Динамика кривошипно-шатунного механизма

Основные определения и размеры двигателя

Основные определения (рис. 10). Поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, и его

крайние положения называются мертвыми точками: верхняя — в. м. т. и нижняя — н. м. т.

Расстояние между мертвыми точками называется ходом поршня и обозначается буквой S. Одному ходу поршня соответствует пол-оборота коленчатого вала (180”); следовательно, ход поршня равняется диаметру окружности, описываемой центром шатунной шейки кривошипа, или двум радиусам кривошипа: S = 2r.

Объем в цилиндре над днищем поршня, когда последний находится в в. м. т., называется объемом камеры, сгорания и обозначается V_c.

Объем в цилиндре между мертвыми точками называется рабочим объемом цилиндра, или его литражом, и обозначается V

Рис. 10. Схема кривошипношатунного механизма.

При работе двигателя в его цилиндре происходит ряд последовательных процессов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Из них впуск, сжатие и выпуск являются вспомогательными процессами, обеспечивающими получение рабочего хода.

Совокупность этих последовательных, периодически повторяющихся процессов, обеспечивающих работу двигателя, называется рабочим циклом.

Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом.

Двигатель, в котором полный цикл работы происхо-

где D — диаметр цилиндра в см,

S — ход поршня в см.

Пример: определить рабочий объем, в литрах двигателя ГАЗ-53. Число цилиндров t = 8, диаметр цилиндра D = 9,2 см, ход поршня S = 8 см.

где i —число всех цилиндров двигателя;

Vh — рабочий объем каждого цилиндра в литрах. Зная размеры диаметра цилиндра и хода поршня, можно литраж двигателя определить по следующей формуле:

Литражом двигателя V_л называется сумма рабочих «объемов всех его цилиндров:

Это объем в цилиндре над поршнем, находящемся в н.м.т.

Отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_с называется степенью сжатия и обозначается s.

Полный объем цилиндра V_а равен сумме этих двух' объемов:

дит за 4 хода поршня, то есть за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным. Если же весь цикл работы происходит за 2 хода поршня, то есть за один оборот коленчатого вала, то двигатель называется двухтактным.

Вопрос №27. Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя

Общее количество тепловой энергии, которое вводится в двигатель с топливом и определяется по низшей теплотворной способности последнего, не используется в двигателе полностью. В лучшем случае только 20—40°/₀от всей располагаемой теплоты превращается в полезную эффективную работу; остальная же часть в количестве 60—80°/₀ от располагаемой теплоты не используется, уходя в охлаждающую среду, с отработавшими газами и пр.

В паспортах двигателей обычно указывается литровая мощность, отнесенная к максимальной эффективной мощности.

Распределение количества затрачиваемой теплоты на полезную работу и отдельные составляющие, соответственно различным потерям в двигателе, представляется тепловым балансом. Давая картину распределения этой теплоты, тепловой баланс одновременно характеризует двигатель с точки зрения экономичности его работы, позволяет установить причины ухудшения теплоиспользования в двигателе и затем наметить наиболее рациональные средства для устранения этих причин.

Помимо того, определяя количественно потери теплоты в охлаждающую среду, тепловой баланс дает основание для более правильного выбора элементов охлаждающей системы (назначение температурного режима охлаждающей среды, размеров охлаждающей поверхности, скорости обдува и пр.).

Составляется тепловой баланс для строго установившегося по времени теплового режима работы двигателя.

Количества теплоты, распределяющейся по различным статьям теплового баланса, обычно выражаются или непосредственно в калориях за единицу времени работы двигателя (например, за 1 час, за 1 сек., за время совершения одного цикла, на 1 л. с.-чза время и расходования единицы количества топлива и т. п.), или же в процентах по отношению ко всему количеству затраченной теплоты. Наиболее распространено исчисление теплового баланса в процентах и в калориях за 1 час работы (в предположении, что за это время двигатель имеет постоянными все параметры, могущие влиять на изменение показателей его работы).

В зависимости от того, какая величина выбрана за переменную и какие сохраняются неизменными при переходе от одной точки диаграммы баланса к другой, тепловой баланс можно получить при самых разнообразных условиях испытания, например: по внешней характеристике, по нагрузочной характеристике, по характеристике по составу смеси карбюраторного двигателя (постоянны положение дросселя и число оборотов, переменно соотношение между количествами топлива и воздуха) и т. п.

В общем виде уравнение внешнего теплового баланса состоит из следующих основных элементов:

 

где Q — теплота израсходованного топлива, т. е. так называемая располагаемая теплота;

Q_e— теплота, эквивалентная полезной эффективной работе двигателя;

Q_o — теплота, потерянная с охлаждением через стенки цилиндра и камеры сгорания;

Q_в — теплота, унесенная отработавшими газами;

Q_н — теплота, соответствующая теоретической неполноте сгорания при недостатке воздуха (а<1);

 

Q_ocm — так называемый остаточный член баланса, равный сумме всех других потерь теплоты, не вошедших в первые четыре члена его правой части.

При исчислении величин теплового баланса в процентах его уравнение представится в следующем виде:

q_e+ q₀+ q_в+ q_н+ q_ост=100%

В данном случае каждое слагаемое в левой части уравнения представляет собой количество теплоты в процентах по отношению ко всей располагаемой теплоте Q, т. е.

q_e = Qe/Q; и т. д.

В тех случаях, когда двигатель работает при а<1, теплота Q не может быть выделена при сгорании топлива, даже в идеально работающем двигателе. Поэтому в данном случае с термодинамической стороны правильнее исчислять тепловой баланс в процентах по отношению не ко всей теплоте Q, а к так называемой «активной» теплоте топлива Q', равной Q — Q_н.

Теплота, эквивалентная полезной эффективной работе двигателя за 1 час,

Q_e=632Ne.

Отношение теплоты Q_е к располагаемой Q определяет собой полезное использование теплоты топлива в двигателе и численно равно эффективному к. п. д. η_е.

Отношение Q_e к „активной" располагаемой теплоте Q' представляет интерес только с чисто термодинамической стороны; оно характеризует двигатель с точки зрения совершенства превращения в полезную работу не всей теплоты расходуемого топлива, а только той ее части, которая обеспечивается кислородом для сгорания и является фактически располагаемой.

Количество теплоты Q₀, теряемой с охлаждением, определяется опытным путем. При водяном охлаждении эта теплота находится путем замера количества воды, прошедшего за единицу времени через рубашку двигателя и повышения ее температуры при этом, а при воздушном охлаждении — путем замера расхода охлаждающего воздуха за единицу времени и разницы температур его после цилиндров и перед ними.

Теплота, теряемая в двигателе с охлаждением, в основном включает в себя:

а) теплоту, отданную газами охлаждающей среде за периоды сжатия, сгорания и расширения;

б) теплоту, отданную газами охлаждающей среде через стенки цилиндра за период выпуска;

в) теплоту, отданную газами охлаждающей среде в выпускном патрубке;

г) теплоту, полученную охлаждающей средой через стенки от трения поршня о зеркало цилиндра, и

д) теплоту, полученную охлаждающей средой через смазочное масло.

Потери теплоты с охлаждением являются неизбежными, так как при отсутствии этих потерь, т. е. при отсутствии вообще охлаждения, не может работать ни один реальный двигатель внутреннего сгорания.

При чрезмерном уменьшении охлаждения наступает перегрев цилиндров двигателя, приводящий к уменьшению коэффициента наполнения, к горению масла на зеркале цилиндрам к пригоранию поршневых колец (что может вызвать заедание поршня и обрыв шатуна), к появлению преждевременных вспышек, детонации, перегреву электродов свечей и выгоранию выпускных клапанов в двигателях с зажиганием от свечи, а также к другим отклонениям в работе двигателя, могущим вызвать аварию. Поэтому уменьшение потери теплоты с охлаждением с целью повышения эффективного к. п. д. двигателя возможно лишь до известных пределов, пока не нарушается нормальная работа двигателя.

Отработавшие газы, покидающие двигатель, имеют сравнительно высокую температуру и таким образом уносят с собой значительное количество неиспользованной энергии. Потери теплоты с выпускными газами, наравне с потерями за счет охлаждения, являются основными.

Величина этих потерь Q_вобычно характеризует собой полное теплосодержание выпускных газов за выпускным патрубком.

Однако при подсчете в тепловом балансе количества теплоты, потерянной с выпускными газами, должно быть учтено то обстоятельство, что при зарядке цилиндр заполняется свежим зарядом, имеющим некоторую температуру Т '₀.Поскольку вносимая в цилиндр теплота свежего заряда не вошла в левую часть теплового баланса, то необходимо от полной величины тепловой энергии отходящих газов отнять теплосодержание свежего заряда.

Таким образом, выражение для потерянной теплоты Q_в, примет следующий вид:

Q_в=М₂ G_т С_р^’’(Т_в-Т₀),

Здесь Т_в —абсолютная температура выпускных газов за выпускным патрубком;

То— абсолютная температура свежего заряда при поступлении его в цилиндр двигателя.

Потеря теплоты за счет теоретического недостатка кислорода воздуха определяется по формуле

Q_H = Δ h_u • G_T, или в развернутом виде

Q_н = 28 400(1— a) L₀ ge Ne

При а>1 это количество теплоты равно нулю.

Помимо теоретической неполноты сгорания и указанных выше двух основных потерь теплоты с охлаждением и с отработавшими газами, двигатель имеет еще ряд других трудно учитываемых потерь теплоты, которые обычно оцениваются суммарно и включаются в последний, так называемый остаточный член теплового баланса

Q_ocm = Q - (Q_е+ Q_o + Q_в + Q_H).

Остаточный член баланса включает в себя:

1) теплоту, соответствующую мощности трения N_mp зa вычетом той его части, которая перешла в охлаждающую среду через стенки цилиндра и через смазочное масло и учтена, таким образом, вторым членом баланса Q₀. Эта теплота переходит в окружающую среду за счет тепловой радиации двигателя;

2) теплоту, соответствующую кинетической энергии выпускных газов;

3) теплоту, теряемую вследствие излучения внешних поверхностей двигателя, и

4) теплоту, теряемую за счет так называемой практической неполноты сгорания (при а>1) вследствие: а) несовершенства перемешивания топлива с воздухом; б) недостатка времени для сгорания и недостатка времени для полного восстановления продуктов диссоциации и в) неравномерности распределения смеси в карбюраторных двигателях, имеющих впускной трубопровод, общий на несколько цилиндров.

Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным, так как сплошь и рядом в карбюраторных двигателях недобор мощности и перерасход горючего бывает связан как раз с неравномерным распределением топлива по цилиндрам.

Как показали опыты, во впускном трубопроводе после карбюратора не получается равномерной однородной смеси воздуха с топливом. Топливо, для испарения которого было достаточно теплоты воздуха и достаточно времени, находится в парообразном состоянии, хорошо перемешано с воздухом и заполняет цилиндры сравнительно равномерно.

Другая же значительно меньшая часть топлива остается во впускном трубопроводе в жидком состоянии и в виде жидкой пленки движется но внутренним стенкам трубопровода со скоростью, значительно меньшей скорости воздуха.

Экспериментальным путем установлено, что форма впускного трубопровода оказывает значительное влияние на характер движения этой пленки и является основной причиной неравномерности распределения не испаренного топлива по цилиндрам. Последнее приводит к тому, что часть цилиндров получает более богатую, а другая часть их — более бедную смесь. Это в свою очередь является одной из главных причин одновременного присутствия в выпускном трубопроводе как продуктов неполного сгорания топлива, так и свободного кислорода.

Глубокая дифференциация тепловых потерь при составлении теплового баланса (например, определение количеств теплоты протекающих через отдельные детали двигателя, как поршень, клапан и т, п.) дает возможность находить средство для увеличения срока службы как отдельных деталей, так и всего двигателя в целом.

Распределение теплоты между отдельными потерями зависит от целого ряда факторов как эксплуатационного, так и конструктивного порядка. Так, например, процент теплоты, теряемой с охлаждением q_Q,непрерывно уменьшается с повышением числа оборотов и с увеличением размеров цилиндра, тогда как q_е при этом увеличивается.

Определение величин давления газов в цилиндре, необходимых для расчета деталей двигателя на прочность, выявление экономичности процесса, оценка мощности двигателя, имеющего определенные размеры, или определение размеров и числа цилиндров по заданной мощности и заданному режиму работы для вновь проектируемых двигателей могут быть произведены с достаточной для практики точностью на основании теплового расчета.

Тепловой расчет возможен двух видов:

тепловой расчет проектируемого двигателя

поверочный тепловой расчет выполненного двигателя.

В обоих этих случаях основные расчетные величины определяются с той или иной степенью точности в зависимости от того, насколько удачно будут оценены исходные параметры расчета, как-то: коэффициент наполнения, температура и давление остаточных газов, подогрев свежего заряда, средние показатели политроп сжатия и расширения и пр.

Совершенно очевидно, что для двигателей осуществленных: исходные параметры расчета можно оценить более точно при использовании результатов испытаний этих двигателей. Поэтому к поверочному расчету предъявляются более жесткие требования.

В качестве примера представлена развернутая схема теплового баланса двигателя, дающая наглядное представление о движении потоков теплоты в двигателе и показывающая, какие потери теплоты включаются в тот или иной член баланса.

Вопрос №28: Динамика КШМ двигателя.

Динамика кривошипно-шатунного механизма

При работе двигателя в КШМ действуют следующие основные силовые факторы: силы давления газов, силы инерции движущихся масс механизма, силы трения и момент полезного сопротивления. При динамическом анализе КШМ силами трения обычно пренебрегают.

Силы давления газов. Сила давления газов возникает в результате реализации в цилиндрах рабочего цикла.

Сила давления газов, действующая на поршень, нагружает подвижные элементы КШМ, передается на коренные опоры картера и уравновешивается внутри двигателя за счет упругой деформации несущих элементов блок-картера силой Р'г, действующей на головку цилиндра (рис. 8.3, а). Эти силы не передаются на опоры двигателя и не вызывают его неуравновешенности.

Силы инерции движущихся масс. КШМ представляет собой систему с распределенными параметрами, элементы которой движутся неравномерно, что приводит к возникновению инерционных нагрузок.

Детальный анализ динамики такой системы принципиально возможен, однако сопряжен с большим объемом вычислений. Поэтому в инженерной практике для анализа динамики двигателя используют модели с сосредоточенными параметрами, созданные на основе метода замещающих масс. При этом для любого момента времени должна выполняться динамическая эквивалентность модели и рассматриваемой реальной системы, что обеспечивается равенством их кинетических энергий.

Обычно используют модель из двух масс, связанных между собой абсолютно жестким безынерционным элементом (рис. 8.4). Первая замещающая масса /яу- сосредоточена в точке сопряжения поршня с шатуном и совершает возвратно-поступательное движение с кинематическими параметрами поршня, вторая тг располагается в точке сопряжения шатуна с кривошипом и вращается равномерно с угловой скоростью щ.

Детали поршневой группы совершают прямолинейное возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра.

Кривошип коленчатого вала совершает равномерное вращательное движение. Конструктивно он состоит из совокупности двух половин коренной шейки, двух щек и шатунной шейки. При равномерном вращении на каждый из указанных элементов кривошипа действует центробежная сила, пропорциональная его массе и центростремительному ускорению.

Элементы шатунной группы совершают сложное плоскопараллельное движение.

Выполнение этих двух условий обеспечивает статическую эквивалентность замещающей системы реальному КШМ;

3) условие динамической эквивалентности замещающей модели обеспечивается при равенстве суммы моментов инерции масс, расположенных в характерных точках модели. Данное условие для двухмассовых моделей шатунов существующих двигателей обычно не выполняется, в расчетах им пренебрегают из-за его малых численных значений.

Суммарный крутящий момент двигателя. В одноцилиндровом двигателе крутящий момент Мк = Тг. Так как г — величина постоянная, то характер его изменения по углу поворота кривошипа полностью определяется изменением тангенциальной силы Т.

Вопрос №29. Приведение масс деталей КШМ.