Преобразование и синтез кривошипно-шатунных механизмов поршневых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Преобразование и синтез кривошипно-шатунных механизмов поршневых двигателей

И.М. Щигарцов

Рассмотрены проблемы проектирования кривошипно-шатунных механизмов поршневых двигателей, соответствующих заданным кинематическим характеристикам. Проведен кинематический анализ кривошипно-шатунных механизмов, преобразованных в соответствии с требованиями, обеспечивающими повышение эффективности работы двигателей.

Ключевые слова: кривошипно-шатунные механизмы, поршневые двигатели, КШМ, кинематический анализ.

Разработка современных работоспособных и высокоэффективных двигателей предполагает проведение исследований в двух взаимосвязанных направлениях: совершенствование конструкции двигателя и организация рабочего процесса.

В результате таких исследований достаточно полно определены основные условия организации рабочего цикла поршневых двигателей внутреннего сгорания и влияние различных факторов процесса на их эффективные показатели. Но комплексные требования к конструкции двигателей до настоящего времени не сформулированы, эффективные показатели их работы остаются неудовлетворительными. Несмотря на постоянное совершенствование и усложнение поршневых двигателей внутреннего сгорания, коэффициент полезного действия лучших автомобильных дизелей не превышает 45%, с искровым зажиганием - 35%.

В ряде работ [2; 4] рассматривался вопрос о необходимости определения комплексных требований к механизмам двигателей, однако обоснованных рекомендаций по выбору кинематических характеристик их механизмов и конструктивных параметров современная теория рабочих процессов не даёт. При проектировании поршневых двигателей с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) параметр л₁ выбирается в пределах 0,25…0,3, л₂ - от 0 до 0,15 (л₁ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, л₂ - отношение смещения центра вращения кривошипа к длине шатуна).

Величина этих параметров в применяемых для двигателей кривошипно-шатунных механизмах ограничивается допустимыми углами давления в паре скольжения «поршень-гильза».

Из уравнений математической модели термодинамических процессов в поршневых машинах [6] следует, что значения коэффициента преобразования тепловой энергии в работу в любой точке процесса расширения газа и показателя политропы определяются кинематическими характеристиками механизмов, обеспечивающих этот процесс, параметрами теплообмена газов со стенками, ограничивающими их объём, температурой стенок и газа, теплоемкостью газов и их массой.

Уравнения имеют вид

(1)

, (2)

кривошипный шатунный механизм поршневой

где n - показатель политропы; з - коэффициент преобразования энергии; k - показательадиабаты; б - коэффициент теплоотдачи; f(t) - функция движения поршня; f?(t) - скорость поршня; T - температура газа; Т_СТ - температура поверхностей теплообмена; - средняя массовая изохорная теплоемкость; - площадь теплообмена камеры сгорания; - длина окружности цилиндра; b - высота цилиндра камеры сгорания.

Из приведенных уравнений следует, что оптимальное значение показателя политропы и максимальное значение коэффициента преобразования тепловой энергии в работу зависят от ряда параметров и соответствуют участкам процесса с высокими скоростями расширения газа (движения поршня).

Кривошипно-шатунные механизмы современных двигателей с принятыми параметрами л₁ и л₂ не обеспечивают необходимых скоростей перемещения поршня на участках процесса с высокими значениями давления и температуры. В первой четверти рабочего хода поршня скорости преобразования энергии такими механизмами минимальны при максимальных потерях тепловой энергии на теплообмен и утечки газа через уплотнения.

Для эффективного использования тепла на участках процесса расширения газа с высокими давлением и температурой необходим механизм, обеспечивающий повышение скоростей перемещения поршня в первой четверти рабочего хода при сохранении других показателей рабочего цикла, достигнутых в современных двигателях.

Это условие может быть выполнено при увеличении параметра КШМ л₁. Диаграммы скоростей (передаточные характеристики) первой половины рабочего хода поршня при этом сдвигаются в сторону верхней мёртвой точки (ВМТ) (рис. 1), увеличивается работа такта расширения на участке процесса с высоким давлением.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Однако такое конструктивное решение приводит к увеличению угла давления поршня на стенки гильзы цилиндра, дополнительным потерям мощности на преодоление сил трения или заеданию механизма.

Возникшее противоречие может быть разрешено преобразованием КШМ путём введения в механизм дополнительной пары скольжения «крейцкопф - направляющая». Это позволяет устранить давление поршня на гильзу, которое переносится на пару «крейцкопф - направляющая».

Потери на трение в этом случае могут быть сокращены, так как в паре скольжения «крейцкопф - направляющая» создаются более благоприятные условия для смазки и снижения коэффициента трения. Это позволяет изменить параметры КШМ, передаточные характеристики и повышать скорости перемещения поршня на участках процесса с высоким давлением.

Крейцкопфные механизмы в настоящее время применяются в судовых и тепловозных малооборотных двигателях, но возможности такого механизма для изменения кинематических характеристик двигателей изучены недостаточно.

По результатам исследований [4] коэффициент трения в паре скольжения «поршень-цилиндр» изменяется по сложному закону, от 0,14 в ВМТ до 0,02 в нижней мертвой точке (НМТ). Большее значение соответствует сухому трению, меньшее - жидкостному.

В паре «крейцкопф - направляющая» представляется возможным обеспечить условия полужидкостного или жидкостного трения во всех фазах рабочего цикла, изменить параметры л₁ и л₂, закон перемещения поршня и величину его хода. Кривошипно-шатунный механизм с ходом поршня больше 2R позволяет реализовать двигатель с продолженным расширением, а смещение скоростей перемещения поршня в сторону ВМТ - повысить мощность, генерируемую в первой половине рабочего хода поршня.

Для выбора оптимального соотношения параметров л₁ и л₂ необходимо решать сложную (до настоящего времени не вполне решенную) задачу синтеза КШМ. Оценочные расчеты [7] при выбранных значениях л₁=0,5, л₂=0 показывают, что термический КПД рабочего такта двигателя с преобразованным КШМ повышается на 5-6%. Существенный эффект получается в результате более полного использования энергии газов в первой четверти процесса их расширения (на участке процесса с наибольшими тепловыми потерями).

Проведем сравнительный расчет генерируемой мощности такта расширения с традиционным и увеличенным значениями параметра л₁ в фазе 15? угла поворота коленчатого вала.

Генерируемая мощность в любой точке процесса определяется уравнениями

; ,

где N - мощность; F - сила, действующая на поршень; P - давление в цилиндре; - скорость поршня; S - площадь радиального сечения поршня.

Скорость поршня центрального кривошипно-шатунного механизма определим по формуле [5]

,

где R - радиус кривошипа; - угловая скорость вращения кривошипа; - угол поворота кривошипа.

При л₁ = 0,25 .

При л₂= 0,45 .

Соотношение мощностей составит

Эффективность работы преобразованного механизма в фазе 15? поворота коленчатого вала (кривошипа) на 15,6% выше.

Этот показатель может быть ещё выше при использовании смещенного КШМ, ход поршня которого больше 2R.

Ход поршня определим по формуле [5]

.

Предельные значения л₁ и л₂ примем из условия л₁+л₂?0,75 [5]. При л₁=0,4, л₂=0,35 .

При л₁=0,4 и л₂=0,4 ход поршня равен 2,236 R.

Увеличивая значения л₁ и л_2, в пределах, не нарушающих работоспособность двигателя (при жидкостном трении в паре скольжения «крейцкопф - направляющая»), ход поршня можно увеличить на 10-15%.

Продолженное расширение газа в цилиндре позволяет более полно использовать энергию газа и на 5-7% повысить КПД двигателя [3].

Для малооборотных судовых и тепловозных двигателей эффект может быть существенно выше. Использование рассматриваемых преобразований КШМ для высокооборотных автомобильных и тракторных двигателей может быть ограничено увеличением массы деталей шатунно-кривошипной группы. Кроме того, звенья «шток-крейцкопф» в конструкции механизма увеличивают габаритный размер двигателя по высоте, что также может ограничивать их применение на автомобильном транспорте.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Другим перспективным направлением совершенствования механизмов поршневых двигателей может быть использование известных симметричных кривошипно-шатунных механизмов. Один из вариантов такого механизма изображен на рис. 2.

Механизм состоит из цилиндра 1, поршня 2, штока 3, траверсы 4, двух шатунов 5 и двух кривошипов 6, расположенных симметрично относительно оси цилиндра на расстоянии, большем радиуса кривошипа. Кривошипы вращаются в противоположных направлениях. Для синхронизации вращения кривошипы соединены шестернями с передаточным отношением, равным единице. Середина траверсы шарнирно соединена с поршнем штоком, а концы траверсы так же шарнирно соединены шатунами с кривошипами.

Сумма нормальных сил P₃ и P?₃, возникающих в таком механизме, равна нулю при любых значениях параметров л₁ и л₂. Это позволяет изменять в широких пределах кинематические характеристики механизма на стадии проектирования, смещать диаграммы скоростей движения поршня в сторону ВМТ и увеличивать ход поршня, не нагружая при этом пары скольжения «поршень - гильза», «шток - направляющая».

В связи с нулевым значением давления на поверхности скольжения симметричные механизмы могут работать при значениях л₁ и л₂, близких к предельным.

Применение симметричных кривошипно-шатунных механизмов в двигателях внутреннего сгорания позволяет выполнить ряд условий, реализация которых при их традиционном исполнении невозможна:

- на стадии проектирования двигателя выбрать оптимальные кинематические характеристики движения поршня;

- исключить боковые давления в парах скольжения и повысить механический коэффициент полезного действия двигателя;

- в два раза снизить нагрузки на подшипники кривошипно-шатунной группы двигателя;

- увеличить ход поршня (реализовать конструкцию двигателя с продолженным расширением);

- увеличить степень сжатия без повышения давления наддува;

- снизить скорость нарастания давления в верхней мертвой точке ();

- повысить скорости преобразования тепловой энергии в работу на участках процесса с высокой температурой;

- снизить степень диссоциации газов в фазах процесса, близких к ВМТ.

Разработку двигателя с симметричным кривошипно-шатунным механизмом можно рассматривать как одно из перспективных направлений по созданию идеального двигателя [2] с коэффициентом полезного действия, максимально приближенным к КПД цикла Карно.

При снижении коэффициента трения в паре скольжения «крейцкопф - направляющая», представляется возможным увеличить параметры л₁ и л₂ КШМ и существенно повысить эффективные показатели работы крейцкопфных двигателей.

При разработке конструкций двигателей с новыми или преобразованными механизмами необходимо проводить исследования их кинематических характеристик или преобразования механизмов в соответствии с результатами математического анализа уравнений (1) и (2).

Список литературы

1. Архангельский, В.М. Автомобильные двигатели / В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов [и др.]; под. ред. М.С. Ховаха. - М.: Машиностроение, 1977. - 337 с.

2. Григорьянц, Р.А. Совершенствование механизма реализации энергии газов в двигателях внутреннего сгорания / Р.А.Григорьянц // Двигателестроение. - 2006. - №24 (226).- С.15-18.

3. Дьяченко, В.Г. Двигатель с продолженным расширением - проблемы, перспективы / В.Г. Дьяченко // Материалы международной конференции «Двигатель-2007» / Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана. - С. 22-24.

4. Кузнецов, Е.В. Параметры дизеля и его характеристики / Е.В.Кузнецов // Автомобильная промышленность. - 2002.- №9. - С. 11-15.

5. Семенов, М.В. Кинематические и динамические расчеты исполнительных механизмов / М.В.Семенов. - Л.: Машиностроение, 1974. - 429 с.

6. Щигарцов, И.М. Математическая модель необратимых термодинамических процессов в поршневых машинах / И.М.Щигарцов // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2005. - №1. - С. 77-80.

7. Щигарцов, И.М. Оценка эффективности работы поршневых двигателей с новыми и преобразованными механизмами реализации энергии газов / И.М.Щигарцов // Научная дискуссия: вопросы технических наук: сб. ст. по материалам XX Междунар. заоч. науч.-практ. конф. - М.: Междунар. центр науки и образования, 2014. - №3(16). - 114 с.

Размещено на Allbest.ru