57 Выбор числа и расположения цилиндров

Диаметр цилиндра и ход поршня

Размер цилиндра является основным конструктивным параметром двигателя. Ход поршня обычно характеризуется относительной величиной S/D.

В зависимости от этого отношения различают двигатели короткоходные (S/D)<1 длиноходные (S/D)>1. Уменьшение S/D при постоянном объеме способствует увеличению диаметра цилиндров, что в свою очередь, позволяет увеличить площадь проходных сечений клапанов, снизить среднее давление насосных потерь. При сохранении средней скорости поршня и эффективного давления будет возрастать частота вращения коленчатого вала, а пропорционально ей эффективная мощность двигателя, что дает возможность существенно уменьшить вес конструкции и сделать ее более компактной. В то же время снижение величины S/D приводит к более высокому давлению газов на поршень, относительному увеличению надпоршневого зазора, что ухудшает процессы смесеобразования и сгорания. С учетом сказанного, ход и диаметр поршня принимается из ряда унифицированных деталей, производимых в промышленности, аналогично двигателю прототипу.

Принимаем ход поршня S= 140мм, диаметр цилиндра D=120 мм

Число цилиндров и масса двигателя

Выбор числа цилиндров и их расположение зависят от мощностно- динамических и конструктивных факторов. Выбор числа цилиндров и среднего эффективного давления при заданной мощности двигателя взаимосвязаны.

 С увеличением числа цилиндров улучшаются пусковые качества двигателя и его уравновешивание. Однако при этом повышаются механические потери и при прочих равных условиях ухудшаются экономические показатели. По выбранному числу цилиндров и уточненному значению среднего эффективного давления, оцениваем массу проектируемого двигателя. Одним из эффективных средств снижения массы и уменьшения габаритных размеров является применение газотурбинного наддува и повышение частоты вращения коленчатого вала.

Оценить влияние числа цилиндров на удельную литровую массу двигателя можно по статическим данным для выпускаемых дизелей.

58 Силы, действующие в кшм

Силы, действующие в двигателе внутреннего сгорания, можно разделить на движущие силы, силы инерции и силы сопротивления. Движущие силы — это силы давления газов в цилиндре. Силы инерцииобразуют возвратно-поступательно движущиеся и вращающиеся части двигателя. Силы сопротивления делят на силы сопротивления потребителя энергии двигателя и силы трения в KШM (поршня и поршневых колец о стенку цилиндра, в подшипниках и т. п.), на преодоление которых затрачивается дополнительная работа.

Главными силами считают силы давления газов, силы инерции в двигателе и силы сопротивления потребителя энергии, совершающие полезную работу. Все силы, действующие в двигателе, изменяются во времени.

Схема сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм, показана на

Pг = ргFп

где рг — давление газов в цилиндре, МПа; Fп — площадь поршня, м2.

Сила давления газов со стороны картера (это давление обычно равно атмосферному р0)

Р0 = р0Fп

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей равна произведению массы этих частей на их ускорение в данный момент времени:

Pj = — mj = — mrω2 (cosφ + cos2φ)

где m = mпк + 0,275mш; mпк — масса поршня и других деталей, движущихся поступательно; mш — масса верхней головки шатуна, обычно принимаемая равной 0,2...0,3 массы всего шатуна; r —радиус кривошипа; ω и φ — соответственно частота вращения и угол поворота коленчатого вала.

Суммарная сила, действующая на поршень,

Pl = Pг - P0 +Pj

Сила Pl, приложенная к оси поршневого пальца и направленная по оси цилиндра, может быть разложена на силу N, действующую перпендикулярно оси цилиндра, и силу Рt действующую по оси шатуна.

Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, что вызывает износ их поверхностей. Она изменяется по значению и направлению, поочередно прижимая поршень то к одной, то к другой стороне цилиндра.

Силу Рt перенесенную на ось шатунной шейки, можно разложить на касательную силу Т, действующую перпендикулярно кривошипу коленчатого вала, и радиальную силу Z, направленную по оси кривошипа:

Т=Рl [sin(φ + β)/cos β]; Z=Рl [sin(φ + β)/cos β],

где β — угол отклонения шатуна от оси цилиндра.

Вращающий момент на валу двигателя, необходимый для совершения полезной работы,

Mвр = Тr.

Работа касательных сил затрачивается на преодоление сил сопротивления и изменение частоты вращения коленчатого вала. В период рабочего хода совершается полезная работа и увеличивается частота вращения коленчатого вала. Избыточная энергия аккумулируется всеми вращающимися частями, главным образом маховиком и потребителем энергии, и возвращается в систему, когда ее не хватает при совершении других тактов двигателя. Чем больше момент инерции маховика и число цилиндров, тем равномернее вращается вал двигателя.

Сила N на плече L создает реактивный (опрокидывающий) момент, который стремится опрокинуть двигатель. Он равен вращающему моменту по значению, но противоположен по направлению. Опрокидывающий момент воспринимается опорами и вызывает колебания всего двигателя.

Вращающиеся части (шатунная шейка коленчатого вала и часть шатуна, отнесенная к оси шатунной шейки коленчатого вала) создают центробежную силу Рс = — mrω2. Эта сила, направленная от центра вращения по оси кривошипа, вместе с радиальной силой Z нагружает подшипники коленчатого вала. Центробежная сила Рс обычно уравновешивается центробежной силой противовесов Рс.п, устанавливаемых на коленчатом валу с противоположной стороны шатунной шейки, или за счет изменения формы коленчатого вала.

Все силы и моменты, возникающие при работе поршневых ДВС, непрерывно изменяясь по значению и направлению, передаются на опоры двигателя и раму автомобиля. При этом возникают вибрации, снижающие эффективную мощность и топливную экономичность (вследствие затрат энергии на возбуждение вибрации и дополнительных механических потерь), ослабляются крепления агрегатов и деталей (что ускоряет в итоге износ деталей), нарушаются регулировки, снижается надежность контрольно-измерительных приборов.

Поэтому уменьшение влияния переменных сил и моментов, действующих на двигатель, относится к числу основных требований, предъявляемых в ДВС.