Особенности кинематики ДВС с большими дезаксиалами КШМ

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Особенности кинематики дВС с большими дезаксиалами кривошипно-шатунных механизмов

УДК 621.43

С.А.Горожанкин, А.В.Мартынюк

Изложены особенности кинематики двигателей внутреннего сгорания с дезаксиальными кривошипно-шатунными механизмами. Эти механизмы применены в разработанных конструкциях двигателей с двумя шатунами, соединенными зубчатыми секторами их верхних головок с целью надежного обеспечения разгрузки от боковых сил, действующих на поршень. Исследованы зависимости скорости и ускорения поршня с величинами дезаксиалов до их предельных значений.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм, скорость поршня, ускорение поршня.

Формулировка проблемы

двигатель кривошипный шатунный трение

Одним из путей повышения КПД поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является снижение потерь на трение в их механизмах. Их величина в некоторых конструкциях достигает 30% индикаторной мощности, причем превалирующими из них являются потери на трение в кривошипно-шатунном механизме (КШМ). Поэтому в настоящее время проводятся многочисленные исследования ДВС нетрадиционных схем, в которых предпринимаются попытки снизить потери в паре «цилиндр-поршень». К ним следует отнести двухвальные двигатели, в том числе с кривошипно-кулисным механизмом, позволяющие снизить потери на трение в КШМ [1,2]. Благодаря ряду достоинств они позволяют улучшить технико-экономические показатели таких машин. Вместе с тем на стадии проектирования и доводки конструкции необходимы как теоретические, так и опытные исследования, которые позволяют отобразить реальные процессы, протекающие в двигателе. Вышеизложенное определяет актуальность и важность выполнения разработок и проведения экспериментальных исследований двухвальных ДВС, для которых характерны значительные величины дезаксиалов их КШМ.

Анализ последних исследований

В настоящее время разработаны и исследуются конструкции КШМ с зубчатыми синхронизирующими секторами на поршневых головках шатунов. В таком двигателе, схема которого приведена на рис. 1, при надлежащей точности изготовления деталей может быть обеспечена практически полная разгрузка от боковых сил, действующих на поршень. Результаты исследований кинематики двухвального двигателя при значениях дезаксиалов k до ~1.3 (k = a/R) показывают, что для уравновешивания их по силам инерции первого и второго порядка необходима установка дополнительных противовесов на коленчатом валу и дополнительных валах. В то же время величина дезаксиалов в некоторых конструкциях может достигать значений 2.5 и более. Это требует проведения дополнительных исследований кинематики и динамики таких ДВС.

Рис. 1. Схема двухвального ДВС с зубчатыми синхронизирующими секторами на поршневых головках шатунов

Формулировка задачи исследования и цель работы

Нижеприведенные результаты исследований параметров КШМ хорошо согласуются с материалами, изложенными в. Но в данной статье при анализе использованы аналитические выражения в явном виде, что позволяет использовать одни и те же формулы при любых значениях дезаксиалов и дает возможность повысить точность расчетов в процессе проектирования.

Изложение основного материала исследований

ДВС с двухвальной кинематической схемой включает симметричную относительно оси цилиндра систему из двух КШМ, в которой коленчатые валы вращаются в противоположные стороны с совпадающими по абсолютной величине фазами углов их поворота. Валы связаны двумя синхронизирующими шестернями. Относительное смещение, называемое дезаксиалом (иногда эксцентриситетом), лежит в пределах

0? k < (1/л — 1),

где л = R/L — относительная длина шатуна.

В двухвальных двигателях, где используются два смещенных КШМ, k обычно не превышает 3.

Из геометрических соотношений (см. рис. 1) можно получить выражение для угла отклонения шатуна в

(1)

или

. (2)

Выражение (2) раскладывается в ряд по биному Ньютона:

(3)

Для центрального КШМ, или если k не превышает 0.15, с достаточной для практики точностью в расчетах обычно ограничиваются двумя первыми членами разложения в ряд. Этого, как правило, достаточно для удовлетворения требованиям уравновешивания двигателя и расчетов его деталей на прочность. В то же время при больших значениях k для повышения точности расчетов и обеспечения более высокой степени уравновешенности следует использовать выражение (3) с большим числом членов разложения.

Для дезаксиальных КШМ наибольшие углы отклонения оси шатуна от оси цилиндра получается при sin?_max = ±? при условии, что углы? отсчитывают от оси цилиндра или параллельной ей линии в направлении вращения кривошипа коленчатого вала.

Дифференцируя выражение (1) во времени, после преобразований определяем угловую скорость ?_ш, а после повторного дифференцирования — угловое ускорение ?_ш качания шатуна:

(4)

. (5)

Во многих задачах динамики ДВС удобнее использовать соотношения, в которых перемещение поршня S является функцией только угла поворота вала ?. В теории ДВС принято отсчитывать перемещение поршня от его положения в ВМТ:

(6)

Ходом поршня по-прежнему считается расстояние между его положениями в верхней и в нижней «мертвых» точках (ВМТ и НМТ). На рис. 2 представлены графики относительного перемещения поршня S/R, полученные по уравнению (6). Из графиков следует, что если в аксиальном КШМ и при малых дезаксиалах (k<0,1) ход поршня практически равен 2R, то при больших дезаксиалах он может увеличиваться почти до 3R. Это объясняется тем, что наибольшее перемещение поршня достигается не при? =180є, а при? = 210- 240є, то есть НМТ поршня находится значительно ближе к оси коленчатого вала, чем в случае k = 0.

Рис. 2. Зависимость относительного перемещения поршня S/R от угла поворота коленчатого вала при различных k.

Дифференцируя выражение перемещения поршня (6), получим соответственное уравнение для скорости поршня

(7)

Так, из рис. 3 видно, что при k = 0 максимальное положение значения относительной скорости достигается при? ? 75є. При увеличении дезаксиала максимальное значение V/(R?) сдвигается в область? ? 105є, а максимальное отрицательное значение — в область? ? 305є. При k = 2 наибольшее отрицательное значение V/(R?) превосходит по модулю скорость при k = 0 почти в 1,45 раза.

Рис. 3 Зависимость относительной скорости поршня V/(R?) от угла поворота коленчатого вала при различных k.

Дифференцируя формулу для скорости поршня (7), получим, соответственно, аналитическое выражение для ускорения поршня

(8)

В ДВС амплитуда гармоник второго порядка всегда значительно меньше амплитуд гармоник первого порядка, при k = 0 наибольшее положительное значение ускорения достигается при? = 0, отрицательное при? = 180є. При увеличении дезаксиала максимальное значение J/(R?²) остается на прежнем месте в области? = 0; максимальное отрицательное значения — из области? = 180є в район? ? 255є. При k = 2 наибольшее отрицательное значения J/(R?²) превосходит ее значение при k = 0 почти в 1,77 раза.

На рис. 4 представлены графики изменения относительного ускорения по углу поворота коленчатого вала при различных значениях относительного смещения k = а/R.

Рис. 4. Зависимость относительного ускорения поршня J/(R?^?) от угла поворота коленчатого вала при различных k.

На рис. 5 представлены графики изменения относительного ускорения по углу поворота коленчатого вала при различных значениях относительного смещения k = а/R и ??= R/L. Как видно из рис. 5, влияние?? увеличивается с увеличением относительного смещения k. Гораздо большее влияние оказывает изменение дезаксиала а.

Рис. 5. Зависимость относительного ускорения поршня J/(R?^?) от угла поворота коленчатого вала при различных k и ?.

Выводы и перспективы дальнейших исследований в данном направлении

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что в двухвальном двигателе с двойным дезаксиальным КШМ (k=1.8…2.5) силы инерции поступательно движущихся масс представлены достаточно сложными функциями. Эти силы не могут быть полностью уравновешены с помощью установившихся традиционных схем (противовесы, расположенные на коленчатом вале, дополнительных валах). Уравновесить такой двигатель представляется возможным с помощью установки противовесов, которые отображают функции ускорений поступательно движущихся масс двигателя. Представленные аналитические и графические зависимости позволили получить численные значения перемещения, скорости и ускорения поршня при любых дезаксиалах кривошипно-шатунных механизмов ДВС. Это дает возможность в дальнейшем использовать приведенные результаты для расчетов динамических нагрузок в двигателях, решению задач их уравновешивания.

Смещения углов, соответствующих верхней и нижней мёртвым точкам, изменение продолжительности во времени всех тактов цикла двигателя приводят к необходимости исследований термодинамических процессов в нем. В дальнейшем необходимо изучение процессов газообмена при впуске и выпуске ввиду изменения продолжительности открытия клапанов (окон) и, соответственно, проведение оптимизации параметров этих процессов.

1. Мищенко Н. И. Нетрадиционные малоразмерные двигатели внутреннего сгорания. Т.1. Теория, разработка и испытание нетрадиционных двигателей внутреннего сгорания. — Донецк: «Лебедь», 1998. — 228с.

2. Мищенко И. И., Химченко А. В. Расчет кинематики двухвального двигателя с двумя шатунами на один поршень // Труды Таврической государственной агротехнической академии. — Мелитополь: ТГАТА, 1998. — Т.5, вып.2. — С.26−29.

3. Двигун внутрішнього згоряння. Патент на винахід, Україна. Опубліковано 29.09.1995 р., № 7354.