Модернизация серийных автомобильных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.452

МОДЕРНИЗАЦИЯ СЕРИЙНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

© 2011 Е. И. Алексенцев1, В. В. Бирюк1, А. А. Неклюдов2, А. А. Денисов2

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

(национальный исследовательский университет)

2ОАО «КУЗНЕЦОВ», г. Самара

Модернизация серийных двигателей ОАО «АвтоВАЗ» для повышения эффективности работы за счет разработки ряда прогрессивных технических средств, реализация которых позволит повысить технические характеристики.

Двигатели, эффективность, модернизация, конструкция.

Отечественные поршневые двигатели, 41,25 кВт/л при п=5600 об/мин и удельный

эксплуатируемые в различных отраслях хо- расход топлива - 255 г/кВтч. зяйства, имеют ряд недостатков. Это, в первую очередь, низкие показатели КПД - термического 0,35-0,38 и механического <85%, что уже требует модернизации.

Кроме того, необходимость модернизации серийных двигателей обуславливается также отсутствием конструктивных возможностей автоматического регулирования их мощности при изменении нагрузок.

За последние годы достигнуты определенные успехи в совершенствовании конструкции двигателей: повышена удельная

мощность и сокращен расход топлива.

Так, на ОАО «АвтоВАЗ» создан двигатель марки ВАЗ-21116 (рис. 1-3) для нового автомобиля «Лада-Гранта» (рис. 4), имеющий удовлетворительные основные техниче- Рис 1 Двигатель ВАЗ 21116 _ вид спереди

ские характеристики: удельная мощность -

Вид сзади Вид сграЕа О

Вид спереди

а б

Рис. 2. Двигатель ВАЗ - 21116: вид сзади (а) и вид справа (б)

Продольный разрез 54 12 шт./ 37 (2шт.} 33 !2шт] 3512шт.)

Поперечный разрез

76(3 шт.)

55

а б

Рис.З. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы двигателя ВАЗ - 21116

Рис. 4. Автомобиль «ЛАДА - Гранта»

Однако он не может удовлетворить всех требований к эксплуатации двигателей, в том числе по мобильности их работы.

Предпосылки модернизации серийных двигателей:

1) адаптация режимов работы двигателя при изменении нагрузок;

2) мобильное управление газораспределением при изменении режима работы двигателя;

3) адаптивная реакция на подачу топлива в зависимости от изменения нагрузок на

двигатель в заданном диапазоне времени;

4) максимально возможное поддержание минимальных разбросов параметров двигателя;

5) регенерация тепла выхлопных газов и увеличение общей мощности двигателя;

6) сокращение потребления топлива на единицу мощности;

7) снижение объёма выбросов вредных веществ в атмосферу.

Исходя из требований по эксплуатации двигателей, специалисты СГАУ, ОАО «Куз-

нецов» и других предприятии в содружестве со специалистами ОАО «АвтоВАЗ» осуществили поиск и разработку новых технических решений по совершенствованию конструкции и оптимизации их работы. Перечень основных направлений модернизации двигателей:

1) совершенствование конструкции газораспределительного механизма;

2) оптимизация конструкции механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное коленчатого вала;

3) обеспечение мобильности работы вспомогательных узлов двигателей;

4) разработка более прогрессивных технических устройств по обеспечению мобильности и надёжности работы двигателей;

5) разработка принципиально новых устройств для повышения удельных технических характеристик двигателей.

По совместному решению СГАУ и ОАО «АвтоВАЗ» из разработанных технических предложений первоочередными определили следующие:

- одноклапанную систему газораспределения;

- устройство изменения фаз газораспределения;

- устройство регулирования объёма камеры сгорания (изменения степени сжатия).

Эти темы презентовались СГАУ в Минобрнауки с участием представителей ОАО «АвтоВАЗ» и государственной корпорации «Ростехнологии». В итоге рассмотрения темы были рекомендованы для внедрения на ОАО «АвтоВАЗ».

Рассмотрим основные особенности конструктивных схем трёх предложений.

На рис. 5 показана одноклапанная система газораспределения с целью более мобильного реагирования подачи топливовоздушной смеси на изменение нагрузок на двигатель.

Одним из направлений, обеспечивающих повышение удельной мощности поршневого ДВС легкового автомобиля, является переход на 4- клапанную схему газораспределения (два впускных и два выпускных) 4-клапанная схема имеет большую удельную площадь впуска по сравнению с 2- клапанной схемой.

Рис. 5. Одноклапанная система газораспределения 201

Однако многоклапанные схемы всегда имеет диаметр тарелки, равный 37 мм, что

будут иметь паразитные пространства и не составляет 20% от площади поршня. В одно-

могут полностью использовать надпоршне- клапанной схеме можно расположить клапан

вое пространство для размещения впускных с диаметром тарелки равным 58 мм, с пло-

клапанов. Естественно, напрашивается щадью, равной 50% от площади поршня. Та-

мысль о том, а нельзя ли обойтись одним ким образом, увеличилась площадь впуска

клапаном, расположенным соосно от цилин- ~ в 2,5 раза. На рис. 6 показана конструктив-

дра, и через него осуществлять и впуск и вы- ная схема устройства регулирования объёма

пуск, путем поочередного подсоединения камеры сгорания с целью обеспечения опти-

впускных и выпускных трактов, посредством мальных условий протекания рабочего про-

дополнительных «золотников». Например, цесса двигателя.

для двигателя «2108» выпускной клапан

Рис. 6. Конструктивная схема устройства регулирования объёма камеры сгорания

На разных режимах работы двигателя продолжительность времени фазы впуска, количество топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры, действительная степень сжатия различны, что негативно сказывается на удельном расходе топлива. Для оптимальной работы двигателя на всех режимах необходимо иметь камеру сгорания различного объема, регулируемую в соответствии с поступающим зарядом топливовоздушной смеси.

Один вариант двигателя с камерой сгорания изменяемого объема показан на рис. 6. Для привода поршня дополнительной камеры сгорания может быть применен реечный механизм или эксцентриковый вал. На рисунке показаны крайние положения: с мак-

симальным (45,5 см3) и минимальным (28 см3) объёмами камеры сгорания.

На рис. 7 показана конструктивная схема устройства регулирования фаз газораспределения с целью обеспечения устойчивой работы двигателя во всём диапазоне режимов эксплуатации.

Для оптимальной работы двигателя на различных режимах (оборотах) фазы впуска (выпуска) должны быть различны. Например, для работы двигателя по циклу Аткинсона - степень расширения должна быть больше степени сжатия, поэтому необходимо клапан впуска оставлять открытым для выталкивания части заряда во впускной воздухопровод.

Рис. 7. Конструктивная схема устройства регулирования фаз газораспределения

На рис. 7 показан вариант двигателя с двойным кулачком впуска. Изменение взаимного положения кулачков (основного и дополнительного) производится, например, электроприводом (соленоид) 27 или гидравлическим приводом.

Реализация приведённых технических разработок на двигателе марки ВАЗ-21116

позволит повысить мощность с 59,9 до 79 кВт и уменьшить удельный расход топлива с 255 до 205 г/кВт-ч.

На рис. 8 показана конструктивная схема компоновки двигателя марки ВАЗ-21116 с тремя вышеприведёнными устройствами.

Рис. 8. Конструктивная схема двигателя с одноклапанной системой газораспределения, с регулируемым- объёмом- КС и регулируемыми фазами газораспределения

Дополнительно к первоочередным разработкам авторами были предложены другие

технические решения по совершенствованию конструкции серийных двигателей, в том числе:

- золотниковый механизм газораспределения вместо клапанного;

- бесшатунный механизм преобразования

возвратно-поступательного движения во вращательное вместо кривошипно-

шатунного;

- система регенерации тепла выхлопных газов;

- система дополнительного расширения выхлопных газов.

Суммарные осредненные значения параметров разработанных технических устройств позволят повысить эффективность работы серийного двигателя на 15-18% за счет повышения удельной мощности и снижения расхода топлива.

Реализация приведённых технических устройств в двигателе показана на рис. 9. На рис. 10 изображена конструктивная схема двигателя с включением максимально возможных технических устройств.

Рис. 9. Конструктивная схема двигателя с золотниковым газораспределением, с бесшатунным механизмом преобразования движений

и цилиндром дополнительного расширения выхлопных газов

Рис.10. Конструктивная схема двигателя с включением максимально возможных технических устройств

На рис. 11 показан двигатель, в котором реализованы бесшатунный преобразователь движения поршня, поршневой наддув

воздуха и оппозитное расположение цилиндров.

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики двигателей.

Рис. 11. Опытно-экспериментальный образец двигателя с бесшатунным преобразователем движения поршня, поршневым наддувом воздуха и оппозитным расположением цилиндров

Таблица 1. Сравнительные характеристики двигателей

Модель двигателя ВАЗ-21116 Проектируемый Volkswagen

Объём двигателя, л 1,6 1,6 1,6

Максимальные обороты, 1/мин 5600 5600 5600

Мощность, кВт 66 79 63

Удельная мощность, кВт/л 41,25 49,3 39,3

Удельный расход топлива, г/кВт*ч 255 205 260

Ресурс, ч. 3000 3200 3000

Масса, кг 92,5 90 93

Габариты АхБхВ, мм 420x370x620 420x370x640 430x360x630

Шум, дБа 95 90 90

Приемистость, с. 3 3 3

Стоимость, тыс.руб. 39,1 38 80

Все технические предложения прошли принципиальную конструктивную проработку, содержат новизну и обладают патентоспособностью.

В случае использования всех разработанных авторами технических устройств по совершенствованию конструкции двигателей будет создана база более совершенной

структуры их конфигурации, что дает возможность поднять их эффективность до 40%.

В итоге представляется возможность создать адаптивный поршневой двигатель внутреннего сгорания с системой оптимального управления тепловым процессом в камерах сгорания, что будет минимизировать расход топлива и загрязнение окружающей среды на каждом из режимов.

MODERNIZATION OF SERIAL AUTOMOBILE ENGINES

© 2011 E. I. Aleksencev1, V. V. Birjuk1, А. А. Nekljudov2, А. А. Denisov2

1Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov

(National Research University)

2Open Society "KUZNETSOV"

Modernization of serial engines of Open Society "Autovases" for increase of overall performance at the expense of working out of some the progressive means which realization will allow to raise technical characteristics.

Еngines, modernization, technical characteristics, expense of working.

Информация об авторах

Алексенцев Евгений Иванович, кандидат технических наук, главный научный сотрудник, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Тел.: (846) 227-35-15. Область научных интересов: поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Бирюк Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Тел.: (846) 267-45-66. Область научных интересов: тепломассообмен, энергоресурсосбережение.

Неклюдов Александр Афанасьевич, начальник отдела ОАО «КУЗНЕЦОВ». Область научных интересов: поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Денисов Александр Антонович, кандидат технических наук, начальник отдела ОАО «КУЗНЕЦОВ». Область научных интересов: поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Aleksentsev Evgenie Ivanovich, Candidate of Technical Sciences, the main research assistant, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Phone: (846) 227-35-15. Area of research: piston Engine.

Biryuk Vladimir Vasilevich, Doctor of Technical Sciences, professor, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Phone: (846) 267-45-66. Area of research: piston Engine.

Nekljudov Alexander Afanasevich, chief of department of Open Society "KUZNETSOV". Area of research: piston Engine.

Denisov Alexander Antonovich, Candidate of Technical Sciences, the chief of department of Open Society "KUZNETSOV". Area of research: piston Engine.