Модифицирование двухтактного двигателя РМЗ-551

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

НМТ – нижняя мертвая точка.

ДВС – двигатель внутреннего сгорания.

ВКР – выпускная квалифиционная работа.

ГБЦ – головка блока цилиндра.

НМТ – нижняя мертвая точка.

ВМТ – верхняя мертвая точка.

КД – конструкторская документация
























































Лист

1104.102278.000 ПЗ.



8

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

ВВЕДЕНИЕ

     История развития двухтактных двигателей. Двухтактные двигатели с противоположно движущимися поршнями находили применение в поршневой авиации (двигатели Юнкерса ЮМО-205). Двигатели типа Фербенкс-Морзе серии Д100 широко применялись на тепловозах ТЭ 3 и ТЭ 10. На танки Т-64, Т-80УД, Т-84 ставились двухтактные двигатели 5-ТДФ. Данные моторы также использовались и в качестве судовых двигателей.

     Бензиновыми двухтактными двигателями серийно оснащали свои машины известные автопроизводители такие как, например: DKB, Trabant, SAAB, Wartburg, Barkas - в Европе и Suzuki Jimny - в Японии.

     В настоящее время двухтактные бензиновые двигателя нашли широкое применение в авиации, сельском хозяйстве, легком транспорте, а также используются в приводах различного ручного инструмента.

В авиации,  в  основном,  применяются  двигателя  фирм  Rotax  и  Hirth,

двигатели отечественного производства РМЗ-640, РМЗ-500. Согласно статистике, двухтактные двигатели в несколько раз превосходят по суммарной мощности остальные винтомоторные установки, что требует внимательного анализа и подхода к их совершенствованию, так как даже небольшое улучшение их показателей дает существенный суммарный эффект.

Основными задачами для достижения ВКР является:

- разработка КД;

     - моделирование головки блока цилиндров при переходе от карбюраторной системы в непосредственный впрыск топлива;

     - сравнение экспериментальной головки с серийной головкой бока цилиндров двигателя РМЗ-551.













Лист

1104.102278.000 ПЗ.



9

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

1. ДВУХТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛЯ

     Двухтактный двигатель – поршневой двигатель внутреннего сгорания, рабочий процесс совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня (два рабочих такта: сжатие и расширение) в отдельно взятом цилиндре. Процесс газообмена происходит в конце такта расширения и в начале такта сжатия. Время прохождения процессов впуска и выпуска определяется поршнем, когда он при перемещении после НМТ вверх последовательно перекрывает продувочные и выпускные окна.

1.1 Преимущества двухтактных двигателей

     Двухтактные ДВС имеют ряд преимуществ по сравнению с четырехтактными, к ним относятся:

- низкая удельная масса;

     - простота, меньшие размеры, надежность за счет значительного упрощения органов газораспределения;

- меньшая стоимость;

- большая   литровая   мощность   (выше   чем   у   четырехтактных,

теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза);

     - для звездообразных моторов возможность иметь четное число цилиндров, т.е. больший рабочий объем при тех же габаритах.

     Одним из перечисленных преимуществ двухтактных двигателей является большая литровая мощность по сравнению с четырехтактными. Из таблицы 1.1 можно увидеть, что литровые мощности современных двухтактных двигателей безнаддува составляет 119,7 л.с/л. против 74 л.с/л. у четырехтактных, но низкая топливная экономичность [1].













Лист

1104.102278.000 ПЗ.



10

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

Таблица 1.1 - Характеристики современных поршневых ДВС, применяемых на сверхлегких летательных аппаратах.

     В связи с перечисленными преимуществами в настоящее время уделяется большее внимание исследованию малогабаритных двухтактных ДВС, т.к. они являются легкими, компактными двигателями.

1.2 Недостатки двухтактных двигателей

В ряду с преимуществами в двухтактных двигателях есть ряд недостатков:

     - повышенный расход топлива в период продувки и химической неполноте сгорания при работе на богатых смесях (низкая экономичность, малый КПД двигателя);

- повышенная  токсичность  отработавших  газов  (высокий  уровень

выбросов).

1.3 Направления развития двухтактных двигателей

     В настоящее время нормативные требования по токсичности отработавших газов двигателей постоянно повышаются. Производители двухтактных ДВС с искровым зажиганием задумываются о переходе на выпуск четырехтактных моторов или о модернизации двухтактных с целью улучшения их экологических или экономических характеристик.

     Now two-stroke engines with direct fuel injection are produced by "Kawasaki", "MZ", "BRP-Powertrain GmbH & Co KG" (better known as "Rotax"), "G?bler-Hirthmotoren GmbH", "Tohatsu", "Peugeot", "Piaggio", "Aprilia", "Yamaha", "Mercury" Evinrude". Analysis of the development showed that two-stroke engines with direct fuel injection can have lower emissions of harmful substances in the exhaust gases even in comparison with four-stroke ice. In the course of studies of modernization of two-stroke engines of motorcycles " Kawasaki "with the system of direct fuel injection of the company" Orbital Engine Corporation", it is proved that 88% reduced hydrocarbon content and 72% reduced CO content in exhaust gases. In partial and power modes, the





Лист

1104.102278.000 ПЗ.



11

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

fuel efficiency of the engine is increased by 30 – 40%, and in idle modes up to 70% compared to the basic version [6, 13].

     Сравнение двухтактных ДВС «Kawasaki» с внешним смесеобразованием и с системой топливоподачи «DI Fuel-Injected» проводились по индийскому циклу «Indian Drive Cycle». Применяя газоанализатор «Vetronix PXA-1100» экспериментально определено количественное содержание токсичных компонентов в отработавших газах. Результаты исследований приведены в таблице 1.2 [12].

Таблица 1.2. Исследования двухтактных ДВС «Kawasaki»



     На сегодняшний день наиболее эффективными направлениями совершенствования двухтактных двигателей являются:

     - совершенствование систем выпуска, продувки, впуска, использование газодинамических явлений;

     - совершенствование рабочего процесса с целью уменьшения химического недожога топлива и достижения работоспособности на бедных смесях при качественном регулировании мощности;

- реализация непосредственного впрыска топлива;

     - осуществление бездетонационного сгорания при повышенных степенях сжатия;

     - создание двигателей с турбонаддувом и рекуперацией теплоты отработавших газов.

2. СИСТЕМЫ ВПРЫСКА ТОПЛИВА


2.1 История развития непосредственного впрыска

     Непосредственный впрыск топливоподачи – это способ подачи жидкого топлива в камеру сгорания ДВС с внутренним смесеобразованием; поступая в камеру с высокой скоростью, топливо распыляется.






Лист

1104.102278.000 ПЗ.



12

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

     Сама идея подавать бензин напрямую в камеру сгорания немногим моложе самого двигателя, но ее реализация всегда тормозилась несовершенством технологий. Первым разработчиком систем непосредственного впрыска бензина в двигателях с искровым зажиганием (с механическим управлением) стала германская компания «Robert Bosch», до Второй мировой войны. В то время единственной областью его применения была авиация.

     В 1951 году в Германии все-таки появился первый серийный легковой автомобиль с непосредственным впрыском - его выпустила компания Goliath - Borgward. Это был двухтактный двигатель с объемом всего 688 кубиков (система впрыска - Bosch PFM 2KL50). На рисунке 2.1 представлена система впрыска Bosch PFM 2KL50.

     Массовым выпуском двигателей с непосредственным впрыском были моторы Daimler Benz 600-й серии (напомним, что с ними летали всем известные Bf 109), Jumo211, а затем и BMW-801C (FW 190A).

     Однако в то время и "отечественный производитель" не слишком отставал с внедрением новых веяний прогресса - необходимо вспомнить заслуженный двигатель М(АШ)-82ФН на истребителях Ла-5ФН, Ла-7 и их развитии.

С окончанием эры господства поршневых моторов в авиации, идея непосредственного впрыска несколько потеряла актуальность. У бывших европейских новаторов были другие проблемы, нежели поиск новых применений передовой технологии.








Рисунок 2.1 – система впрыска - Bosch PFM 2KL50














Лист

1104.102278.000 ПЗ.



13

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

2.2 Системы впрыскивания топлива в двухтактных ДВС

Фирмой «Peugeot» разработан двухтактный двигатель с рабочим объемов Vh

= 246 см3, на котором реализован рабочий процесс IAPAC, схема которого приведена на рисунке 2.2.

     The IAPAC engine has an exhaust window with a control device of the flow section 1, bypass Windows 2, a crank chamber 3, 4 back lobe valves at the inlet to the crank chamber and at the outlet from it to the receiver 6, connected to the cylinder head by a channel into which the 7 disc valve is installed, driven by the engine crankshaft. A diffuser 8 is installed in front of the valve, a low-pressure fuel injector 9 is installed in its side opening. The spark plug 5 is installed in the side of the exhaust window from the center of the combustion chamber. When the piston moves up, the air is filled in full in the crank chamber. When the piston moves down, air is forced into the receiver. A small amount of air from the crank chamber is involved in the purge of the cylinder when opening the bypass Windows. After the piston has started to move up, there is an opening of the valve in the cylinder head, the air from the receiver begins to flow into the cylinder and also participates in the purge. Fuel injectionТехнологии IAPAC удалось повысить топливную экономичность двигателя до 53%, в 3 раза снизить уровень выбросов несгоревших углеводородов, в 4,5 раза снизить содержание монооксидов углерода в отработавших газах. Технология IAPAC не является системой непосредственного впрыска, она допускает некоторые потери топлива в процессе продувки и не решает задачу качественного регулирования мощности, и организации бездетонационного сгорания при повышенных степенях сжатия.

     Австралийская фирма Orbital разработала рабочий процесс Orbital Combustion Process (OCP). Она сумела реализовать рабочий процесс на малогабаритном двухтактном двигателе [9, 10, 11]. На рисунке 2.5 изображена схема топливной форсунки, осуществляющей впрыск топливовоздушной смеси в камеру сгорания двухтактного двигателя (рисунок 2.6).


Рисунок 2.6 – Впрыск в камеру сгорания двухтактного ДВС с рабочим процессом OCP




Лист

1104.102278.000 ПЗ.



14

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

     The scheme of the engine with the workflow OCP is depicted in figure 2.7. The working process is controlled by the microprocessor of the direct injection system. The compressed air is supplied by the pump 13 through the nozzle 7, at a pressure of 650 kPa. The fuel is fed through the nozzle 5 separately from the air with the pump 3, under a pressure of 800 kPa. The fuel pressure is maintained by a special regulator 4.

     Only air passes through the crankcase, fuel is injected after the piston closes the intake and exhaust Windows. Fuel is supplied after the exhaust window is closed, which solves two major problems of two-stroke engines associated with high fuel consumption and toxicity of exhaust gases. According to the research results, the use of this OCP workflow reduces gasoline consumption by 20 – 64 % [11].

     Thanks to the optimized shape of the combustion chamber, the parameters of injection on the Orbital engine managed to withstand the ratio of air to fuel at idle up to 50:1.


     Выполнение в самом рабочем процессе системы топливоподачи с низким давлением не позволило применить поздний впрыск топлива. Данная особенность ограничило возможность в реализации высокоэффективного рабочего цикла при работе на топливе с низким октановым числом. Из-за возможной опасности возникновения преждевременного самовоспламенения и детонации степень сжатия в работе на низкооктановых топливах приходится существенно снижать.

     The American company "AMW Cuyuna Engine Company, Inc."designed a series of two-stroke engine lines with a workflow similar to OCP [10]. The working process is carried out on the fuel system with pneumatic spraying of Piaggio fuel (figure 2.8). Equipment "Piaggio" carries out direct fuel injection after the closing of the organs of gas exchange, it eliminates the discharge of fresh fuel in the purging process. The primary process of preparing the fuel-air mixture begins in the fuel equipment, this has a better effect on the quality of the mixture in the combustion chamber of the engine.







Лист

1104.102278.000 ПЗ.



15

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

     Scheme of fuel supply system of engines of the company "AMW Cuyuna Engine Company, Inc.", shown in figure 2.8 uses a low pressure compressor to perform air fuel injection, giving the same disadvantages that are displayed in the OCP workflow. In the multi-fuel modification, along with a spark plug, a catalytic igniter is used, since air injection.

Данное решение позволило разработчикам получить двухтактный двигатель

с высокими мощностными характеристиками, малым удельным весом, но при этом имеющий уровни экономичности и токсичности отработавших, как у традиционного карбюраторного четырехтактного двигателя.

      Однако сама технология FICHT стала не работоспособна при высокой частоте вращения коленчатого вала, имеющая низкий ресурс работы и высокую стоимость, следовательно данные двигатели с такой системой впрыска не получили широкого распространения.

     In return FICHT fueled a new technology Evinrude E-TEC. The injector, which was designed using Evinrude e-TEC technology, is shown in figure 2.9. Heavy and powerful magnet fixed motionless, light coil on the frame produces reciprocating motion in the gap of the magnet. The coil is mechanically connected to the light plunger. The return spring in this design is absent, it allowed to reduce inertial forces in this system. The first pulse of the electronic engine control system drives the coil with the plunger in motion, begins to inject fuel directly into the combustion chamber. The second pulse, with the opposite polarity, the on-Board computer of the motor stops the coil at some point and returns it to its original position. The third pulse of the on-Board computer stabilizes the coil in its initial position in order to avoid its oscillatory movements. This description allowed to provide accurate and stable fuel dosing in a wide range of speed and load modes.

     Технология E-TEC дала возможность существенно увеличить топливную экономичность двухтактных ДВС, а также снизить токсичность отработавших газов. Из-за сложности конструкции и высокой стоимости технология E-TEC также не получила широкого распространения. В двигателе с системой E-TEC




Лист

1104.102278.000 ПЗ.



16

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

реализовано, так называемое, умеренное расслоение, поэтому на режимах малых нагрузок и холостом ходе двигатель приходится дросселировать, и более выгодное качественное регулирование мощности реализуется лишь частично.


2.3 Влияние конструкции камеры сгорания и параметров впрыска на процессы смесеобразования и горения


     Хорошее протекание процесса сгорания достигается в случае, когда впрыснутое топливо состоит мельчайших капель, не создающие переизбыток концентрации топлива в камере сгорания при горении, происходит интенсивное движение воздуха в течение всего периода смесеобразования и сгорания. Распыливание топлива и организация движения воздуха и рабочей смеси зависят от применяемой топливоподающей аппаратуры, ее настройке и геометрии камеры сгорания.

     Форма камеры сгорания по возможности должна определять характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания небольшого объема с размещением свечи зажигания в центре так, чтобы пламя распространялось во все стороны практически равномерно, это должно повысить степень сжатия, чтобы сгорание протекало без возникновения детонации. В большей степени от формы камеры сгорания будет зависить характер развития процесса сгорания топливовоздушной смеси и теплоотдача в стенки.

     Форма камеры сгорания является оптимальной если приемлема скорость повышения давления дР/д?, минимальны аэродинамические потери при газообмене и сжатии, потери теплоты через стенки камеры сгорания в систему охлаждения малы, конструкция сравнительно простая и технологичная по исполнению [3].

     Скорости нарастания давления и тепловыделения в камере сгорания пропорциональны площади поверхности фронта пламени, они зависят от расположения свечи в камере сгорания. Если ближе к центру камеры сгорания




Лист

1104.102278.000 ПЗ.



17

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

расположена свеча зажигания, тем, следовательно, короче путь, проходимый фронтом пламени до наиболее удаленных объемов камеры сгорания и тем больше поверхность фронта пламени. Если одинаковы углы поворота коленчатого вала, то скорости тепловыделения и нарастания давления дР/д? при центральном расположении свечи будут выше, чем при боковом расположении.

Свеча зажигания должна устанавливаться в месте, в котором чтобы вблизи

ее не создавалась излишне высокая турбулизация топливовоздушной смеси и одновременно обеспечивалась достаточная очистка зоны электродов свечи от остаточных газов. Для охлаждения свечи зажигания на неё направляется поток свежего заряда, который поступает в цилиндр через органы газообмена.

Турбулизация заряда, полученная в процессе наполнения рабочей камеры,

должна усилиться в процессе сжатия путем придания камере сгорания специальной формы, при этом топливовоздушная смесь в процессе сжатия перетекает в объем камеры сгорания за счет вытеснения заряда из щелевых зазоров между днищем поршня и поверхностью головки цилиндра (рисунок 2.12)




     Использование вытеснителей приводит к увеличению объема свежего заряда, который находится вблизи свечи зажигания , также создает интенсивную турбулизацию топливовоздушной смеси и способствует ускорению процесса сгорания.

     The most constructive parameter of the combustion chamber is the ratio of the surface area of the FKC chamber to its volume VC, FK/VC. The increase in the design parameter leads to an increase in heat losses through the walls of the combustion chamber, to heat losses associated with delayed combustion of a fresh charge in the layers directly contacting the walls of the combustion chamber or located in narrow slits formed between the piston bottom and the cylinder head. Due to the low temperature and high heat transfer in the wall layers of the mixture, it is possible to extinguish the flame in this







Лист

1104.102278.000 ПЗ.



18

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

zone and, as a consequence, increase the content of unburned hydrocarbons in the combustion products.

     The value of this parameter is affected by the compression ratio, with an increase in which this ratio FKC / VC increases, hence the intensity of the burn-out of the fresh charge at the final stage of the combustion process decreases [2].

     In the combustion chambers of engines that operate on lean mixtures, they are tasked with achieving in the volume of the chamber

     Геометрия камеры сгорания и место расположения свечи зажигания влияет на возникновение и интенсивность детонации.

     Чтобы обеспечить эффективное бездетонационное протекание процесса сго-рания к камере сгорания двигателей с искровым зажиганием выдвигается ряд определенных требований:

     - максимально высокая степень сжатия без возникновения детонации при высокой компактности камеры сгорания и с размещением свечей зажигания в центре камеры сгорания;

     - минимальное расстояние от электродов свечи зажигания до наиболее удаленной зоны камеры сгорания. Она обеспечивает наименьшую по времени длительность сгорания, это улучшает антидетонационные качества камеры сгорания;

     - высокая турбулизация свежего заряда в сжатия. Турбулизация определенной интенсивности обеспечивает высокие скорости распространения фронта пламени и сокращение времени воздействия высоких температур и давления на несгоревшую часть свежего заряда. Высокая степень турбулизации свежего заряда может создаваться направленным движением заряда в процессе впуска за счет спиральной формы впускного канала и усиливаться благодаря вытеснения свежего заряда из защемленных объемов – вытеснителей при приближении поршня к ВМТ. Относительно холодные вытеснители оказывают охлаждающее действие на вытесняемую часть свежего заряда, а также на сгораемую в последнюю очередь ее часть. Повышение скорости распространения





Лист

1104.102278.000 ПЗ.



19

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

фронта пламени и снижение температуры свежего заряда в наиболее удаленной зоне камеры сгорания эффективно повышают антидетонационные качества камеры сгорания;

     the optimal ratio of the surface area of the combustion chamber FKC to its volume VC. With the increase of this ratio at VC = const heat loss through the walls of the combustion chamber increases, the combustion rate slows directly at the walls of the combustion chamber and in the narrow gaps between the piston bottom and the cylinder head in the zone of the displacer. It is also possible to completely stop oxidation reactions in the wall areas due to excessive cooling of the fresh charge, thereby increasing the content of unburned hydrocarbons in the combustion products.

     The INCREASE in the FCS/VC ratio worsens the heat utilization of the cycle, this affects the efficiency of the engine. But the anti-knock qualities of the combustion chamber are improved. The lowest FCS/VC ratio is observed in hemispherical undivided combustion chambers.

    The most heated internal surfaces of the combustion chamber, first of all exhaust valves (if any), jumpers between the valves, spark plugs must be intensively cooled


При оптимизации параметров впрыска такая камера сгорания позволяет двигателю работать как в условиях глубокого расслоения заряда, так и при составе смеси, близкой к гомогенному. В целях недопущения распространения топлива к стенкам цилиндра, на днище поршня выполнена выемка (рисунок 1.14), размеры которой незначительны, и которая может быть изготовлена даже путем доработки существующих поршней.

     «Закрытая» конструкция камеры сгорания имеет недостатки в виде ухудшения характеристик на высоких оборотах и снижения среднего давления цикла, что вызвано затрудненной продувкой и созданием избыточной турбулентности. В результате мощного движения заряда к свече зажигания, в ее области при повышенных оборотах возникает избыточно богатая смесь, особенно в режимах максимальной нагрузки, что служит причиной пропусков





Лист

1104.102278.000 ПЗ.



20

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

воспламенения и, как следствие, ухудшения мощностных и эколого-экономических характеристик двигателя.

     In conditions of increased power, there is a need for rapid mixing of fuel with air, for this purpose, another so-called "intermediate" type of combustion chamber is developed (figure 2.13 b). The volume of such a combustion chamber is shifted towards the exhaust window, which causes a certain decrease in the fuel concentration in the spark plug region at high speeds compared to the "closed" combustion chamber. The achievement of maximum speed and load conditions with the use of such a combustion chamber is facilitated, while the possibility of charge stratification and work on lean mixtures is preserved.

     In order to achieve higher values of the average cycle pressure indicator, the design of the "open" combustion chamber was developed, which improves the purge (figure 2.13 V). The main difference of such a combustion chamber is more spherical geometry and reduced surface area of the displacers. In such a combustion chamber, the purge process is facilitated, turbulence is reduced and the filling coefficient is increased

     Давление впрыскивания – один из основных факторов, влияющих на распыливание топлива. Чем выше давление впрыскивания, тем выше дисперсность распыливания. В унифицированном рабочем процессе давление впрыска определяет не только качество распыла, но и долю испаренного топлива в полости компрессор-форсунки.

     Дальнобойность топливной струи в значительной степени зависит от давления впрыскивания и оказывает большое влияние на распределение топлива по камере сгорания. В отличие от дизельных двигателей с объемным смесеобразованием, где глубина проникновения струи должна быть такой, чтобы

ее вершина не достигала стенки камеры сгорания для лучшего использования воздуха, в бензиновых двигателях с искровым зажиганием при использовании сравнительно раннего впрыска высокая дальнобойность топливной струи может способствовать лучшему перемешиванию смеси при условии оптимизации







Лист

1104.102278.000 ПЗ.



21

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

геометрии камеры сгорания и недопущения попадания топлива на стенку цилиндра.

     К моменту, предшествующему настоящему исследованию, в унифицированном рабочем процессе не реализована возможность улучшения эколого-экономических показателей за счет оптимизации геометрии камеры сгорания и параметров впрыска, а также реализации качественного регулирования мощности во всем диапазоне нагрузок на двухтактном двигателе.

2.4 Анализ результатов исследования проблемы

непосредственного впрыска

     Сделаем небольшой вывод о целесообразности замены карбюраторной системы питания (в карбюраторной системе питания возникают пропуски воспламенения, в частности на малых нагрузках и скоростях при дросселировании воздуха из-за высокого коэффициента остаточных газов) на непосредственный впрыск топлива, что также дает возможность использования турбонаддува или повышения степени сжатия при бездетонационном сгорании и реализации качественного регулирования мощности. Реализация рабочего процесса предполагает наибольшую экономию топлива и улучшение экологических показателей двухтактных ДВС.

3. УНИФИЦИРОВАННЫЙ РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС

3.1 Описание унифицированного рабочего процесса с

непосредственным впрыском топлива

     На кафедре ДВС на протяжении некоторого времени исследуется унифицированный рабочий процесс с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания, что приводит к бездетонационному сгоранию при повышенных степенях сжатия и уменьшению расхода топлива.

     Рабочий процесс осуществляется путем впрыскивания в рабочую камеру струи богатой топливовоздушной смеси вблизи ВМТ, имеющей определенную


Лист

1104.102278.000 ПЗ.



22

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

концентрацию и направленность, зависящей от формы камеры сгорания. Происходит воспламенение с помощью искрового разряда на периферии струи в определенной фазе процесса впрыска. Так происходит первый этап сгорания топливовоздушной смеси бензиновых двигателей. В камере сгорания реализуется различная степень неоднородности топливовоздушной смеси – от расслоенного заряда на холостом ходе (рисунок 3.1 а), до равномерного распределения топлива

в объеме камеры сгорания на полной нагрузке (рисунок 3.1 б). Вне зависимости от режима работы двигателя во время зажигания в районе искрового разряда должна находиться топливовоздушная смесь в концентрации необходимой для воспламенения, зависящая от расположения искрового разряда относительно топливовоздушной струи. Процессы смесеобразования и воспламенения управляют степенью неоднородности за счет управления моментом начала подачи обогащенной топливовоздушной смеси в рабочую камеру и моментом первичного воспламенения искрой [4, 5, 7, 8].







     На рисунок 3.2 показана конструктивная схема рабочего процесса. Топливо с небольшим количеством воздуха поступает в рабочую камеру компрессор-форсунки 5, в ней происходит предварительное смесеобразование подогрев, дробление, перемешивание и частичное испарение топлива. Поршень 6 компрессор-форсунки приводится в движение от коленчатого вала двигателя. На такте сжатия за счет движения поршня компрессор-форсунки происходит впрыск топливовоздушного факела 1 в рабочую камеру двигателя, в которой завершается формирование топливовоздушной смеси. Искровым разрядом от свечи зажигания 7 на периферии топливовоздушного факела в предкамере определенной геометрии происходит зажигание смеси. КФ оснащена игольчатым дозатором 4 для дозирования подаваемого топлива. Система зажигания имеет традиционную







Лист

1104.102278.000 ПЗ.



23

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

конструкцию, параметры разряда характерны для современных бензиновых двигателей.

.


     Все рассмотренные схемы непосредственного впрыска требуют оптимизации формы камеры сгорания и параметров впрыска для достижения расширения диапазона качественного регулирования мощности и улучшения экономических показателей двигателя.

3.2 Описание изучаемого двигателя


     Изучаемым двигателем для исследования унифицированного рабочего процесса взят двухтактный двигатель РМЗ-551. На рисунке 3.3 изображен серийный двигатель РМЗ-551. Характеристики серийного двухтактного двигателя представлены в таблице 3.1.







     Ранее уже был опыт разработки и проведение испытаний на одноцилиндровом двухтактном двигателе ММВЗ-3.112 [7, 8]. Задачами исследования ставились:

     - Разработка методики моделирования процессов смесеобразования и горения в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной смеси.

     - Создание и обеспечение условий оптимального сгорания топлива и качественного регулирования мощности во всем диапазоне нагрузок и работы при повышенных степенях сжатия.

     - Экспериментально подтвердить бездетонационное сгорание и качественное регулирование мощности во всем диапазоне нагрузок для улучшения экономичности и снижения токсичности выбросов в двухтактном ДВС.






Лист

1104.102278.000 ПЗ.



24

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

     В результате исследований экспериментально доказали возможность снижения продолжительности сгорания, характеризующая полноту горения топлива, на 37,5% в двухтактном двигателе с УРП при качественном регулировании мощности. Эффект качественного регулирования мощности по топливной экономичности двигателя на режимах малых нагрузок и холостого хода составляет до 19%. Также выявлено снижение до 7 раз содержания углеводородов

и до 22 раз содержания монооксида углерода в отработавших газах двигателя с УРП на режиме холостого хода.

     Экпериментальный двигатель до 46,7% экономичнее базового (двигатель ММВЗ-3.112 имеет более высокое давление внутри цилиндра по сравнению с двигателем РМЗ-551) на полной нагрузке на режимах стабильной работы базового двигателя.












3.3	3D-моделирование деталей ГБЦ

3.3.1 Общий вид сборки

     На рисунке 3.4 изображена экспериментальная сборка 3D-модели ГБЦ под непосредственный впрыск топлива выполненная в «SolidWorks».

     В сборке представлены: головка блока цилиндров, объединенная с полукартером, крышка ГБЦ, свеча зажигания, топливная форсунка Siemans,

распылитель, коленчатый вал и другие элементы.




Рисунок 3.4 – 3D-модель сборки головки блока цилиндров.


3.3.2 Модель головки блока цилиндров




Лист

1104.102278.000 ПЗ.



25

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

     В ходе выполнения ВКР было принято решение в объединении головки блока цилиндров с полукартером для уменьшения затрат на изготовку единицы изделия. 3D-модель экспериментируемой головки блока цилиндров,

объединенной с полукартером выполненная в SolidWorks изображена на рисунке 3.5 (вид сверху), на рисунке 3.6 (вид снизу). На рисунке 3.7 (вид сверху), 3.8 (вид снизу) соответственно изображена 3D-модель серийной головки блока цилиндров двигателя РМЗ-551.



Рисунок 3.5 – 3D-модель головки блока цилиндров (вид сверху).




Рисунок 3.6 – 3D-модель головки блока цилиндров (вид снизу).




Рисунок 3.7 – 3D-модель серийной головки блока цилиндров двигателя

РМЗ-551 (вид сверху).




Рисунок 3.8 – 3D-модель серийной головки блока цилиндров двигателя

РМЗ-551 (вид снизу).

3.3.3 Модель крышки ГБЦ

     3D-модель с моделируемой крышки ГБЦ, выполненная в SolidWorks изображена на рисунке 3.9 (вид сверху), на рисунке 3.10 (вид снизу). На рисунке 3.11 (вид сверху), 3.12 (вид снизу) соответственно изображена 3D-модель серийной крышки ГБЦ двигателя РМЗ-551.




Рисунок 3.9 – 3D-модель крышки ГБЦ (вид сверху).




Рисунок 3.10 – 3D-модель крышки ГБЦ (вид снизу).



Лист

1104.102278.000 ПЗ.



26

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата


Рисунок 3.11 – 3D-модель серийной крышки ГБЦ двигателя РМЗ-551 (вид сверху).






Рисунок 3.12 – 3D-модель серийной крышки ГБЦ двигателя РМЗ-551 (вид снизу).














4. СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДЕТАЛИ ДВИГАТЕЛЯ В ПРОГРАММЕ «SOLID WORKS»

4.1 Анализ головки блока цилиндров

     На основе серийной головки блока цилиндров двигателя РМЗ-551 была разработана головка блока цилиндров под непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания, объединенная с полукартером, изображенная на рисунке 3.5, 3.6.

     В программе «SolidWorks Simulation» заданы начальные данные для статического анализа металла на нагрузки, создаваемые в процессе работы двигателя:

- максимальное давление, возникаемое в камере сгорания составляет



     - максимальное давление, действующее на стенку со стороны поршня компрессор-форсунки P 20,0 МПа ;

- фиксация в местах болтовых соединений;

- материал головки блока цилиндров  – сталь 40 ГОСТ 8479-70.


4.1.1 Анализ состояния серийной головки блока цилиндров





Лист

1104.102278.000 ПЗ.



27

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата

Рисунок 4.1 – Расчетная схема нагрузок на головку блока цилиндров






Рисунок 4.2 – Расчетная схема нагрузок на головку блока цилиндров (в разрезе)





Рисунок 4.3 – Распределение напряжения на головку блока цилиндров







Рисунок 4.4 – Распределение перемещения на головке блока цилиндров




Рисунок 4.5 – Распределение деформации на головке блока цилиндров

     Проведён статический анализ металла на нагрузки, и получены результаты в соответствии с рисунками 4.3, 4.4 и 4.5.

4.1.2 Анализ состояния экспериментальной головки блока цилиндров




Рисунок 4.6 – Расчетная схема нагрузок на головку блока цилиндров







Рисунок 4.7 – Расчетная схема нагрузок на головку блока цилиндров

с установленными элементами







Рисунок 4.8 – Распределение напряжения на головке блока цилиндров (в разрезе)





Лист

1104.102278.000 ПЗ.



28

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись  Дата



Рисунок 4.9 – Распределение напряжения на головке блока цилиндров (вид снизу)




Рисунок 4.10 – Распределение перемещения на головке блока ци.......................