Способ повышения устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя и его моторесурс путем повышения устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания. Способ повышения устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменения величины давления на поршень продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг оси вращения последнего, с учетом измеренных величин давления определяют величину сил возвратно-поступательного перемещения движущихся масс поршня и кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания в направлении по оси цилиндра двигателя внутреннего сгорания с построением индикаторной диаграммы, после чего для каждого полуоборота коленчатого вала определяют среднюю суммарную тангенциальную силу, действующую на кривошип, в зависимости от крутящего момента на коленчатом валу. На основании полученных результатов для каждого полуоборота коленчатого вала определяют суммарную величину тангенциальной силы на кривошипе коленчатого вала, суммарную величину силы давление продуктов сгорания топливной смеси в цилиндре и суммарную силу инерции возвратно-поступательного перемещения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма для каждого цилиндра как разницу между средними суммарными силами для средней суммарной тангенциальной силы и суммарными силами давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала, после чего устанавливают на валу двигателя маховик и обеспечивают вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью. Размер маховика определяют из условия, что создаваемый им суммарный крутящий момент сопротивления вращению коленчатого вала равен суммарному крутящему моменту от ускорения вращения коленчатого вала под действием рассчитанной выше суммарной силы инерции. На коленчатом валу устанавливают противовесы. Центробежная сила на противовесе при его вращении с коленчатым валом равна для установившегося режима работы двигателя неуравновешенным центробежным силам инерции вращающихся масс, а возникающий на нем момент вращения равен продольному моменту от неуравновешенных сил отдельных цилиндров при условии, что суммарный момент сопротивления равен среднему индикаторному суммарному моменту двигателя.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в двигателестроении.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения режима работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что определяют скорость и ускорение поршня и строят индикаторную диаграмму силы, действующей на поршень, в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг его оси вращения или снимают тепловые характеристики работы двигателя внутреннего сгорания и на основании теплового расчета строят указанную выше индикаторную диаграмму и затем определяют силы инерции возвратно-поступательного движения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от ускорения или замедления поршня (см. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М., Высшая школа, 1980, с.143-152).

Недостатком этого способа является то, что способ правомерен для условия, когда индикаторный крутящий момент двигателя М_кр в каждый момент времени уравновешивается суммарным моментом сопротивления М_сопр и моментом сил инерции J₀ всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала M_кр=M_сопр+J₀ε. При расчете и определении режима работы двигателя внутреннего сгорания, в частности расчете ускорения поршня и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, не учитываются силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс для установившегося режима работы двигателя как результат действия сил давления газов на поршень в зависимости от угла поворота коленчатого вала, все шейки которого вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью ω.

Задачей изобретения является повышение КПД двигателя и его моторесурса путем повышения устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания.

Указанная задача решается за счет того, что способ повышения устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что определяют скорость и ускорение поршня и строят индикаторную диаграмму силы, действующей на поршень, в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг его оси вращения или снимают тепловые характеристики работы двигателя внутреннего сгорания и на основании теплового расчета строят указанную выше индикаторную диаграмму и затем определяют силы инерции возвратно-поступательного движения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от ускорения или замедления поршня, кроме того, измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменения величины давления на поршень продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг оси вращения последнего, с учетом измеренных величин давления определяют величину сил возвратно-поступательного перемещения движущихся масс поршня и кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания в направлении по оси цилиндра двигателя внутреннего сгорания с построением индикаторной диаграммы, после чего для каждого полуоборота коленчатого вала определяют среднюю суммарную тангенциальную силу (Т_ср), действующую на кривошип, в зависимости от крутящего момента (М_кр.ср.) на коленчатом валу:

Т_ср=М_кр.ср./R,

где R - радиус кривошипа коленчатого вала, после чего определяют средние суммарные силы вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма (Р_∑) в зависимости от угла поворота коленчатого вала:

Р_∑=T_cp/sin(α+β)/cosβ,

на основании полученных результатов для каждого полуоборота коленчатого вала определяют суммарную величину тангенциальной силы на кривошипе коленчатого вала, суммарную величину силы давления продуктов сгорания топливной смеси в цилиндре и суммарную силу инерции возвратно-поступательного перемещения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма для каждого цилиндра как разницу между средними суммарными силами Р_∑ для средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и суммарными силами давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала, после чего устанавливают на валу двигателя маховик и обеспечивают вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью, причем размер маховика определяют из условия, что создаваемый им суммарный крутящий момент сопротивления вращению коленчатого вала равен суммарному крутящему моменту от ускорения вращения коленчатого вала под действием рассчитанной выше суммарной силы инерции, а на коленчатом валу устанавливают противовесы, причем центробежная сила на противовесе при его вращении с коленчатым валом равна для установившегося режима работы двигателя неуравновешенным центробежным силам инерции вращающихся масс К_R, а возникающий на нем момент вращения равен продольному моменту M_R от неуравновешенных сил К_R отдельных цилиндров, при условии, что суммарный момент сопротивления М_сопр равен среднему индикаторному суммарному моменту двигателя М_кр.ср., т.е. М_сопр=М_кр.ср., J₀ε=0, ε=0, где J₀ - момент сил инерции всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала, a ε - угловое ускорение коленчатого вала, и все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью ω.

В ходе исследования было установлено, что в соответствии с существующими методиками поршневые двигатели не могут быть полностью уравновешенными, так как предполагается, что крутящий момент M_кр всегда является периодической функцией угла поворота коленчатого вала и, следовательно, величина опрокидывающего момента М_опр всегда переменна, т.е. не соблюдаются полностью условия, при которых двигатель считается полностью уравновешенным, если при установившемся режиме работы силы и моменты, действующие на его опоры, постоянны по величине и направлению. Как результат, решение вопроса уравновешивания двигателей сводится к уравновешиванию лишь наиболее значительных сил и их моментов.

Было установлено, что для снижения сотрясения и вибрации двигателя, передающихся раме автомобиля, трактора и другого средства передвижения необходимо определить скорость и ускорение поршня, а затем определить неуравновешенные силы инерции первого P_j1 и второго P_j2 порядков как составляющие суммарной силы инерции возвратно-поступательного движения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания P_j=P_j1+P_j2 в зависимости от ускорения или замедления поршня. Кроме того, в ходе исследования определяют неуравновешенные центробежные силы инерции вращающихся масс К_R, неуравновешенные продольные моменты M_j=M_j1+M_j2 и M_R, возникающие в многоцилиндровых двигателях от неуравновешенных сил P_j и К_R отдельных цилиндров, неуравновешенный крутящий момент М_кр и равный ему, но противоположно направленный опрокидывающий момент М_опр=-М_кр, воспринимаемый опорами двигателя, затем уравновешивают двигатель с любым числом цилиндров (при соблюдении равенства масс движущихся частей и идентичности протекания рабочего процесса во всех цилиндрах, а также обеспечении статической и динамической уравновешенности коленчатого вала), соблюдая условия уравновешенности двигателя: результирующие силы инерции первого порядка и их моменты равны нулю ∑P_j1=0 и M_j1=0; результирующие силы инерции второго порядка и их моменты равны нулю ∑P_j2=0 и ∑M_j2=0; результирующие центробежные силы инерции и их моменты равны нулю ∑К_R=0 и ∑М_R=0.

Уравновешивание сил инерции первого и второго порядков достигается подбором определенного числа цилиндров, их расположением и выбором соответствующей кривошипной схемы коленчатого вала. При невозможности подобрать для проектируемого двигателя соответствующего количества и расположения цилиндров для полного уравновешивания сил инерции они могут быть уравновешены противовесами, расположенными на коленчатом валу. В принципе противовесы могут быть установлены на дополнительных валах, имеющих механическую связь с коленчатым валом. В рядных двигателях полностью уравновесить силы инерции первого и второго порядков установкой противовесов на коленчатом валу не представляется возможным, однако, при соответствующем выборе массы противовеса можно частично перенести действие силы инерции первого порядка из одной плоскости в другую, тем самым уменьшив максимальную неуравновешенность в одной плоскости. В тоже время центробежные силы инерции вращающихся масс можно уравновесить в двигателе внутреннего сгорания с любым количеством цилиндров установкой противовесов на коленчатом валу.

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени (угла поворота коленчатого вала) по действительной индикаторной диаграмме, снятой с двигателя, или по индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета (обычно для номинальной мощности и соответствующей ей частоты вращения коленчатого вала).

Определяя в любой момент времени давление газов Р_г и учитывая давление на поршень со стороны картера Р₀ (приблизительно равное атмосферному давлению), сила давления газов на поршень рассчитывается как Р=Р_г-Р₀.

Согласно индикаторной диаграмме двигателя под действием различных по значению сил давления газов происходит ускорение или замедление возвратно-поступательно движущихся масс.

При ускорении или замедлении поршневой группы и верхней головки шатуна начинает ускоренно или замедленно вращаться коленчатый вал двигателя. В этом случае должна преодолеваться не только инерция возвратно-поступательно движущихся масс, но и инерция вращающихся масс.

Между элементарным поступательным перемещением поршня на величину ds и элементарным углом поворота dα коленчатого вала с радиусом кривошипа R существует простое соотношение ds=R·dα.

Если перемещение ds происходит за промежуток времени dt, то отношение между скоростью поступательного движения поршня V=ds/dt и угловой скоростью коленчатого вала ω=dα/dt запишется в виде V=R·ω.

Если же за время dt произошло изменение скорости поступательного движения поршня на величину dv, а угловой скорости вращения коленчатого вала на величину dω, то соотношение между ускорением поступательного движения поршня j=dv/dt и угловым ускорением коленчатого вала ω=dω/dt выразится как j=R·ε.

Таким образом, при ускорении поступательного движения поршня коленчатый вал приобретает угловое ускорение, равное ε=j/R.

Для создания углового ускорения ε вращающегося коленчатого вала, имеющего момент сил инерции J₀ всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала, требуется приложение крутящего момента М=ε·J₀.

При ускорении поршня под действием газовых сил крутящий момент М рассматривается как M=j·J₀/R.

Для создания такого крутящего момента к окружности радиуса кривошипа коленчатого вала должна быть приложена сила P_jк=M/R=j·J₀/R².

Индикаторный крутящий момент двигателя М_кр в каждый момент времени уравновешивается суммарным моментом сопротивления М_сопр и моментом сил инерции J₀ всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала. Эта взаимосвязь выражается уравнением М_кр=М_сопр+ε·J_0.

При установившемся режиме работы двигателя все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении со средним индикаторным суммарным крутящим моментом М_кр.ср. при среднем значении суммарной тангенциальной силы Т_ср, преодолевая силы инерции с ускорением или замедлением возвратно-поступательного перемещения движущихся масс под действием сил давления газов М_сопр=М_кр.ср., при этом ε·J₀=0. Таким образом при выполнении указанного выше условия достигается вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью ω=const.

Действительный эффективный крутящий момент, снимаемый с вала двигателя, имеющего механический кпд η_м, рассчитывается как Mg=М_кр.ср.·η_м.

Для выполнения условия М=ε·J₀=0 в двигатель вводится маховик, основное назначение которого - обеспечение равномерности вращения коленчатого вала и создание необходимых условий для трогания машины с места.

Вращение с постоянной угловой скоростью коленчатого вала двигателя достигается при среднем индикаторном суммарном крутящем моменте М_кр.ср. и под действием суммарной тангенциальной силы Т_ср, которые являются следствием воздействия изменяющихся по величине и направлению сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс в зависимости от суммарных сил давления газов для каждого полуоборота коленчатого вала и цилиндра.

В свою очередь для определения силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, изменяющихся по величине и направлению в зависимости от суммарных сил давления газов для каждого полуоборота коленчатого вала и цилиндра, определяются средние значения суммарных сил вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма Р_∑=T_cp/sin(α+β)/cosβ в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Значения суммарных тангенциальных сил определяются для каждого полуоборота коленчатого вала и цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала, вращающегося с постоянной угловой скоростью.

Расчеты четырехцилиндрового дизельного двигателя с воздушным охлаждением Д145Т показали, что решение вопроса уравновешивания двигателей сводится к определению размера маховика из условия, что создаваемый им суммарный крутящий момент сопротивления вращению коленчатого вала равен суммарному крутящему моменту от ускорения вращения коленчатого вала под действием суммарной силы инерции, определяемой как разница между средней суммарной силой Р_∑ для средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и суммарной силой давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала, а также к установке противовесов на коленчатом валу, что позволяет уравновесить неуравновешенные центробежные силы инерции вращающихся масс К_R и продольные моменты M_R от неуравновешенных сил К_R отдельных цилиндров для установившегося режима работы двигателя, когда суммарный момент сопротивления М_сопр равен среднему индикаторному суммарному моменту двигателя М_кр.ср., т.е. М_сопр=М_кр.ср., J₀ε=0, ε=0 и все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью ω.

Способ повышения устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что определяют скорость и ускорение поршня и строят индикаторную диаграмму силы, действующей на поршень, в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг его оси вращения или снимают тепловые характеристики работы двигателя внутреннего сгорания и на основании теплового расчета строят указанную выше индикаторную диаграмму и затем определяют силы инерции возвратно-поступательного движения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от ускорения или замедления поршня, отличающийся тем, что измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменения величины давления на поршень продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг оси вращения последнего, с учетом измеренных величин давления определяют величину сил инерции возвратно-поступательного перемещения движущихся масс поршня и кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания в направлении по оси цилиндра двигателя внутреннего сгорания с построением индикаторной диаграммы, после чего для каждого полуоборота коленчатого вала определяют среднюю суммарную тангенциальную силу (Т_ср), действующую на кривошип, в зависимости от крутящего момента (М_кр.ср) на коленчатом валу:

Т_ср=М_кр.ср/R,

где R - радиус кривошипа коленчатого вала,

после чего определяют средние суммарные силы вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма (P_Σ) в зависимости от угла поворота коленчатого вала:

P_Σ=T_ср/sin(α+β)/cosβ,

на основании полученных результатов для каждого полуоборота коленчатого вала определяют суммарную величину тангенциальной силы на кривошипе коленчатого вала, суммарную величину силы давления продуктов сгорания топливной смеси в цилиндре и суммарную силу инерции возвратно-поступательного перемещения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма для каждого цилиндра как разницу между средними суммарными силами P_Σ для средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и суммарными силами давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала, после чего устанавливают на валу двигателя маховик и обеспечивают вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью, причем размер маховика определяют из условия, что создаваемый им суммарный крутящий момент сопротивления вращению коленчатого вала равен суммарному крутящему моменту от ускорения вращения коленчатого вала под действием рассчитанной выше суммарной силы инерции, а на коленчатом валу устанавливают противовесы, причем центробежная сила на противовесе при его вращении с коленчатым валом равна для установившегося режима работы двигателя неуравновешенным центробежным силам инерции вращающихся масс К_R, а возникающий на нем момент вращения равен продольному моменту M_R от неуравновешенных сил K_R отдельных цилиндров при условии, что суммарный момент сопротивления М_сопр равен среднему индикаторному суммарному моменту двигателя М_кр.ср, т.е. М_сопр=М_кр.ср, J₀·ε=0, ε=0, где J₀ - момент сил инерции всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала, а ε - угловое ускорение коленчатого вала и все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью ω.