Меню Закрыть

Какие особенности конструкции двигателя внутреннего сгорания делают: какие особенности конструкции двигателя внутреннего сгорания делают вращение вала двигателя

Содержание

какие особенности конструкции двигателя внутреннего сгорания делают вращение вала двигателя

[3] 11. Вода объемом 2 л налита в сосуд и имеет температуру 10 °С. а) Определите массу воды. (р = 1000 кг/м?) [2] Б) Определите, какое количество тепл … оты необходимо, чтобы нагреть воду до температуры кипения. (с = 4200 Дж/(кг •°С)). [2] c) Вычислите, какое количество теплоты необходимо, чтобы воду превратить в пар (r = 2,3-10° Дж/кг). [2] d) Вычислите общее количество теплоты, которое было затрачено. [1] Всего: (25)

8. Автобус движется со скоростью 18 км / ч. Его исходное положение хо= 1 м. а) напишите уравнение движения автобуса б) заполните таблицу с) постройте … график зависимости координаты от времени

Памагите сочь по естесвознание пж быстра​

на будівництві проходить дорога по якій з інтервалом t=11 рухаються самоскиди з швидкістю v=5м/с.двоє робітників несуть перпендикулярно до дороги труб … у довжиною l=6,5м і повинні перетнути з нею дорогу. з якою мінімальною швидкістю можуть рухатися робітники ,щоб не перешкодити руху сасоскидів?довжина і ширина самоскида дорівнюють а=10м і b=2,5м відповідно​

3. Укажіть тіло, яке має Варіант 1 найбільшу масу, якщо всі тіла виго- товлені з однакового матеріалу. Q SIIT II о! Δt

Троллейбус выгружал пассажиров с остановки. Возбуждение изменяло скорость до 30 мега за 25 с. Троллейбус Рассчитать ускорение​

4 Как будет выглядеть график зависи- мости пути от времени для тела, кото- рое двигалось 15 с со скоростью 4 м/с, затем в течение 20 с стояло, после … чего проехало еще 10 с со скоростью 10 м/с. В том же направлении?

6. Які твердження є правильними? (декілька правильних відповідей) (2 бали) а) Координати точки залежать від вибору системи відліку б) Рівномірний рух … – найпоширеніший серед механічних рухів в) Рух різних точок тіла завжди відбувається по однакових траєкторіях г) У природі існують тіла, які нерухомі відносно будь-яких тіл д) Переміщення — векторна величина е) Шлях, який проходить матеріальна точка, завжди дорівнює довжині траєкторії її руху €) Під час польоту траєкторією руху точки на лопаті гвинта вертольота відносно пілота є коло​

Найти количество теплоты которое потребуется для на грева меди на 30 градусов Цельсия. Масса меди 1,5кг ​

Help me Наибольшая масса груза, который можно перевезти с помощью машины, составляет 6 т. Груз состоит из листов железа шириной 80 см, длиной 3 м и то … лщиной 4 мм. Укажи максимальное количество листов для перевозки. Ответ: количество листов железа равно шт.

Шатун двигателя внутреннего сгорания: конструкция, назначение, из чего делают шатуны

Шатун – это соединительная деталь между коленвалом и поршнем, основное назначение которой является преобразование поступательных движений поршня внутри цилиндра во вращательные движения коленчатого вала, с которого вращение передается на колеса автомобиля через трансмиссию.

Конструкция шатуна

Особенности конструкции шатунов напрямую зависят от типа мотора и схемы его компоновки. Так для бензиновых двигателей используются легкие шатуны, в дизелях — тяжелые.

Основные элементы шатуна – стержень, верхняя поршневая головка, нижняя кривошипная головка.

Поршневая головка соединена со стержнем поршневым пальцем, кривошипная головка – с шейкой коленвала.

Стержень

Данная деталь шатуна может иметь различный тип сечения, которое может быть похоже на прямоугольник, на круг, крест или может быты Н-образным. Некоторые типы двигателей оснащаются шатунами, в которых стержни имеют небольшую масляную канавку для своевременной подачи масла в поршневую головку.

В большинстве случаев верхний отдел кривошипной головки оснащается маленьким отверстием для разбрызгивания масла во внутренних полостях поршня и цилиндра.

Поршневая головка

Поршневая головка размещена вверху и является неразъемным шатунным элементом, конструкция которого напрямую зависит от метода установки поршневого пальца.

В двигателях, в которых установлен палец фиксированного типа, поршневая головка имеет специальное цилиндрическое отверстие для его установки. В ДВС с пальцем плавающего типа, такая головка комплектуется бронзовой или биметаллической втулкой.

В тех моделях двигателей, которые используют плавающий палец, но втулка не предусмотрена, вращательные движения пальца осуществляются в соответствующем отверстии головки.

С целью снижения значительных нагрузок на палец, некоторые модели ДВС комплектуются шатунами с поршневыми головками в форме трапеции.

Кривошипная головка

Головка шатуна, которая расположена внизу отличается разборной конструкцией, основным назначением которой является соединение двух механизмов – коленвала и самого шатуна.

Головка состоит из верхней части и крышки, которая крепится к шатуну крепежными болтами. Кроме всего прочего такая головка может иметь два типа разъемов по отношению к стержневой оси — косой (выполненный под углом) и прямой (выполненный перпендикулярно).

Длина цилиндрового блока зависит от толщины нижней головки. В головке  устанавливаются тонкие вкладыши подшипника скольжения, которые могут иметь от 2-х до 5-ти слоев, изготовленных из стальных полос, внутренняя часть которых покрывается защитным антифрикционным составом, соответствующим определенному типу двигателя.

Как правило, в современных ДВС применяются вкладыши, состоящие из 2-х и 3-х слоев. В двухслойном вкладыше на металлическую основу просто наносится слой антифрикционного состава, а в трехслойном вкладыше добавляется еще и изоляционный слой.

Чтобы снизить вибрации и шумы при работе двигателя, все установленные шатуны, а также их составные части должны иметь равную массу. Это значит, что в одном шатуне масса отдельной его детали должна быть одинаковой по отношению к массе аналогичной детали в другом шатуне.

Например, если масса стержня одного шатуна составляет 50 г., в таком случае во всех остальных шатунах стержни должны иметь аналогичную массу.

Подгонка массы шатунов происходит путем снятия тонкого металлического слоя с бобышек, которые располагаются на верхних шатунных головках. В некоторых случаях подобные бобышки находятся на шатунном стержне или нижней части поршневой головки.

Материалы для производства шатунов

Шатуны производятся двумя способами — штамповкой из высокопрочной стали или литьем из чугуна. В дизелях применяются шатуны, изготовленные из легированной стали методом ковки или горячей штамповки.

В некоторых видах бензиновых двигателей устанавливаются шатуны, производимые из порошкообразных металлов методом спекания.

Из-за напряженных условий работы данная деталь КШМ должна отличаться надежностью, долговечностью и износостойкостью.

Особое внимание уделяется не только изготовлению шатунов, но и болтов крепления. Для производства болтов используются легированные виды стали, обладающие высоким коэффициентом текучести, что в несколько раз выше, чем у высокоуглеродистых сталей.

Оппозитный двигатель: конструктивные особенности, применение

Двигатель напоминает классическое устройство внутреннего сгорания. Имеет 1 коленвал и в каждом цилиндре по 2 поршня (они, в отличие от подобных, двигаются навстречу друг другу). Такой механизм до сих пор считается революционным изобретением.

Конструкция и особенности работы

Особенность оппозитного двигателя заключается в том, что поршни внутри цилиндров двигаются не вертикально, а горизонтально. При этом внутри каждого цилиндра располагаются по 2 поршня, которые перемещаются навстречу друг-другу, как боксерские перчатки. В результате его стали называть «боксерским двигателем».

Начало работы положено российским инженером Огнеславом Степановичем Костовичем. Его проект стал опорой для дирижабля «Россия». Но брэнд так и не получил распространение, потому что цилиндры в моторе — раздельные. Но идею подхватили и механизм развивался.

И первая «оросная» система сконструирована в 1893 — 1930 гг. Здесь постаралась французская Gobron-Brille. Они соединили цилиндры и смонтировали устройство таким образом, что они работали на 1 коленвал. Новинка заинтересовала других гигантов автомобилестроения.

В начале XX века еще один инженер из Советского Союза изобрел первый двухтактный двигатель. В России про изобретение забыли, но оно нашло поклонников за границей.

Механизмы подходили для военной техники, но в то время для транспорта они были слишком неудобными. Такой двигатель отличался огромными габаритами. Поэтому его использовали только для тяжелой артиллерии, дизельных паровозов и танков.

Еще один минус прошлых «боксеров» — это нечистый выхлоп и низкий срок службы.

Первый настоящий оппозитный двигатель появился в 1938 г., благодаря компании Volkswagen. В его устройстве были вмонтированы 4 цилиндра (2 л. объема). Мощность достигала 150 л.с. С тех пор оппозитный двигатель используют брендовые фирмы: «Subaru» и «Porshe». Благодаря усиленной работе мотора, его устанавливают на мощные автобусы, например, Икарусы.

Благодаря технологиям удалось исправить все недостатки, которые имел оппозиционник прошлого столетия.

Тестовый вариант оснащали одним цилиндром. После первых испытаний увеличение мощности производилось простым решением — увеличением количества цилиндров. Но из-за особенностей устройства вертикально расположить их никак не получалось. И было принято революционное решение — расположить их горизонтально, чтобы сэкономить на площади.

Принцип работы

Одна пара поршней двигается в горизонтальном положении. В соседнем цилиндре происходит аналогичный процесс. Количество цилиндров в одном моторе насчитывается от 2 до 12 шт. Распространенными моделями считаются двигатели, работающие на 4 и 6 цилиндрах. Спортивные модели оснащаются в количестве от 8 до 12 шт.

При тестировании оппозитных двигателей было выявлено, что модели с 2 или 4 цилиндрами работают точно так же, как и обычные внутреннего сгорания. Но исключительные особенности показал шестицилиндровый.

Виды оппозитных двигателей

Идеальное решение повлекло за собой ряд техногенных инноваций. Каждая компания решила привнести свой вклад в развитие этой идеи. Таким образом, оппозитный двигатель получил разновидности.

Классический боксер

Самая первая разработка, которая получила большую популярность на автомобильном рынке. Оба цилиндра располагаются на одинаковом расстоянии — максимально далеко от оси двигателя. Этот принцип дал начало всем остальным моделям и применяется до сих пор.

Орос

В свое время от такого изобретения отказались, но всем знаменитый Билл Гейтс начал вкладывать финансы в проект и он вновь ожил. Отличается он от своих собратьев тем, что является двухтактным. В одном цилиндре находятся по 2 поршня. Один впускает смесь, а другой, наоборот, выпускает. Они работают на одном коленвале.

У оппозитного двигателя убрали головку, что улучшило работу системы и снизило массу устройства. Теперь все поршни функционируют в одном коленчатом валу. Это дает следующие преимущества:

  1. Поршни проходят минимальное расстояние, следовательно, сила трения снижается, детали не так изнашиваются.
  2. Эффективность механизма увеличивается, так как отработанные газы давят на поршни и не попадают в камеру сгорания.
  3. Обладает меньшим весом, чем стандартный «боксер».
  4. Количество деталей стало меньше. В среднем оно уменьшилось в 2 раза.
  5. Экономность системы.
  6. Система привода клапанов отсутствует.
  7. Под капотом появилась возможность размесить больше других устройств.

Механизм на стадии разработки, поэтому при покупке этого вида двигателя могут возникнуть осложнения.

Оппозитный танковый двигатель

Этот вид оппозиционника был разработан специально для танков. Модель называлась 5ТДФ. Его устанавливали, например, на Т-64. В задачу входило обеспечение максимальной мощности для тяжелой военной техники.

Система работает следующим образом. Как и у других моделей, в каждом цилиндре находятся по 2 поршня, работающие по принципу «боксера». Но главным отличием этого устройства является то, что каждый цилиндр работает с отдельным коленвалом.

Для разных целей были разработаны бензиновые и дизельные аналоги. Чтобы отработанные газы и воздух попадали в цилиндры, система использует турбонаддув.

Преимущества

Достоинства у такого двигателя впечатляют.

  1. Устойчивость достигается смещением центра тяжести.
  2. Мощность превышает однопоршневые аналоги при правильной эксплуатации.
  3. Вибрация в двигателе значительно ниже.
  4. Даже классическая модель весит гораздо меньше, чем обычный мотор.
  5. Габариты меньше.
  6. Разнообразие моделей позволяет установить его как на легковые автомобили, так и на тяжелые танки.

Недостатки

На первый взгляд преимущество у двигателя налицо. Но у него есть и недостатки.

  1. Обслуживать его могут только профессионалы.
  2. Все детали дорогие и их тяжело достать.
  3. Завышенная цена на монтаж силовой установки.
  4. Конструкция очень сложная в эксплуатации.
  5. Во время работы тратит масла в полтора раза больше.

Но, несмотря на минусы, автомобильные компании выбирают именно этот вид. Хорошая производительность и возможности перевешивают все негативные моменты.

Нюансы ремонта

Достоинства замечают, когда в двигателе 6 цилиндров. Если оппозитный располагает 2 ли 4 цилиндрами, то он ничем не отличается от двигателя внутреннего сгорания.

Чтобы механизм прослужил долго, не следует производить ремонт самостоятельно. Самому можно произвести только замену масла. Но даже полный ремонт необходимо проходить на СТО со специальным оборудованием.

Для долгой службы двигателя, следует периодически проводить профилактические работы, которые называют раскоксовкой. Это процедура, которая очищает поверхность внутренних деталей от нагара. Засоряются поршни, клапаны и внешняя часть камеры сгорания. Лучше делать ее осенью или весной, вместе с проверкой масла.

Сфера применения

Сложный механизм используют для повышения мощности автомобиля. Это необходимо спортивным или гоночным автомобилям, типа Формулы-1.

Пассажирские автобусы должны беспрепятственно поднимать в гору груз. Компания Икарус воспользовалась оппозитным двигателем, чтобы их транспорт мог перемещаться как по городским трассам, так и по горным дорогам.

В военной промышленности эти устройства играют свою роль, т.к. их устройства позволяют перемещать тяжелую артиллерию и без проблем делать маневр для танковой дивизии.

Автомобильные брэнды, на этом этапе экспериментируют с разными видами двигателя, устанавливая в свои модели автомобилей. Некоторые производители предлагают сделать выбор самому покупателю.

Оппозитные двигатели за своей спиной имеют многолетнюю историю. В отличие от обыкновенного внутреннего сгорания, они более легкие, имеют меньше деталей, но вырабатывают больше лошадиных сил. Они только начинают развиваться и стоимость превосходит классические аналоги, а ремонт приходится проводить на специальных СТО. Но его недостатки перебивают достоинства, например — скорость и мощность. Поэтому свою популярность двигатели получили в военной промышленности и на спортивных автомобилях.

Самый большой двигатель внутреннего сгорания

Начнем с того, что ДВС большого размера с огромной мощностью используются в качестве основной силовой установки на судах. Речь идет о судовых дизельных двигателях. На различных судах можно встретить множество вариантов таких дизелей, однако особого внимания заслуживает двигатель компании Wartsila-Sulzer, а точнее модель RTA96-C.

Сразу отметим, указанный агрегат сегодня по праву можно считать самым большим и самым мощным двигателем в мире, также установка имеет самый большой рабочий объем и размеры двигателя по сравнению со схожими аналогами. Итак, обо всем по порядку.

Содержание статьи

Дизель-гигант: характеристики

Финский производитель Wartsila занимает лидирующие позиции среди компаний, которые специализируются на разработке и выпуске судовых дизелей. Агрегаты обладают высокой единичной мощностью.

Первый двигатель Wartsila — Sulzer с индексом RTA96-C получил 11 цилиндров и появился еще в 90-х годах. ДВС представляет собой двухтактный судовой дизель и был собран на мощностях японской компании Diesel United.

Затем в 2002 году было заявлено о доступности версии с 14 цилиндрами. Добавим, что сегодня компания изготавливает несколько вариантов подобных ДВС. Главным отличием является количество цилиндров, которых может быть от 6 до 14, тогда как общая конструкция практически одинаковая. Примечательно то, что диаметр цилиндра в таком ДВС составляет 960 мм, а ход поршня целых 2.5 метра.

Что касается рабочего объема, то показатель зафиксирован на отметке 1820 л. Как правило, указанный дизель с разным количеством цилиндров ставится на большие суда с вместительностью около 8 000 или 10 000 тонн, которые перевозят контейнеры (контейнеровоз). Указанный судовой дизель-генератор является основной силовой установкой, позволяя судну развить скорость в 25 узлов, что составляет чуть более 45 км/ч.

Общая мощность RTA96-C находится на отметке 108920 л.с. при рабочем объёме 25480 литров. Если же рассматривать мощность такого дизеля при пересчете на 1 литр топлива, получается чуть более 4 л.с. на литр горючего. На первый взгляд, это совсем немного. Более того, ни для кого не секрет, что производители автомобильных двигателей уже давно снимают с 1 литра не менее сотни «лошадок».

Однако важно понимать, что сниженная мощность при таком рабочем объеме является намеренным шагом. Дело в том, что судовой дизель «тихоходный» и очень надежный, обороты коленвала при выходе на максимальную мощность имеют частоту всего 102 об/мин, тогда как автомобильные дизельные ДВС вращаются с частотой около 3-4 тыс. об/мин.

Такая медленная и спокойная работа агрегата на судне позволяет добиться улучшенного наполнения и вентиляции огромных цилиндров, скорость движения поршня также невелика, однако мотор при этом отличается неплохим КПД. На практике это значит, что расход топлива в этом двигателе во всех режимах составляет 118-126 граммов дизтоплива на 1 л.с. в час. Этот показатель фактически в полтора или даже два раза ниже сравнительно с дизелями на авто.

Кстати, максимальный крутящий момент составляет 7 907 720 Нм при 102 об/мин. Расход горючего зафиксирован на отметке больше 6 283 литров в час. Однако когда такой дизель не нагружен или нагружен только частично, показатель КПД составляет около 50%, а также не сильно снижается и при полной нагрузке.

Еще важно учитывать, что судовой дизель получает менее «энергоемкое» топливо, чем автомобильные ДВС. Простыми словами, после сжигания 1 литра очищенной солярки, которую мы привыкли заливать в автомобиль на АЗС, полезной энергии выделится намного больше сравнительно с тяжелым дизтопливом для морских судов.

Также добавим, что модель Wartsila — Sulzer 14RTA96-C (14-цилиндровая версия) имеет вес в 2 тысячи 300 тонн, причем это «чистый» вес, то есть без учета моторного масла и других техжидкостей, которые дополнительно заливаются в агрегат. Только один коленчатый вал этого гиганта весит 300 тонн. В длину установка имеет 26.7 м, а по высоте показатель составляет 13.2 метра.

Особенности конструкции

Если говорить о конструктивных особенностях, примечательно то, что в каждом отдельном цилиндре такого судового дизельного двигателя имеется один большой клапан. Указанный клапан располагается прямо в центре камеры сгорания. Параллельно установлены еще три небольших клапана, которые выполняют функцию форсунок.

Получается, большой клапан выпускной и служит для выпуска отработавших газов из цилиндра, а через меньшие по размеру клапаны поступает солярка. Через выпускные клапаны отработавшие газы из всех цилиндров попадают в выпускной коллектор, затем поступают в 4 турбокомпрессора.

Компрессоры нагнетают воздух, пропуская его через охладители, к специальным «окнам», которые выполнены внизу цилиндра. Эти окна открываются в тот момент, когда поршень доходит до НМТ (нижняя мертвая точка) и пропускают воздух. Еще для передачи усилия от поршня на коленвал используется специальный (крейцкопфный) механизм. Данное решение позволяет продлить срок службы подобного ДВС и увеличить его ресурс, а также снизить вес агрегата.

Такой подход полностью оправдан с учетом особенности воспламенения топлива в дизеле, высоких нагрузок на дизельный двигатель, вибронагруженности установки и необходимости обеспечить максимальную  долговечность. Все детали, из которых изготовлен самый большой двигатель, выполнены с использованием проверенных и прочных металлов. Традиционными решениями выступают чугун и сталь.

Что в итоге

Напоследок добавим, несмотря на большой успех в области производства сверхмощных судовых дизелей, инженеры компании Wartsila и далее не намерены останавливаться на достигнутом результате.

Доказательством служит информация о том, что ведутся работы над созданием еще более мощных судовых двигателей внутреннего сгорания. Например, уже обнародованы заявления о разработке судового дизеля с 18 цилиндрами.

Это значит, что в скором времени на фоне уже имеющихся в линейке дизель-генераторов появится еще более мощный ДВС с впечатляющими габаритами и характеристиками. Другими словами, скоро очередной самый большой двигатель в мире будет сдан в эксплуатацию.

Читайте также

Чайнов Н.Д. — Конструирование двигателей внутреннего сгорания — PDF, страница 73

Дляуменьшения крутящего момента,нагружающего при затяжке болт,поверхность имеет плоский стык скартером, заменивший применявшиеся ранее шлицы.9.1.4. Особенности конструкцийэлементов остова малооборотныхсудовых и стационарных двигателейОстовы крупных крейцкопфныхсудовых двигателей имеют существенные особенности конструкции.Наличие крейцкопфа увеличиваетвысоту двигателя, а большие диаметры цилиндра D, достигающие1 м и более, делают отдельные детали остова (корпуса) очень громоздкими. Поэтому в этом случае применение блоккартерной конструкции нерационально ни в смыслеизготовления и транспортировки,ни в смысле сборки и ремонта.

Остовы малооборотных крейцкопфных двигателей выполняют составными, состоящими из следующихосновных элементов: фундаментной рамы со встроенными упорными подшипниками и привареннымподдоном, картера (станины колонного типа с присоединеннымибоковыми листами) или картернойкоробки и блока цилиндров. Всясистема перечисленных деталейскреплена анкерными связями. Востове предусматривается опорныйэлемент (лапы или нижняя плитафундаментной рамы), которымидвигатель крепится к продольнымбалкам, непосредственно связанными с набором корпуса судна(или фундамента). Так как малооборотные двухтактные крейцкопфные двигатели (МОД) выпускаются в рядном исполнении, ачисло цилиндров может быть достаточно велико, каждый элементостова состоит из нескольких секций, относящихся к двум–четыремцилиндрам, соединенных болтамии призонными шпильками.Фундаментная рама.

Являясьальтернативным решением несущему картеру с подвесными опорами коленчатого вала, она совместно с картером обеспечивает необходимую продольную и поперечную жесткость всего двигателя.Фундаментную раму применяютповсеместно в МОД, а в ряде случаев и в среднеоборотных двигателях (СОД). В случае выполнениякартеров в виде Аобразных стоек сприсоединенными боковыми листами (щитами) применяют фундаментную раму высотой, достаточной для обеспечения необходимой352Рис. 9.9.

Сварная рама малооборотного крейцкопфного двухтактного дизеля:1 – продольная балка; 2 – поперечная опора рамового (коренного) подшипника; 3 – постельрамового подшипникапродольной жесткости корпуса. Втронковых СОД фундаментная рама имеет относительно небольшуювысоту и крепится к картеру анкерными связями.Фундаментные рамы выполняют литыми из серого чугуна, сварными или сварнолитыми из малоуглеродистых сталей.

Масса сварных и сварнолитых рам меньшемассы литых на 20–25 %. Крометого, сварнолитые рамы имеютменьший брак при изготовлениипо сравнению с литыми из чугунаНа рис. 9.9 показана сварная рама малооборотного крейцкопфногодвухтактного дизеля. Рама состоитиз двух продольных балок 1, с которыми связаны поперечные опоры 2,расположенные между цилиндрами,и несущие коренные подшипникиколенчатого вала в постелях 3.Крышки подшипников изготавливают из того же материала, что и раму.

Крышки затягивают шпильками, ввернутыми в поперечные стойки рамы, а также болтами или домкратами. Плоскость разъема с картером находится выше оси коленчатого вала, что уменьшает деформацию подшипникового узла. К нижней части рамы присоединен, какправило, неподвижно маслосборник, повышающий ее изгибную жесткость. В табл. 9.1 приведены соотношения размеров элементов фундаментных рам.Постоянное повышение уровняфорсирования МОД и СОД посреднему эффективному давлениюи максимальному давлению циклатребует упрочнения всех элементовостова и, прежде всего, фундаментной рамы.

Снижение массы рамыпри условии детального анализараспределения и уровня максимальных напряжений достигаетсяпри применении решетчатой конструкции, представляющей каркасиз отдельных балок, расположенных в направлении действия максимальных усилий. Такие рамыоказываются на 30 % и более легчеи одновременно жестче традиционных конструкций. С переходом насварные и сварнолитые конструкции рам и других элементов остовав ряде случаев отказываются отприменения длинных анкерныхсвязей, связанного с большимитрудоемкостью и стоимостью. Приэтом используют короткие анкерные связи, соединяющие фундаментную раму с картерной коробкой. Возможно применение сварных рамкартеров, обеспечиваю3539.1.

Размеры элементов фундаментных рам двигателейДвигателиНаименованиемалооборотные среднеоборотныеШирина(2,4–2,8)S(2,4–2,5)SВысота(1,2–1,4)S(0,6–0,9)SДлина(1,05–1,20)iLТолщина горизонтальных стенок:литых(0,15–0,18)d1сварных(0,08–0,10)d1(0,04–0,06)DТолщина вертикальных стенок:литых(0,07–0,08)d1сварных(0,05–0,06)d1(0,025–0,040)DРасстояние между анкерными связями(2,0–2,5)d1(1,5–2,0)d1Диаметр анкерных связей(0,11–0,13)DДиаметр шпилек крепления крышек рамовых подшипников(0,08–0,10)DРасстояние между шпильками(1,00–1,13)DРасстояние между домкратами0,43DПримечание: i – число цилиндров; L – расстояние между цилиндрами; D, S – диаметр цилиндра и ход поршня.щих дальнейшее повышение жесткости остова двигателя.Картер (станина). Картеры МОДпервоначально выполняли в видеколонной конструкции или в дальнейшем чаще в виде цельной картерной коробки.

В первом случаеосновными элементами картера являются колонны – стойки Аобразной формы, устанавливаемые вплоскости коренных (рамовых)подшипников. Стойки связываютблок цилиндров с фундаментнойрамой. Промежутки между стойками закрываются легкими щитами.Стойки, имеющие коробчатое илидвутавровое сечение для получениявысокой изгибной жесткости, изготавливают литыми из чугуна илисварными из стали. Для анкерныхсвязей в станинах выполняют колодцы.

На стойках имеются полкидля крепления направляющих ползуна крейцкопфа. На рис. 9.10 представлен вариант сварной стойкиМОД двухтактного крейцкопфногоРис. 9.10. Сварная стойка малооборотногокрейцкопфного двухтактного дизеля354дизеля с диаметром цилиндра D == 780 мм. К преимуществам такойконструкции относятся простота итехнологичность сварки (или литья)и последующей механической обработки. Недостатком является малаяпродольная жесткость остова, получаемая в этом случае в значительной степени за счет блока цилиндров (что маложелательно) и фундаментной рамы вместе с коленчатымвалом.

Кроме того, применениедлинных анкеров усложняет сборкудвигателя.На рис. 9.11 показаны элементыостова крупного судового крейцкопфного двухтактного дизеля, выполненного в виде соединенных спомощью болтов отдельных секций,фундаментной рамы 1 и картернойкоробки 2, представляющих собойсварные конструкции, отличающиеся повышенной жесткостью и сокращающие в остове двигателя числоРис. 9.11. Фундаментная рама и картерная коробка малооборотного крейцкопфного двухтактного дизелягоризонтальных разъемов. Ориентировочные относительные размерыстанин приведены в табл. 9.2.9.2. Относительные размеры станин двигателейДвигателиНаименованиеВысотамалообо среднеоборотныеротные(2,80–3,05)S (1,5–1,7)SШирина:в верхней части(1,6–1,8)D (1,5–1,6)Dв нижней части(2,0–2,3)D (1,7–2,0)DРасстояние между(2,0–2,5)d (1,5–2,0)d1анкерными связямиТолщина стенок:литыхсварных(0,05–0,06)D(0,025–0,035)DБлок цилиндров.

В крупных малооборотных крейцкопфных двигателях применяются составные подлине блоки цилиндров, состоящиеиз отдельных отливок (одного–двух, а иногда и более цилиндров),которые соединяют между собой повертикальным плоскостям с помощью болтов под развертку илишпилек. Отливку МОД, как правило, не делают более чем на четырецилиндра, так как при слишкомбольшой длине отливки трудно избежать дефектов литья, а блок является наиболее ответственной деталью остова двигателя.Нижняя часть блока цилиндровобразует полость ресивера продувочного воздуха, в центре на осицилиндра находится сальник штока, отделяющий полость цилиндраот картера.

В верхней части блокарасположены втулки цилиндров. Вдвухтактных двигателях блок цилиндров, наряду с полостью охлаждающей жидкости, имеет полостидля продувочного воздуха, а в случае петлевой продувки и полостьдля отвода отработавших газов.355Конструкция блока зависит отпринятой схемы газообмена, а также силовой схемы двигателя. Приэтом важен способ передачи усилий от шпилек, крепящих крышкицилиндров, к вертикальным стенкам блока. Под шпильки выполняют конусные выступы, верхнююполку блока цилиндров соединяютребрами с вертикальными стенками.

Ребра рационально располагатьпод шпильками крепления крышекцилиндров. На рис. 9.12 показанасекция блока цилиндров МОД, выполненная в виде отливки.Ориентировочные относительные размеры блоков цилиндровприведены в табл. 9.3.9.3. Относительные размеры блоковцилиндров двигателейДвигателиНаименованиеВысота блока цилиндровШиринамалообо среднеоборотныеротные(1,5–1,8)SРис.

9.12. Секция блока цилиндров малооборотного крейцкопфного двухтактного дизеля(1,0–1,5)S(1,6–2,0)DТолщина стенокблока цилиндров:литыхсварных(0,05–0,06)D(0,035–0,045)D9.2. Материалы корпусныхдеталейВ зависимости от типа и назначения двигателя для изготовлениякорпуса применяют различные материалы.Блоккартерыавтомобильных,тракторных и ряда двигателей специального назначения отливают изчугуна, а в некоторых случаях изалюминиевых сплавов.

Наряду с серыми чугунами СЧ21, СЧ25, СЧ30(перлитные модифицированные чугуны) применяются также высокопрочные чугуны марок ВЧ35, ВЧ40,ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70. Цифрыобозначают предел прочности прирастяжении sвр×10-1 МПа. Хорошаяжидкотекучесть чугуна позволяетполучать качественные отливкисложной формы. Для удовлетворительной обрабатываемости твердостьВЧ должна быть не более 230 НВ.Снижение массы корпуса достигается применением алюминиевойотливки. Вследствие меньшей жидкотекучести алюминиевых сплавови более низкого их модуля упругости по сравнению с качественнымичугунами стенки алюминиевых корпусов выполняют более толстымипо сравнению с чугунными.

Приэтом в местах установки силовыхшпилек крепления опор коленчатого вала, а также головки цилиндрачасто приходится использоватьвставки из более прочного материала, устанавливаемые в алюминие356вый блоккартер. Тем не менее, сучетом повышения прочности литейных алюминиевых сплавов ихприменение является перспективным для корпусов двигателей легковых автомобилей и двигателей специального назначения.В отечественном двигателестроении корпуса, как правило, изготавливают из сплавов алюминия и кремния (силуминов): АЛ2, АЛ4, АЛ9.

Доэвтектические сплавы АЛ4 и АЛ9, легированные магнием, получают упрочнение при термической обработке. Для улучшения обрабатываемостиалюминиевые сплавы должны иметьтвердость 35–100 НВ, получаемую закалкой с последующим старением.Алюминиевые блоккартеры отливают под давлением около 12 МПа впрессформу, нагретую до 200–250 °С, температура металла – 620–650 °С. Стоимость алюминиевыхблоккартеров выше стоимости чугунных.В табл.

9.4 приведены свойстванекоторых материалов, используемых для производства картеров, блоков цилиндров и блоккартеров автомобильных и тракторных двигателей.Корпуса тепловозных и среднеоборотных двигателей выполняютсялитыми из чугуна или сварнолитыми и сварными из малоуглеродистой стали. Алюминиевые сплавыприменяют относительно редко, чтосвязано в первую очередь с высокими нагрузками при значительныхдиаметрах цилиндра и степени форсирования, требованием высокойжесткости и др.

В форсированныхтепловозных и судовых среднеоборотных двигателях при литом корпусе целесообразно использоватьвысокопрочный чугун, по прочностным характеристикам приближающийся к конструкционным сталям и обладающий высокой демпфирующей способностью, что способствует улучшению виброакустических характеристик двигателя.В случае сварнолитых и сварныхкорпусов используется литая сталь, атакже спокойные малоуглеродистые9.4. Механические свойства корпусных материалов автомобильных и тракторных двигателейМаркаматериалаТермическая обработка (т/о)МодульупругостиЕ×10-5, МПаПределпрочностиsвр , МПаКоэффициентПуассона mКоэффициент линейного расширения aт×106, 1/°С0,310–120,311,5–13,50,318,7–22,0Серый чугунСЧ20СЧ25Без т/оСЧ350,92001,02351,2310Высокопрочный чугунВЧ45ВЧ50450Отжиг1,65–1,85ВЧ60500600СилуминыАЛ2Без т/оАЛ9Без т/оАЛ9–Т2Закалка147–1570,7–0,8157137–1673579.5.

Что обходится дороже: ремонт электромобилей или машин с ДВС? | Анализ событий в политической жизни и обществе Германии | DW

В Германии стремительно растут продажи автомобилей с альтернативными двигателями, главным образом плагин-гибридов и электромобилей. Пока они стоят существенно дороже традиционных легковых машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), но в ФРГ покупатели получают субсидии от государства и производителей на покупку авто с электромоторами. К тому же считается, что они выгоднее в эксплуатации, особенно при высоких ценах на горючее и смазочные материалы.

А что с ремонтом таких авто? Что выгоднее чинить: электромобили или машины с ДВС? И какие из них чаще возгораются? Такими вопросами задался немецкий концерн Allianz. Интерес страхового гиганта к этой теме очевиден: ему необходимо правильно рассчитывать риски и, соответственно, стоимость своих услуг для автовладельцев.

Электромобили: особые нормы техники безопасности и требования производителей

В конце сентября инженерно-технический центр концерна в Исманинге под Мюнхеном (Allianz Zentrum für Technik, AZT) представил на конференции специалистов исследование расходов на ремонт подзаряжаемых гибридных и полностью электрических автомобилей. В нем использовалась статистика 2018-2020 годов.

Для электромобилей особенно опасно повреждение днища, ведь замена батареи стоит очень дорого

Главный вывод: в Германии ремонт электромобилей обходится дороже — примерно на 30% в случае столкновения машин, причем наиболее накладной оказывается починка плагин-гибридов. Поэтому и полисы «каско» стоят несколько больше, чем при страховании автомобилей с ДВС.  

Более высокая стоимость ремонта обусловлена не только особенностями конструкции электромобилей (так, аккумуляторной батарее, ключевому элементу таких машин, требуется усиленная защита на случай аварии), но и специфическими нормами техники безопасности и требованиями производителей. Некоторые из них, к примеру, настаивают на замене батареи в случае, если сработала подушка безопасности. Это дорогостоящая операция может сделать экономически бессмысленным ремонт поврежденной машины.

Аккумуляторные батареи и кабели порождают основные проблемы

Другой пример: если электромобиль после аварии больше не на ходу, а в аккумуляторной батарее по-прежнему остается много энергии, его эвакуация требует принятия особых противопожарных мер, что делает ее более дорогостоящей. 

Даже в больших городах куньи нередко повреждают машины, но для электромобилей они особо опасны

Вообще ремонт электромобилей, напоминают эксперты AZT, разрешен только в автомастерских, в которых персонал обучен работать с высоковольтными проводами. Однако если в результате серьезной аварии машина перестает быть искробезопасной (что случается весьма редко, отмечается в исследовании), квалификация таких автомехаников может оказаться недостаточной. Привлечение специалистов затягивает ремонт и ведет к дополнительным расходам.

Весьма дорого владельцам электромобилей (или их страховщикам) могут обойтись куньи или грызуны. Если они повредят высоковольтный кабель, замена соответствующего комплекта может стоить до 7000 евро, поскольку починить такой кабель пока невозможно, констатируют эксперты AZT. Но отмечают, что некоторые автостроители используют сменные защитные оболочки для кабеля. В таком случае стоимость ремонта снижается на 97%.

Повышенной пожароопасности электромобилей нет

А насколько пожароопасными являются электромобили? Ведь из-за целого ряда публикаций в СМИ могло возникнуть впечатление, что они особенно часто воспламеняются. В исследовании приводится статистика: в Германии за год регистрируются порядка 15 тысяч возгораний легковых машин, при этом на автомобили с электрическим приводом приходится существенно меньше 1% случаев. 

Пожарные в Кройцау тушат электромобиль, воспламенившийся во время подзарядки

«В ходе нашего исследования мы не обнаружили более высокой вероятности возгорания электромобилей по сравнению с обычными бензиновыми или дизельными автомобилями», — заявил Карстен Райнкемайер (Carsten Reinkemeyer), возглавляющий в AZT отдел изучения проблем технической безопасности.

К аналогичному выводу пришло и Объединение немецкой автомобильной промышленности (VDA). Электромобили горят не чаще, чем машины с ДВС, однако их тушение длится дольше, что, как правило, ведет к более высокому расходу средств пожаротушения. 

Смотрите также:

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Volkswagen ID.3: народный электромобиль

    Концерн под названием «народный автомобиль» начал продажи своего главного электромобиля для массового рынка. Он призван повторить легендарный успех VW Golf. По длине и ширине ID.3 соответствует этой модели, но несколько выше. Цена в базовой комплектации: почти 30 000 евро. Минус 9 000 евро скидка до конца 2021 года. Батареи трех размеров, самая мощная должна обеспечить пробег до 550 км.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Renault Zoe: лидер немецкого рынка

    Уже не первый год самый популярный в Германии электромобиль — родом из Франции. С осени 2019 Renault выпускает «полностью обновленный» вариант своего электрического бестселлера. Его теперь можно быстро подзаряжать постоянным током. В ФРГ базовая версия с дальностью пробега 300 км продается по прежней цене: от 22 000 евро. Zoe Life Z.E. 50 c более мощной батареей проезжает 395 км, но стоит 24 000.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Tesla Model 3: претендент на лидерство

    Культовый американский автостроитель начал поставлять в Германию свою модель среднего класса в 2019 году, и она сразу стала одним из двух лидеров продаж среди электромобилей. Версию Standard Range предлагают за 45-54 000 евро, полноприводная AWD Long Range с двумя электромоторами и дорогой комплектацией может стоить порядка 65-70 000.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    BMW i3: испытанный ветеран

    Баварский автоконцерн начал выпускать эту модель в 2013 году, став немецким первопроходцем в деле электромобильности. С тех пор с конвейера сошли, в основном на экспорт, свыше 150 тысяч машин. В Германии i3 несколько раз был в тройке лидеров. Развивать дальше эту модель BMW не намерен, но и снимать с производства после семи лет тоже пока передумал: больно хорошо она продается за 38-42 000 евро.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Opel Corsa-e: электрический вариант

    Corsa вот уже четыре десятилетия — популярный в ФРГ бренд автомобиля малого класса. Осенью 2019 началось производство шестого поколения этой модели, и ее рекламирует Юрген Клопп — тренер футбольного клуба «Ливерпуль». В ролике он садится за руль именно электрического варианта, который компания Opel выпускает наряду с бензиновым и дизельным. Те стоят 14-18 000 евро, а электромобиль — почти 30 000.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Seat Mii electric: доступная малютка

    Свой первый электромобиль вывела на рынок испанская дочка Volkswagen. С Seat Mii, варианта VW up!, сняли бензиновый двигатель, и впредь малютку будут производить только с электрическим мотором. В компании считают, что для типично городского автомобиля дальность пробега в 260 км и 83 лошадиные силы вполне достаточно. Цена — от 20 650 евро. А если еще вычесть субсидии…

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Nissan Leaf: недооцененный чемпион

    Японцы первыми разработали электромобиль для массового производства и с 2010 года выпустили уже свыше 400 тысяч машин, что сделало Nissan Leaf мировым чемпионом продаж. Однако в ФРГ, в отличие от США, Японии, Норвегии и Великобритании, эта модель особо популярной не стала, хотя и входила в Топ 10. Базовый вариант стоит сейчас от 37 000 евро, Leaf e+ с более мощной батарей — примерно 45 000.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Hyundai Kona Elektro: компактный SUV

    Южнокорейский концерн называет эту выпускаемую с 2018 года модель «первым полностью электрическим компактным SUV в Европе». На станциях быстрой зарядки вариант Kona Elektro Trend с двигателем мощностью 150 кВт (204 лошадиные силы) заряжается меньше, чем за час, а дальность пробега составляет при идеальных условиях до 449 км. Цена — от 42 000 евро, базовый вариант примерно на 8 000 дешевле.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Audi e-tron: настоящий внедорожник

    Свой первый электрический SUV дочка концерна Volkswagen выпустила в 2019 году для привычного ей премиум-сегмента — и сразу попала в ФРГ в Топ 10 среди электромобилей. Полноприводный Audi e-tron 50 quattro с двумя моторами стоит в Германии от 69 000 евро, включая 19% НДС, а 55 quattro мощностью 300 кВт и дальностью пробега до 430 км — от 81 000. Хотя часть можно вернуть с помощью субсидий.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Mercedes EQC: батарейный «Мерседес»

    Концерн Daimler выбрал для продвижения на рынке Германии своего первого внедорожника на электрической тяге рекламный слоган «Это «Мерседес» среди электромобилей». Его цена — от 71 000 евро, мощность — 300 кВт, дальность пробега при идеальных условиях — 470 км, максимальная скорость — 180 км в час. Полноприводный электромобиль с двумя моторами испытывали, в частности, в условиях шведской зимы.

  • Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

    Porsche Taycan 4S: «уцененный» спорткар

    Электромобиль за 185 000 евро? Именно столько стоит Taycan Turbo S. Осенью 2019 года его начала выпускать компания Porsche, прославившаяся спортивными автомобилями. Модель Turbo обойдется в 152 000. Чтобы несколько расширить круг потенциальных покупателей, прибавили третий вариант: Taycan 4S «всего» за 105 000. Его мощность — 390 кВт, дальность пробега — 330-400 км.

    Автор: Андрей Гурков


 

Роторно-поршневой двигатель в северных широтах.

В начале 60-х годов начался жизненный путь роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания. Двигатель, созданный инженером Феликсом Ванкелем стал новым шагом в области двигателестроения так как имел ряд преимуществ перед поршневым двигателями классической конструкции. ДВС этой конструкции позволил избавиться от возвратно — поступательного движения а, следственно, и от сил инерции первого и второго порядка которые делают невозможным форсирование двигателя по частоте вращения.

К тому же новый двигатель имел высокие массово — габаритные показатели, отличался высокой удельной мощностью, отсутствием вибрации, легкостью настройки и возможностью использования различных сортов топлива. К его достоинствам следует также отнести и легкость пуска, обусловленной малой площадью контакта торцевых уплотнений ротора со стенками эпитрохоиды, которая описывает границы рабочей камеры отсека, а также быстрому прогреву двигателя причиной которого является несколько конструктивных особенностей таких как три рабочих такта за один оборот ротора (вследствие чего ротор получает часть термической энергии идущей от стенок рабочей плоскости с цикличностью теплового потока в 120° поворота ротора), а также способа организации рабочего процесса (отсутствие контакта свежего заряда со стенками полости сгорания). Кроме выше перечисленного двигатель имеет высокую детонационную стойкость, что позволяет использовать низкооктановые сорта топлива при высоких степенях сжатия (допускается использование бензина марки А — 76 при ? = 9.2)

  Но проведенные испытания выявили массу недостатков, которых, как оказалось, не меньше чем преимуществ, а некоторые из них настолько существенны, что ставят под угрозу дальнейшее использование роторно — поршневых двигателей в автомобильной промышленности.
  К таким недостаткам следует отнести низкую экономичность двигателя (ge > 300 г / кВт), которая, в условиях транспортных перевозок, играет решающую роль. Неэкономичность обусловлена большой площадью рабочего отсека, а следственно большими тепловыми потерями в охлаждающую жидкость (хотя из — за отсутствия контакта стенки в зоне сгорания с холодными газами температурный перепад невелик и значения потерь сравнительно невысоки по сравнению с поршневыми двигателями классической конструкции), а также повышенной температурой выпускных газов (Тb > 1900 К). Данный двигатель имеет высокий процент механических потерь, это связано с трудностями организации смазки в зоне уплотнения ротора и как следствие наличие граничного полусухого трения в паре ротор — отсек. Сюда же следует добавить и низкие показатели токсичности, которые вызваны необходимостью охлаждения выпускного коллектора, а также уплотнений ротора, для чего в топливо добавляется масло (при этом расходы масла достигают 2,5 г / кВт). К тому же данный тип двигателя имеет низкий ресурс (хотя некоторые экспериментальные модели имеют наработку до 100 тыс. км пробега обеспеченный использованием дорогостоящих композитных материалов). Все вышеперечисленные недостатки делают использование роторно-поршневых двигателей в качестве транспортных силовых установок, на данный момент, не рациональным и экономически не эффективным.
  Однако существует возможная сфера применения роторно-поршневых двигателей. Проанализировав все преимущества и недостатки можно сказать, что данный тип двигателя хорошо зарекомендует себя в качестве пускового агрегата дизельных установок, в северных климатических зонах.
  При использовании роторно-поршневых двигателей в качестве пусковых ряд его недостатков возможно с пользой использовать для облегчения пуска дизельных двигателей.
  Как известно, для пуска дизельных двигателей в северных широтах необходимо проведение ряда трудоемких операций, таких как пропуск охлаждающей жидкости объемом 30 — 50 литров температурой 60 — 70 °С через систему охлаждения, а затем заполнение системы охлаждающей жидкостью температурой 90 — 95°С, те же трудности связаны и с прогревом масляной системы, при этом масляную систему заполняют маслом прогретым до температуры 70 — 80°С. Кроме того при использовании для пуска классических поршневых двигателей внутреннего сгорания необходимо также прогреть и их. Все эти операции делают процесс пуска довольно продолжительным.
  Роторно-поршневой двигатель, в данном случае, имеет ряд преимуществ. К ним относятся непрерывность рабочего процесса, которая обеспечит непрерывный поток энергии к пускаемому двигателю, при этом следует учесть, что характеристика индикаторного крутящего момента односекционного роторно-поршневого двигателя идентична аналогичной характеристике четырехтактного двухцилиндрового двигателя, при этом габариты роторно-поршневого двигателя на 30 — 40 % ниже чем у поршневых двигателей, а их мощность при тех же габаритах вдвое выше. Кроме того, высокая термическая нагруженность РПД делает необходимым циркуляцию жидкости через его систему охлаждения со скоростью 35 — 40 литров в минуту, а масла 4 — 6 литров в минуту. При небольшой доработке штатной системы охлаждения и ее объединении с системой охлаждения пускового РПД, а также объединении масляных магистралей, представляется возможным существенно сократить время пред пусковой подготовки двигателя, и количество сопутствующих пуску операций. Что же касается пуска самого РПД, то, учитывая его площадь контакта с рабочей поверхность отсека в трех точках, принудительное зажигание рабочей смеси и значение пусковых оборотов (150 — 200 мин-1) усилия необходимые для его пуска, имеют невысокие значения, что делает возможным применение электростартерного пуска с использованием маломощных и малогабаритных элементов.
  Учитывая то, что требования к пусковым двигателям по токсичности и экономичности, в результате их периодической и продолжительной работы, значительно ниже, чем к силовым агрегатам, можно сказать что основные недостатки РПД такие как низкий ресурс, неэкономичность и токсичность, в данной форме их применения, несущественны, а преимущества по сравнению с поршневыми двигателями классической конструкции, делают перспективным использование роторно-поршневых двигателей в данной области.

Разработка и применение новых систем сгорания для двигателей внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие струи с стенкой, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном итоге, на характеристики двигателя и характеристики выбросов. Таким образом, система сгорания двигателя, включая конструкцию ГБЦ, топливную форсунку …

В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие струи с стенкой, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном итоге, на характеристики двигателя и характеристики выбросов.Таким образом, система сгорания двигателя, включая конструкцию головки блока цилиндров, параметры топливной форсунки, конфигурацию форкамеры и форму чаши поршня, должна быть оптимизирована, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать выбросы загрязняющих веществ.
Разработка и оптимизация систем сгорания основаны на моделировании системного уровня для установления граничных условий; он включает в себя как моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), так и испытания двигателя. Для заданного набора проектных параметров системы сгорания и для заданных условий эксплуатации CFD-моделирование предсказывает такие аспекты рабочего цикла, как КПД или выбросы загрязняющих веществ.Все более мощные компьютерные кластеры и даже суперкомпьютеры могут оценивать множество комбинаций проектных параметров при любом количестве рабочих условий. Методы оптимизации включают, помимо прочего, разработку экспериментов, генетические алгоритмы и общие методы машинного обучения. Наиболее многообещающие конструкции дорабатываются с экспериментами с двигателями для реализации ожидаемого потенциала эффективности.

Хотя моделирование CFD является бесценным инструментом и успешно способствовало разработке экологически чистых, эффективных двигателей, неясно, как продолжение текущих практик может привести к дальнейшим улучшениям в конструкции системы сгорания.Например, несколько аспектов конструкции системы сгорания могут влиять на поток в цилиндре, и часто оптимум достигается без понимания того, были ли геометрия или другие конструктивные особенности ответственны за полезные улучшения потока. В более широком смысле, физические механизмы, которые отличают успешный набор геометрических параметров от неудачного, недостаточно изучены, и очень большие объемы результатов моделирования CFD редко используются для обеспечения этого понимания. Кроме того, передовые стратегии сгорания, такие как воспламенение бензина от сжатия и предкамерное сгорание, показали потенциал для чистого и эффективного сгорания.Разработка геометрии поршня для таких концепций двигателей находится в зачаточном состоянии, поэтому потенциал для улучшения может быть относительно большим. Текущая тема исследований сосредоточена на улучшенных конструкциях систем сгорания и новых подходах к их разработке и оптимизации для снижения расхода топлива и выбросов загрязняющих веществ для различных концепций сгорания двигателей.

Вклады в эту тему исследования включают рукописи, описывающие достижения в проектировании систем сгорания как для обычных, так и для усовершенствованных режимов сгорания как для обычных, так и для альтернативных архитектур двигателей.К ним относятся:
• Новые подходы или алгоритмы к проектированию и оптимизации геометрии портов, параметров форсунок топливных форсунок, конфигураций предкамеров и формы стакана поршня
• Экспериментальные и / или численные исследования новых конструкций систем сгорания и их влияния на эффективность и выбросы

Изображение на обложке предоставлено: д-р Анки Чжан из Aramco Americas, Исследовательский центр Aramco — Детройт.

Тематический редактор Юаньцзян Пей работает в компании Aramco Americas.Все остальные тематические редакторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов в отношении темы исследования.

Ключевые слова : Двигатели внутреннего сгорания, система сгорания, оптимизация конструкции, вычислительная гидродинамика, движение воздуха

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки объема, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Двигатель внутреннего сгорания новой конструкции обеспечивает нулевые вредные выбросы

Исследователи из Политехнического университета Валенсии (UPV) разработали новый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который не выделяет углекислый газ и другие газы, вредные для здоровья людей.

По словам его создателей, это «революционный» двигатель, который не только соответствует нормативам по выбросам, запланированным на 2040 год, но и обладает высоким КПД.Первые два прототипа этого двигателя будут построены в ближайшие месяцы при финансовой поддержке Валенсийского агентства по инновациям.

Технология, используемая в новой конструкции ДВС, основана на использовании керамических мембран MIEC. Запатентованные Институтом химической технологии, объединяющим центром UPV и CSIC, эти мембраны удаляют все загрязняющие и вредные для здоровья газы (NOx), улавливая собственный CO2 и CO2 в окружающей среде и сжижая его.

«Эти мембраны, включенные в двигатель транспортного средства, позволяют избирательно отделять кислород от воздуха, чтобы произвести кислородное горение.Таким образом, образуется чистый горючий газ, состоящий из воды и CO2, который можно улавливать внутри автомобиля и хранить, не выбрасывая его из выхлопной трубы », — пояснил Хосе Мануэль Серра, исследователь ITQ (UPV-CSIC). .

Технология, разработанная исследовательской группой UPV, может позволить получить двигатель с автономностью и возможностями дозаправки обычного ДВС, но с тем преимуществом, что он будет полностью чистым и без каких-либо загрязняющих веществ или выбросов парникового эффекта, как у электрического двигателя. автомобильные двигатели.

С помощью этой технологии автомобиль может также стать поставщиком CO2. Как объясняют исследователи, в обычном двигателе после кислородного горения в выхлопной трубе образуется большое количество азота и оксидов азота. Однако в случае этой новой конструкции двигателя образуется только очень высокая концентрация CO2 и воды, которые можно легко отделить путем конденсации.

«Этот CO2 сжимается внутри двигателя и хранится в резервуаре высокого давления, который может быть возвращен в качестве побочного продукта непосредственно в виде чистого высококачественного CO2 на станции обслуживания для промышленного использования.Таким образом, внутри автомобиля у нас будет один бак для топлива, а другой — для CO2, который образуется после сжигания топлива и из которого мы могли бы извлечь пользу », — сказал Луис Мигель Гарсиа-Куэвас.

Технология предназначена для производителей крупногабаритных транспортных средств для перевозки пассажиров и грузов как по суше, так и по морю, а также для авиации до определенного уровня мощности. Кроме того, его также можно использовать для преобразования существующих дизельных двигателей в специальные автомобили.

«В случае небольших транспортных средств это также может быть применено путем изолирования только части CO2 в выхлопных газах», — сказал Франсиско Хосе Арнау, научный сотрудник CMT-Thermal Motors UPV.

В настоящее время команда конструирует два прототипа в лабораторном масштабе этой «революционной системы для автомобильного сектора».

«Положительная оценка и финансирование Валенсийского агентства по инновациям означает возможность вывести концепцию на высокий уровень технологического развития. Благодаря этому можно будет привлечь внимание частных инвесторов, которые захотят получить лицензию на патент или выделить дополнительные средства, чтобы сделать эти двигатели реальностью, что изменит парадигму борьбы с изменением климата с точки зрения транспорта », сказал Хосе Рамон Серрано, исследователь CMT-Thermal Motors UPV.

Подпишитесь на электронную рассылку новостей E&T, чтобы получать такие замечательные истории каждый день на свой почтовый ящик.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ IC

Тепловой двигатель — это машина, которая преобразует тепловую энергию в механическую.
при сжигании топлива, такого как уголь, бензин, дизельное топливо, выделяется тепло. Это тепло подается на
рабочее вещество при высокой температуре. Путем расширения этого вещества подходит
машин, тепловая энергия превращается в полезную работу.Тепловые двигатели можно разделить на
два типа:
(i) Внешнее сгорание и
(ii) Внутреннее сгорание.
В паровом двигателе сгорание топлива происходит вне двигателя, а пар
сформированный таким образом используется для запуска двигателя. Таким образом, он известен как двигатель внешнего сгорания. В
В случае двигателя внутреннего сгорания сгорание топлива происходит внутри двигателя
сам цилиндр.
Двигатель внутреннего сгорания может быть дополнительно классифицирован как: (i) стационарный или мобильный, (ii) горизонтальный или вертикальный
и (iii) низкая, средняя или высокая скорость.Два различных типа двигателей IC, используемых для
мобильные или стационарные операции: (i) дизельное топливо и (ii) карбюратор.

Искровое зажигание (карбюраторного типа) Двигатель IC

В этом двигателе жидкое топливо распыляется, испаряется и смешивается с воздухом в правильной пропорции
перед подачей в цилиндр двигателя через впускные коллекторы. Воспламенение смеси
вызывается электрической искрой и называется искровым зажиганием.
Компрессионное зажигание (дизельный) Двигатель IC

В этом случае в цилиндр впрыскивается только жидкое топливо под высоким давлением.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ IC:

Поперечное сечение двигателя внутреннего сгорания показано на рис. 1. Краткое описание этих частей
приведено ниже.

Цилиндр:

Цилиндр двигателя внутреннего сгорания составляет основную и поддерживающую часть силового агрегата
. Его основная функция заключается в обеспечении пространства, в котором поршень может работать, всасывая смесь топлива
или воздуха (в зависимости от искрового зажигания или воспламенения от сжатия), сжимая его, позволяя ему
расширяться и, таким образом, вырабатывать мощность.Цилиндр обычно изготавливается из высококачественного чугуна. В некоторых случаях в чугуне
для придания большей прочности и износостойкости при меньшем весе в чугун добавляют хром, никель
и молибден.

Поршень:

Поршень двигателя — это первая деталь, которая начинает движение и передает мощность на коленчатый вал
в результате давления и энергии, генерируемых при сгорании топлива. Поршень
закрыт с одного конца и открыт с другого конца, чтобы обеспечить прямое присоединение шатуна
и его свободное действие.


Поршни изготовлены из серого чугуна, литой стали и алюминиевого сплава. Однако
современная тенденция — использовать в двигателе трактора поршни только из алюминиевого сплава.

Поршневые кольца:

Они изготовлены из чугуна, так как обладают способностью сохранять несущие свойства и эластичность
на неопределенный срок. Основная функция поршневых колец — сохранять сжатие и в то же время на
уменьшить до минимума площадь контакта стенки цилиндра и стенки поршня, тем самым снижая потери на трение и чрезмерный износ на
.Другими важными функциями поршневых колец
являются контроль смазочного масла, смазка цилиндра и передача тепла от поршня
и стенок цилиндра. Поршневые кольца классифицируются как компрессионные кольца и масляные кольца
в зависимости от их функции и расположения на поршне.

Компрессионные кольца обычно представляют собой простые цельные кольца и всегда размещаются в канавках
, ближайших к головке поршня. Масляные кольца имеют канавки или прорези и расположены либо в самой нижней канавке
над поршневым пальцем, либо в канавке рядом с юбкой поршня.Их функция — контролировать
распределение смазочного масла по цилиндру и поверхности поршня, чтобы предотвратить ненужный или чрезмерный расход масла
.

Поршневой палец:

Шатун соединен с поршнем через поршневой палец. Он изготовлен из закаленной легированной стали case
с прецизионной обработкой. Существует три различных метода соединения поршня
с шатуном.

Шатун:

Это соединение между поршнем и коленчатым валом.Конец, соединяющий поршень,
известен как малый конец, а другой конец известен как большой конец. Большой конец имеет две половинки подшипника
, скрепленные вместе болтами. Шатун изготовлен из штампованной стали, сечение
двутаврового типа.

Коленчатый вал:

Он соединен с поршнем через шатун и преобразует поступательное движение поршня
во вращательное движение маховика. Шапки коленчатого вала
опираются на коренные подшипники, размещенные в картере.Противовесы и маховик
, прикрепленный болтами к коленчатому валу, способствуют плавной работе двигателя.

Подшипники двигателя:

Коленчатый и распределительный валы опираются на подшипники качения. Эти подшипники должны быть
, способными выдерживать высокие скорости, большие нагрузки и высокие температуры. Обычно стальную заднюю часть покрывают кадмием, серебром
или медью, чтобы придать вышеуказанные характеристики. Для одноцилиндровых вертикальных / горизонтальных двигателей
современная тенденция заключается в использовании шариковых подшипников вместо основных подшипников
с тонким кожухом.

Клапаны:

Чтобы воздух попадал в цилиндр или выхлоп, а газы выходили из цилиндра, предусмотрены клапаны
, известные как впускной и выпускной клапаны соответственно. Клапаны
устанавливаются либо на головку блока цилиндров, либо на блок цилиндров.

Распределительный вал:

Клапаны приводятся в действие за счет действия распределительного вала, который имеет отдельные кулачки для впускного,
и выпускного клапанов. Кулачок поднимает клапан против давления пружины, и как только он
меняет положение, пружина закрывает клапан.Кулачок получает привод через шестерню или звездочку
и цепную систему от коленчатого вала. Он вращается на половину скорости распределительного вала.

Маховик

Обычно он изготавливается из чугуна, и его основная функция — поддерживать равномерную частоту вращения двигателя
, перемещая коленчатый вал через промежутки времени, когда он не получает мощность от поршня.
Размер маховика зависит от количества цилиндров, а также от типа и размера двигателя
. Это также помогает в уравновешивании вращающихся масс.

В четырехтактных двигателях имеется четыре такта, совершающих два оборота двигателя
. коленчатый вал. Это соответственно такты всасывания, сжатия, мощности и выпуска. В
На рис. 3 поршень показан опускающимся на такте всасывания. В
втягивается только чистый воздух. цилиндр во время этого хода через впускной клапан, тогда как выпускной клапан закрыт. Эти
Клапаны могут управляться кулачком, толкателем и коромыслом. Следующий штрих —
. такт сжатия, при котором поршень движется вверх, при этом оба клапана остаются закрытыми.
воздух, втянутый в цилиндр во время такта всасывания, постепенно сжимается
когда поршень поднимается. Степень сжатия обычно варьируется от 14: 1 до 22: 1.
давление в конце такта сжатия колеблется от 30 до 45 кг / см2. Как воздух
постепенно сжимается в цилиндре, его температура увеличивается, пока не приблизится к концу
такта сжатия, он становится достаточно высоким (650-80 ° C), чтобы мгновенно воспламенить любое топливо
который впрыскивается в цилиндр.Когда поршень находится в верхней части своего такта сжатия,
жидкое углеводородное топливо, такое как дизельное топливо, распыляется в камеру сгорания под номером
. высокое давление (140-160 кг / см2), более высокое, чем в самом баллоне. Это топливо
затем воспламеняется, сжигаясь кислородом сильно сжатого воздуха.

Во время периода впрыска топлива поршень достигает конца своего такта сжатия, и
начинает возвращаться в свой третий последовательный такт, а именно рабочий такт.Во время этого хода
горячие продукты сгорания, состоящие в основном из двуокиси углерода, вместе с азотом
, оставшимся от сжатого воздуха, расширяются, заставляя поршень опускаться. Это всего
рабочего хода цилиндра.

Во время рабочего хода давление падает с максимального значения сгорания (47-55
кг / см2), которое обычно выше, чем большее значение давления сжатия (45
кг / см2), примерно до 3,5-5 кг. / см2 ближе к концу хода.Затем выпускной клапан открывается, обычно
немного раньше, чем когда поршень достигает самой низкой точки хода. Выхлопные газы
удаляются при следующем движении поршня вверх. Выпускной клапан остается открытым на
на протяжении всего хода и закрывается в верхней части хода.

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала
посредством шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал вращается в коренных подшипниках
, которые установлены в картере.Маховик установлен на коленчатом валу, чтобы сгладить
неравномерный крутящий момент, который создается в поршневом двигателе.

Характеристики и функции поршневых двигателей — Petrotech, Inc.

Мощные и эффективные двигатели многих типов поставляют энергию, необходимую для выработки электроэнергии или движения в секторе энергоснабжения. Нефтегазовая промышленность использует двигатели внутреннего сгорания на трех основных рынках: электростанции, компрессорные и насосные. На электростанциях двигатели сжигают топливо, которое нельзя использовать в турбинах; при перекачке обеспечивают механический привод; а при сжатии они используются в газораспределительных линиях.Самым популярным типом двигателей внутреннего сгорания, используемых сегодня в этих областях, является поршневой двигатель.

Что такое поршневые двигатели?

Поршневой двигатель, также известный как поршневой двигатель, является одним из двух типов двигателей внутреннего сгорания, которые работают за счет сжигания топлива для выработки энергии. Другой тип — это более ранняя форма, называемая роторным двигателем, и хотя поршневые двигатели все еще используются сегодня, они более распространены во многих отраслях промышленности. Роторный двигатель имеет четыре отдельных отсека, и в каждом из них выполняется определенная работа: впуск, сжатие, сгорание (или зажигание) или выпуск.С другой стороны, поршень (ы) в поршневом двигателе выполняет каждую из этих четырех задач в одном цилиндре.

Как они работают?

Мощность, создаваемая поршневыми двигателями, происходит от нагнетания топлива с помощью поршня или поршней для создания сгорания и, в свою очередь, создания кругового вращательного движения. Этот процесс называется четырехтактным циклом, поскольку, как и роторный двигатель, поршневые двигатели работают по повторяющейся схеме впуска, сжатия, сгорания и выпуска.Первый шаг — это впуск, при котором топливо впрыскивается в цилиндр, толкая поршень вниз. Затем во время сжатия поршень выталкивается в верхнюю часть цилиндра. Это оказывает давление на топливо, и свеча зажигания воспламеняет его, создавая следующий шаг: сгорание. Это зажигание толкает поршень обратно вниз, создавая энергию. Отходы выбрасываются на последнем этапе, выхлопе, и цикл начинается снова.

Каковы преимущества поршневых двигателей?

Поршневые двигатели

являются более современными из двух типов двигателей внутреннего сгорания, и во многих случаях они оказались более эффективными.Хотя на рынке все еще есть место для роторных двигателей, их применение гораздо более ограничено. Например, они встроены во многие гоночные автомобили, потому что позволяют увеличить крутящий момент, что, в свою очередь, обеспечивает максимальное ускорение. Однако роторные двигатели гораздо труднее герметизировать и часто имеют проблемы с утечкой давления и проблемами со смазкой. Поршневые двигатели бывают разных конфигураций, чтобы соответствовать конкретным машинам или задачам, и являются наиболее распространенным типом двигателей, используемых в современных транспортных средствах.

Какой вид обслуживания и ремонта им требуется?

Как и двигатель транспортного средства, поршневой двигатель в энергоснабжающем предприятии необходимо надлежащим образом обслуживать и ремонтировать для обеспечения максимальной производительности и долговечности. В Petrotech мы предлагаем решения для любого типа OEM-оборудования, чтобы помочь нашим клиентам контролировать, автоматизировать и обслуживать поршневые двигатели, помогая максимизировать эффективность и минимизировать потребность в ремонте. Поскольку мы можем спроектировать и установить индивидуальные системы управления вокруг существующего оборудования предприятия, мы можем помочь нашим клиентам оптимизировать функциональность без дополнительных затрат времени или затрат на переоборудование оборудования.Наши системы управления могут включать в себя контроль и мониторинг следующих требований к техническому обслуживанию:

  • Обороты двигателя
  • Скорость турбонагнетателя
  • Момент
  • Соотношение воздух-топливо
  • Температура выхлопных газов
  • Давление в воздушном коллекторе
  • Вибрация, температура в коллекторе воздуха
  • Опережение зажигания

Системы удобны в использовании и адаптированы к требованиям каждого клиента.

Petrotech имеет более чем 50-летний опыт работы в сфере энергоснабжения и предлагает услуги «под ключ» для единого поставщика, включая бесплатную круглосуточную техническую поддержку и устранение неисправностей.Узнайте больше о настраиваемых интегрированных системах управления, которые мы можем предоставить для поршневых двигателей.

Изображение Mj-bird

Как работает двигатель внутреннего сгорания для Формулы-1

В 2014 году были представлены гибридные компоненты, что привело к изменению терминологии. Все современные автомобили F1 оснащены не просто «двигателями», а целой системой «силовых агрегатов». Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является сердцем этих силовых агрегатов. Это двигатель V6 объемом 1,6 литра.

К этому ДВС добавлен турбонагнетатель. За счет увеличения плотности воздуха, вдыхаемого двигателем, это устройство увеличивает свою мощность. Турбина с приводом от выхлопных газов также помогает генерировать дополнительную мощность за счет остаточного тепла двигателя.

Помимо ДВС и турбокомпрессора, имеется полная система рекуперации энергии (ERS), которая улавливает энергию, производимую автомобилем на трассе, сохраняет ее и затем может повторно использовать для обеспечения большей мощности. Переданная мощность равна 160 лошадиным силам, которые можно использовать до 33 секунд гоночного круга.

Двумя наиболее важными компонентами ERS являются MGU-H и MGU-K. Выхлопные газы используются для питания MGU-H (Motor Generator Unit — Heat). Вместо того, чтобы пропускать тепло через выхлоп, MGU-H использует его и преобразует в электричество. Улавливая выделяющееся тепло, MGU-H вырабатывает электроэнергию и возвращает ее в накопитель энергии по мере увеличения скорости двигателя и турбонаддува.

Электрогенератор и двигатель вместе составляют MGU-K (Motor Generator Unit — Kinetic).Он обеспечивает мощность при разгоне при подключении к ДВС. Во время торможения он также генерирует энергию. Обычно тепло, которое выходит из тормозов, улавливается и используется для выработки электроэнергии, которая хранится в накопителе энергии.

Проще говоря, Energy Store (ES) — это аккумулятор автомобиля. Энергия, вырабатываемая ERS, хранится здесь до тех пор, пока она не понадобится для развертывания. За один круг он может накапливать и повторно использовать до 4 мегаджоулей энергии.

Управляющая электроника (CE) объединяет все остальные компоненты ERS.Код гарантирует, что все системы взаимодействуют друг с другом и работают правильно.

Для автомобиля Формулы 1 каждый из этих компонентов имеет решающее значение. Если одна из частей системы рекуперации энергии выйдет из строя, автомобиль сможет двигаться, но это приведет к механическим проблемам, потере скорости и мощности и увеличению расхода топлива. Автомобиль вряд ли завершит гонку, если одна из этих частей выйдет из строя.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

CHICAGO — Норвегия, Индия, Франция, Ирландия и Соединенное Королевство: судя по ряду стран, которые обязались ввести в будущем запрет на продажу новых бензиновых и дизельных двигателей. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), по-видимому, имеют срок годности от 2025 до 2040 года.Некоторые крупные автопроизводители также пообещали отказаться от ДВС: Volkswagen нацелил 2026 год в качестве последнего модельного года для автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями, поскольку полностью поддерживает электрификацию.

Несмотря на ожидаемые запреты, требования по экономии топлива и появление электромобилей (EV), пока не забывайте о ДВС. Регулирующее давление и давление со стороны конкурентов выжимают все больше миль — и лет — из 143-летней технологии.

«Мои внуки выйдут на пенсию до того, как ICE уйдет; Я не уверен, что это когда-нибудь исчезнет », — сказал Джеймс Мартин, старший аналитик североамериканского отдела прогнозирования силовых агрегатов и соответствия нормативным требованиям лондонской компании IHS Markit.

Перспективные технологии

«Конкуренция со стороны электромобилей заставляет компании, которые специализируются на ДВС и полагаются на него, чтобы улучшить его, а также в повышении его эффективности», — сказал Мартин, указывая на то, как автопроизводители, такие как Toyota и Mazda, производят двигатели с тепловым КПД — мерой процента сожженного топлива, которое двигатель может преобразовать в двигательную установку — в диапазоне от 41% до 42%. Это можно сравнить с более типичным диапазоном от 20% до 30%.

Между тем, по мере того как автопроизводители реагируют на давление со стороны регулирующих органов, включая ужесточение стандартов экономии топлива, количество денег на милю за галлон улучшений, которые они готовы потратить, чтобы вывести технологию на рынок, растет, сказал он.«Если раньше вы не использовали бы технологию, если бы она стоила более 10 долларов за милю за галлон улучшений, теперь компании ищут технологии, которые стоят 25 долларов, 30 долларов за милю за галлон улучшений, чтобы соответствовать требованиям, поскольку стоимость электрификации намного выше », — сказал он.

На что автопроизводители тратят деньги на исследования и разработки? Мартин указывает на некоторые из наиболее многообещающих подходов.

Турбонаддув. Одна из технологий заставляет небольшие двигатели казаться больше: уменьшение размера двигателя, но поддержание его мощности за счет добавления турбонагнетателей.Эти более компактные и легкие двигатели потребляют меньше топлива, потому что они работают при более высоком давлении в цилиндрах. Комбинация турбонаддува и уменьшения габаритов обеспечивает повышение экономии топлива от 5% до 7%.

Электрификация сделает эти двигатели еще более экономичными. «В некоторых случаях они смогут начать ускорять работу двигателя еще до того, как автомобиль начнет движение», — сказал Мартин. «Это устраняет то, что называется« турбо-лагом »- когда вы нажимаете педаль газа, двигатель начинает работать, а затем включается турбонаддув, который дает вам действительно большой толчок.С электрическими турбокомпрессорами вы получите такое ускорение на ранней стадии, чтобы не было колебаний, за которыми следует большой толчок. Вы просто получаете постепенное ускорение ».

Отключение цилиндра. Другая многообещающая технология — отключение цилиндров — заставляет большой двигатель в транспортном средстве, таком как пикап или внедорожник, казаться меньше с точки зрения расхода топлива. С помощью этой технологии двигатель отключает подачу топлива к части своих цилиндров, когда они не нужны — например, пикап, едущий по шоссе, или пикап.перетаскивание тяжелого груза в горы. Новая форма этой технологии, Dynamic Skip Fire от Delphi Technologies, может значительно сократить количество используемых цилиндров, позволяя, например, пикапу Chevrolet Silverado работать от одного или до восьми цилиндров. .

Улучшения экономии топлива могут варьироваться от 4% до 5% для старых форм отключения цилиндров и от 10% до 12% для динамических форм, когда каждый цилиндр независимо включается и выключается во время каждого цикла по мере необходимости.

HCCI. В 2018 году Mazda Motor Corp. представила двигатель Skyactiv-X, который японский автопроизводитель назвал ДВС «нового поколения».

«Технология, которую они используют, называется воспламенением от сжатия однородного заряда (HCCI). По сути, это позволяет бензиновому двигателю работать в очень похожем на дизель цикле в течение продолжительных периодов времени », — сказал Мартин. Вместо зажигания свечи зажигания для воспламенения смеси паров газа, как в бензиновом двигателе, Skyactiv-X сжимает топливную смесь так сильно, что она воспламеняется — как в дизельном двигателе.По словам Mazda, в результате на 15% выше топливная эффективность и крутящий момент, чем у обычного двигателя.

Пять лет назад Мартин назвал бы технологию HCCI интересной в теории, но никогда не готовой к производству. Он основан на других технологиях и возможностях, которые большинству автопроизводителей было нерентабельно реализовывать вместе. «Mazda, по-видимому, нашла способ заставить это работать», — сказал он.

Турбокомпрессор с переменной степенью сжатия. Еще одна технология, которую Мартин назвал бы отличной в теории, но никогда не готовой к производству, — это Nissan Motor Co.Турбодвигатель с переменным сжатием (VC-Turbo) Ltd., также представленный в 2018 году. 2-литровый турбодвигатель может мгновенно изменять степень сжатия с экономичной 14 до 1 на более мощную 8 к 1. Опять же, Мартин посчитал эту технологию слишком сложной: она представила новый набор движущихся частей и требует системы управления для измерения времени движений. Но японская компания Nissan разобралась и добавила VC-Turbo в свои Infiniti QX50 и Nissan Ultima 2019 года. Новый двигатель предлагает на 15% повышение комбинированной экономии топлива по сравнению с предыдущим 3 двигателем Ultima.5-литровый двигатель V6.

В поисках оптимального места

Совершенствование технологии трансмиссии также может иметь большое значение для повышения топливной экономичности ДВС, позволяя двигателю дольше работать в «золотом пятне» своих идеальных условий, сказал Мартин. А еще большие улучшения в экономии топлива ДВС возможны с электрификацией.

«Люди начинают видеть синергию между различными формами электрификации, улучшающими ДВС, вместо того, чтобы просто конкурировать с ним», — сказал он, указав на распространение мягких и полногибридных двигателей, внедряемых автопроизводителями, которые стремятся обеспечить ужесточение экономии топлива. цели в США и по всему миру.

«В той мере, в какой электрификация автомобиля снимает часть нагрузки с ДВС, она позволяет разработчикам ДВС спроектировать этот двигатель так, чтобы он работал в наиболее эффективной полосе пропускания для этого двигателя, чтобы таким образом они могли улучшить экономию топлива», — сказал он. сказал. Мягкая гибридизация может обеспечить улучшение экономии топлива ДВС на 5–15%, в то время как полная гибридизация расширяет этот диапазон до 15–20%, а подключаемые гибриды могут сэкономить 25% или больше.

В поддержании жизни ICE также есть человеческий фактор.Не каждый потребитель сможет управлять сегодняшним электромобилем, зарядка которого при 80% емкости аккумулятора может занять до 30 минут. «Для некоторых людей идеальным вариантом будет электромобиль; для некоторых — кошмар, — сказал Мартин. «Им нужно что-то, что могло бы восполнить запасы энергии за считанные минуты, а не часы. Если у них есть автомобиль с ДВС, но с некоторыми усовершенствованиями за счет электрификации, они все равно смогут достичь обоих целей ».

Между тем, не каждая страна может в ближайшем будущем взять на себя полностью электрическую транспортную инфраструктуру.Мартин ожидает, что те, кто объявил о запрете на использование бензиновых и дизельных транспортных средств, найдут удачную технологическую среду между двигателями ДВС и электромоторами.

Он цитирует смягчение программы Калифорнийских оригинальных автомобилей с нулевым уровнем выбросов (ZEV). Поручение, принятое в 1990 году, первоначально требовало, чтобы основные автопроизводители производили 10% своих новых автомобилей ZEV к 2003 году, если они хотели и дальше продавать свои автомобили в штате. В ответ на реалии рынка и отставание потребительского спроса на электромобили Калифорния постепенно скорректировала полномочия, чтобы разрешить разную степень ZEV.

«Легче установить политику и отказаться от нее в пользу того, что имеет смысл, чем позволить отрасли органически занять правильное положение», — сказал Мартин. Он ожидает аналогичного сдвига в странах, в которых введены запреты на ICE.

«Со временем они возвращаются к тому, что возможно и является наиболее экономически целесообразным для автопроизводителей и регионов», — сказал он.

Радиационно-шумовое разделение двигателя внутреннего сгорания на основе метода Gammatone-RobustICA

В процессе разделения источников шума двигателя внутреннего сгорания обнаруживается, что шум сгорания и шум от удара поршня серьезно искажаются во временной частотной области.Точно разделить их сложно. Поэтому предлагается метод разделения источников шума, основанный на банке фильтров Gammatone и надежном анализе независимых компонентов (RobustICA). Испытания на вибрацию и шум 6-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания проводятся в полуэховой камере. Метод свинцового покрытия применяется для изоляции помех от частей цилиндра с номерами от 1 до 5, при этом только части цилиндра с номерами 6 остаются открытыми. Во-первых, многие модовые составляющие измеренных шумовых сигналов в ближней зоне извлекаются с помощью разработанного банка фильтров гамматона.Затем алгоритм RobustICA используется для извлечения независимых компонентов. Наконец, для дальнейшей идентификации результатов разделения используются спектральный анализ, частотно-временной анализ непрерывного вейвлета, метод корреляционной функции и испытание на сопротивление. Результаты исследований показывают, что частота шума сгорания и шума от удара поршня, соответственно, сосредоточена на 4025 Гц и 1725 Гц. По сравнению с методом EWT-RobustICA результаты разделения, полученные методом Gammatone-RobustICA, имеют очень меньше интерференционных компонентов.

1. Введение

Двигатель внутреннего сгорания как энергетическое сердце широко используется на кораблях, транспортных средствах и других транспортных средствах. С развитием двигателя внутреннего сгорания для тяжелых нагрузок, высокой скорости и легкого направления, его проблема вибрационного шума становится все более серьезной, что стало основным источником вибрационного шума кораблей и транспортных средств. Уменьшая уровень вибрации и шума двигателя внутреннего сгорания, можно улучшить рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания и улучшить условия жизни людей [1].Чтобы составить программу снижения вибрации и шума двигателя внутреннего сгорания, первым шагом является точное разделение и идентификация источников шума двигателя внутреннего сгорания. Многие части двигателя внутреннего сгорания могут издавать шум. По источнику двигателя внутреннего сгорания шум можно разделить на механический шум, шум сгорания и аэродинамический шум [2–4]. К механическому шуму в основном относятся шум поршня, стук воздушного клапана, шум зацепления шестерен и шум топливного насоса высокого давления.Шум сгорания вызван изменением давления в цилиндре. К аэродинамическому шуму относятся шум всасывания, шум выхлопа и шум вентилятора.

В настоящее время есть много ученых, которые использовали метод циклической винеровской фильтрации [5], метод слепого разделения источников [6–8], улучшенный метод спектрофильтра [9], фильтр с переменной скоростью [10] и другие многоканальные методы разделения и определить источники шума двигателя внутреннего сгорания.

Когда для разделения и идентификации источников шума двигателя внутреннего сгорания принят многоканальный метод, необходимо измерить многоканальные шумовые сигналы двигателя внутреннего сгорания.Однако в реальных технических испытаниях, исходя из предельной стоимости и условий установки, необходимо использовать несколько датчиков для достижения такого же эффекта разделения источников шума. Поэтому ученые изучили одноканальный метод разделения и выявления источников шума двигателя внутреннего сгорания. Например, Zhang et al. [11] использовали ансамблевую эмпирическую декомпозицию мод, когерентный анализ спектра мощности и усовершенствованный процесс аналитической иерархии для разделения и идентификации источников шума дизельного двигателя.Bi et al. [12] использовали метод EEMD-RobustICA для разделения шума сгорания, шума от удара поршня и шума выхлопа бензинового двигателя.

Когда вышеупомянутый одноканальный метод используется для разделения и идентификации источника шума двигателя внутреннего сгорания, первым шагом является разложение одноканального шумового сигнала с помощью алгоритма EEMD. Однако одноканальный метод на основе EEMD имеет много недостатков [13–15]. Алгоритм EMD не имеет строгого математического вывода. Алгоритм EEMD требуется для добавления гауссовского белого шума перед каждым шагом алгоритма EMD.Поэтому стоимость расчета алгоритма EEMD очень велика. Более того, когда алгоритм EEMD применяется для разложения шумового сигнала, также будут существовать эффект конечной точки и проблемы с модальным наложением имен. В последние годы эмпирическое вейвлет-преобразование (EWT) [16], разложение по вариационным модам (VMD) [17] и связанные с ними улучшенные методы оказались полезными и лучшими инструментами для разложения сигнала. Например, Yao et al. [18] использовали разложение по вариационным модам и надежный анализ независимых компонентов для разделения источника шума дизельного двигателя.Кроме того, эти методы широко используются при диагностике неисправностей подшипников [19–21].

В реальном мире слуховая система человека может различать смешанные речевые сигналы в шумной среде. В настоящее время многие ученые создают модель и алгоритм компьютерного анализа слуховой сцены, основанные на системе слуха человека, для разделения и идентификации смешанных речевых сигналов [22]. Речевые сигналы и излучаемые шумовые сигналы двигателя внутреннего сгорания относятся к разделимым звуковым сигналам с наложением спектров.Таким образом, источник шума двигателя внутреннего сгорания можно выделить и идентифицировать с помощью модели слуха человека. Более того, банк фильтров гамматона является широко используемой моделью слуха человека [23–26]. Таким образом, банк слуховых фильтров Gammatone может быть использован для разделения и идентификации источников шума двигателя внутреннего сгорания.

В этой статье метод свинцового покрытия используется для изоляции шумовых помех от 1 до 5 цилиндров, при этом остается только часть цилиндра номер 6.Тестирование вибрации и шума шестицилиндрового четырехтактного высокоскоростного двигателя внутреннего сгорания WP10-240 проводится в полуэховой камере. Предлагается метод Gammatone-RobustICA для разделения и идентификации шума сгорания и шума от удара поршня цилиндра номер 6.

Работа организована следующим образом. В Разделе 2 описаны основные теоретические методы (такие как модель базальной мембраны улитки, банк фильтров гамматона и надежный анализ независимых компонентов).В разделе 3 проводится имитационный анализ. В разделе 4 вводятся испытания двигателя внутреннего сгорания на шум и вибрацию. В разделе 5 используются методы разделения и идентификации для разделения и идентификации источников шума двигателя внутреннего сгорания. Наконец, в разделе 6 представлены выводы.

2. Основная теория
2.1. Модель подвальной мембраны улитки слуховой системы

Слуховая система человека включает слуховую периферию и слуховой центр [27, 28].Слуховая периферия состоит из наружного, среднего и внутреннего уха. Внутреннее ухо состоит из полукружного канала, преддверия и кохлеарного имплантата. Речевые сигналы проходят через внешнее ухо, среднее ухо и кость уха в улитку. Улитка преобразует механическую энергию звуковых волн в нейронные кодирующие сигналы и через слуховой нерв в слуховой центр. Тогда будет произведено слушание.

В слуховой системе улитка как слуховой рецептор человека является одной из наиболее важных частей.Обработка звукового сигнала человеческого уха достигается за счет частотного разложения базальной мембраны улитки. Он может не только преобразовывать разные частоты звуковых сигналов в разные положения базальной мембраны, но также переключать разную интенсивность звука в разную амплитуду колебаний базальной мембраны. Таким образом, кохлеар может завершить кодирование в соответствии с частотой звука и его интенсивностью.

В слуховой модели набор перекрывающихся полосовых фильтров обычно используется для моделирования базальной мембраны улитки.Допустим, есть фильтры. -Й фильтр есть. Ответ базальной мембраны на сигнал определяется следующим образом. где — выход базальной мембраны. представлял свертку.

Характеристики банка фильтров Gammatone хорошо согласуются со слуховой характеристикой, которая может хорошо имитировать частотную избирательность базальной мембраны и характеристики спектрального анализа. Таким образом, набор фильтров гамматона широко используется в качестве модели базальной мембраны улитки.

2.2. Банк фильтров гамматона

Банк фильтров гамматона представляет собой стандартный слуховой фильтр улитки [29, 30]. Он может моделировать характеристики полосового фильтра базальной мембраны. Центральная частота каждого фильтра логарифмически равномерно распределена по оси частот. Предположим, центральная частота -го фильтра равна. Выражение во временной области фильтра Gammatone — это порядок фильтра. — центральная частота фильтра. — фаза фильтра, обусловленная фазой звуковых сигналов, мало влияющих на слух; таким образом, фаза обычно устанавливается равной нулю.- функция единичного шага. коэффициент затухания фильтра. Он определяет скорость затухания импульсной характеристики, которая связана с полосой пропускания фильтра. Полоса пропускания слухового полосового фильтра зависит от центральной частоты. Обычно используется эквивалентная прямоугольная полоса пропускания (ERB). Формула расчета:

Блок фильтров Gammatone показан на рисунке 1. Форма сигнала во временной области при различных центральных частотах показана на рисунке 1 (a). Соответствующая кривая АЧХ показана на рисунке 1 (б).


(a) Форма волны во временной области функции гамматона
(b) Амплитудно-частотная характеристика функции гамматона
(a) Форма волны во временной области функции гамматона
(b) Амплитудно-частотная характеристика функции гамматона
2.3. Надежный независимый компонентный анализ

Метод слепого разделения источников — это мощный метод обработки сигналов [31]. Он может извлекать и восстанавливать исходные сигналы, которые нельзя непосредственно наблюдать из нескольких наблюдаемых смешанных сигналов.В связи с тем, что исходный сигнал неизвестен и не наблюдается, а характеристики смешанной системы неизвестны или заранее известен лишь небольшой объем предшествующей информации, использование метода слепого разделения источников для разделения сигналов источников является сложной задачей.

Предположим, что сигналы, собранные датчиками, есть. Затем необходимо найти обратную систему для восстановления исходных сигналов. Выходное выражение:

Обычный процесс слепого разделения источников показан на рисунке 2.


Независимый компонентный анализ (ICA) — важный метод решения проблем слепого разделения источников. Алгоритм FastICA — это широко используемый алгоритм слепого разделения источников, предложенный Хювяриненом [32]. Алгоритм FastICA имеет высокую скорость сходимости и надежность. Это кубическая сходимость. Однако у него есть некоторые ограничения. Когда пространственная корреляция исходного сигнала высока, алгоритм FastICA не будет иметь хороших результатов разделения, а эксцесс, основанный на кумулянте более высокого порядка, имеет свои собственные дефекты в значении поля.Для решения этих проблем Зарзосо и Комон [33] предложили алгоритм RobustICA, который имеет превосходный эффект слепого разделения источников. Алгоритм RobustICA использовал эксцесс в качестве целевой функции. Эксцесс — это индикатор для оценки негауссовой характеристики анализируемого сигнала. Эксцесс определяется как

Предположим, что наблюдаемый сигнал равен. Алгоритму RobustICA не требуется выполнять процесс отбеливания наблюдаемого сигнала. Для этого требуется только среднее значение наблюдаемого сигнала, равное нулю.По алгоритму RobustICA несмешанный сигнал равен. Конкретный процесс расчета алгоритма RobustICA показан следующим образом.

Шаг 1. Счетчик. Предположим, что количество исходных сигналов совпадает с количеством наблюдаемых сигналов.

Шаг 2. назначается случайным образом в качестве начального значения, а норма — 1. Количество шагов итерации установлено равным 1.

Шаг 3. Вычислите полином. Получен наибольший корень целевой функции.Формула расчета есть.

Шаг 4. Обновите матрицу разделения. И нормализовать.

Шаг 5. Повторяйте шаги 3 и 4, пока значение не станет достаточным и меньше 1.

Шаг 6. Ортогонально. Нормализовать.

Шаг 7. Марка. Затем вернитесь к шагу 2 для следующей итерации, пока.

2.4. Процесс расчета по методу Gammatone-RobustICA

Для измеренных одноканальных излучаемых шумовых сигналов метод Gammatone-RobustICA используется для разделения и идентификации источников шума.Сначала различные модовые составляющие измеренных сигналов извлекаются блоком фильтров гамматона. Поскольку эти различные компоненты режима не всегда независимы друг от друга, метод слепого разделения источников все еще необходим для дальнейшей работы с разделенными компонентами сигнала для выделения независимых компонентов. Затем рассчитывается коэффициент корреляции между составляющими моды и измеряемым сигналом. Компоненты моды, которые имеют более высокий коэффициент корреляции с измеряемым сигналом, сохраняются.Компоненты сохраненной моды и измеренный сигнал объединяются вместе, чтобы сформировать новую группу сигналов. Алгоритм RobustICA используется для извлечения независимых компонентов. Наконец, полученные результаты разделения дополнительно идентифицируются с помощью спектрального анализа, непрерывного вейвлет-преобразования (CWT), метода функции когерентности и испытания двигателя внутреннего сгорания на сопротивление. Схема расчета метода Gammatone-RobustICA показана на рисунке 3.


3. Анализ моделирования

Чтобы проиллюстрировать производительность метода Gammatone-RobustICA, были выбраны некоторые типичные сигналы для проведения анализа моделирования. MATLAB.Выбранные типовые сигналы (, и) показаны ниже.

Частота выборки выбранных сигналов составляет 3000 Гц, а количество выборок сигналов — 300. Форма волны во временной области выбранных исходных сигналов показана на рисунке 4.


Для смешанного сигнала Gammatone- Метод RobustICA и метод EWT-RobustICA, соответственно, используются для разделения выбранных сигналов источников, и.

При использовании метода Gammatone-RobustICA частотный диапазон банка фильтров Gammatone устанавливается на 45–205 Гц, а номер канала — на 3.С помощью банка фильтров гамматона можно выделить три модовых компонента смешанных сигналов. Затем применяется алгоритм RobustICA для дальнейшего извлечения независимых компонентов из трех компонентов режима. Результаты разделения методом Gammatone-RobustICA показаны на рисунке 5 (а).


(a) Результаты разделения по методу Gammatone-RobustICA
(b) Результаты разделения по методу EWT-RobustICA
(a) Результаты разделения по методу Gammatone-RobustICA
(b) Результаты разделения метода EWT-RobustICA

Из рисунков 4 и 5 (а) видно, что IC1, IC2 и IC3, соответственно, соответствуют,, и.Результаты, полученные с помощью метода Gammatone-RobustICA, аналогичны сигналам во временной области исходных сигналов.

При использовании метода EWT-RobustICA результаты разделения по методу EWT-RobustICA показаны на Рисунке 5 (b). Из рисунков 4 и 5 (b) видно, что IC1, IC2 и IC3, соответственно, соответствуют, и. Но IC2 имеет некоторые отличия от. Это видно из красного кружка на Рисунке 5 (b). Таким образом, можно считать, что метод Gammatone-RobustICA имеет лучший эффект разделения, чем метод EWT-RobustICA.

4. Экспериментальное исследование
4.1. Испытательная платформа

Испытания двигателя внутреннего сгорания на шум и вибрацию проводятся в полностью закрытой полуэховой камере. Размер полуэховой камеры: длина 7,04 м × ширина 6,79 м × высота 5,95 м. Радиус свободного звукового поля не менее 2 метров, а фоновый шум — 18 дБ.

Испытательный стенд содержит высокоскоростной дизельный двигатель типа WP10-240, трансмиссионный вал, немецкий двигатель переменного тока Siemens 1PL6, консоль и другие сопутствующие аксессуары.Конкретные параметры высокоскоростного дизельного двигателя типа WP10-240 показаны в таблице 1.

-36 -2-4

Характеристики Параметры

Тип двигателя 904 линейный двигатель
Номер цилиндра 4
Номер хода 6
Диаметр цилиндра × ход 126 мм × 130 мм
Порядок зажигания 1
Максимальная выходная мощность 175 кВт
Номинальная частота вращения 2200 об / мин
Степень сжатия 17: 1
Максимальный крутящий момент 1000 Нм
Максимальная частота вращения 1200–1600 об / мин

Двигатель внутреннего сгорания имеет шесть цилиндров.Он будет производить множество источников вибрации и шума. Непосредственно отделить все источники шума ДВС очень сложно. Поэтому используется метод свинцового покрытия, чтобы изолировать шум от цилиндров номер 1–5, и только части цилиндра номер 6 подвергаются воздействию. Источник шума указанного цилиндра номер 6 отделен и идентифицирован. Свинцовая крышка двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке 6.


4.2. Условия испытаний

Двигатель внутреннего сгорания обычно работает с номинальной частотой вращения 2200 об / мин.Таким образом, необходимо и целесообразно разделить и идентифицировать источники шума двигателя внутреннего сгорания при номинальной частоте вращения. Однако на испытательном стенде двигателя внутреннего сгорания соединительное оборудование двигателя внутреннего сгорания имеет некоторые проблемы. Двигатель внутреннего сгорания не может достичь номинальной скорости. В тесте реальная частота вращения двигателя внутреннего сгорания составляет 2100 об / мин.

Более того, когда двигатель внутреннего сгорания находится в режиме сопротивления, двигатель внутреннего сгорания не будет производить шум сгорания, а будет производить только механический шум.Однако трудно измерить независимый шум от удара поршня, потому что многие движущиеся части двигателя внутреннего сгорания будут производить шум. Согласно соответствующим знаниям о двигателе внутреннего сгорания, когда поршень ударяется о внутреннюю стенку цилиндра, он вызывает вибрацию, а затем вибрация будет дополнительно производить шум от удара поршня. Таким образом, частота вибрации от удара поршня может быть использована для оценки точности шума отдельного удара поршня. Условия испытаний двигателя внутреннего сгорания приведены в таблице 2.

903

Условия испытаний Скорость (об / мин) Процент нагрузки (%)

Нормальное
Состояние перетаскивания 2100 0

4.3. Система измерения и расположение точек измерения

Система измерения вибрации и шума двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке 7.Измерительная система включает модуль сбора данных NI 9234 и NI 9205, максимальная частота дискретизации которых может достигать 51,2 кГц. Акселерометры LC0158T используются для измерения вибрации головки блока цилиндров и вибрации от удара поршня, чувствительность которых составляет 30 мВ / г, диапазон — 166 г, а диапазон частот — 0–15 кГц. Тип датчика давления в баллоне — Kistler 7013C, диапазон 25 МПа, с одноканальным усилителем заряда 5018A1000. Электретный микрофон DGO9767CD применяется для измерения шумовых сигналов, чувствительность которого составляет 50 мВ / Па, а диапазон частотной характеристики составляет 20 Гц – 20 кГц.


Фактически, из-за ограничений условий испытаний, трудно измерить независимый шум сгорания. Согласно соответствующим знаниям о двигателях внутреннего сгорания, шум сгорания связан с резким изменением давления в цилиндре. Резкое изменение давления в цилиндре может вызвать вибрацию головки цилиндра и поверхности корпуса, а затем вибрация вызовет шум сгорания. Таким образом, функция корреляции давления в цилиндре и вибрации головки блока цилиндров может использоваться для определения частоты шума сгорания, а затем для дальнейшей оценки точности отделенного шума сгорания.

Благодаря тому, что конструкция двигателя внутреннего сгорания и траектория движения поршня известны ранее, таким образом, место возникновения удара поршня может быть определено по конструкции двигателя внутреннего сгорания и траектории движения поршня. Измеренное положение ударной вибрации поршня соответствует положению, в котором поршень ударяется о внутреннюю стенку цилиндра. Измеренное положение вибрации от удара поршня показано на рисунке 8.


Электретный микрофон DGO9767CD расположен на расстоянии 1 см от стороны цилиндра номер 6.Акселерометр LC0158T расположен в месте удара поршня для измерения вибрации удара поршня, когда двигатель внутреннего сгорания находится в режиме сопротивления. Конкретное расположение точки измерения показано на рисунке 9.


В ходе испытания максимальная частота шума, излучаемого двигателем внутреннего сгорания, составляет менее 8000 Гц. Согласно теореме дискретизации, частота дискретизации более чем в два раза превышает наивысшую частоту анализируемых сигналов. Таким образом, можно установить частоту дискретизации 25.6 кГц.

Цилиндр номер 6 установлен в качестве объекта исследования. Когда двигатель внутреннего сгорания работает на 2100 об / мин и в состоянии холостого хода, измеряются сигналы давления в цилиндрах (), сигналы виброускорения головки цилиндров () и сигналы шума, излучаемого в ближней зоне корпуса цилиндра (). Это показано на рисунке 10.


5. Разделение и идентификация излучаемого шума в ближней зоне

В этой части для разделения и идентификации источники шума боковой стороны корпуса цилиндра излучаемый шум в ближней зоне.

В процессе испытания на шум и вибрацию измеренный шумовой сигнал может иметь случайные составляющие ошибки, которые повлияют на последующие результаты вычислений. Чтобы уменьшить составляющие случайной ошибки, на измеренном шумовом сигнале выполняется предварительная обработка, такая как устранение элементов тенденции и усреднения скольжения. Предварительно обработанный шумовой сигнал показан на рисунке 11.


5.1. Gammatone-RobustICA Method

Когда метод Gammatone-RobustICA используется для разделения и идентификации источника шума двигателя внутреннего сгорания, первым шагом является разработка соответствующего банка фильтров Gammatone для извлечения различных модовых компонентов предварительно обработанного шумового сигнала.Необходимо заранее определить два важных параметра банка фильтров Gammatone: центральный частотный диапазон и количество каналов. Для диапазона центральной частоты, с одной стороны, диапазон частот слышимых человеком звуков составляет 20 Гц – 20 кГц. С другой стороны, частотный диапазон шума, излучаемого двигателем внутреннего сгорания, обычно ниже 8000 Гц. Таким образом, центральная частота банка фильтров Gammatone установлена ​​на 20–8000 Гц. Для количества каналов банка фильтров Gammatone, с одной стороны, с учетом точности вычислений и затрат на вычисления, чем больше количество каналов, тем выше точность вычислений и тем выше стоимость вычислений. является; таким образом, количество каналов банка фильтров Gammatone не должно быть слишком большим.С другой стороны, согласно соответствующим знаниям о двигателе внутреннего сгорания, источниками шума двигателя внутреннего сгорания являются шум сгорания, шум от удара поршня, шум от стука воздушного клапана, шум зацепления шестерен, шум топливного насоса высокого давления и так далее. После рассмотрения этих факторов количество каналов банка фильтров Gammatone устанавливается равным 11.

С помощью банка фильтров Gammatone можно получить модовые составляющие из предварительно обработанного шумового сигнала. Результаты разложения показаны на рисунке 12.


Для повышения эффективности расчета необходимо выбрать компоненты режима с большой корреляцией с предварительно обработанным шумовым сигналом для выполнения следующего шага расчета.

Предположим, что коэффициент корреляции между компонентами режима и предварительно обработанным шумовым сигналом равен; — количество составляющих режима. Коэффициент корреляции определяется следующим образом. Где представляет собой исходный сигнал. представляет собой компонент разделения. представляет ковариацию и.и представляют собой дисперсию и соответственно.

Согласно теории коэффициента корреляции Пирсона [34], коэффициент корреляции находится в диапазоне от -1 до +1. Если коэффициент корреляции больше нуля, между двумя переменными существует положительная корреляция. Напротив, существует отрицательная корреляция. В общем, если коэффициент корреляции больше 0,3, две переменные коррелируют.

Для выбора компонентов режима устанавливается порог, чтобы определить, сохраняется ли компонент режима или нет.Но двигатель внутреннего сгорания имеет много источников шума, и в процессе измерения возникает много шумовых помех. Таким образом, если пороговое значение коэффициента корреляции установлено равным 0,3, выбранные компоненты режима будут меньше, и информации об отдельном независимом источнике шума будет недостаточно. Чтобы получить более достаточную независимую информацию об источнике шума, в реальном исследовании необходимо установить меньшее пороговое значение коэффициента корреляции. Здесь порог коэффициента корреляции определяется следующим образом.где — коэффициент соотношения, установленный на 10,0.

Результаты расчета коэффициента корреляции между компонентами моды и предварительно обработанным шумовым сигналом показаны в таблице 3.

Из таблицы
9046 5

Компоненты моды Коэффициент корреляции

м 1 0,0001
м 2 0.0925
м 3 0,0987
м 4 0,0903
м 5
9046 0,0539 9046 0,1256
м 7 0,0902
м 8 0,0011
м 9 0.0392
м 10 0,0098
м 11 0,0215

можно увидеть максимальную корреляцию коэффициент 0,1256. Таким образом, если коэффициент корреляции больше 0,01256, его следует сохранить. Напротив, если коэффициент корреляции меньше 0,01256, его следует исключить. Путем анализа можно определить, что m 2, m 3, m 4, m 5, m 6, m 7, m 9 и m11 должны быть сохранены, и м 1, м 8 и м 10 следует убрать.

В связи с тем, что компоненты сохраненного режима не всегда независимы друг от друга, для извлечения независимых компонентов необходимо использовать алгоритм RobustICA. Компоненты сохраненной моды и предварительно обработанный шумовой сигнал объединяются вместе, чтобы сформировать новую группу сигналов. Затем алгоритм RobustICA используется для извлечения независимых компонентов. Результаты расчетов показаны на рисунке 13.


Согласно соответствующим знаниям в области двигателей внутреннего сгорания, сгорание топлива в цилиндре может вызвать резкое изменение давления в цилиндре и вызвать шум сгорания.Таким образом, шум горения является высокочастотным сигналом. Анализируя девять компонентов, IC6 является высокочастотным сигналом. Таким образом, можно предварительно судить, что составляющая IC6 — это шум сгорания.

Механический шум двигателя внутреннего сгорания обычно ниже 3500 Гц [35]. Анализируя результаты расчетов RobustICA, мы обнаружили, что частота IC9 ниже 3500 Гц. Таким образом, можно предварительно судить, что составляющая IC9 — это шум от хлопка поршня.

Помимо IC6 и IC9, что касается остальных 7 компонентов, это могут быть стук воздушного клапана, шум зацепления шестерен, шум топливного насоса высокого давления или другие источники шума.В идеале все источники шума двигателя внутреннего сгорания должны быть отделены и идентифицированы. Однако, поскольку источники шума серьезно смешаны друг с другом, трудно разделить и идентифицировать все источники шума, и они требуют дальнейших исследований. Например, стук воздушного клапана в основном вызван воздействием открывания и закрывания клапана, и время открытия и закрытия клапана может быть определено в соответствии с синхронизацией впуска и выпуска двигателя внутреннего сгорания.Более того, расположив датчик вибрации и акустический датчик рядом с клапаном и комбинируя время открытия и закрытия клапана, можно дополнительно изучить шум от стука воздушного клапана. Шум зацепления шестерен возникает из-за столкновения и трения между зубьями во время процесса зацепления шестерен. Каждый поворот шестерни может вызвать столкновение и трение; таким образом, шум зацепления зубчатых колес может быть изучен дополнительно. Шум топливного насоса высокого давления в основном вызван изменением давления масла во время процесса распыления масла.Шум топливного насоса высокого давления можно изучить по давлению впрыска масла и времени горения двигателя внутреннего сгорания.

Учитывая, что шум сгорания и шум от ударов поршня являются основными источниками шума двигателя внутреннего сгорания, в этой статье основное внимание уделяется разделению и идентификации шума сгорания и шума от удара поршня.

БПФ (быстрое преобразование Фурье) и CWT (непрерывное вейвлет-преобразование) объединяются для дальнейшей идентификации результатов разделения. Результаты расчета представлены на рисунках 14 и 15.Корреляционная функция давления в цилиндре и вибрации головки цилиндров показана на рисунке 16.


Из рисунка 14 видно, что частота компонента IC6 фокусируется на 4025 Гц, а форма волны компонента IC6 во временной области сильно изменилась. при 390 ° CA. Из рисунка 14 (c) видно, что частотная энергия велика около 390 ° CA, и в основном она сконцентрирована около 4000 Гц. Согласно предшествующим знаниям о двигателе внутреннего сгорания, последовательность зажигания двигателя внутреннего сгорания составляет 1-5-3-6-2-4.Угол зажигания цилиндра номер 6 составляет около 390 ° CA. Из-за того, что цилиндры 1–5 покрыты свинцом, частотная энергия цилиндра 6 больше, чем цилиндров 1–5. Более того, как показано на Рисунке 16, давление в цилиндре и вибрация головки блока цилиндров имеют хорошую корреляцию около 4000 Гц. Шум сгорания в основном вызван изменением давления в цилиндре. При частоте около 4000 Гц включается основная информация о шуме сгорания. Таким образом, можно определить, что составляющая IC6 — это шум сгорания.

Из рисунка 15 видно, что частота компонента IC9 фокусируется на 1725 Гц. В сочетании с рисунком 16 корреляционная функция давления в цилиндре и вибрации головки цилиндров не очень хороша в районе 1725 Гц. Из рисунка 15 (c) видно, что частотная энергия огромна около 390 ° CA. Он соответствует углу зажигания цилиндра номер 6. Чтобы дополнительно подтвердить шумовую составляющую IC9, проводится испытание на сопротивление двигателю внутреннего сгорания. При испытании на сопротивление отдельно измеряется сигнал вибрации от удара поршня.БПФ IC9 и вибрация от удара поршня показаны на рисунке 17. Из рисунка 17 спектр IC9 очень согласуется со спектром вибрации от удара поршня. В сочетании с рисунком 18 можно увидеть корреляционную функцию IC9, и вибрация от ударов поршня в основном больше 0,5, и поэтому можно считать, что IC9 и вибрация от ударов поршня имеют хорошую корреляцию. Таким образом, можно определить, что составляющая IC9 — это в основном шум от хлопка поршня.



5.2. Метод EWT-RobustICA

В этой части метод EWT-RobustICA используется для разделения источника шума двигателя внутреннего сгорания. Во-первых, алгоритм EWT применяется для разложения предварительно обработанного шумового сигнала. Результаты расчета показаны на рисунке 19.


После того, как предварительно обработанный шумовой сигнал разложен с помощью алгоритма EWT, могут быть получены эмпирические модальные компоненты. Но он может иметь некоторые ложные эмпирические модальные компоненты. Таким образом, необходимо удалить ложные эмпирические модальные компоненты.Следовательно, коэффициент корреляции между эмпирическими модальными компонентами и предварительно обработанным шумовым сигналом используется для определения того, удален ли эмпирический модальный компонент или нет. Коэффициент корреляции между эмпирическими модальными компонентами и предварительно обработанным шумовым сигналом показан в таблице 4.

9046 5 9046 9 0,05 0071

Эмпирические модальные компоненты Коэффициент корреляции


0.8532
F 2 0,5144
F 3 0,0712
F 4 0,0569
F 6 0,0214
F 7 0,0146
F 8 0,0159
F 3 9

Из таблицы 4 видно, что максимальное значение эмпирических модальных компонентов составляет 0,8532. Таким образом, если эмпирические модальные компоненты меньше 0,08532, их следует удалить. Следовательно, следует удалить F 3, F 4, F 5, F 6, F 7, F 8 и F 9. Затем оставшиеся F 1 и F 2 и предварительно обработанный шумовой сигнал объединяются вместе, чтобы сформировать новую группу сигналов.Алгоритм RobustICA используется для извлечения независимых компонентов. Результаты расчета RobustICA показаны на рисунке 20.


Анализируя, можно предварительно сделать вывод, что составляющая IC1 и составляющая IC2 являются шумом сгорания и шумом от хлопка поршня. Затем FFT и CWT используются для дальнейшего анализа компонента IC1 и компонента IC2. Результаты расчетов показаны на рисунках 21 и 22.

Из рисунка 21 видно, что амплитуда компонента IC1 сильно изменяется около 390 ° CA, а последовательность зажигания цилиндра номер 6 находится при 390 ° CA.Частотный диапазон компонента IC1 сосредоточен в районе 4000–6700 Гц. В сочетании с рисунком 16, корреляционная функция давления в цилиндре и вибрации головки блока цилиндров хороша при 4000–5000 Гц, но корреляционная функция не очень хороша при 5000–6700 Гц. Таким образом, можно считать, что составляющая IC1 — это в основном шум сгорания. Однако он имеет много интерференционных компонентов, как показано в кружке на Рисунке 21 (c).

Из рисунка 22 видно, что амплитуда компонента IC2 сильно изменилась при 390 ° CA.Это соответствует углу зажигания цилиндра номер 6. Частота компонента IC2 фокусируется на 1350 Гц, 1725 Гц и 2100 Гц. В испытании на сопротивление движению двигателя внутреннего сгорания измеряется сигнал независимой вибрации от удара поршня. Более того, БПФ IC2 и вибрация от удара поршня показаны на рисунке 23. Из рисунка 23 можно увидеть, что частота вибрации от удара поршня сконцентрирована на 1700 Гц. Но частота IC2 сосредоточена на 1350 Гц, 1725 Гц и 2100 Гц. Он имеет некоторую разницу с компонентом IC2.В сочетании с рисунком 24 корреляционная функция IC2 и вибрации поршня не очень хорошая. Таким образом, можно определить, что компонент IC2 имеет некоторые составляющие помех, за исключением составляющей шума от удара поршня. Это можно увидеть в желтом круге на Рисунке 22 (c).



5.3. Обсуждение в сравнении

При использовании метода Gammatone-RobustICA для разделения шума сгорания и шума от ударов поршня результаты расчетов показаны на рисунках 14 и 15.Частоты шума сгорания и шума от удара поршня сосредоточены на 4025 Гц и 1725 Гц соответственно. При использовании метода EWT-RobustICA разделенный шум сгорания и шум от удара поршня показаны на рисунках 21 и 22. Сравнивая рисунок 14 с рисунком 21, можно увидеть, что есть много других частотных компонентов, за исключением компонентов 4025 Гц на рисунке. 21. Сравнивая рисунок 15 с рисунком 22, можно увидеть, что есть много других частотных составляющих, за исключением составляющих 1725 Гц на рис. 22.Более того, на Рисунке 17 спектр IC9 согласуется со спектром вибрации от удара поршня, в то время как на Рисунке 23 спектр IC2 имеет некоторое отличие от спектра вибрации от удара поршня. Таким образом, по сравнению с методом EWT-RobustICA, метод Gammatone-RobustICA позволяет получить более чистый шум сгорания и шум хлопка поршня. Метод Gammatone-RobustICA имеет лучший эффект разделения и идентификации, чем метод EWT-RobustICA.

6. Выводы

В аспекте испытания двигателя внутреннего сгорания применяется метод покрытия свинцом для обертывания цилиндров с номерами 1–5, при этом открываются только части цилиндров с номерами 6.Он может эффективно изолировать помехи от цилиндров 1–5. Таким образом, это способствует разделению и выявлению источников шума указанного цилиндра номер 6.

Вдохновленный слуховой системой человека, предлагается метод Gammatone-RobustICA для разделения и идентификации шума сгорания и шума от хлопка поршня. По сравнению с методом EWT-RobustICA, предложенный метод Gammatone-RobustICA имеет лучший эффект разделения. Результаты разделения, полученные методом Gammatone-RobustICA, имеют очень мало других интерференционных компонентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.