Войти
Проект-Технарь
Устройство авто.
Данный раздел посвещён вопросам устройства и экстплуатации авто
Здесь Вы сможете найти статьи по устройству, ремонту,
обсуживанию, также деталям и узлам авто.
Также можно найти классификацию нетрадиционных ДВС, их устройство и работу.
Наши контакты:
+7(903) 982 12 16, admin@studiplom.ru
Меню


Система скидок

Двигатели внутреннего сгорания с «гильзовым» и «шторковым» газораспределением.

Содержание

1. § Ввидение
2. § Четырехтактные двигатели с гильзовым газораспределением
3. § Двухтактные двигатели с гильзовым газораспределением
4. § Cубъективная реальность
5. § Шторковое газораспределение
6. § Гильзовое газораспределение для четырехтактных двигателей — образца 2004-2005 гг.

ВВЕДЕНИЕ

Движущаяся гильза, как противоположность обычному клапану появилась давно, еще в начале двадцатого века. В те времена механизмы газораспределения с тарельчатыми клапанами были чрезвычайно шумными. И, никому в то время еще не было известно, что причина шума скрывается в кулачках распредвала. В дальнейшем, найдя оптимальные формы кулачков с малыми скоростями посадки клапанов на седла — меньше 1 м/сек., удалось добиться приемлемого уровня шума в механизме газораспределения. А пока этого не было, появление гильзового газораспределения представляло большой интерес с точки зрения снижения шумности двигателя.

Первая, двойная возвратно-поступательная гильза была разработана компанией «Даймлер», а изобретена она была американцем Чарльзом Найтом. За ней последовало множество других аналогичных конструкций. Из их довольно многочисленного семейства самой надежной оказалась конструкция, запатентованная Бертом и Мак-Колумом.

В двигателе Найта использовались две концентричные возвратно-поступательные движущиеся гильзы. Они приводились в действие от промежуточного вала, вращающегося со скоростью вдвое меньшей, чем коленчатый вал. Этот механизм очень хорошо работал в двигателях с относительно небольшой мощностью, и широко использовался на дорогих комфортабельных автомобилях, где ценились бесшумность и удобства пассажиров. Но при попытках получить высокую литровую мощность, двигатели с двойной гильзой из-за масляного голодания развитых поверхностей трения становились причиной выхода из строя двигателя, и поэтому от них отказались довольно быстро.

В конструкции «Берт-Мак-Колум» использовавшихся на первых автомобилях фирмы «Агрилл», применялась одна гильза с комбинированным вращательным и возвратно-поступательным движением. Такое движение полностью решало проблему смазки, так как невозможно найти более идеального движения для распространения и механического распределения смазки между двумя трущимися поверхностями. Автомобили с подобными двигателями имели значительный коммерческий успех.

В начале 1914 года фирма «Агрилл» представила на конкурс двигателей для военной авиации шестицилиндровый рядный двигатель с гильзовым газораспределением. Двигатель показал хорошие результаты, но перед окончанием испытаний у него сломался коленвал,... что было скорее просто невезением, но из-за этого первая волна моторов с гильзовым газораспределением так и не смогла пробить себе дорогу в жизнь.

Спустя несколько лет в Англии работы по двигателям с гильзовым газораспределением возобновились вновь. Эти работы были поручены выходцу Кембриджского университета Г.Р. Рикардо (Sir Harry R. Ricardo). Этот выдающийся исследователь, именем которого впоследствии был назван национальный институт по проблематике двигателей внутреннего сгорания, в течение тридцати последующих лет проводил исследовательские работы по гильзовому газораспределению. Результаты этих исследовательских работ трудно переоценить даже в наше время. В дизельных версиях двигателей удавалось довести расход топлива до 154 г/л.с. час!, что и в настоящее время, спустя шестьдесят лет является если уже и не рекордными, то, по прежнему — исключительными показателями.

Последующий материал описан достаточно подробно с той целью, чтобы раскрыть суть проблемы и возможность закладывания основ дальнейшего развития очень перспективного направления, с учетом современных конструктивных и технологических достижений в этой области, а они конечно есть...

§ Четырехтактные двигатели с гильзовым газораспределением.

«... Первоначально, для проведения испытаний в 1921-22 г.г. в авиационном центре фирмы «Ройал» году были спроектирован и построены для проведения сравнительных испытаний два двигателя: один четырехклапанный двигатель, и другой довольно прочный одноцилиндровый одногильзовый четырехтактный двигатель диаметром 140 мм и ходом поршня 178 мм (Рис 1). При толщине гильзы 3.18 мм он развивал 1300 об/мин. Чугунная гильза приводилась в движение посредством консольного кривошипного пальца на валу, вращающегося в два раза медленнее коленчатого вала. Двигатель был снабжен тремя впускными и двумя выпускными окнами (Рис 2).

Рис 1 Рис2
Рис. 1 и 2

Полная проходная площадь как впускных, так и выпускных окон равнялась по площади четырехклапанной конструкции головки с тарельчатыми клапанами. Во время испытаний подтвердилось предположение, что благодаря более быстрому открыванию окон при гильзовом газораспределении необходимые фазы потребуются более узкие, чем в четырехклапанных головках.

При проведении сравнительных испытаний бензиновых двигателей выяснилось, что:

  1. При использовании одного моторного топлива, оптимальном опережении зажигания (в двигателях легкого топлива) и составе смеси, двигатель с тарельчатыми клапанами на режиме максимальной мощности работал на границе детонации. В то время как двигатель с гильзовым газораспределением не имел следов детонации даже при опережении зажигания, увеличенном до значения, вызывающего падение крутящего момента.
  2. В двигателе с тарельчатыми клапанами оптимальное опережение зажигания составляло 31°, а скорость нарастания давления около 1.76 кг/см 2 град. На двигателе же с гильзовым газораспределением оптимальное опережение зажигания равно только 14° до в.м.т., а скорость нарастания давления 3.16 кг/см 2 град. Из чего следовало, что у первого степень турбулизации была ниже, а у последнего даже выше оптимальной.
  3. Температура поршней при равновеликой мощности была значительно ниже у двигателя с гильзовым газораспределением.
  4. Механический КПД двигателя с гильзовым газораспределением был заметно выше, чем у двигателя с тарельчатыми клапанами, что явилось совершенно непредвиденным обстоятельством.
  5. Осмотр через открытые окна распределительной гильзы показал, что газы внутри цилиндра находились в состоянии быстрого вращения, так как искры от раскаленных частиц размельченного графита в виде черточек описывали траектории по окружности цилиндра.
  6. Двигатель с гильзовым газораспределением работал более устойчиво, чем двигатель с клапанами.
  7. Как и ожидалось, механический шум при гильзовом распределении был заметно меньше, тогда как шум от сгорания был явно больше, что явилось следствием большой скорости нарастания давления.
  8. Предусмотренная смазка гильзы оказалась не нужной, т.к. брызг от масляной системы кривошипных головок шатунов оказалось достаточно. При этом было установлено, что гильза равномерно смазана по всей площади окружности, как изнутри, так и снаружи гильзы, даже при резкой остановке двигателя на полной нагрузке.
  9. Расход масла в сравниваемых двигателях был почти одинаково низким.

Дополнительно выяснилось также, что в двигателе с гильзовым газораспределением можно поднять степень сжатия на единицу (до границы появления детонации), используя то же топливо, что и для двигателя с тарельчатыми клапанами. При работе на высоких давлениях и степени сжатия обнаружился прорыв газов через поршневые кольца. Первоначально кольца на поршне располагались в обычном порядке, с верхним кольцом на расстоянии примерно 12.7 мм. от днища. В этом положении они проходили окна в теле цилиндра, но не окна в гильзе, которые в в.м.т. при ходе сжатия уходят выше уплотнительных колец головки цилиндра (Рис 3).

Рис 3

Рис. 3

Оказалось, что при высоком давлении сгорания в дизельных двигателях гильза вспучивалась в сторону окон на величину местных деформаций, нарушая тем самым геометрию цилиндра. После изготовления нового поршня с первой поршневой канавкой ниже уровня окон, прорыв газов прекратился. Хотя это мероприятие себя и полностью оправдало, было установлено, что очень большое расстояние от кромки поршня до первого кольца тоже нежелательно. При работе с малой нагрузкой в течение длительного времени в этом промежутке откладывался нагар, который занимал большую часть зазора, затем, когда осуществлялся переход на полную мощность, расширение поршня приводило к плотному прилеганию головки поршня, что вызывало сильный задир, а иногда и заклинивание поршня.

В момент начала наполнения воздухом цилиндра двигателя впускные окна открываются посредством углового движения гильзы, а закрываются при ее движении вверх. В начальный период открытия поток направляется кромкой окна цилиндра только с одной стороны и поэтому воздух поступает наклонно, заставляя заряд вращаться в направлении противоположном вращению гильзы (Рис4).

Рис 4

Рис. 4

Этот тангенциальный вход устанавливает интенсивный вращающийся вихрь. Когда открытие увеличивается, эффект уменьшается, пока в конце периода он вообще не исчезает, и направление входа тогда определяется контуром канала, ведущего к окну. Изменение скорости в цилиндре модели при продувке с помощью анемометра показало результаты, соответствующие средней штриховой кривой 3 на рис 5. Две другие кривые показывают влияние дефлектора, установленного в трубопроводе: положение А для усиления и положение Б для ослабления начального вихря. В последнем случае наблюдалось, что воздушный вихрь в действительности в последней части периода впуска менял свое направление.

Рис 5

Рис. 5
Было установлено, что путем установки очень маленьких направляющих во впускном трубопроводе можно обеспечить полное управление воздушным вихрем. Для этого изготовили специальный анемометр, который устанавливался внутри камеры сгорания для записи средней скорости вращения воздуха при проворачивании вала. Отношение между скоростью анемометра и скоростью вращения коленчатого вала выражалось вихревым соотношением, т.е. если анемометр делает 4 оборота за один оборот коленвала, то вихревое соотношение равно 4. Было найдено, что оптимальное вихревое соотношение несколько отличается от первоначального, и находится в пределах 1.5-2. Одно это позволило:

  1. Увеличить среднее эффективное давление с 9,55 до 10,3 кг/см 2.
  2. Уменьшить расход топлива с 209 до 206 г/л.с. час.
  3. Увеличить угол опережения зажигания с 16° до 21°.
  4. Уменьшить общий поток теплоты в охлаждающую жидкость с 70% до 64% от теплоты, эффективной эквивалентной мощности.

Позднее было найдено, что при высоком вихревом отношении неиспаренные капли отбрасывались на стенки гильзы, стекали в картер и разбавляли смазочное масло: это было особенно заметно при применении топлив с относительно низкой летучестью. Что касается конструкции, были преодолены некоторые конструктивные затруднения, возникающие из-за залегания уплотниельных колец в головке цилиндров. После испытания многочисленных вариантов было выяснено, что наилучшие во всех отношениях результаты были получены при использовании обычных стандартных колец с концами, подвергнутыми термической обработке, и немного закругленными во избежание поломки при их прохождении окон гильзы. Их оптимальный рабочий зазор равнялся, приблизительно 0,005Д. Для уменьшения расхода масла внизу гильзы устанавливалось сжимающее маслосъемное кольцо. Оно оказалось вполне эффективным и оставляло еще достаточно масла для смазки наружной поверхности гильзы.

Вызывала недоумение высокая величина механического КПД установки, определенная по результатам проворачиванием и подтвержденная высокими действительными показателями, так как, не смотря на относительно тяжелые возвратно-поступательно движущиеся части, полное трение при проворачивании было меньше, чем у двигателя с тарельчатыми клапанами.

Трудно было предположить, что мощность, необходимая для привода гильзы, с ее очень большой трущейся поверхностью, может быть меньше совсем незначительной мощности затрачиваемой на привод клапанов.


((Перейти в начало страницы))


Было сделано предположение, что, причина повышенного механического КПД двигателя скрывается в самой гильзе. Ведь гильза движется относительно цилиндра всегда почти с одинаковой угловой скоростью, что является идеальным условием для жидкостной смазки и эта скорость относительно низкая. Казалось бы, потери на жидкостное трение на такой большой площади должны увеличиться. Кроме этого, при комбинированном воздействии газов, трение гильзы значительно увеличивается в определенные периоды цикла. Например, исследование зубьев шестерен привода гильзы показали заметно увеличенную нагрузку за период приблизительно в 120° угла поворота коленчатого вала; соответствующие приблизительно 30° градусам конца хода сжатия и 90° начала хода расширения. Подсчет показал, что упругая деформация тонкой гильзы при максимальных давлениях газа достаточна, чтобы выбрать все допускаемые рабочие зазоры, и что масляная пленка должна быть сильно нагружена в определенные периоды цикла. Тогда как исследования зубьев шестерен привода показало также, что увеличение нагрузки на зубья шестерен имело место и в периоды, когда поршень двигался в одном направлении с гильзой.

Предположения подтверждались и экспериментальными данными, движущаяся гильза — приводит к уменьшению трения поршней. Даже в то время было известно, что в обычном неподвижном цилиндре или гильзе смазка поршня и поршневых колец близка к граничной смазке на любом конце хода поршня. Т.е. когда относительная скорость движения между поршнем и цилиндром стремится к нулю, и что жидкостная смазка не возобновляется до тех пор, пока поршень не прошел некоторую часть своего хода. Поэтому при движении гильзы, даже в то время, когда поршень находится в покое, поддерживается жидкостное трение в продолжение всего цикла. Это подтверждается эксплуатацией тысяч авиационных двигателей и тем обстоятельством, что резко локализованный износ, всегда обнаруживаемый на гильзах в двигателях с тарельчатыми клапанами в местах остановки поршневых колец в в.м.т., отсутствует при гильзовом газораспределении.

Кроме того, более поздние исследования, когда была применена техника измерения температуры при помощи плавких вставок, подтвердили, что и температура поршней двигателей с гильзовым газораспределением и жидкостным охлаждением немного ниже, чем температура поршней двигателя с тарельчатыми клапанами той же самой мощности и размерности. На первый взгляд это может показаться неожиданным, если иметь в виду тот факт, что теплота от поршня к охлаждаемым стенкам цилиндра должна пройти через гильзу и масляную пленку.

Однако исследования потоков теплоты, выполненные при помощи термопар показали:

  1. При условии, что рабочий зазор между гильзой и цилиндром поддерживается малым, движущаяся масляная пленка является очень эффективным проводником теплоты.
  2. Движение гильзы очень эффективно способствует передаче теплоты от одной зоны цилиндра в другую и устранению локализованных зон высокой температуры; поэтому температурный градиент по длине цилиндра намного более плавный, чем в любом другом двигателе с неподвижной гильзой, и, следовательно, температурный перепад на границе вода- металл значительно ниже.
  3. На основе все тех же экспериментальных данных выяснилось, что передача теплоты от поршня к поворачивающей гильзе больше, чем к неподвижной гильзе.

Кроме этого, в двигателях с воспламенением от сжатия, головка цилиндра не загромождена клапанами, что дает полную свободу в выборе формы и объема камеры сгорания, и позволяет в широких пределах регулировать движение воздуха в цилиндрах.

Как известно в двигателях с воспламенением от сжатия давления сгорания намного выше, чем в двигателях с искровым зажиганием, и соответственно в первых же экспериментах, когда были получены давления порядка 84.5-105 кг/см2 произошли поломки чугунных гильз. Одну из гильз выдуло через одно из окон в цилиндре, а в другом случае гильза треснула от верхней кромки одного из окон до верхнего края. После замены чугунной гильзы на сталь поломки гильз прекратились. Не смотря на очень высокие давления газов, все же не было доказательств значительного трения гильзы, не было и каких либо признаков разрушения привода. И бензиновая и дизельные установки в дальнейшем показали очень высокие результаты. На бензиновой установке с октановым числом около 60 было достигнуто среднее эффективное давление 10.3 кг/см.2 с минимальным расходом топлива 202 г/л.с.ч ( 274г/кВт.час). А на двигателе с воспламенением от сжатия ИСО средним эффективным давлением 8.5 кг/см.2 на границе дымления и минимальный расход топлива 161 г/л.с.ч ( 219 г/кВт.час). Позднее на таком же, только многоцилиндровом двигателе был достигнут минимальный расход топлива всего 154 г/л.с.ч ( 209 г/кВт.час).»... это очень хорошие показатели и для современных дизельных двигателей.

«...Рассмотрим несколько подробнее распределительную гильзу и устройство ее окон.

Рис 6

Рис. 6

Как видно из рис.6 вертикальное движение гильзы определяется ходом кривошипа или коромысла, от которого она приводится. Угловое перемещение гильзы определяется расстоянием центра сферического шарнира от оси гильзы. Если сферический шарнир находится фактически на окружности гильзы, тогда движение любой точки гильзы происходило бы по окружности. Если же точка привода гильзы отодвинута от оси гильзы дальше, то движение гильзы становится все более эллиптическим с главной осью эллипса расположенной вертикально.

Следовательно, должно быть очевидным, что есть две переменных:

  1. вертикальный ход, определяющий высоту или глубину окон;
  2. угловое движение, которое влияет на ширину и, следовательно, на количество окон.

Поэтому полная располагаемая площадь окон обуславливается исключительно вертикальным движением. Следовательно, если на половину сокращается угловое перемещение, то можно использовать удвоенное их число. В практике, конечно, не желательно иметь много окон, как впрочем, и мало тоже. В практике, конечно, ширина любого окна должна быть такой, чтобы уплотнительные кольца головки цилиндра проходили их безопасно. И в случае высоких рабочих давлений, развиваемых двигателем, не происходило бы их выдувания через окна цилиндра — для этого оставалось бы достаточно места для опорных поверхностей. Так, например для восьми окон (три выпускных и пять впускных) требуется привод с достаточно узким эллипсом. В большинстве же случаев достаточно иметь всего пять окон (три впускных и два выпускных), тем более, что такая комбинация соответствует самому простому кривошипному приводу. Одно окно в гильзе используется как окно общего назначения.

На рис.6 показано типичное расположение окон вместе с диаграммой открытия окон цилиндра и гильзы с тремя впускными и двумя выпускными окнами. D-наружный диаметр гильзы; φ-угол поворота гильзы, равный 43,6°; Sг — вертикальный ход гильзы; hв — высота выпускного окна; hn — высота впускного окна.

Фазы открытия окон в градусах коленчатого вала следующие:

о.вп. — открытие впускного 25° до в.м.т.
з.вп.- закрытие впускного 50° после в.м.т.
о.вх.- открытие выпускного 65° до н.м.т.
з.вх.- закрытие выпускного 25° после в.м.т.
Для бензинового двигателя с Dцил. = 68.5 мм и ходом поршня L = 90 мм и с максимальными оборотами 6000 об/мин., использовалась гильза толщиной всего S = 1,27 мм.

В дальнейшем, на базе экспериментальных установок были выпущены 6-цилиндровые автомобильные двигатели фирмы Воксхолл, а также фирм Бристоль, Центаурус, авиационные двигатели «Геркулес« (Рис.7), Впоследствии двигатель фирмы Нэпир — «Сэйбрл», а еще позднее двигатель от фирмы Роллс-Ройс — «Игл», и т.д.

Следующим шагом в развитии двигателей с гильзовым газораспределением стала разработка и испытания конструкций с алюминиевыми цилиндрами и блоками (в то время еще только начинали появляться кремнисто-алюминиевые сплавы). Больше всего сомнений было в значительных тепловых расширениях цилиндров двигателя. Необходимо было обеспечить надлежащий рабочий зазор между гильзой и цилиндром, чтобы можно было пустить двигатель из холодного состояния при самой низкой окружающей температуре. И здесь важна не относительная, а абсолютная величина теплового зазора. На двигателях с диаметром цилиндров до 127 мм и стальной гильзе это условия были вполне приемлемыми, и обеспечивали практически безисносную работу двигателя в течение длительного времени.

Требования снижения веса, особенно для авиационных двигателей потребовало особого подбора материалов для пары поршень-гильза-блок. Требовались алюминиевые сплавы для блока, что было конечно самым перспективным направлением, особенно кремнисто-алюминиевые композиции (сплавы типа АК 4), но это то и составляло одну из основных сложностей при постройке двигателя с гильзовым газораспределением. А для двигателей с воздушным охлаждением, где теплонапряженность гораздо выше, эта проблема стояла еще острее.

При постройке двигателя из легкого сплава с воздушным охлаждением гильзы стали изготавливать из аустенитной стали; при таком сочетании материалов разница в тепловом расширении цилиндра и гильзы уменьшилась примерно от 2,6 : 1 при обычном алюминиевом сплаве и обычной углеродистой стали приблизительно до 1,3 : 1. Но аустенитная сталь в качестве материала для трущейся поверхности оказалась неудовлетворительной. В то время как наружная поверхность достаточно хорошо работала по поверхности цилиндра, она не отвечала требованиям работы поршневых колец, которые сильно срабатывались, а на гильзе и юбке поршня образовывались сильные задиры. Накатка, дробеструйка, и хромирование ничего не улучшило, поэтому было принято решение временно перейти на толстостенные чугуны, которые можно азотировать. Впоследствии фирма Бристоль, которая занималась этой проблемой, смогла преодолеть основные сложности при мехобработке и закалке, после которой происходило искривления гильзы. Отшлифованная чистая и очень твердая поверхность затрудняла смазку из-за недостатка смачивания поверхности, что представляло новую проблему, которую вновь удалось решить применением технологии «сатин-финиш», аналога современного хонингования с последующим суперфинишированием.

После устранения этих трудностей отлитая центробежным способом азотированная гильза из аустенитной стали, оказалась наилучшей во всех отношениях для всех двигателей с гильзовым газораспределением, в том числе и для двигателей с воздушным охлаждением. Единственным недостатком является ее низкая теплопроводность.

Двигатели с воспламенением от сжатия также обладали не плохими весовыми показателями. Так еще в 1930 году фирма Роллс-ройс на двигателе «Кестрелл» при весе 336 кг развивал максимальную мощность в 340 л.с. при расходе 172 г/л.с.ч (234 г/кВт.ч), что еще не являлось окончательным решением. Несколько лет спустя этот двигатель был установлен на гоночный автомобиль установивший мировой рекорд скорости в 270 км/час, лучший для дизельного двигателя того времени».

§ Гильзовое газораспределение для четырехтактных двигателей — образца 2004-2005г.г.

Мы подошли, как и было обещано, к современному взгляду на привод гильзы с комбинированным движением в цилиндре, с траекторией, которая обеспечит наилучшие условия смазке и движению гильзы.

Как было описано ранее, вовсе не обязательно гильзе со скомбинированным движением сообщать равные пути по двум координатам, т.е. изображать видимость окружности. Оптимальным решением надо признать привод гильзы с эллипсной траекторией движения использованной ранее для двухтактных моторов, в них, отношение высоты хода гильзы к ее ширине приблизительно равнялось следующей пропорции 5:1 (~ 20%).

Что сегодня может предложить «наука» для нахождения оптимального решения по данному вопросу... Идущий вдоль основания цилиндров эксцентриковый вал (по эксцентрику на цилиндр) должен обеспечить нужную нам эллипсную траекторию движения гильз с помощью промежуточного элемента. И такой промежуточный элемент найден. Его изображение можно увидеть на рис. 13.

 

Содержание

1. § Ввидение
2. § Четырехтактные двигатели с гильзовым газораспределением
3. § Двухтактные двигатели с гильзовым газораспределением
4. § Cубъективная реальность
5. § Шторковое газораспределение
6. § Гильзовое газораспределение для четырехтактных двигателей — образца 2004-2005 гг.

По страницам - volnovoidvigatel.ru