Двигателя внутреннего сгорания

Характеристика сил

Прежде чем приступить к расчетам, обратите внимание на физическую сущность, способ задания и характер изменения всех сил, действующих на звенья машинного агрегата. Уясните, какие силы изменяются с изменением скоростного режима, какие силы изменяют величину и направление с изменением положения механизма, в каких точках приложены силы и какие траектории описывают эти точки.

Силы, приложенные к различным звеньям механизма, с течением времени могут оставаться постоянными (например, силы тяжести) или изменяться по какому-либо закону, причем закон изменения может быть периодическим (например, силы давления газов на поршень в поршневых машинах, силы сопротивления резанию в металлорежущих станках и т.д.). Тот промежуток времени, по истечению которого все звенья механизма приходят в свое первоначальное положение, а действующие силы, меняясь по определенному закону, достигают своего первоначального значения, называется периодом цикла работы механизма (или циклом механизма). Период цикла определяется рабочим процессом двигателя или рабочей машины и обычно равен времени одного или двух оборотов кривошипного вала машины.

При решении задач силового расчета механизма и при динамическом анализе машинного агрегата необходимо знать силу, действующую на исполнительное звено исследуемого механизма. Эта сила (движущая или полезного сопротивления) в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах, штампах, металлообрабатывающих станках – величина переменная и является функцией положения исполнительного звена. Для каждого из положений механизма она может быть определена, если задана индикаторная (для двигателей внутреннего сгорания, компрессов) или нагрузочная (для потребителей энергии) диаграмма машины. Такие диаграммы получаются при записи характера изменения давления газов в цилиндре двигателя или компрессора или среднестатического значения сил сопротивления, действующих на исполнительное звено при обработке материала, предусмотренного технологическим процессом. Пользуясь этими диаграммами, можно определить силы, действующие на ползун двигателя или рабочей машины в зависимости от угла поворота кривошипа.

Индикаторная диаграмма и циклограмма работы

двигателя внутреннего сгорания

Последовательность процессов, происходящих в машинном агрегате, необходимо согласовать с положением исполнительного звена, принимаемого за нулевое при кинематическом анализе механизма. Этот вопрос рассмотрим на примере V-образного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с углом развала цилиндров в 60º (рис.5.2)

Пусть при кинематическом анализе в качестве нулевого принято положение механизма, при котором поршень С находится в верхней мертвой точке. При вращении кривошипа против часовой стрелки (такое направление принято при делении траектории точки А на 12 равных частей при кинематическом анализе механизма) поршень С начнет двигаться от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ), пройдя путь, равный S при повороте кривошипа на 180º. Предположим, что впускной клапан закрыт, тогда в цилиндре будет происходить рабочий ход. Давление в цилиндре будет изменяться от р_z до р_b по линии zb.

Последующему повороту кривошипа на угол от 180º до 360º будет соответствовать движение поршня С от НМТ к ВМТ. В цилиндре будет открыт выпускной клапан (очистка цилиндра от отработанных газов). По индикаторной диаграмме процесс выпуска происходит по линии b–b при постоянном давлении р_b. Повороту кривошипа на следующие 180º (360 – 540º) соответствует движение поршня от НМТ до

Рис. 5.2. Принципы работы четырехтактного двигателя:

а – кинематическая схема механизма; б – индикаторная диаграмма.

ВМТ. В это время в цилиндре открыт впускной клапан. Процесс впуска рабочей смеси в цилиндр происходит по линии а–а при постоянном давлении р_а. При последующем повороте кривошипа на 180° поршень С перемещается от НМТ до ВМТ при закрытых клапанах. В цилиндре происходит сжатие рабочей смеси по линии а–с. Вблизи верхнего крайнего положения такта сжатия (3–5º по углу поворота кривошипа) в цилиндре происходит воспламенение топлива. Давление резко возрастает от р_с до р_z. Поскольку в курсовом проекте за угловой шаг принят угол 30º, то угол поворота кривошипа в 3–5º оказывается меньше углового шага. Поэтому изменение давления на индикаторной диаграмме показано как скачкообразное по вертикальной линии с–z. На этом цикл рабочего процесса в цилиндре С заканчивается, после чего происходит повторение цикла.

В начале цикла, когда поршень С находится в ВМТ, поршень В будет занимать промежуточное положение в своем цилиндре, не доходя до ВМТ на величину перемещения S_i, соответствующую углу поворота кривошипа в 60º (угол развала цилиндров). В это время в цилиндре В возможен процесс сжатия или выпуска отработанных газов. Если в цилиндре В допустить процесс сжатия, то в дальнейшем циклы рабочего хода в цилиндрах совпадут (на угле поворота кривошипа в120º), что вызовет резкую неравномерность хода всего машинного агрегата. Чтобы избежать такого явления, в цилиндре В следует организовать такт выпуска отработанных газов. Дальнейшая совместная работа цилиндров С и В будет происходить в соответствии с циклограммой, представленной в табл. 5.1.

Т а б л и ц а 5.1. Циклограмма работы цилиндров V-образного двигателя

Из табл. 5.1. следует, что полный цикл работы двигателя совершается за два оборота кривошипа.

На основании табл. 5.1 строится развернутая индикаторная диаграмма в масштабе μ_р и диаграмма сил Р = f (φ).

Из описания рабочего процесса четырехтактного двигателя следует, что кинетическая энергия, сообщаемая звеньям механизма во время рабочего хода, используется затем как источник движения в последующих тактах. Таким образом, только на рабочем ходе работа сил, приложенных к поршням двигателя, имеет положительное значение.

При выполнении курсового проекта необходимо, используя задание, построить индикаторную диаграмму в таком же масштабе перемещений, в каком построена кинематическая схема механизма. Для упрощения построения индикаторной диаграммы и дальнейших расчетов в курсовом проекте допускается криволинейные участки расширения z – b и сжатия а – с газов заменить прямыми линиями. Для того чтобы легче представить процесс изменения силы давления на поршень, индикаторную диаграмму следует располагать таким образом, чтобы положение мертвых точек на ней было аналогично расположению этих точек на кинематической схеме механизма. Тогда стрелки над линиями диаграммы, совпадающие с направлением движения поршня, укажут, где следует измерять ординаты для вычисления давления p_i (рис.5.2, б).