3. Влияние конструктивных соотношений кривошипно-шатунного механизма на параметры двигателя

Конструкция КШМ существенным образом влияет на характе­ристики двигателя, такие как степень его форсированности, габа­риты, масса, долговечность и т.д. рассмотрим влияние на параметры двигателя основных конструктивных соотношений в его КШМ: коэффициента λ = r/l_ш

и отношения К= S/D.

Анализ влияния отношения радиуса кривошипа r к длине шатуна l_ш на параметры двигателя проведем при неизменном рабочем объеме и диаметре цилиндра D. Уменьшение λ («длинный» ша­тун) повлечет рост массы m_ш и ее составляющих m_ш.п и m_ш.к . Это вызовет увеличение центробежной силы К_rш, что можно компенси­ровать противовесами на продолжении щек кривошипа. Влияние снижения λ на Р_j, противоречиво. С одной стороны, растет m_ш.п и связанная с нею масса m_j, что должно привести к увеличению Р_j. С другой стороны, из-за наличия λ в выражении, определяющем амплитуду силы инерции второго порядка Р_jII, возможно умень­шение этой силы. Уменьшение λ вызовет увеличение высоты и мас­сы двигателя, что связано с «удлинением» шатуна. Более длинный шатун приводит также к уменьшению угла β_mах боковой силы N. Меньшие N и λ обеспечивают при прочих равных условиях сниже­ние износа в подвижных сочленениях цилиндра и поршня.

У современных двигателей с искровым зажиганием шатуны, как правило, длиннее, чем у дизелей. Это связано с большей бы­строходностью первых и превалирующим влиянием для них Р_j второго порядка. В дизелях из-за более высоких максимальных га­зовых нагрузок поперечное сечение стержня шатуна больше, по­этому увеличение m_ш.п при удлинении шатуна оказывает на Р_j боль­шее влияние, чем уменьшение амплитуды Р_jII.

Износ цилиндра неравномерен — больше изнашивается та его сторона, к которой прижимается поршень при рабочем ходе, что связано с ростом сил Р_г и N, достигающих максимального значе­ния вблизи ВМТ в начале такта расширения.

При введении дезаксажа максимальный угол отклонения ша­туна β при рабочем ходе по абсолютному значению становится меньше, чем наибольшее отклонение при такте сжатия, что по­зволяет выровнять износ цилиндра по его периметру.

Необходимо отметить, что применение «коротких» шатунов в некоторых случаях может усложнять компоновку двигателя, так как из-за больших значений β_mах шатун может задевать нижнюю часть цилиндра или юбку поршня.

Отношение К хода поршня S к диаметру цилиндра D (К= S/D) при неизменном рабочем объеме двигателя V_h определяет сред­нюю скорость поршня с_п. Увеличить К можно уменьшением D при одновременном увеличении хода поршня S (длинноходные дви­гатели). Уменьшить К можно путем сокращения S (короткоходные двигатели) и увеличения D. Выбор оптимального для данной конструкции двигателя значения K в основном связан с получае­мой при этом средней скоростью поршня с_п = Sn/30. Она характе­ризует конструкцию двигателя с точки зрения ее динамической и тепловой напряженности, а также износа элементов двигателя (особенно его цилиндра и поршня).

Известно, что напряжения от инерционных нагрузок на элементы КШМ пропорциональны , а тепловая напряженность двигателя и линейный износ деталей цилиндровой и поршневой групп пропорциональны с_п.

Формальный анализ выражения, определяющего среднюю ско­рость поршня, показывает, что при неизменной частоте вращения коленчатого вала п можно снизить с_п и, следовательно, улучшить рассмотренные характеристики двигателя за счет уменьшения S.

Однако при этом необходимо считаться с ростом инерционных нагрузок на элементы КШМ, так как масса его деталей пропорцио­нальна D³, а снижение скорости поршня вследствие уменьшения его хода пропорционально D. При увеличении D растет площадь поршня и, следовательно, возрастают газовые нагрузки на КШМ.

Таким образом, уменьшение K неоднозначно влияет на долго­вечность двигателя. С одной стороны она увеличивается благодаря уменьшению с_п, а с другой — уменьшается из-за возрастания инерционных и газовых нагрузок на детали КШМ. Какой из при­веденных факторов окажет большее влияние, решают отдельно для каждого конкретного случая.

Уменьшение K приводит к увеличению габаритной длины дви­гателя и длины коленчатого вала. При этом также уменьшается высота камеры сгорания, что усложняет получение требуемой ее формы. Это может приводить к ухудшению условий протекания процессов смесеобразования и сгорания. У двигателей с искровым зажиганием возрастает также вероятность возникновения детона­ции. К положительным качествам короткоходных конструкций сле­дует отнести снижение теплоотдачи в стенки цилиндра, появление возможности увеличения проходных сечений горловин клапанов, обеспечение большего перекрытия шеек коленчатого вала, умень­шение поперечного сечения картера и массы двигателя.

В современных быстроходных двигателях с искровым зажига­нием наблюдается тенденция к использованию короткоходных конструкций с К = 0,9... 1,0, что позволяет получить дополни­тельный резерв увеличения K при неизменной с_п. В дизелях, обла­дающих меньшей быстроходностью, используют более длинно­ходные КШМ с К= 1,0... 1,2.