Двигатели внутреннего сгорания

                                                               

            а                                                                                               б

Рис. 1.2. Схемы  тронковых кривошипно-шатунных механизмов двигателей внутреннего сгорания

1.2. Конструкция кривошипно-шатунного механизма

Условно элементы КШМ можно разделить на две группы: неподвижные и подвижные. К неподвижным элементам относятся блок цилиндров, головка блока цилиндров, картер с подшипниками коленчатого вала и поддоном, соединяющие их детали. Все это образует остов двигателя. Подвижными элементами механизма являются поршень, поршневые кольца, поршневой палец, шатун с подшипниками, коленчатый вал с маховиком, соединяющие их детали.

1.3. Кинематика кривошипно-шатунного механизма

При изучении кинематики КШМ предполагают, что коленчатый вал двигателя вращается с постоянной угловой скоростью U, отсутствуют зазоры в сопряженных деталях, и механизм рассматривают с одной степенью свободы.

В действительности из-за неравномерности крутящего  момента двигателя угловая скорость переменна. Поэтому при рассмотрении специальных вопросов динамики, в частности крутильных колебаний системы коленчатого вала, необходимо учитывать изменение угловой скорости.

Независимой переменной принимают угол поворота кривошипа коленчатого вала U. При кинематическом анализе устанавливают законы движения звеньев

За исходное принимают положение поршня в верхней мертвой точке, а направление вращения коленчатого вала по часовой стрелке. При этом для выявления законов движения и аналитических зависимостей устанавливают наиболее характерные точки. Для центрального механизма такими точками являются ось поршневого пальца (точка В), совершающая вместе с поршнем возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, и ось шатунной шейки кривошипа (точка А), вращающаяся вокруг оси коленчатого вала О.

Для определения зависимостей кинематики КШМ введем следующие обозначения:

l – длина шатуна;

r – радиус кривошипа;

λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

.                                  

Для современных автомобильных  и тракторных двигателей величина λ  = 0.25–0.31. Для высокооборотных двигателей с целью уменьшения сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс применяют более длинные шатуны, чем для малооборотных.

> – угол между осями шатуна и цилиндра, величина которого определяется по следующей зависимости:

Наибольшие углы > для современных автомобильных и тракторных двигателей составляют 12–18°.

Перемещение (путь) поршня будет зависеть от угла поворота коленчатого вала и определяться отрезком Х (см. рис. 1.20), который равен:

.

Рис.1.20. 

1.4. Динамика кривошипно-шатунного механизма

Двигатели современных  автомобилей и тракторов являются в большинстве случаев быстроходными, вследствие чего движущиеся детали их кривошипно-шатунного механизма  перемещаются со значительными скоростями и ускорениями. В карбюраторных двигателях легковых автомобилей, например, ускорение поршня достигает 22000 м/с², а величина средней скорости поршня – 16 м/с.

Поэтому для  надежного расчета быстроходного  двигателя изучение всех сил, действующих  в нем, является крайне необходимым. Основные силы, действующие в автомобильных и тракторных двигателях, следующие: силы давления газов, силы инерции, силы трения и силы сопротивления.

Силы инерции  масс двигателя, которые движутся с  переменными по величине и направлению  скоростями, имеют место как при холостом ходе, так и при работе его под нагрузкой и для некоторых деталей двигателя являются основными расчетными силами.

В зависимости  от характера движения силы инерции  масс кривошипно-шатунного механизма  можно распределить на три группы:

• силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс;
• силы инерции вращающихся масс;
• силы инерции масс, совершающих сложное движение.

Для определения  величины этих сил необходимо предварительно найти величины соответствующих  масс.

1.5. Уравновешивание двигателей внутреннего сгорания

Силы, возникающие  при работе автомобильных и тракторных двигателей, можно разделить на два вида: уравновешенные и не уравновешенные.

Уравновешенными силами называют силы, равнодействующая которых по отношению к опорам двигателя равна нулю и которые при их суммировании не дают свободного момента. К таким силам относятся силы давления газов в цилиндре двигателя и силы трения.

К неуравновешенным силам относят силы, которые передаются на опоры двигателя: вес двигателя, реакции выпускных газов и движущихся жидкостей, центробежные силы инерции вращающихся масс двигателя, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс двигателя, касательные силы инерции вращающихся масс, возникающие вследствие непостоянной угловой скорости вращения коленчатого вала.

Во всех поршневых  двигателях имеет место также  переменный реактивный момент, при любом положении коленчатого вала равный по величине, но противоположный по направлению крутящему моменту двигателя. В обычных автомобильных и тракторных двигателях реактивный момент уравновесить невозможно и во время работы он всегда передается на раму автомобиля или трактора.

Неуравновешенные  силы, переменные по величине и направлению, могут вызвать вибрации, как двигателя, так и всего автомобиля или трактора, причем наибольшие сотрясения вызываются силами инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателя.

С увеличением  равномерности крутящего момента  двигателя вибрации двигателя, зависящие  от реактивного момента, уменьшаются.

Неуравновешенные силы, постоянные по величине и направлению, вибраций двигателя не вызывают.

Вибрации двигателя  при недостаточной жесткости  его деталей могут возникнуть также под действием переменных сил давления газов. Эти вибрации устраняются увеличением жесткости деталей двигателя. Для устранения отрицательных последствий, связанных с наличием вибраций, двигатель должен быть динамически уравновешен.

В уравновешенном двигателе при установившемся режиме работы силы и моменты сил, передаваемые на его опоры, постоянны по величине и направлению или равны нулю.

Уравновешивание современных автомобильных и  тракторных двигателей можно осуществить  двумя способами:

1. расположением определенным образом цилиндров и выбором такой кривошипной схемы коленчатого вала, чтобы переменные силы инерции и их моменты взаимно уравновешивались;
2. созданием с помощью дополнительных масс (противовесов) новых сил, в любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению основным уравновешиваемым силам.

Очень часто  оба эти способа применяются одновременно.

1.6. Равномерность хода и расчет маховика двигателя

В идеальном  двигателе угловая скорость вращения коленчатого вала ^ считается постоянной.

В реальном двигателе  даже при установившемся режиме работы угловая скорость ^ не остается постоянной, а колеблется в течение одного цикла. Это объясняется изменением величины крутящего момента двигателя М_к, от которого и зависит в первую очередь равномерность хода двигателя.

График изменения  постоянного по индикаторной диаграмме  крутящего момента одноцилиндрового четырехтактного двигателя по углу поворота коленчатого вала. Площади, расположенные над осью абсцисс (F₂, F₅, F₇), представляют положительную работу, расположенные же под этой осью (F₁, F₃, F₄, F₆) – отрицательную.

Разность между положительными и отрицательными площадями представляет работу крутящего момента за рабочий цикл двигателя:

F_изб = (F₂ + F₅ + F₇) – (F₁ + F₃ + F₄ + F₆).

,

,

где АВ – длина отрезка в единицах длины,

а₁ – масштаб моментов.

Зная величину М_ср, неравномерность крутящего момента можно определить по коэффициенту К, который называется степенью неравномерности крутящего момента:

,

где М_max – максимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

В некоторых  случаях для оценки равномерности  изменения крутящего момента пользуются коэффициентом неравномерности крутящего момента

   

где М_min – минимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

1 7.74

2 5.52

3 3.62

4 3.35

6 2.88

V6 2.88

8 1.36

V8 1.36

V12 1.16

С увеличением  числа цилиндров коэффициенты К и K₁ уменьшаются. Примерная зависимость величины К от числа цилиндров i для четырехтактных бензиновых двигателей при полной нагрузке приведена в табл. 1.5.

Цилиндров

К

 

Таблица 1.5

Значения К от числа цилиндров

Степень неравномерности вращения коленчатого вала двигателя можно оценить коэффициентом неравномерности хода двигателя:

Где ωср, ωмакс, ωмин_p – величины наибольшей, наименьшей и средней угловой скорости вращения коленчатого вала в течение одного рабочего цикла двигателя при установившемся режиме его работы.

Для автомобильных  и тракторных двигателей при номинальных  оборотах значения .

Для одноцилиндрового двигателя необходимая равномерность  хода двигателя может быть обеспечена лишь при наличии маховика значительных размеров, что отрицательно отражается на приемистости двигателя. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что на работу двигателя автомобиля и трактора в целом равномерность работы оказывает большее влияние, чем уравновешенность. С увеличением равномерности крутящего момента условия работы двигателя и механизмов автомобиля и трактора заметно улучшаются.

2. ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ  МЕХАНИЗМ

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для осуществления  в определенной последовательности выпуска продуктов сгорания и впуска свежего заряда. Газораспределительный механизм состоит из впускных и выпускных органов и деталей, передающих к ним движение от коленчатого вала.

2.1. Классификация и конструктивный обзор газораспределительных механизмов

Золотниковые  механизмы газораспределения, несмотря на ряд преимуществ – возможность обеспечения больших проходных сечений впускных и выпускных отверстий, лучшие условия охлаждения и возможность в связи с этим некоторого повышения степени сжатия в бензиновых двигателях, бесшумность работы, не получили распространения из-за конструктивной сложности и дороговизны изготовления и ремонта в четырехтактных ДВС. Поэтому золотниковые механизмы газораспределения рассматриваться не будут.

В двухтактных  ДВС часто в качестве золотника  используется поршень. Такое газораспределение может быть названо золотниковым, хотя собственно механизм газораспределения в случае щелевой продувки отсутствует и его заменяет кривошипно-шатунный механизм.

В четырехтактных автотракторных двигателях широкое  распространение получили клапанные механизмы газораспределения.

В некоторых  двигателях с целью обеспечения  надежной работы на высоких оборотах применяются без пружинные механизмы газораспределения с принудительным открытием и закрытием клапанов, или так называемые десмодромные механизмы. Принудительное открытие и закрытие клапанов осуществляется от самостоятельных кулачков или электромагнитами с очень большими ускорениями, что позволяет значительно увеличить коэффициент наполнения двигателя.

Наиболее широкое распространение в автотракторных двигателях получили пружинные клапанные механизмы газораспределения, конструктивный обзор которых, в зависимости от расположения клапанов, положения и привода распределительного вала, рассматривается ниже.

2.2. Привод к распределительному валу

Нижний распределительный  вал чаще всего своей шестерней  соединяется непосредственно с  шестерней коленчатого вала. Только при большом удалении распределительного вала от коленчатого вала вводится промежуточная шестерня или цепная передача.

Верхние распределительные  валы могут приводиться в движение при помощи системы промежуточных  валов с коническими или винтовыми  шестернями, а также с помощью  цилиндрических шестерен, зубчатого  ремня или цепи.