетом обеспечения одинакового хода поршней в главном и боковом цилиндрах и с минимизацией влияния ДИМ, а также выполнить исследования по оценке изменения давления газа в цилиндрах двигателя при организации дезаксажа осей цилиндров.

Вывод

• 1.    Обеспечение одинакового хода поршней может быть выполнено соответствующим углом между продольными осями главного шатуна и его прицепа с соответствующим значением дезак-сажа осей цилиндров.

• 2.    Особенность предлагаемой конструкции КШМ двигателя типа В-2 с обеспечением равенства хода поршней с учетом минимальных изменений в конструкции базовых деталей и их заготовок предполагает обеспечение следующих геометрических параметров элементов и деталей двигателя:

• -    длина прицепа главного шатуна 76 мм;

• -    угол между продольными осями главного шатуна и его прицепа 62°;

• -    длина прицепного 241,88 мм;

• -    дезаксаж 5,4 мм осей главного и бокового цилиндров относительно вертикальной оси двигателя изменением конструкции верхнего картера двигателя;

• -    проработать вопрос об организации двухфазной схемы подачи топлив;

• -    обеспечить равный объем подачи топлива и воздуха по блокам двигателя.

Дальнейшие исследования предусматривают:

• -    проведение экспериментальных исследований на полноразмерном двигателе типа В-2 с детальной оценкой изменения параметров давления газа в цилиндре двигателя и оценкой эффективности реализуемых технических решений;

• -    определение силового воздействия на подшипники скольжения основного и прицепного шатуна для нахождения условий обеспечения их работоспособности.