Развертка индикаторной диаграммы

 

Для выполнения динамического расчета необходимо знать величину сил давления газов в функции от угла поворота коленчатого вала. Это возможно сделать, используя графический метод Брикса [2]. Базой для построения служит индикаторная диаграмма. Далее, на ходе поршня, как на диаметре, строится полуокружность (рис.21) с центром О. Определяем поправку Брикса

, мм,

где R=S/2, мм - радиус кривошипа;

l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Принимаем l в диапазоне 0.24...0.3.

Если при построении индикаторной диаграммы был принят масштаб M_s ¹1, то его необходимо учесть при определении поправки Брикса. Поправка Брикса откладывается вправо, и из нового центра О₁ проводятся лучи через 30^° до пересечения с полуокружностью. Из точек пересечения проводятся вертикальные линии до кривых индикаторной диаграммы. Каждому лучу присваивается определенное значение угла поворота коленчатого вала (см. рис. 21). После чего мы можем для любого значения угла поворота j определить соответствующее значение давления P, помня, что за 0^° принимается верхняя мертвая точка насосных ходов и обход диаграммы делается в следующем порядке: всасывание - сжатие - расширение - выпуск. В таблицу динамического расчета заносятся величины избыточного давления

DP_г=P-P₀, МПа,

где P₀ = 0,1 МПа, давление окружающей среды.

 

 

 

Рис.21. Развертка индикаторной диаграммы

 

 

Определение сил и моментов, действующих в КШМ

 

Сила давления газов

P_г=DP_r×F_п×10³, кН.

 

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс

 

P_j = - m_j R w ²( cosj+l×cos2j)× 10^-3, кН.

 

Здесь R - радиус кривошипа, м;

w - угловая скорость вращения коленчатого вала:

, с^-1.

Суммарная сила, действующая на поршень,

P_S = P_г+P_j, кН.

 

Разложение суммарной силы на составляющие в КШМ показано на рис.22. С учетом данной схемы получаем:

 

нормальная сила

N =P_S×tgb, кН;

радиальная сила

K = , кН;

тангенциальная сила

T = , кН.

Крутящий момент одного цилиндра

M_кр.ц.=T×R×10³, Н×м.

 

Необходимые для расчетов тригонометрические функции приведены в таблицах [2].

 

Уравновешивание двигателей

 

Силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются и, если они не уравновешены, вызывают сотрясение и вибрацию двигателя, передающиеся раме автомобиля.

К неуравновешенным силам и моментам относятся:

- силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс P_j=P_j1+P_j11 и центробежные силы инерции вращающихся масс P_R;

- продольные моменты M_j=M_j1+M_j11 и M_R, возникающие в многоцилиндровых двигателях от неуравновешенных сил P_j и P_R отдельных цилиндров;

 

 

 

Рис.22. Схема действия сил в КШМ

 

- крутящий момент M_кр и равный ему, но противоположно направленный

опрокидывающий момент, воспринимаемый опорами двигателя.

Двигатель считается полностью уравновешенным, если при установившемся режиме работы силы и моменты, действующие на его опоры, постоянны по величине и направлению. Однако поршневые двигатели не могут быть полностью уравновешенными, так как крутящий момент M_кр всегда является периодической функцией угла поворота коленчатого вала и, следовательно, величина опрокидывающего момента всегда переменна.

Условия уравновешенности двигателя с любым числом цилиндров (при соблюдении равенства масс движущихся частей и идентичности протекания рабочего процесса во всех цилиндрах, а также обеспечения статической и динамической уравновешенности коленчатого вала) принято записывать в следующем виде:

- 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_j11= 0 и ∑ M_j11 =0;

- результирующие центробежные силы инерции и их моменты равны нулю: ∑ P_R= 0 и ∑ M_R =0.

Проблемы уравновешивания решаются непосредственно для каждой конструкции двигателя, что достигается подбором числа цилиндров и компоновкой блока двигателя, а также в ряде случаев установкой противовесов.

 

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Укажите зависимость перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала.

2. Что такое приведение масс кривошипно-шатунного механизма (КШМ)?

3. Какие силы и моменты действуют в КШМ?

4. Как определяется порядок работы цилиндров двигателя?

5. Сформулируйте понятие уравновешенности двигателя.

6. Какие способы используются для уравновешивания двигателя?

7. Как производится расчет маховика?

 

Заключение

 

Знания, умения и навыки, полученные при изучении дисциплины «Транспортная энергетика», понадобятся в дальнейшем при изучении дисциплин «Техника транспорта, обслуживание и ремонт», «Общий курс транспорта» и «Транспортные и погрузочно-разгрузочные средства».

 

3.3. Глоссарий (краткий словарь терминов)

Газообмен – смена рабочего тела при осуществлении процессов впуска и выпуска.

Двигатель – устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором сгорание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндре.

Детонация – сгорание в цилиндре двигателя с искровым зажиганием последних порций заряда после его объемного воспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн.

Дизельный двигатель внутреннего сгорания – двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия.

Жесткость работы двигателя – максимальная величина скорости нарастания давления в цилиндре двигателя в момент сгорания.

Индикаторная диаграмма – зависимость давления в цилиндре двигателя от переменного объема надпоршневого пространства.

Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания – двигатель с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры.

Коленчатый вал – является элементом кривошипно-шатунного механизма, на котором суммируются крутящие моменты от отдельных цилиндров. Суммарный крутящий момент через маховик и сцепление передается на трансмиссию.

Коэффициент избытка воздуха – отношение действительно поданного в цилиндр количества воздуха к теоретически необходимому для сгорания топлива.

Коэффициент наполнения – отношение количества свежего заряда, которое действительно оказалось в цилиндре в конце наполнения, к тому которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при температуре и давлении на впуске.

Коэффициент остаточных газов – отношение количества остаточных газов к количеству свежего заряда в конце впуска.

Кривошипно-шатунный механизм – механизм, предназначенный для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Включает в себя поршень, шатун и кривошип (одно колено) коленчатого вала.

Литровая мощность – эффективная мощность, снимаемая с единицы рабочего объема.

Механические потери – или внутренние потери включают в себя потери на механическое трение, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов, вентиляционные потери и привод компрессора.

Наддув – способ увеличения мощности двигателя за счет повышения плотности свежего заряда на впуске с помощью специального компрессора.

Неустановившийся режим работы – режим работы, когда показатели и тепловое состояние двигателя изменяются во времени.

Остаточные газы – продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла в камере сгорания.

Поршень – обеспечивает необходимую для эффективной организации рабочего процесса форму камеры сгорания. Его днище воспринимает давление газов, развивающееся в надпоршневом пространстве при реализации в нем рабочего цикла, и через палец передает усилие на шатун.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания – двигатель, основным элементом которого является кривошипно-шатунный механизм, а элементом, воспринимающим давление газов, поршень, перемещающийся возвратно-поступательно внутри цилиндра.

Рабочее тело – смесь, состоящая из воздуха, поступившего в процессе наполнения, и топлива.

 

Рабочий объем цилиндра – объем, вытесняемый поршнем при движении от нижней мертвой точки к верхней. Мертвые точки – это крайние положения поршня в цилиндре, в которых его скорость равна нулю.

Смесеобразование – процесс образования топливовоздушной смеси. Различают внутреннее и внешнее смесеобразование соответственно в дизельных и карбюраторных двигателях.

Степень сжатия – отношение максимального объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Среднее индикаторное давление – такое условное постоянное давление, которое, воздействуя на поршень, совершает ту же работу, что и переменное давление за весь цикл.

Такт – процессы, происходящие в цилиндре при движении поршня от одной мертвой точки до другой. Для четырехтактного двигателя различают следующие такты: впуск, сжатие, рабочий ход (расширение), выпуск.

Тепловой баланс – распределение теплоты, вводимой в цилиндр с топливом, на полезно используемую теплоту и отдельные виды потерь: в охлаждающую жидкость, в смазочное масло, с отработавшими газами, за счет неполноты сгорания.

Термодинамический цикл – это совокупность термодинамических процессов, приближенно описывающих процессы действительного цикла. При этом предполагается, что количество и состав рабочего тела неизменны, теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры, теплообмен с окружающей средой отсутствует.

Фазы газораспределения – это периоды, выраженные в градусах поворота коленчатого вала, когда открыты впускные или выпускные клапаны.

Характеристика двигателя – зависимость показателей двигателя от режима работы или от параметров, связанных с регулировкой его основных систем. Различают скоростные, нагрузочные, регулировочные и другие разновидности характеристик.

Шатун – передает усилие от поршня на коленчатый вал, участвует в преобразовании поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала в составе кривошипно-шатунного механизма.

Экологические показатели – показатели двигателя, которые характеризуют прямое или косвенное воздействие на окружающую среду и непосредственно человека.

Эффективные показатели – это величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую.