5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.43

Построение развернутой индикаторной диаграммы двигателей с бескривошипно-шатунным механизмом

Ю.А.Пахомов, С.А.Киселёв

Аннотация

индикаторный шатунный бензиновый двигатель

Приведены методики построения развернутой индикаторной диаграммы двигателей с бескривошипно-шатунным преобразующим механизмом графоаналитическим и аналитическим способами.

Динамический расчет преобразующего механизма двигателя внутреннего сгорания (ДВС) заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от сил давления газов и сил инерции. По этим силам рассчитывают крутящий момент двигателя, степень его неравномерности и степень неравномерности хода двигателя, а также выполняют расчет основных деталей на прочность. Во время работы двигателя на детали преобразующего механизма действуют различные силы, однако основой для расчета являются силы давления газов на поршень и силы инерции поступательно движущихся масс.

Силы давления газов, действующие распределенно по площади поршня, для упрощения расчетов обычно заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к поршневому пальцу. Эта сила по мере осуществления рабочего процесса изменяется в зависимости от угла поворота приводного вала.

Следовательно, для выполнения динамического расчета преобразующего механизма ДВС необходимо иметь зависимость изменения сил давления газов от угла поворота приводного вала.

Построение диаграммы сил давления газов для кривошипно-шатунного механизма (КШМ) обычно осуществляют путем перестроения действительной индикаторной диаграммы, снятой с двигателя или построенной по результатам теплового расчета по известным методикам [1,2].

В последнее время активно ведется поиск преобразующего механизма, отличного от КШМ традиционной конструкции. Интерес представляют способы построения развернутых по углу поворота вала индикаторных диаграмм для двигателей с нетрадиционной конструкцией преобразующего механизма.

Рассмотрим способы построения диаграммы сил давления газов для бескривошипно-шатунного механизма (БКШМ) [3], основные преимущества и принцип работы которого описаны в [4].

Графоаналитический метод. Для построения развернутой по углу поворота коленчатого вала индикаторной диаграммы двигателя с КШМ графоаналитическим методом профессора Брикса [2] строится вспомогательная полуокружность диаметром, равным ходу поршня. Затем вводится поправка Брикса, в результате чего центр полуокружности смещается на величину в сторону нижней мертвой точки. Такие действия необходимы, поскольку в конструкцию КШМ входит шатун ограниченной длины. При повороте кривошипа от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) шатун перемещается вдоль оси цилиндра с отклонением от нее. Вследствие совпадения направлений перемещений шатуна и поршня при движении кривошипа по первой четверти окружности (0 - 90°) поршень проходит больше половины своего пути. При движении кривошипа по второй четверти окружности (90 - 180°) направления перемещений шатуна и поршня не совпадают и поршень проходит меньший путь, чем за первую четверть.

В результате этого зависимость между перемещением поршня и углом поворота коленчатого вала не является прямой линией (рис. 1).

.

Рис. 1. Зависимость перемещения поршня от угла поворота приводного вала: 1 - двигатель с КШМ; 2 - двигатель с БКШМ_.

На рис. 1 также приведена зависимость перемещения от угла поворота приводного вала двигателя с БКШМ [5]. Очевидно, что эта зависимость представляет собой прямую линию, т.е. поршень перемещается равномерно. Кроме того, в конструкции БКШМ отсутствует шатун, и, следовательно, необходимость построения вспомогательной полуокружности и введения поправки Брикса, учитывающих его влияние, отпадает.

Построение развернутой индикаторной диаграммы графоаналитическим способом для двигателя с БКШМ осуществляется следующим образом.

Допустим, что свернутая индикаторная диаграмма двигателя с БКШМ соответствует свернутой индикаторной диаграмме двигателя с КШМ. Свернутую индикаторную диаграмму строим по результатам теплового расчета. Затем под этой диаграммой строим вспомогательную прямую, длина которой равна ходу поршня (рис. 2). Прямую делим на n равных частей, размер каждой из которых соответствует градусов поворота коленчатого вала. Из полученных точек проводим вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы и полученные величины давлений откладываем на вертикали соответствующих углов б. Развертку начинаем от ВМТ по ходу впуска. При построении учитываем, что на свернутой индикаторной диаграмме давление отсчитывают от абсолютного нуля, а на развернутой показывают избыточное давление над поршнем: . Следовательно, давления в цилиндре двигателя, которые меньше атмосферных, на развернутой диаграмме будут отрицательными. На рис. 2 показано перестроение свернутой индикаторной диаграммы в развернутую для четырехтактного бензинового двигателя. Для дизельных двигателей построения выполняются аналогично с учетом тактности и влияния давления наддува.

Аналитический метод. Аналитический метод [1] основан на представлении процессов сжатия и расширения рабочего тела политропами. В этом случае рабочий цикл 4-тактного двигателя рассматривается как совокупность четырех процессов, в течение которых давление газов в цилиндре изменяется по приведенным в табл. 1 законам.

Рис. 2. Перестроение (развертка) индикаторной диаграммы из координат р-V в координаты р-б для четырехтактного бензинового двигателя с БКШМ

Таблица 1 Расчет развернутой индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя

В таблице применены следующие обозначения: - текущее значение удельного давления газов, соответствующее какому-либо углу поворота приводного вала; - давление наддува; - потери давления, обусловленные аэродинамическими сопротивлениями впускной системы; - соответственно давление и объем в начале сжатия (принимаются из теплового расчета двигателя прототипа); - соответственно давление и объем в конце расширения (принимаются из теплового расчета двигателя прототипа); - соответственно показатели политроп сжатия и расширения; - текущие значение объема в зависимости от угла поворота приводного вала - рассчитываются по формулам:

- для линии сжатия

;

- для линии расширения

, ,

где - объем камеры сгорания; - соответственно диаметр цилиндра и ход поршня.

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Предварительное построение развернутой индикаторной диаграммы четырехтактного двигателя

Результаты расчетов по формулам, приведенным в табл. 1, для двигателей с БКШМ, так же как и для двигателей с КШМ, нуждаются в корректировке. Для дизелей, как правило, максимальное значение расчетного давления в цилиндре оказывается выше заданной величины p_z. Значения давления при б = 180° и б = 540°, рассчитанные по формулам в ходе процессов наполнения и сжатия, а также расширения и выпуска, различаются между собой. Также различаются значения давления при б = 360° (этот момент времени служит геометрическим концом сжатия и началом расширения - точки 1 и 2 на рис. 3).

Для двигателей с БКШМ корректировку в простейшем случае можно осуществлять аналогично двигателю с КШМ, путем вычисления новых значений давления по формулам:

;

,

где - принятый шаг расчета.

Для б = 360° значение вычисляется по формуле

.

Максимальное давление сгорания в цилиндре для дизелей ограничивается заданным на соответствующем угле поворота коленчатого вала, хотя расчет по формулам, приведенным в табл. 1, может дать большие значения.

Максимальное давление в цилиндре бензинового двигателя ограничивается ординатой .

На рис. 4 показана развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя, построенная по приведенным формулам.

В течение рабочего цикла 2-тактного двигателя давление газов в цилиндре рассчитывается по зависимостям, данным в табл. 2. Началом процесса (б = 0) считается момент времени, когда поршень находится в ВМТ в начале процесса расширения. Помимо корректировки индикаторной диаграммы в окрестности ВМТ поршня, осуществляемой аналогично такому же действию при б = 360° для 4-тактного двигателя, в данном случае следует ввести корректировку, связанную с наличием продувки. В течение этого процесса, протекающего в области НМТ, давление в цилиндре 2-тактного ДВС принимается постоянным и равным давлению р_пр продувки (рис. 5).

Рис. 4. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя, построенная аналитическим способом

Для осуществления этой корректировки необходимо найти значения углов поворота коленчатого вала, соответствующих моментам открытия и закрытия окон (точки А и В на рис. 5).

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Предварительное построение развернутой индикаторной диаграммы двухтактного двигателя

При корректировке индикаторной диаграммы вначале определяют величину активного хода

,

где - доля потерянного хода поршня.

С другой стороны, для БКШМ текущие значения перемещения поршня при движении от ВМТ к НМТ определяются по формуле [6]

.

Подставив в ее левую часть значения , найдем значение угла поворота коленчатого вала , соответствующего моменту открытия продувочных окон:

;

.

Найденная величина откладывается от начала координатной оси углов поворота коленчатого вала в направлении координаты б = 180° (рис. 5), после чего определяется точка А; точка В располагается симметрично относительно координаты б =180°.

Таблица 2 Расчет развернутой индикаторной диаграммы двухтактного двигателя

На рис. 6 показана развернутая индикаторная диаграмма двухтактного дизельного двигателя, построенная по приведенным формулам.

Рис. 6. Развернутая индикаторная диаграмма двухтактного дизельного двигателя, построенная аналитическим способом

Таким образом, построение развернутой индикаторной диаграммы двигателей с бескривошипно-шатунным преобразующим механизмом графоаналитическим и аналитическим способами во многом аналогично построению диаграмм силы давления газов в двигателях с КШМ. Отличия обусловлены конструкцией механизма и кинематикой движения его элементов.

Список литературы

1. Яманин, А.И. Динамика поршневых двигателей: учеб. пособие/А.И. Яманин [и др.]. - М: Машиностроение, 2003. - 464 с.

2. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов/А.И.Колчин, В.П.Демидов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.:Высш. шк., 2002. - 296 с.

3. Пат. 2151894 РФ: F02B75/32.

4. Иващенко, Н.А. Принцип работы и основные преимущества бескривошипно-шатунного двигателя внутреннего сгорания/ Н.А.Иващенко, Ю.А.Пахомов, С.А.Киселев// Вестник БГТУ. - 2005. - №4. - С.77-81.

5. Иващенко, Н.А. Сравнительная оценка кинематики кривошипно-шатунного и бескривошипно-шатунного механизмов/ Н.А. Иващенко, Ю.А.Пахомов, С.А.Киселев/ Вестник БГТУ. - 2005. - №3. - С. 30-38.

6. Иващенко, Н.А. Применение бескривошипно-шатунного механизма в тепловозных дизелях/ Н.А.Иващенко, Ю.А.Пахомов, С.А.Киселев// Вестник БГТУ. - 2006. - №1. - С. 49-61.

Материал поступил в редколлегию 28.03.06.

Размещено на Allbest.ru