Аналітичне дослідження кривошипно-шатунного механізма автомобільних двигунів (стр. 2 из 9)

Через деякий час після відкриття впускного клапана тиск в циліндрі і перед клапаном вирівнюються і з цього моменту починається впуск.

Тиск в циліндрі в кінці газообміну

p_а = p_В – Dp_а,

де p_В – тиск у впускному трубопроводі, Dp_а – опір впускної системи.

Опір впускної системи визначається за залежністю

Dp_а = k₁×w² = k₂×n²,

де k₁ i k₂ – коефіцієнти пропорціональності, w – швидкість пальної суміші у впускній системі (w = 40 – 80 ^м/_с), n – частота обертання колінчастого вала.

Наближено опір впускної системи може бути визначений за емпіричною формулою

Dp_а = (0,05 – 0,1) p_В.

Для дизелів приймаються нижчі значення коефіцієнта у даній залежності, для бензинових двигунів – вищі.

Орієнтовні значення основних параметрів газообміну, визначених експериментально, наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Параметр	Бензиновий двигун	Дизелі
		без наддуву	з наддувом
Тиск кінця випуску pr, МПа	0,102–0,120	0,102–0,125	(0,75–0,95)pк*
Температура кінця випуску Тr, С	630 – 730	330 – 630	330 – 630
Тиск кінця випуску pа, МПа	0,08 – 0,09	0,08 – 0,09	(0,9–0,96)pк
Температура кінця випуску Та, С	47 – 107	37 – 77	47 – 127

* p_к – тиск наддуву

1.2.2 Процес стиску

При термодинамічному розрахунку процесу стиску вважають, що він протікає на протязі всього ходу поршня від н.м.т. до в.м.т. В теорії поршневих двигунів внутрішнього згорання прийнято вважати, що стиск проходить політропічно з постійним середнім показником n₁ по рівнянню

= const. Тоді тиск заряду в кінці стиску

p_c = p_a

,

де e – ступінь стиску.

Температура заряду в кінці стиску

T_c = T_a

Орієнтовні значення параметрів кінця стиску і показника n₁ подані в таблиці 2.

Таблиця 2

Параметр	Бензиновий двигун	Дизелі
		без наддуву	з наддувом*
Ступінь стиску e	6 – 11	15 – 23	12 – 15
Середній показник політропи стиску n1	1,34 – 1,38	1,34 – 1,38	1,34 – 1,38
Тиск в кінці стиску pс, МПа	0,9 – 1,3	2,9 – 6,0	до 8,0
Температура в кінці стиску Тс, С	330 – 480	430 – 630	до 730

* тиск наддуву p_к £ 0,2 МПа

1.2.3 Процес горіння

Горіння є складним фізико-хімічним процесом. На більшу частину показників двигуна впливають, однак, не фізико-хімічні особливості процесу горіння, а закономірності тепловиділення і викликаних ним зміни тиску і температури в циліндрі. Ними визначаються енергетичні і економічні показники циклу, статичні і динамічні навантаження на деталі, що оцінюються максимальним тиском циклу і швидкістю наростання тиску при горінні, теплова напруженість деталей.

Задовільні показники роботи двигуна забезпечуються при тепловиділенні, що починається за 5 – 15⁰ до в.м.т. і завершується через 45 – 50⁰.

Максимальний тиск робочого процесу бензинового двигуна визначається по формулі

p_z = lp_c,

де l – ступінь підвищення тиску в процесі горіння.

Дійсне значення максимального тиску для карбюраторних двигунів рівне

p_zд » 0,85 p_z.

Параметри стану робочого тіла в кінці видимого горіння наведенні в таблиці 3.

Таблиця 3

Параметр	Бензиновий двигун	Дизелі
		однопорожнинні	двопорожнинні
Тиск газів pz, МПа	3 – 5,5	7,5 – 12,5*	5,5 – 7,5
Ступінь підвищення тиску l	3,8 – 4,2	1,7 – 2,1	1,2 – 1,8
Температура Тz, С	2200 – 2500	1500 – 1900	1400 – 1700

* верхні значення для двигунів з наддувом.

1.2.4 Процес розширення

В процесі розширення здійснюється основна частина позитивної роботи циклу. Як і для процесу стиску, дійсний процес з змінним показником політропи може бути замінений умовним з середнім показником, який вибирають так, щоб тиски на початку і в кінці процесу були такими ж, як і в дійсному процесі. Параметри стану робочого тіла в кінці розширення наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Параметр	Бензиновий двигун	Дизель без наддуву
Показник процесу розширення n2	1,23 – 1,34	1,15 – 1,28
Тиск в кінці розширення pr, МПа	0,35 – 0,50	0,2 – 0,4
Температура в кінці розширення Тr, С	930 – 1230	730 – 930

2. Кінематика кривошипно-шатунного механізма

При роботі поршневого двигуна в його кривошипно-шатунному механізмі виникають сили, які визначають умови роботи окремих деталей, а також самого двигуна в цілому.

Величина і характер зміни цих зусиль можуть бути визначені за допомогою рівнянь кінематики і динаміки кривошипно-шатунного механізма. Ці рівняння дозволяють також визначити точне положення для будь-якого кута повороту колінчастого вала, що дуже важливо для розрахунку процесів сучасних автомобільних і тракторних двигунів.

При розгляді кінематики КШМ вважають, що кутова швидкість обертання колінчастого вала w постійна і, відповідно, кут його повороту пропорційний часу t.

В деяких автомобільних і тракторних двигунах застосовують кривошипно-шатунний механізм, у якого вісь циліндра не перетинає вісь колінчастого вала, а зміщена відносно неї на деяку відстань. Такий механізм називають дезаксіальним. Дезаксіал також може бути отриманий зміщенням осі поршневого пальця.

До переваг дезаксіального КШМ слід віднести:

зменшення різниці в тиску поршня на праву і ліву сторони циліндра, що забезпечує більш рівномірне зношування двигуна;

менша швидкість поршня біля В.М.Т., завдяки чому покращується процес згорання робочої суміші;

при нижньому розміщені газорозподільного вала є можливість зменшити відстань між осями колінчастого і газорозподільного валів, а разом з тим діаметри розподільних шестерень і габарити картера привода.

2.1 Кінематика центрального кривошипно-шатунного механізма

Схема центрального КШМ подана на рис.3. Залежність між кутом повороту колінчастого вала і відповідним йому часом є такою

, (1)

де j – кут повороту колінчастого вала, град; t – час, що відповідає цьому куту, сек; n – число обертів колінчастого вала, об/хв.

За вихідне приймаємо таке положення КШМ, при якому поршень знаходиться у верхній мертвій точці (в.м.т.). Вводимо такі позначення: r – радіус кривошипа; l – довжина шатуна; S=2r – хід поршня; s – шлях поршня (переміщення від в.м.т.), що відповідає повороту колінчастого вала на кут j; b – кут відхилення осі шатуна від осі циліндра.

2.1.1 Шлях поршня

Визначимо залежність шляху поршня від відповідного кута повороту колінчастого вала. З рис.2 шлях поршня S рівний

S = OA – OA¹

або

S = (r + l) – (r×cosj + l×cosb) = r×(1 - cosj) + l×(1 - cosb) =

= r×[(1 - cosj) +

×(1 - cosb)].

Рис.3 Схема центрального КШМ

Ввівши позначення

, отримаємо

S=r×[(1-cosj) +

×(1-cosb)]. (2)

З рис.2 слідує, що BC = r×sinj = l×sinb. Звідси sinb =

×sinj = l×sinj.

Так як

то, розкладаючи праву частину цього виразу в ряд за біномом Ньютона, отримаємо

cosb=1 -

×l²×sin²j - ×l⁴×sin⁴j - ×l⁶×sin⁶j

В цій формулі значення членів, які включають величину l в степені вище першої, швидко зменшуються. Це дозволяє з достатньою для практики точністю обмежитися першими двома членами розкладу, тобто

cosb = 1 – 0,5×l²×sin²j. (3)

Тоді вираз для шляху поршня

S = r×(1 - cosj) +

×[1 - (1 - 0,5×l²×sin²j)] = r×(1 - cosj) + 0,5×l×r×sin²j.

Так як

, то S » r×(1 - cosj) + ×(1 – cos2j).