VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

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.

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.

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 δ 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.

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 = ,

Рис.5

внутренний диаметр седла клапана d₀ = 75 мм., наружный диаметр седла клапана D = 88мм и ход клапана h = 40 мм, являющийся функцией от угла

поворота кривошипа , . 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 δ = 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].

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).

Рис.6

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

Код для цитирования: Скопировать