11.2.3. Ускорение поршня
Ускорение поршня определяется как первая производная скорости по времени или как вторая производная перемещения поршня по времени:
(11.3)
где
и
— гармонические составляющие первого
и второго порядка ускорения поршня
соответственно j1
и
j2.
При этом первая составляющая выражает
ускорение поршня при бесконечно длинном
шатуне, а вторая составляющая — поправку
ускорения на конечную длину шатуна.
Зависимости изменения ускорения поршня и его составляющих от угла поворота коленчатого вала показаны на рис. 11.6.
Рис. 11.6. Зависимости изменения ускорения поршня и его составляющих от угла поворота коленчатого вала
Ускорение достигает максимальных значений при положении поршня в ВМТ, а минимальных — в НМТ или около НМТ. Эти изменения кривой j на участке от 180 до ±45° зависят от величины λ. При λ > 0,25 кривая j имеет вогнутую форму в сторону оси φ (седло), и ускорение достигает минимальных значений дважды. При λ = 0,25 кривая ускорения выпуклая, и ускорение достигает наибольшего отрицательного значения только один раз. Максимальные ускорения поршня в автомобильных ДВС 10 000 м/с2 . Кинематика дезаксиального КШМ и КШМ с прицепным шатуном несколько отличается от кинематики центрального КШМ и в настоящем издании не рассматривается.
73. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра
Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D является одним из основных параметров, который определяет размеры и массу двигателя. В автомобильных двигателях значения S/D от 0,8 до 1,2. Двигатели с S/D > 1 называются длинноходными, а с S/D < 1 — короткоходными. Данное отношение непосредственно влияет на скорость поршня, а значит и мощность двигателя. С уменьшением значения S/D очевидны следующие преимущества:
уменьшается высота двигателя;
за счет уменьшения средней скорости поршня снижаются механические потери и уменьшается износ деталей;
улучшаются условия размещения клапанов и создаются предпосылки для увеличения их размеров;
появляется возможность увеличения диаметра коренных и шатунных шеек, что повышает жесткость коленчатого вала.
Однако есть и отрицательные моменты:
увеличивается длина двигателя и длина коленчатого вала;
повышаются нагрузки на детали от сил давления газа и от сил инерции;
уменьшается высота камеры сгорания и ухудшается ее форма, что в карбюраторных двигателях приводит к повышению склонности к детонации, а в дизелях — к ухудшению условий смесеобразования.
Целесообразным считается уменьшение значения S/D при повышении быстроходности двигателя. Особенно это выгодно для V-образных двигателей, где увеличение короткоходности позволяет получить оптимальные массовые и габаритные показатели.
Значения S/D для различных двигателей:
карбюраторные двигатели — 0,7—1;
дизели средней быстроходности — 1,0—1,4;
быстроходные дизели — 0,75—1,05.
При выборе значений S/D следует учитывать, что силы, действующие в КШМ, в большей степени зависят от диаметра цилиндра и в меньшей — от хода поршня.
74. Силы давления газов
Силы давления газов действуют на поршень, стенки и головку цилиндра. Для упрощения динамического расчета силы давления газов заменяются одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца.
Данную силу определяют для каждого момента времени (угла поворота коленчатого вала φ) по индикаторной диаграмме, полученной на основании теплового расчета или снятой непосредственно с двигателя с помощью специальной установки. На рис. 12.1 показаны развернутые индикаторные диаграммы сил, действующих в в частности изменение силы давления газов (Рг) от величины угла поворота коленчатого вала.
Рис. 12.1. Развернутые индикаторные диаграммы сил, действующих в КШМ