“Модернизированная система газораспределения”

Для двигателей с распределённым впрыском топлива и карбюраторных двигателей, устанавливаемых на легковые автомобили отечественного производства.

1. Введение. Российский путь в создании перспективного двигателя внутреннего сгорания.
Современная ситуация на мировом рынке автомобилей требует от конструкторов создания двигателей с высокими значениями основных показателей, главными из которых являются экономичность, экологическая чистота, надёжность, ресурс, материалоёмкость, доступность изготовления и простота обслуживания. Для того чтобы создаваемый двигатель удовлетворял перечисленным требованиям, необходимо при его проектировании использовать самые новейшие конструкторские решения.
Однако, такой подход к проектированию ни в малейшей степени, не отрицает преемственности конструкции и возможности применения хорошо зарекомендовавших себя решений, а также выполненных в металле конкретных узлов или деталей. Более того, именно использование отработанных узлов, деталей или отдельных элементов существующего и производимого серийно двигателя, пусть и прошлого поколения, позволит значительно снизить затраты на разработку более передовой конструкции. Именно такой путь, который позволит существенно сократить отставание по срокам от стран лидеров в двигателестроении, технически наиболее целесообразен и экономически значительно более рентабелен для Российских производителей силовых установок.
2. Цель, основные задачи и пути конструктивного решения “Модернизированной системы газораспределения”.
2.1 Цель.
Главная техническая цель, которая была поставлена при разработке “Модернизированной системы газораспределения”, является увеличение мощности и крутящего момента серийного двигателя легкового автомобиля, выпускаемого отечественной промышленностью. Базовым двигателем, для которого предполагается разработать “Модернизированную систему газораспределения”, был выбран двигатель ВАЗ-2106 рабочим объёмом 1568 см3, как один из наиболее массовых двигателей, выпускаемых отечественной промышленностью.
2.2 Задачи.
2.2.1 Главной технологической задачей, решаемой в данной конструкторской разработке, является максимальное использование, унифицированных с базовым двигателем, сборочных единиц, комплектующих и отдельных деталей выпускаемых серийно предприятиями России и других государств. Это условие касается как используемых при конструировании деталей базовой системы газораспределения, так и двигателя ВАЗ-2106 в целом, его системы питания, системы смазки, пуска и электроснабжения. Достижение технологической задачи позволит решить главную финансово-экономическую задачу, повышение рентабельности разработки путём кардинального сокращения сроков освоения новой конструкции, включающее как изготовления опытного образца, так и запуск его в серийное производство.
2.2.2 Главной метрологической задачей при конструировании является сохранение рабочего объёма двигателя, рабочего диапазона частот вращения коленчатого вала, а так же степени сжатия (8,5 : 1), чем будет обеспечено точное сравнение энергетических показателей достигнутых в разработанной конструкции с базовым двигателем ВАЗ-2106. Учитывая данные условия, блок цилиндров, поршневая группа, а так же коленчатый вал базового двигателя будет сохранён в неизменном виде.
2.3 Пути решения.
Учитывая наложенные ограничения, для достижения поставленной в разработке технической цели - повышения мощности двигателя, были выбраны два направления конструктивной модернизации системы газораспределения.
2.3.1 Первое направление заключается в снижении потерь давления топливной смеси на впуске и отработавших газов на выпуске. Для их снижения необходимо решить несколько задач. Во-первых, максимально увеличить проходное сечение впускных и выпускных клапанов, при сохранении их хода (8,5 миллиметров) как у базового двигателя. Во-вторых, изменить конфигурацию каналов впуска и выпуска, уменьшая их кривизну, а значит и потери трения топливной смеси от местных сопротивлений в изгибах. В-третьих, уменьшить общую длину каналов впуска и выпуска для того, что бы снизить сопротивление трения о стенки каналов.
2.3.2 Второе направление модернизации заключается в интенсификации процесса перемешивания топлива и воздуха на тактах впуска, сжатия для получения максимально гомогенного состава топливной смеси и как следствие увеличения полноты сгорания топлива. Для этого необходимо: во-первых, разработать конструкцию впускных клапанов и камеры сгорания закручивающую топливную смесь на входе в цилиндр. Во-вторых, разработать механизм закрутки топливной смеси внутри цилиндра при сжатии. В-третьих, разработать конструкцию камеры сгорания, позволяющую реализовать процесс последовательного сжигания топливной смеси в зависимости от её состава и температуры подогрева.
Итогом решения всех технических задач стала оригинальная конструкция головки блока цилиндров. Под созданную конструкцию были разработаны специальные клапана, выпускной коллектор, а так же были разработаны все нестандартные комплектующие.
3. Особенности конструкции и рабочих процессов двигателя ВАЗ-2106 с “Модернизированной системой газораспределения”.
3.1 Особенности конструктивных элементов двигателя ВАЗ-2106 с “Модернизированной системой газораспределения”.
Головка блока. Головка блока цилиндров была разработана для работы с двумя распределительными валами двигателя ВАЗ-2106 (2101-1006010), условно названными впускным и выпускным. Каждый из них, воздействует только на четыре клапана, соответственно по одному впускному и одному выпускному на каждый цилиндр. Распределительные валы, размещённые в корпусе подшипников (2101-1006033), крепятся к головке блока цилиндров при помощи шпилек. При разработке конструкции был выбран больший, чем в стандартной головке блока двигателя ВАЗ-2106, угол развала клапанов, что позволило разместить в ней клапана значительно большего диаметра (44 миллиметра для впускного и 40 миллиметров для выпускного). Именно это решение, являющееся одним из базовых в данной конструкции, значительно увеличило максимальное проходное сечение клапанов и как следствие, обеспечило повышенное наполнение цилиндра топливной смесью и его очистку от продуктов сгорания.
Каналы впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов в головке цилиндров. При конструировании головки блока цилиндров, для улучшения наполнения цилиндров горючей смесью и очистки от отработанных газов, был разработан специальный профиль сечения впускных и выпускных каналов, что является ещё одним из базовых решений в данной конструкции. Он позволил реализовать так называемое тангенциальное закручивание потока, топливной смеси на выходе из впускного клапана в цилиндр двигателя. Кроме того, впускной и выпускной каналы проектировались с минимальной длиной, кривизной и как следствие поверхностью стенок, что позволило значительно снизить сопротивление трения потока горючей смеси на входе в цилиндр и выхлопных газов на выходе из него. Дополнительно, был конструктивно оптимизирован их угол наклона, по отношению к осям соответствующих клапанов.
Камера сгорания. Конструкцией, в модернизированной головке блока, над каждым цилиндром предусмотрены два углубления специальной формы. Первое, расположенное вблизи оси цилиндра, предназначено для впускного клапана. Второе, расположенное на периферии цилиндра, предназначено для выпускного клапана. Рядом с углублением под выпускной клапан, предусмотрено свечное отверстие. Конструкция предполагает соединение обоих углублений и свечного отверстия перемычкой в единый объём, образующий камеру сгорания. Перемычка представляет собой неглубокий канал, закрученный против направления вращения топливного заряда при впуске в цилиндр. Полученное конструктивное оформление дополнительно позволило получить достаточно малое отношение поверхности камеры сгорания к её объёму, что позволит снизить тепловые потери двигателя в систему охлаждения. Вытеснитель представляет собой расположенную над каждым цилиндром, абсолютно плоскую, за исключением углублений объединённых в камеру сгорания, поверхность разъёма головки блока
Система приготовления топливной смеси. Для приготовления топливной смеси, предполагается использовать карбюратор типа “Солекс” (ДААЗ-21053-1107010) с падающим потоком, используемый на двигателе ВАЗ-2106. Такое конструктивное решение обусловлено направлением потока топливной смеси в системе впуска, а так же специальной формой впускного коллектора. На карбюратор будут установлены корпус воздушного фильтра (2103-1109010-10) и фильтрующий элемент (2101-1109100-01). При модернизации конструкции предполагается использовать два карбюратора типа “Солекс”, устанавливаемые на автомобиль “Ока”, практически полностью отказаться от впускного коллектора, что особенно важно для быстроходных двигателей, а вместо двух стандартных фильтрующих элементов, для снижения потерь давления на впуске, установить так называемые “фильтры нулевого сопротивления”, работающие без корпусов.
Система выпуска отработанных газов. В конструкции предполагается использовать оригинальный выпускной коллектор, состоящий из четырёх индивидуальных выхлопных патрубков, сходящихся попарно 1-4 и 2-3 в приёмную трубу глушителя.
Система зажигания. На двигателе ВАЗ-2106 с “Модернизированной системой газораспределения”, по конструктивным особенностям, предполагается устанавливать электронную бесконтактную систему зажигания, устанавливаемую на двигателях семейства ВАЗ-2108. Датчик-распределитель зажигания будет установлен на передней стороне головки блока цилиндров. Привод от распределительного вала к датчику-распределителю осуществляется при помощи оригинальной переходной втулки закреплённой на звёздочке привода распределительного вала (21214-1006020). Свечи зажигания устанавливаются в вертикальных колодцах, специально спроектированных в модифицированной головке блока цилиндров.
3.2 Особенности рабочих процессов двигателя ВАЗ-2106 с “Модернизированной системой газораспределения”.
Первый такт - процесс наполнения. Благодаря конструкции впускных клапанов, камеры сгорания и впускных каналов в головке блока, топливная смесь, увлекаемая поршнем, движется по спирали вниз вокруг оси цилиндра. Таким образом, в конструкции реализуется тангенциальная закрутка потока топливной смеси. Так как впускной клапан расположен вблизи оси цилиндра, то и поступающая топливная смесь закручивается вокруг его оси, образуя максимально турбулизованный топливный “шнур”.
Второй такт – сжатие рабочей смеси. После прохождения поршнем нижней мёртвой точки и начала движения вверх, он сталкивается с набегающим по инерции потоком топливной смеси и отражает её вверх и к периферии цилиндра. В процессе дальнейшего движения поршня к верхней мёртвой точке он разгоняет и закручивает уже отражённый поток топливной смеси по периферии цилиндра. Вращающаяся, вокруг оси цилиндра и от центра к периферии, топливная смесь продолжает сворачиваться в вихревой шнур “торообразной” формы, вплоть до момента прихода поршня в верхнюю мёртвую точку. В этот момент топливная смесь под действием вытеснителя, дополнительно турбулизуясь, заполняет камеру сгорания.
Процесс сгорания. Свеча зажигания и выпускной клапан в разработанной конструкции смещены к периферии цилиндра, как раз в ту область, где в момент прихода поршня в верхнюю мёртвую точку фокусируются большая масса “топливного тора”. Благодаря этому, в первые моменты, после поджигания смеси, будет сгорать наибольшее количество наиболее подогретого, за счёт контакта с выпускным клапаном, топливного заряда. В верхней мёртвой точке объём камеры сгорания практически не меняется, и фронт горения смеси будет продвигаться только по соединительному каналу. Учитывая это, в последний момент будет сгорать сравнительно небольшое количество переохлаждённой топливной смеси, находящейся в самой удалённой от свечи зоне камеры сгорания, в районе впускного клапана, где имеется опасность детонации. Спроектированная таким образом камера сгорания обеспечивает мягкое сгорание без детонации и низкие тепловые потери.
Третий и четвёртый такты. Такт рабочего хода и такт выпуска отработавших газов, не имеют существенных особенностей по сравнению с тактами работы базового двигателя ВАЗ-2106.

4. Перспективы развития “Модернизированной системы газораспределения”.

Представленная автором-разработчиком “Модернизированная система газораспределения” позволяет решить задачу прямого впрыска топлива в цилиндры двигателя, используя традиционные форсунки низкого (3-4 атмосферы) давления, в отличие от иностранной системы Gasoline Direct Injection (GDI) использующей форсунки высокого (до 10 МПа и выше) давления. Для реализации такой системы, условно названной системой прямого впрыска низкого давления, Gasoline Direct Injection - Low Pressure (GDI - LP), необходимо реализовать всего два условия. Во-первых, необходимо подобрать форсунки с максимально узким факелом распыла топлива. Во-вторых, необходимо занести в электронную систему управления двигателем калибровки, которые бы как можно более точно синхронизировали время открытия топливной форсунки со временем полного открытия впускного клапана для соответствующего цилиндра. Выполнение этих условий обеспечит впрыскивание, через открытую клапанную щель непосредственно в цилиндр двигателя, примерно 80 - 85 % топлива, а так же обеспечит отсутствие топливной плёнки осевшей на стенках впускного канала и элементах клапана. Оставшиеся 15 - 20 % топлива будут затянуты в цилиндр двигателя струёй всасываемого воздуха в момент частичного открытия клапана. Для повышения вероятности, попадания этих оставшихся порций топлива непосредственно в цилиндр двигателя, перспективная конструкция головки блока для (GDI - LP), базирующаяся на разработанной базовой конструкции, предусматривает расположение форсунки таким образом, что бы биссектриса конуса распыла топлива как можно более точно совпадала с центром клапанной щели в момент его максимального открытия.
5. Результаты тепловых расчётов и сравнительный анализ.
На основании параметров базового двигателя и спроектированной “Модернизированной системы газораспределения” были произведены проектировочные тепловые расчёты для пятнадцати скоростных режимов работы. Полученные данные сравнивались с аналогичными данными базовых вариантов двигателя ВАЗ-2106 с карбюратором и распределённым впрыском топлива, а так же с данными по двигателям ВАЗ-21114 и ВАЗ-21124 выпускаемым отечественной промышленностью.
Характеристики базовых вариантов двигателя ВАЗ-2106 с карбюратором и распределённым впрыском топлива, а так же двигателей ВАЗ-21114 и ВАЗ-21124 получены из открытых публикаций по автомобилестроению, автомобильных журналов, руководств по эксплуатации, обслуживанию и ремонту автомобилей, а так же из рекламных проспектов ОАО “АвтоВАЗ”.
5.1 Карбюраторный двигатель рабочим объёмом1568 см3.
Номинальная мощность повысилась на 35,7 % - с 75,5 л.с. (55,5 кВт) до 102,46 л.с. (75,34 кВт) при 5400 об/мин.
Номинальный крутящий момент повысился на 24,5 % - с 116 Н*м (11,8 кгс*м) до 144,4 Н*м (14,72 кгс*м) при 3400 об/мин.
5.2 Двигатель с распределённым впрыском топлива рабочим объёмом1568 см3.
Номинальная мощность повысилась на 49,15 % - с 80 л.с. (58,8 кВт) до 119,32 л.с. (87,71 кВт) при 5200 об/мин.
Номинальный крутящий момент повысился на 25,65 % - с 131 Нм до 164,6 Нм при 3000 об/мин.
Полные данные расчётов, двигателя ВАЗ-2106 с “Модернизированной системой газораспределения” с карбюратором и распределённым впрыском топлива, представлены автором-разработчиком в полном варианте работы. Там же представлены внешние, скоростные характеристики этого двигателя в сравнении с аналогичными характеристиками базовых вариантов, выпускаемых отечественной промышленностью.
Выводы.
Итогом решения задач поставленных перед конструктором стала разработка “Модернизированной системы газораспределения”, названной автором “Свободное дыхание” (Free Breath system). Оригинальное название разработки продиктовано её главной технической особенностью. “Модернизированная система газораспределения” сконструирована таким образом, чтобы значительно снижать сопротивление, как для всасываемой в цилиндры топливной смеси, так и для выбрасываемых в атмосферу отработавших газов, то есть облегчает “дыхание” двигателя. Разработанная конструкция предназначена для оснащения существующих и перспективных Российских двигателей.
Разработчик стремиться привлечь внимание к инвестиционному проекту по её внедрению в производство как очевидными энергетическими преимуществами, подтверждёнными проектировочными расчётами, так и благоприятными организационными и технологическими факторами:
Во-первых, при разработке конструкции, огромное внимание было уделено повышению степени стандартизации элементов создаваемой двигательной установки, как с соответствующими элементами традиционной системы газораспределения, так и в целом по базовому двигателю ВАЗ-2106. В результате проведения технологической доводки степень стандартизации элементов двигательной установки была доведена до 85 %.
Ориентация на высокую степень стандартизации и конкретные производственные возможности позволяет в перспективе говорить о высокой рентабельности инвестиционного проекта.
Во-вторых, разработан перспективный план развития системы “Свободное дыхание” для двигателей семейств ВАЗ-2113-2115; ВАЗ-2110 – 2112.
В-третьих, заканчивается разработка, на современном компьютерном уровне, включая трёхмерное моделирование, комплекта основной конструкторской документации, который позволит изготовить, собрать и испытать, а так же подготовить к опытному промышленному производству “Модернизированную систему газораспределения” “Свободное дыхание”. Завершается подготовка программы испытаний опытного образца двигателя на моторном стенде. Конструкторская и прочая рабочая документация выполняется в двух вариантах, для карбюраторного двигателя и двигателя с распределённым впрыском топлива.
Высокие энергетические показатели разработанной конструкции и благоприятные организационно-технологические факторы говорят о том, что для запуска инвестиционного проекта по внедрению в производство всё готово.