МОДЕЛИРОВАНИЕ  ДИНАМИКИ  КЛАПАННОГО  МЕХАНИЗМА  В  ЦИЛИНДРЕ  ДВИГАТЕЛЯ  ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ

Васильев  Александр  Викторович

д-р.  техн.  наук,  зав.  кафедрой  «Автотракторные  двигатели»  Волгоградского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Волгоград

E -mail:  vasilyev@vstu.ru

Бахрачева  Юлия  Сагидулловна

канд.  техн.  наук  доцент  кафедры  физика  и  химия  Московского  государственного  университета  путей  сообщения  (МИИТ),  Волгоградский  филиал,  РФ,  г.  Волгоград

E-mail: 

MODELING  THE  DYNAMICS  OF  THE  VALVE  MECHANISM  IN  THE  CYLINDER  OF  AN  INTERNAL  COMBUSTION  ENGINE

Vasiliev  Alexander

doctor  of  technical  Sciences,  Professor,  head  of  the  Department  of  Automotive  engines"  Volgograd  state  technical  University,  Russia,  Volgograd

Bakhracheva  Julia

candidate  of  technical  Sciences,  associate  Professor  of  physics  and  chemistry  of  the  Moscow  state  University  of  railway  engineering  (MIIT),  the  Volgograd  branch,  Russia,  Volgograd

АННОТАЦИЯ

В  статье  представлена  методика  математического  моделирования  динамики  механизма  газораспределения.  Приведены  некоторые  результаты  её  использования  для  расчета  динамической  нагруженности  клапанного  механизма  двигателя. 

ABSTRACT

The  article  presents  the  methodology  of  mathematical  modeling  of  the  dynamics  of  the  valve  gear.  The  results  of  its  use  for  the  calculation  of  dynamic  loads  of  the  valve  mechanism  of  the  engine.

Ключевые  слова:   двигатель  внутреннего  сгорания;  механизм  газораспределения;  математическая  модель.

Keywords:   internal  combustion  engine;  the  valve  gear;  mathematical  model.

В  современном  двигателе  внутреннего  сгорания  (ДВС)  одним  из  наиболее  нагруженных  узлов  является  механизм  газораспределения  (МГР).  Наряду  с  инерционными  нагрузками  и  силами,  действующими  со  стороны  клапанных  пружин,  газораспределительный  механизм  воспринимает  воздействие  от  силы  давления  газов  при  открытии  выпускного  клапана. 

Точный  закон  изменения  силы  давления  газов  неизвестен,  поэтому  в  ранее  проведенных  исследованиях  для  представления  рассматриваемой  силы  предлагались  различные  функции:  кубическая  парабола,  линейная  зависимость  от  подъема  клапана,  либо  угла  поворота  кулачкового  вала  [6].  Этот  закон  можно  подобрать  для  любого  режима  работы  двигателя,  однако  при  переходе  на  другой  режим  его  приходится  определять  заново.

В  приведенной  ниже  методике  сила  от  давления  газов  в  цилиндре  двигателя  определяется  расчетным  путем  на  основе  математического  моделирования  рабочих  процессов  в  поршневых  и  комбинированных  ДВС  [1—3].  Выполненные  расчеты  показывают,  что  такой  подход  позволяет  более  точно  оценить  нагруженность  клапанного  привода  на  различных  режимах  работы  двигателя  без  использования  каких-либо  упрощенных  описаний  изменения  газовой  силы  при  движении  выпускного  клапана.

Для  решения  поставленной  задачи  используется  математическая  модель  динамики  МГР.  Представленная  ниже  обобщенная  математическая  модель  может  быть  использована  для  любого  типа  клапанного  механизма  и  учитывает  ряд  характерных  особенностей  МГР:  начальные  усилия  и  зазоры  в  связях,  рассеяние  энергии  при  колебаниях,  наличие  односторонних  связей  и  возможность  разрыва  кинематической  цепи,  ударные  взаимодействия  деталей  при  восстановлении  контактов  в  звеньях,  гидродинамические  явления  при  вытеснении  смазки  из  зазоров.

Дифференциальные  уравнения  движения  системы,  состоящей  из  N  сосредоточенных  масс,  моделирующих  колебания  деталей  МГР,  имеют  вид

    (1)

где:    —  величина  i-й  массы; 

  —  её  ускорение; 

  —  внешняя  сила,  действующая  на  i-ю  массу  (например,  сила  от  давления  газов  в  цилиндре); 

  —  сила  внешнего  трения; 

n_i N  —  количество  связей  i-й  массы  с  другими  или  с  неподвижной  заделкой;

  и    —  силы  соответственно  от  упругой  деформации  и  внутреннего  трения  в  n-й  связи,  действующие  на  i-ю  массу.

Приведенная  модель  не  накладывает  ограничений  ни  на  структуру  расчетной  схемы,  ни  на  количество  элементов,  моделирующих  составные  части  газовоздушного  тракта  ДВС,  в  которых  течение  рассматривается  как  квазистационарное.  Для  расчета  газообмена  с  помощью  отдельных  входных  файлов  вводятся  теоретические  законы  движения  клапанов,  которые  формируются  в  результате  профилирования  кулачков.  Задаются  также  все  необходимые  размеры  для  расчета  проходных  сечений.  В  процессе  расчета  фазы  газораспределения  и  законы  движения  клапанов  пересчитываются  для  заданных  значений  тепловых  зазоров,  что  позволяет  исследовать  влияние  последних  на  индикаторные  и  эффективные  показатели  двигателя.  Возможен  также  учет  наличия  нескольких  одноименных  клапанов,  а  также  колебательных  процессов  в  МГР.  В  последнем  случае  расчет  ведется  с  учетом  действительного  движения  клапанов.

Рассмотрим  некоторые  результаты,  полученные  на  основе  математического  моделирования  динамики  МГР  двигателя  8ЧВН15/16. 

Для  оценки  адекватности  математической  модели  следует  сравнить  результаты  расчета  с  полученными  экспериментальными  данными.  Эксперимент  проводился  на  нескольких  режимах  при  различных  нагрузках  (Р_Т)  и  тепловых  зазорах  (D_Т)  в  МГР  на  номинальных  оборотах  n=1700  об/мин. 

Рисунок  1.  Сила  в  коромысле  привода  выпускного  клапана  двигателя  8ЧВН15/16  в  зависимости  от  угла  поворота  кулачка  при  n=1700  об/мин  и  нагрузке  Р_Т=1200  Н*м.  а)  (расчет);  б)  (эксперимент)

На  рис.  1,  а  в  качестве  примера  приведены  результаты  сравнительных  расчетов  силы,  действующей  со  стороны  коромысла  на  клапан,  полученные  на  основе  адекватной  динамической  модели  с  учетом  силы  от  давления  газов  в  цилиндре  двигателя  для  одного  из  режимов  работы  двигателя.  Соответствующая  экспериментальная  зависимость  приведена  на  рис.  1,  б.  Характер  изменения  силы  по  углу  поворота  кулачка  достаточно  хорошо  согласуется  с  экспериментальными  данными. 

Таким  образом,  анализ  полученных  результатов  позволяет  сделать  вывод  о  том,  что  разработанный  метод  расчета  силы  от  давления  газов  повышает  адекватность  математической  модели  динамики  и  дает  возможность  более  точно  оценить  нагруженность  основных  деталей  МГР  на  любых  режимах  работы  двигателя.

Список  литературы:

1.Васильев  А.В.,  Бахрачева  Ю.С.,  Каборе  У.  Профилирование  высокоэффективных  кулачков  газораспределения  двигателей  внутреннего  сгорания  //  Вестник  Волгоградского  государственного  университета.  Серия  10:  Инновационная  деятельность.  —  2013.  —  №  2  —  С.  96—102.

2.Васильев  А.В.,  Григорьев  Е.А.,  Дивинский  Е.А.  Повышение  эффективности  дизеля  совершенствованием  газораспределения//Тракторы  и  сельхозмашины.  —  2000.  —  №  6.  —  С.  20—22.

3.Гребенников  А.С.  Способ  диагностирования  неравномерности  работы  цилиндров  поршневого  ДВС  //  Двигателестроение.  —  1983.  —  №  10.  —  С.  27—29.

4.Григорьев  Е.А.,  Васильев  А.В.  Математическое  моделирование  динамики  механизма  газораспределения  ДВС//  Двигателестроение.  —  1991.  —  №  12.  —  с.  7—9.

5.Дьяконов  М.Ю.,  Зайцев  В.В.,  Бахрачева  Ю.С.  Оптимизация  режимов  работы  тепловозных  дизель-генераторов  //  Современные  проблемы  транспортного  комплекса  России.  —  2013.  —  №  4  (4).  —  С.  193—196.

6.Корчемный  Л.В.  Механизм  газораспределения  автомобильного  двигателя:  Кинематика  и  динамика.  2-е  изд.,  перераб.  и  доп.  М.:  Машиностроение,  1981.

7.Синтез  характеристик  газораспределения  поршневого  двигателя:  монография/  А.В.  Васильев;  ВолгГТУ.  Волгоград,  2006.  —  344  с.

8.Vasilyev  A.V.,  Bakchracheva  J.S.,  Kabore  О.,  Zelenskij  Ju.O.  Valve  cam  design  using  numerical  step-by-step  method  //Вестник  Волгоградского  государственного  университета.  Серия  10:  Инновационная  деятельность.  —  2014.  —  №  1  (10)  —  С.  26—32.