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

марав органов управления поршня показали, что во всех случаях при .быстром повышении нагрузки в цилиндре дизе­ ля на короткое время будет устанавливаться давление, пре­ вышающее давление сгорания pzmax на устаиіовившемся ре­ жиме, определенное регулировкой разгрузочного клапана, а абсолютное значение этого превышения зависит от величины и скорости -роста нагрузки.

Неизбежность этого явления происходит по причине ра­ бочей характеристики применяемых конструкций разгрузоч­ ного клапана, не способных обеспечить мгновенную разгруз­ ку поршня, т. е. выпуск достаточного для этого количества масла из верхней камеры. Расчеты показывают, что для обеспечения мгновенного открытия проходной щели клапана требуется определенный закон перемещения иглы разгрузоч­ ного клапана, воспроизведение которого возможно лишь при наличии механизма с принудительным приводом для управле­ ния движением иглы. Использование такого привода край­ не усложнило бы конструкцию ПАРСС, что не представля­ ется целесообразным. При имеющемся синуссоидальном ха­ рактере изменения площади проходной щели подпружинен­ ного разгрузочного .клапана и существующей совокупности внешних сил, управляющих открытием клапана, наличие не­ которого всплеска давлений в цилиндре в начале увеличения нагрузки неизбежно. Вопрос правильного подбора геометри­

Теоретические исследования ПАРСС показали, что су­ ществует ряд факторов как конструктивного, так и эксплуа­ тационного характера, взаимная связь которых определяет способность гидравлической системы обеспечивать стабиль­ ность регулирования максимальных давлений сгорания в ци­ линдре двигателя.

К конструктивным факторам, оказывающим влияние на работу ПАРСС можно отнести: площади поперечного сече­ ния верхней и нижней масляных камер, площадь проходно­ го сечения разгрузочного клапана, проходное сечение дрос­ селирующего отверстия, проходные сечения впускных клапа-

240

иав, 'Маюау подвижной части .поршня, массы иглы и таружины (разгрузочного клапана, жесткость пружины іклапаніа, раз­ меры отверстий масляных каналов ів поршне, величину хода поршня, длину шатуна и др.

И.з других факторш, оказывающих заметное влияние на работу поршня, следует отметить: число оборотов двигате­ ля, диапазон 'изменения скоростей, характер изменения на­ грузки, давление в масляной системе двигателя, изменение динамического напора масла в каналах поршня, вязкость масла, степень износа уплотнений и т. д.

Расчетным путем установлено, что перечисленные фак­ торы не в одинаковой степени способны оказывать (влияние «а характер регулирования максимальных давлений в ци­ линдре двигателя. К факторам, оказывающим заметное влияние, можно отнести: размеры масляных камер, проход­ ное сечение разгрузочного клапана, проходное сечение дрос­ селирующего отверстия, массу подвижной части поршня и упругость пружины разгрузочного клапана, а так же число оборотов двигателя ;и изменение давления масла в системе питания поршня.

Расчеты показывают, что увеличение площади попереч­ ного сечения верхней масляной камеры способствует пони­ жению давления масли в этой камере при работе поршня и тем самым появляется возможность использования более слабой пружины для разгрузочного клапана, способствую­ щей уменьшению габаритных размеров самого «лапана и массы поршня. Однако при этом возникает необходимость увеличения площади проходного сечения выпускной щели разгрузочного клапана, а также обратного клапана, питаю­ щего верхнюю масляную камеру. При ограниченной площа­

нию pz тах. Кроме того сильно возростает время, потребное для восстановления первоначальных значений давления ста­ рания на переходном режиме увеличения нагрузки. По этой причине при конструировании ПАРСС вопрос выбора гео­ метрических размеров верхней масляной камеры должен ре­ шаться с учетом возможности размещения клапанов с уве-

лишенными проходными сечениями. При ограниченных га­ баритах разгрузочного клапана размеры верхней масляной камеры должны быть уменьшены.

Расчеты показывают, что изменение площади попереч­ ного сечения нижней кольцевой камеры при сохранении про­ чих факторов постоянными, оказывает сильное влияние на величину перемещения поршня при насосных ходах, т. е. при перемещении наружной части поршня в сторону увели­ чения степени сжатия. Увеличение этой площади приводит к заметному уменьшению высоты перемещения стакана порш­ ня и способствует снижению рг тах, юднаіко сказанное в свою очередь может привести к затягиванию периода увеличения степени сжатия при уменьшении нагрузки двигателя. Объем нижней кольцевой камеры в первую очередь оказывает влия­ ние на условия работы обратного клапана, питающего эту камеру. Если учесть, что заполнение нижней камеры проис­ ходит за период перемещения наружного стакана вниз при разгрузке поршня, что составляет примерно 0 , 1 продолжи­ тельности рабочего цикла или 0,006 сек., становится очевид­ ным, что даже незначительное увеличение размеров кольце­ вой камеры требует значительного увеличения производи­ тельности питающего клапана.

В связи с ограниченностью пространства для размеще­ ния обратного клапана большой производительности жела­ тельно, чтобы размеры кольцевой камеры были по возмож­ ности малыми.

Влияние геометрических размеров нижней кольцевой ка­ меры исследовалось е учетом пропускной способности дрос­ селирующего отверстия. Как показали расчеты, поперечное сечение дросселирующего отверстия оказывает большое влияние на величину перемещения поршня в период насос­ ных ходов. Увеличение диаметра отверстия дросселирующе­ го жиклера при постоянном объеме кольцевой камеры при­ водит к заметному возрастанию амплитуды колебаний наруж­ ного стакана іи к увеличению е й рг тах на установившемся режиме. При увеличении нагрузки время для восстановления первоначальных значений давления заметно воэростает. Од­ нако тут же следует отметить, чію установление геометрн-

242

ческих размеров дросселирующего отверстия должно произіводитьоя с учетом тепловыделения в процессе работы, т. к. высота колебаний наружной части ПАРСС определяет коли­ чество циркулирующего в системе поршня масла и отвод тепла от поршня, что является основным определяющим фактором при расчете площади проходного сечения дроссе­ лирующего отверстия.

Рис. 117. Влияние массы наружного стакана поршня на перемещение стакана в период насосных ходов.

Одним из конструктивных факторов, оказывающих силь­ ное влияние на способность поршня регулировать макси­ мальные давления ® цилиндре, является масса наружной части поршня т. На рис. 117 приводится зависимость меж­ ду ходом подвижной части поршня и углом поворота ко­ ленчатого вала. График построен в результате расчета уста­ новившегося режима іработы двигателя для различных зна­ чений массы наружной части поршня. За массу, равную 100%, принята масса стакана из алюминиевого сплава. Гра­ фик показывает, что масса стакана оказывает значительное влияние на характер его перемещения. Увеличение массы до 335%, что соответствует случаю использования чугунно­ го стакана, приводит к увеличению высоты перемещения стакана в период насосных ходов на 50%. Однако это явле­ ние может компенсироваться соответствующим подбором

243

іп-рохюдных сечений р-азгрузочііюг-о клапана я дросселирую'' щѳго отверстия.

Задача усложняется при расчете переходного режима работы двигателя при изменении числа оборотов -коленчато­ го вала. В этом случае особое значение приобретает фактор числа оборотов двигателя. Последования на ЭВМ подтверж­ дают мнение, приведенное в работе [27] о том, что изменение оборотов -приводит к значительному нарушению соотноше­ ния сил, определяющих -настройку ПАР-СС. Изменение обо­ ротов двигателя, подобно увеличению массы стакана, при­ водит к возрастанию высоты перемещения подвижной части поршня из-за увеличения инерционной нагрузки. -Однако это увеличение протекает -с большей интенсивностью в результа­ те квадратичной зависимости -между аилой инерции стакана

ичислом оборотов двигателя. С другой стороны изменение числа оборотов -коленчатого вала вызывает изменение дина­ мического напора масла в системе литания поршня. Расчет­ ным путем установлено, что ,в зависимости от скоростного режима работы двигателя динамический напор в каналах шатуна быстроходнаго дизеля может изменяться в 3—4 раза

инамного превосходить статическое давление в системе смазки двигателя. Соответственно этому будут меняться условия питания рабочих камер и -следовательно характер перемещения наружной части поршня. Совместное воздей­ ствие факторов увеличения динамичеокоіго напора и инер­ ции подвижной части поршня м-огут приводить к такому возрастанию амплитуды колебаний поршня, что в некоторых случаях оно может исчисляться миллиметрами, что приво­

дит к недопустимому повышению степени -сжатия и к чрез­ мерному увеличению pzтах.

Как отмечалось выше, факторами, с помощью которых возможно предотвратить повышение степени сжатия из-за увеличения числа оборотов, считаются масса иглы разгру­ зочного -клапана при использовании компенсационного кла­ пана, а также масса пружины клапана и ее характеристика.

Расчеты показывают, что увеличением массы иглы разгрузочного клапана в принципе возможно -компѳнсиро-

244

вать вышесказанное повышение давления сгорания при из­ менении числа оборотов двигателя. Однако, в виду ограни­ ченности размеров клапана в реальном поршне, а следова­ тельно н незначительности его массы, решение этого вопро­ са затруднено.

Другим фактором, способствующим сохранению регули­ руемого давления на переходных режимах работы двигате­ ля является упругость пружины разгрузочного клапана. Ус­ тановлено, что с повышением жесткости пружины подъем иглы клапана ограничивается и, соответственно уменьшается количество масла, вытекающего из верхней камеры, тем самым ограничивая ход наружной части поршня в сторону уменьшения степени сжатия. Разгрузочный клапан с менее жесткой пружиной обеспечивает более быстрое открывание проходной щели и имеет лучшую характеристику при пони­ жении степени сжатия, а также больше 'способствует сохра­ нению установленных значений ргтах при изменении ско­ ростного режима.

Рис. 118. Влияние давления масла в системе смазки на перемещение

наружного стакана в период насосных ходов.

Из остальных факторов, оказывающих сильное влияние на характер работы ПАРСС 'следует отметить влияние дав­ ления масла ри в системе смазки двигателя. На рис. 118 представлен график, устанавливающий зависимость между перемещением наружной части поршня и поворотом колен-

245

чатого вала горя различных значениях давления масла в сис­ теме смазки двигателя. График показывает, что при прочих равных условиях работы, рост ри от 1 0 0 до 330% вызывает увеличение высоты подъема стакана вдвое. Вместе с тем происходит заметное расширение периода движения наруж­ ного стакана в сторону увеличения степени сжатия. Указан­ ное явление сильно способствует повышению степени сжатия двигателя выше оптимального и неизбежно приводит к по­ вышение /?zmax.

В заключение следует отметить, что теоретическое ис­ следование всех факторов с помощью чисто математической модели не представляется возможным и носит условный ха­ рактер. Окончательные выводы можно делать только после проведения ряда экспериментов, подтверждающих правиль­ ность использованных математических соотношений. Одна­ ко проведенные расчеты позволяют выявить основные сторо­ ны в поведении ПАРСС при изменении того .или иного фак­ тора и дают возможность конструировать поршни автомати­ чески регулирующие степень сжатия в первом приближении.

§3. Установка для исследования гидравлической системы поршня, автоматически регулирующего степень сжатия

Создание поршня для выюакофорсираваініного дизеля, является весьма сложной задачей, требующей затраты боль­ шого 'количества времени, потребного на отработку кон­ струкции поршня, и выбора материала, выдерживающего высокие механические и тепловые нагрузки. В данном случае это усложняется и тем, что поршень, автоматически регули­ рующий степень сжатия должен иметь гидравлическую сис­ тему, четко работающую на заданном режиме и удовлетво­ ряющую всем требованиям, которые предъявляются к ней для получения оптимальной степени сжатия .в зависимости от нагрузки.

Таким образом, при ооздании поршня для форсирован­ ного дизеля приходится одновременно решать несколько за­ дач, с одной стороны, касающихся прочности и тепловой стойкости поршня, а с другой, правильного подбора гидрав­ лической системы, от работы которой зависит прочность не только самого поршня, но и всего двигателя. С целью экоцо-

246

мии .материала и затрат .на изготовление поршней, а также времени на доводку целесообразно часть работы переносить на безмоторные установки, имитирующие реальные условия двигателя. Одним из таких решений может быть создание установки для исследования и доводки только гидравличес­ кой системы поршня автоматически регулирующего степень сжатая. Основной принцип при создании такой установки за­ ключается в воспроизведении всех сил, действующих на под­ вижной стакан поршня в реальном двигателе, и возможности перемещения стакана в зависимости от этих сил. Кроме то­ го, необходимым .является соблюдение масштабного факто­ ра, т. е. геометрические размеры подвижного стакана и де­ талей гидравлической оистемы были бы такими же, как на

поршня и отработки его элементов в условиях близких к ус­ ловиям работы на двигателе в Институте механики машин АН ГССР была создана установка, в которой использовался одноцилиндровый двигатель.

Взамен головки был изготвлен целый узел, в котором размещался поршень. В этом случае силы от давления га­ зов, действующие на подвижной стакан, имитировались воз­ духом, который сжимался ів двигателе при прокрутке его от балансирной электрической машины. Для получения требуе­ мых высоких давлений сжатия использовался поршневой компрессор с автономным приводом Воздух из компрессора подавался под давлением во впускной коллектор двигателя. Регулирование давления воздуха осуществлялось с помощью кранов, установленных в магистрали на входе и выходе дви­ гателя. Поскольку в данном случае подвижной стакан порш­ ня не совершает возвратно-поступательного движения, зада­ ваемого кривошипно-шатунным механизмом в реальном двигателе, то для имитации действующих сил инерции ис­ пользовался масляный насос с золотниковым распределите­ лем, осуществляющим подачу масла под давлением в каме­ ру над подвижным стаканом, сдвинутую по фазе соглаоно (кинематике кривошипно-шатунного механизма. Внутренние силы, действующие н.а подвижной стакан поршня от давле­ ния масла, воспроизводились полностью как на двигателе.

247

Принципиальная схема установки для исследования ги­ дравлической системы поршня с автоматически регулируе­ мой 'степенью сжатия представлена на риіс. 119. Коленчатый

і \ л

Рис. 119. Схема установки для исследования гидравлической системы поршня.

218

вал, .приводящийся во вращение балансирной. машиной, дви­ жет поршень 3, который последовательио .производит впуск, сжатие, расширение и выхлоп воздуха в циліиндре 1. Каме­ ра над поршнем Сі посредством канала Сг сообщена с ка­ мерой Сз и образует камеру сжатия I, объем которой опре­ деляется суммой объемов Сі, Сг и С3. Впускной коллектор 6 с помощью турбопровода соединяется с ресивером порш­ невого компрессора.

Во врем« такта сжатия воздух сжимается в камере I и давит на днище регулирующего поршня 2 1 , который имеет возможность перемещения вдоль оси цилиндра 25 относи­ тельно неподвижного поршня 2 2 . При изменении положения поршня 21 происходит изменение объема камеры сжатия I. Одновременно меняются объемы и других камер, образую­ щихся между торцевыми поверхностями деталей механизма регулирования степени сжатия — камер II, III и IV. При перемещении поршня 2 1 вверх, объемы камер Іи III увели­ чиваются, а камер II іи IV — уменьшаются.

Камера IV служит для воспроизведения инерционных нагрузок на поршень. Она, трубопроводами 2 и 27„ соедине­ на с лопастным насосом ЛН и с золотником РЗ, управление которыми осуществляет кулачок 29, приводящийся в движе­ ние от коленчатого вала установки, с передаточным отноше­ нием 2:1. При крайнем положении плунжера золотника, мас­ ло от насоса по трубопроводу 2 поступает в камеру IV, а по каналу 32 сливается в масляной бак МБь При перемеще­ нии плунжера вверх золотник перекрывает линию слива и одновременно открывает путь маслу от .насоса в камеру IV по трубопроводу 33. Давление масла в камере IV возраста­ ет, и поршень начинает подвергаться действию силы, ими­ тирующей инерционную нагрузку. После опускания плунже­ ра золотника в нижнее положение камера IV оказывается соединенной с линией слива, и нагрузка с поршня снимается.

Момент начала подъема золотника регулируется пово­ ротом соединительной муфты привода кулачка, а продолжи— гелыность подъема — подбором формы кулачка и верти­ кальным положением корпуса золотника относительно при­ водного валика. При применении двух золотников, отстаю­ щих друг от друга по фазе 180°,. за один полный цикл пор-

249-