Совершенствование конструкции газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания тепловозов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование конструкции газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания тепловозов

клапан поршневой тепловоз двигатель

Одной из важнейших характеристик ГРМ ДВС является пропускная способность клапанной щели образованной тарелкой клапана совместно со стержнем и её влияние на структуру потока в выпускных каналах тепловых поршневых машин. Анализ полученных экспериментальных данных представленных в работе [3] показывает, что границы вихревой зоны, образованной в результате отрыва потока от выпуклой стенки канала доходит до клапана причём, с вогнутой стороны канала вихревая зона незначительна, что свидетельствует о неравномерности структуры потока в клапанной щели, так как наибольшую ширину поток имеет с вогнутой стороны канала. Одним из предложений авторов такой работы является то, что ими рекомендуется уменьшать размер радиуса перехода от стержня к тарелке и угол фаски седла. Однако в целом такое предложение хоть и снижает турбулентность потока, но не позволяет снизить теплонапряжённость, например, тарелок клапана, которая сопровождается высокой температурой их нагрева порядка 750 - 800⁰С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Известны, например, механизмы газораспределения (рис. 1), используемые в конструкциях карбюраторных ДВС [2,8]. Такие механизмы обычно состоят из впускного и выпускного клапанов, каждые из которых выполнены в виде стержней, плавно переходящих в головки, и последние по своей образующей снабжены рабочими поверхностями, взаимодействующие с седлами клапанов, запрессованных в блоки цилиндров ДВС. В этом случае каждый из клапанов подпружинен относительно блока цилиндров и управляется с помощью толкателей, взаимодействующих с распределительным валом двигателя. С помощью клапанов за четыре хода движения поршня происходит заполнение цилиндров горючей смесью, ее сжатием, горением ее и расширением, и выпуском отработанных газов. Заполнение горючей смесью происходит из всасывающего коллектора, расположенного в блоке цилиндров, а выпуск отработанных газов в выхлопной коллектор. Несмотря на свою эффективность использования, такой механизм газораспределения подобно тому, как это было описано выше, обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что всасывание горючей смеси и удаление из цилиндров отработанных газов происходит через узкие щели, расположенные между седлами клапанов и внешними образующими поверхностями клапанных головок. Такое явление снижает эффективность заполнения горючей смесью полости цилиндра при всасывании и «очистку» этого же объема от отработанных газов, а так же способствует неравномерному распределению, температуры по всему объему головки клапана.

Исходя из этого можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день так и нет эффективных технических решений и технологических предложений, позволяющих существенно снизить как сопротивление прохождения потока газов в зоне выпускных клапанов, так и температуру нагрева его элементной базы.

Учитывая выше изложенное на кафедре прикладной механики и инженерной графики ЕГУ им. И.А. Бунина в течении 2005-2013 г. г. согласно договору с МИИТ и Елецким центром Белгородского региона ЮВЖД приводится НИР на тему «Разработка рекомендаций по повышению качества эксплуатационной работы, а также надёжности и экономичности использования подвижного состава в грузовом и пассажирском движении на Юго-Восточной дороге», которая включена в план работ СКБ университета и по одному из ее разделов НИРС проводятся работы, связанные с модернизацией силовых установок, используемых в современных тепловозах. По результатам проведенного анализа библиографических и патентных источников университетом получен патент RU2502881, направленный на модернизацию газораспределительного механизма четырехтактных и двухтактных ДВС в определённой степени исключающих указанные недостатки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4

Так на рис. 2 показан общий вид закрытого клапана ДВС с продольным его разрезом, на рис. 3 вид на клапан по стрелке А и на рис. 4 клапан в открытом состоянии.

Клапан механизма газораспределения ДВС состоит из стержня 1 и головки 2, снабженной рабочей поверхностью 3 взаимодействующей с подобной седла 4. В пространстве между головкой 2 и стержнем 1 выполнены криволинейной формы ребра 5, а между ними расположены полукруглой формы пазы 6. Седло 4 жестко закреплено в блоке цилиндров 7, который примыкает к выхлопному коллектору 8 двигателя.

Работает клапан механизма газораспределения ДВС следующим образом. Известно, что наиболее теплонапряженным является выпускной клапан теплового двигателя и поэтому предположим, что на рис. 2, 3 и 4 представлен именно такой клапан. При режимах сжатия и рабочего хода клапан закрыт (рис. 2) и он своей рабочей поверхностью 3 плотно прижат к седлу 4, при этом его головка 2 нагревается до температуры порядка 800^о С. В этом случае такое температурное поле распространяется и по пазам 6 и ребрам 5, но так как ребра 5 имеют незначительную толщину д по сравнению с основным телом клапана, то они отдают в пространство выхлопного коллектора 8 часть тепла снижая тем самым температуру клапана, а, следовательно, и его теплонапряженность. Теперь представим, что клапан открыт (см. рис. 4), что соответствует режиму выпуска обработанных газов. В этом случае головка клапана 2 еще имеет достаточно высокую температуру также порядка 800⁰ С но выхлопные газы начинают протекать не только в пространстве седла 4 по стрелкам В, но и проходят по стрелкам С в пазах 6 между ребрами 5 со все увеличивающейся скоростью движения за счет сужения пазов 6. Такое явление позволяет не только увеличить проходное сечение клапана, но и «отобрать» проходящему потоку газов температуру от его головки за счет наличия ребер 5, которые являются элементами, имеющими высокую теплопроводность в сравнение со стержнем 1 и головкой 2. Все это в итоге обеспечит необходимую надежность клапана и позволит более эффективно производить очистку цилиндров от выхлопных газов. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Понятно, такое преимущество предложенного технического решения в сравнении с известными конструкциями газораспределительных механизмов ДВС, очевидно, так как оно позволяет увеличить проходное сечение клапанов, как впускных, так и выпускных и снизить теплонапряженность их за счет повышенной теплоотдачи имеющихся на них ребер.

Рис. 5

Рассмотрим упрощенные схемы газораспределительного механизма, например, дизеля 14Д40, представляющие из себя серийный выпускной клапан и модернизированный (рис. 5) представив их головки 1 в виде гиперболоида, к малой образующей окружности которого присоединен жестко стержень 2. Согласно паспортных данных на двигатель 14Д40 [4] диаметр головки клапана d_r = 88 мм, угол образующей конуса головки клапана б= 45⁰, внутренний диаметр седла клапана d₀ = 75 мм., наружный диаметр седла клапана D = 88 мм и ход клапана h = 40 мм, являющийся функцией от угла поворота кривошипа в, _h = _{f (}в_). Конструктивно примем, что в месте сопряжения головки модернизированного клапана со стержнем выполнены криволинейной формы ребра 5, а между ними расположены полукруглой формы пазы 6 причём, толщина рёбер д = 2,5 мм, а радиусы полукруглой формы пазов равны r = 65,0 мм.

Используя известную методику [1,2] вычисления проходного сечения клапана, определим численные значения таких сечений соответственно для серийного и модернизированного клапана [5].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6

Анализ участка серийного клапана расположенного между его стержнем диаметром d_Ш и тарелкой клапана показывает, что последний имеет форму половины гиперболоида и поэтому можно сделать вывод, что радиус узкой части гиперболоида (горловины) являющейся зоной сопряжения его со стержнем клапана зависит от угла закручивания колец [7]. Чем больше угол закручивания, тем меньше диаметр горловины. Следовательно, существует такой угол закручивания, при котором гиперболоид превратится в двойной конус.

Теоретически это должно произойти при j = p (180⁰).

Таким образом, меняя угол закручивания колец можно изменять форму конструкции от цилиндрической, когда j = 0, до почти конической, при j = j_max и L₀<2R₀.

При разработке эффективности использования предложенной конструкции клапана необходимо знать, на сколько уменьшится объем его гиперболоида при закручивании колец на угол j, т.е. какой объем выхлопных газов будет вытисняться через предложенное техническое решение в сравнении с серийным клапаном. Учитывая это можно записать следующую зависимость:

DV = V₀ - V, где, V₀ = pR₀²L₀ - объем участка ІІ серийного гиперболоида клапана

V - объем участка І гиперболоида перспективного клапана при данном угле закручивания j.

Но так как однополостный гиперболоид симметричен относительно плоскости XOY (рис. 6.), то достаточно в нашем случае вычислить объем его по формуле:

где, S(z) - площадь сечения гиперболоида в сечении z (рис. 6).

Известно [7], что в рассматриваемом гиперболоиде, у которого любое сечение, перпендикулярное оси OZ является окружностью, то в каноническое уравнение, с учетом a = b = r₀, можно представить в виде:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

,

получаем уравнение окружности с радиусом R

в сечении z: x² + y² = R², и тогда можно записать следующую зависимость:

Подставляя это выражение в предыдущее интегральное уравнение, получаем

и после интегрирования и преобразования его получаем следующую формулу:

Для определения с используем известную формулу:

Поскольку r₀ и L зависят от угла закручивания j, то и с также является функцией угла j.

Таким образом, окончательная формула изменения объема гиперболоида в зависимости от угла закручивания выглядит так:

Для расчёта рациональных параметров сравниваемых конструкций клапанов была использована известная программа на Microsoft Visual BASIC 6.0 [7]. В этой программе предусмотрена возможность изменения начальных размеров исходной цилиндрической формы, т.е. задаются значения начальной длины гиперболического участка клапана (L₀) и диаметры штока и тарелки (торцевых колец) (2R₀).

Изменение угла закручивания j торцевых колец задавалось с помощью полосы прокрутки с выводом значений в отдельном поле.

В результате использования программы рассчитываются и выводятся на экран следующие параметры гиперболоида (в зависимости от значения угла закручивания j):

1. Изменения длины гиперболоида участков І, и ІІ клапанов: DL;

2. Диаметр горловины гиперболоида: D = 2r₀(j);

3. Изменения объема гиперболоида участков І, и ІІ клапанов: DV

4. Углы наклона одной из образующих (с координатами: x = R₀, y = 0, z = 0, j_х = j_y = j_z = 0): - j_х1, j_y1, j_z1, которые в дальнейшем используются при создании мультипликационной модели участков гиперболоида для задания закона движения образующих.

Результаты расчётов по вышеизложенной методике показали, что пропускная способность перспективной конструкции клапана в сравнении с серийной за счёт наличия в нём рёбер и пустот между ними увеличивается в 1,33 раза.

Для изучения распределения температурного поля в выпускном клапане ГРМ дизеля 14Д40 в качестве исходных данных примем перепад температур по длине клапана дизеля 14Д40, а также результаты исследования и ранее указанную зависимость полученные в работе Ширяева В.М. [9], позволяющую установить распределение температурного поля t_р по длине клапана х:

р _л

где, - температура тарелки клапана, обращенная к поршню равная 765 ⁰С; безразмерный коэффициент 0,0015;

- коэффициент теплопроводности для стали 22-26 Вт/м · ⁰С; - средняя величина толщины стенки гиперболоидного участка серийного клапана д = 40 мм, а для перспективного клапана, за счёт наличия выточек 6 и рёбер 5 д =28 мм (рис. 4);

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7

х - текущая координата по высоте клапана от 0 до 40 мм, с шагом 5 мм. Проведённые Ширяевым В.М. тензометрические исследования [9], показали, что тепловое нагружение выпускных клапанов по их длине, дизеля 14Д40 распределено таким образом, как это показано на рис. 9. Из представленного рис. 9 видно, что функция зависимости температуры от высоты клапана, тарелка которого находится на границе между внутренним объёмом цилиндра и в пустотелой полости выхлопного коллектора носит нелинейный характер. Для оценки такого распределения воспользуемся интерполированием данных используем результаты измеренных температур клапанов серийной конструкции дизеля 14Д40 [9], полученных методом релаксации твердости, представленные на рис. 7.

Для изучения распределения температурного поля в ГРМ дизеля 14Д40 в качестве исходных данных используем перепад температур по длине клапана дизеля 14Д40, а также результаты исследования и ранее указанную зависимость полученные в работе Ширяева, позволяющую установить распределение температурного поля t_р по длине клапана х: р

_л (2)

где, - температура внешней части тарелки клапана обращенная к поршню 765 ⁰С безразмерный коэффициент 0,0015;

– коэффициент теплопроводности для стали 22-26 (29-33) Вт/м, ⁰С

– средняя величина толщины стенки гиперболоидного участка серийного клапана д = 40 мм, а для перспективного за счёт наличия выточек и рёбер д =28 мм;

Подставив полученную зависимость для количества теплоты Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

нач _конеч в формулу (2) получим итоговое выражение для температуры:

_р дb b

где, приняты следующие численные значения параметров:

t =765°,

t_нач = 765°С t_кон = 400°С

безразмерный коэффициент 0,0015;

- средняя величина толщины стенки гиперболоидного участка серийного клапана д = 40 мм, а для перспективного, за счёт наличия выточек и рёбер, д=28 мм; х - текущая координата от 0 до 40 мм, с шагом 5 мм.

Анализ проведённых расчётов на теплонапряжённость клапана показал, что за счёт более высокой теплопроводности предложенной конструкции клапана, из-за наличия криволинейной формы ребер 5, а между ними расположенных полукруглой формы пазов 6 (рис. 4), теплонапряжённость, в сравнении с серийной конструкцией клапана в подобном сечения гиперболоида, оказалась ниже в 1,21 раза. Такое снижение температуры позволяет сделать вывод о более благоприятном условии работы перспективного клапана, возможном повышении долговечности его работы в эксплуатационных условиях, а также экономии топлива за счёт повышения термического к.п.д. дизеля в целом.

Результаты исследования переданы руководству Елецкого участка Белгородского региона ЮВЖД в виде промежуточного отчёта, а так же рекомендуются отечественным и зарубежным научным и производственным структурам проектирующим, изготавливающим и модернизирующим различные по назначению двухтактные и четырёхтактные ДВС для возможного внедрения перспективного газораспределительного механизма в практику.

Библиография

1. Глаголев Н.М. и др. Тепловозные двигатели и газовые турбины. Трансжелдориздат. Москва. 1957.-460 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под.ред. А.С. Орлина и М.Т. Круглова. - М.: Машиностроение. 1990. - 288 с.

3. Драганов Б.Х. и др. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания. Киев. Изд-во Высшая школа, 1987 - 174 с.

4. Тепловоз М62. М.: Транпорт.1977. - 280 с.

5. Кумсков В.Т., Маханько М.Т. Основы теплотехники. Всесоюзное издательско-полиграфическое объедение. Министерство путей сообщения. - М.: 1962. -231 с.

6. Кумсков В.Т. и др. Основы теплоэнергетики для теплотехников и локомотивных бригад./ Кумсков В.Т., Маханько М.Г., Штейнберг Л.Д. - М.: Транспорт.1984. - 174 с.

7. Гаврюшин С.С._, Попков М.В. Перистальтический механизм на основе модели гиперболоида. Электронное научно-техническое издание, Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007, 34 с.

8. Шестой Выпуск, McGraw-Hill Co., 1984

9. Савин Л.А., Сливинский Е.В., Пивоваров О.А. Конструкционные элементы ДВС тепловозов. Монография. ОрёлГТУ, Орёл. 2010 - 127 с.

Размещено на Allbest.ru