книги из ГПНТБ / Махалдиани, В. В. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия

Г Л А В А III

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАРСС

§1. Теория и расчет гидравлической системы поршня, автоматически регулирующего степень сжатия

Выше был рассмотрен принцип действия поршня, авто­ матически регулирующего степень сжатия. Перемещение наружного стакана поршня, вызывающее изменение степе­ ни сжатия в работающем двигателе происходит за счет разности действующих на наружный стакан сил. Эти силы слагаются из силы от давления газов в цилиндре двигате­ ля, сил инерции подвижного стакана, сил от давления мас­ ла в верхней и нижней камерах поршня и, наконец, силы трения подвижного стакана о цилиндр двигателя и непод­ вижной вставки. Перечисленные силы имеют характер пе­ риодически действующих аил, величина которых зависит от режима работы двигателя и его конструктивных особен­ ностей. Вследствие этого наружный стакан поршня относи­ тельно внутренней вставки совершает за один цикл слож­ ное движение, меняющееся в зависимости от режима ра­ боты двигателя. С другой стороны, степень сжатия в дви­ гателе является одним из основных параметров, ог ко­ торого зависит не только топливная экономичность и эф­ фективность, но и нагружѳнность основных деталей двига­ теля. Сущность работы двигателя с переменной степенью сжатия заключается в том, что величина степени сжатия автоматически устанавливается такой, при которой макси­ мальное давление сгорания в цилиндре не превышает за­ данной допустимой величины. Роль автомата, осуществляю­ щего такое изменение степени сжатия, выполняет гидрав­ лическая система поршня. Поскольку силы инерции и дав­ ления газов являются фактически заданными и зависят от конструкции и режима работы двигателя, то следует так подобрать гидравлическую аистѳму поршня, чтобы закон изменения действующих на поршень сил от давления масла был бы приемлем для данного двигателя. К числу элемен­ тов гидравлической системы поршня, которые подлежат расчету, относятся: (регулирующий клапан, опраничиваю-

210

режиме и обратные клапаны, обеспечивающие своевремен­

структивных соображений и зависят лишь только от разме­ ров самого поршня.

При расчете элементов гидравлической системы вво­ дятся упрощения, которые общеприняты при решении мно­ гих технических задач.

Масло, являющееся рабочим телом для гидравлической системы поршня, считается несжижаемой жидкостью, вяз­ костью и трением этой жидкости о стенки также можно пренебречь.

Расчет регулирующего клапана не представляет осо­ бой сложности и может быть произведен одним из извест­ ных способов. Однако выбор исходных данных для расчета представляет определенную сложность, т. к. определяется особенностями двигателя, для которого проектируется пор­ шень. Рассмотрим развернутую индикаторную диаграмму двигателя при положении поршня около ВМТ на такте сжа­

жимы работы представляют безусловный интерес и реша­ ются с помощью дифференциальных уравнений, которые будут рассмотрены ниже.

На установившемся режиме работы двигателя неиз­ бежны колебания подвижного стакана поршня относитель­ но вставки, что вызывает изменение степени сжатия в те­ чении последовательных рабочих циклов. Такое колебание степени сжатия является необходимым условием для про­ качки через систему масла, охлаждающего днище поршня. Для расчета необходимо иметь зависимость между сте­ пенью сжатия и максимальным давлением сгорания в ц.и-

211

ліиндре двигателя, для которого проектируется поршень.

Величина ргзад. является заранее известно, т. к. ограни­ чивает максимальное давление сгорания в цилиндре дви­ гателя. Тогда давление открытия регулирующего клапана определяется по очевидной формуле:

где Fa — площадь цилиндра двигателя в см3; FBK— площадь верхней камеры поршня в см3.

Рис. 109. Схема развернутой индикаторной диаграммы

коленчатого вала. За это время необходимо, чтобы верхний стакан поршня опустился на' такую величину, при которой степень сжатия для последующего цикла была бы меньше предыдущей. Аналитически определить требуемую величи­ ну степени сжатия для последующего цикла невозможно. Поэтому необходимо задаться изменением степени сжатия и перепадом давлений Арг за один рабочий цикл, или до­ пустимым колебанием верхнего стакана поршня на уста-

212

сжатия должен іве только снижать максимальное давление сгорания двигателя, но также и улучшать тепловую стой­ кость поршня при чрезмерно больших нагрузках. Последнее осуществляется путем непрерывной прокачки масла через поршень, что снижает температуру наиболее нагретой час­ ти днища. Такая прокачка масла возможна лишь только в том случае, если стакан, поршня будет относительно непод­

поршня может быть использована методика, предложенная профессором Б. Я. Тиндбургом [3, 4].

Количество тепла Qu , которое необходимо отводить от подвижного стакана поршня в маісло, должно снижать тем­ пературу поршня до величин, обеспечивающих надежную работу. Рекомендуется, что для поршней из кованного алю­ миния максимальная температура не должна превышать 380°С, для поршней из стали или чугуна эта температура может быть повышена до 600°С. Температура поршня у верхней капании под поршневое кольцо из условия предот­ вращения коксования масла не должна превышать 220°С. Для колец трапециодальной формы и масла с присадкой эта температура может быть повышена до 270°С. В основу вышеупомянутого метода расчета положено рассмотрение упрощенной схемы поршня ів виде тела вращения с плос­ ким днищем равной толщины. Тогда общее количество теп­ ла, протекающего через днище поршня

Rs — суммарное тешюсопротивление цепи: газ-поршень- цилиндр—охлаждающая жидкость, с учетом ответ-

213

вления тепла ст поршня в охлаждающую жид­

X— коэффициент теплопроводности материала поршня

ккал

м.нас град.

т— QM — доля тепла, отводимого в масло;

Roöiu

214

Последнее равенство дает возможность определить величи­ ну т в следующем виде:

х RCT — Ь(1 — т)

После определения т можно оценить величину количества тепла Qu, которое должно быть отведено в масло для доведе­ ния температуры Uc до заданного значения. С другой стороны, величина теплоотвода в масло определяется по формуле

»каналов, по которым течет масло, прерывистостью течения и ряда других факторов. Ввиду отсутствия для поршня, ав­ томатически регулирующего степень .сжатия опытных дан­

щели между корпусом поршня и вставкой. Можно указать, что коэффициент теплоотдачи существенно зависит от ве­ личины щели, по которой течет масло.

Требуемое количество прокачиваемого через »поршень масла может быть оценено по выражению

QM = 60 •f m- Си •О ■М и ,

215

імежду давлением в корпусе клапана и объемным расходом жидкости через него в уровнях установившегося процесса истечения. Для упрощения расчетов можно воспользовать­ ся теорией подобия, как это сделано в работах [8, 22] при­ менительно ік дизельным топливным форсункам.

Подобными считаются такие гидравлические характе­ ристики, которые, будучи приведены к безразмерной фор­

ме, могут быть представлены одними и теми же уравнения­ ми. Для рассматриваемого іслучая эти уравнения имеют следующий вид:

зависимость между давлением и расходом

~кх

подъем клапана;

216

р и рср — давление в корпусе клапана и среде,

вкоторую производится истечение,

X — подъем клапана в см.',

КKQ, К х — масштабы по осям х, у, z безразмерной

характеристики, между которыми су­ ществует связь, зависящая от конструк­ ции клапана.

Рис. ПО. Схемы клапанов с прямым и обратным х о д о м .

Принципиально известны несколько конструктивных разновидностей клапана. Для поршня автоматически регу­ лирующего степень сжатия нашли применение два вида клапана, отличающиеся друг от друга направлением дви­ жения относительно течения жидкости. Существуют «ла­ паны с прямым и обратным ходом, их схемы представлены на рис. ПО. Клапан с прямым ходом может применяться для поршня применительно к малюоборотным стационар­ ным дизелям, работающим при постоянных нагрузках. Расчеты показали, что для такого клапана требуется до-

217

вольно жесткая пружина, габариты которой могут не впи­ саться в размеры поршня для быстроходного двигателя. Клапан с обратным ходом требует наличия менее жесткой пружины, т. к. давление жидкости осуществляется на коль­ цевую площадку, равную разности площадей направляюще­ го и уплотняющего диаметра.

последовательности. Определяется максимальное давление масла в верхней камере поршня при срабатывании клапана

Ордината безразмерной характеристики находится по выра­ жению

которая непосредственно по уравнению (18) дает численное зна­ чение безразмерной величины у,П1х. Так как

где Qmax задано, находится масштаб по оси аб сцисс

218