Особенности кинематики ДВС с большими дезаксиалами КШМ

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 [3]. 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 [2] 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 [2]. 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

≤ k < (1/λ - 1),

где λ = 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 β

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  =180º, а при  = 210- 240º, 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  ≈ 75º. При увеличении дезаксиала максимальное значение V/(R)  сдвигается в область   ≈ 105º,а максимальное отрицательное значение - в область  ≈ 305º. 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

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  = 180º. При увеличении дезаксиала максимальное значение J/(R²) остается на прежнем месте в области  = 0; максимальное отрицательное значения - из области  = 180º в район  ≈ 255º. 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.

Литература

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.