Кинематика, динамика и конструирование привода двигателя внутреннего сгорания

    Рассматриваемые двигатели успешно используются на автомобилях  тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях  и  т.д., т.е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью к потребителю.

    Сравнительно невысокая начальная стоимость, компактность и  малая  масса ДВС позволили  широко  использовать  их  на  силовых  установках,  находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения.

Установки с ДВС обладают большой  автономностью.  Даже  самолеты  с  ДВС могут летать десятки часов без  пополнения  горючего.  Важным  положительным качеством ДВС является возможность их быстрого  пуска  в  обычных  условиях. Двигатели,  работающие  при  низких  температурах,  снабжаются  специальными устройствами  для  облегчения  и  ускорения  пуска.  После  пуска  двигатели сравнительно  быстро  могут  принимать   полную   нагрузку.   ДВС   обладают значительным тормозным моментом, что очень важно  при  использовании  их  на транспортных установках.

Положительным качеством дизелей является  способность  одного  двигателя работать  на  многих  топливах.  Так  известны   конструкции   автомобильных многотопливных двигателей, а  также  судовых  двигателей  большой  мощности, которые работают  на  различных  топливах  –  от  дизельного  до  котельного мазута.  Но  наряду  с  положительными   качествами   ДВС   обладают   рядом недостатков. Среди них ограниченное по  сравнению,  например  с  паровыми  и газовыми турбинами агрегатная мощность. Высокий уровень  шума,  относительно большая  частота  вращения  коленчатого  вала  при  пуске  и   невозможность непосредственного  соединения   его   с   ведущими   колесами   потребителя,

Токсичность  выхлопных  газов,  возвратно-поступательное  движение   поршня, ограничивающие  частоту  вращения  и  являющиеся   причиной   появлений   не уравновешенных сил  инерции  и  моментов  от  них.  Но  невозможно  было  бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если  бы не  эффект  теплового  расширения.  Ведь  в  процессе  теплового  расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную  работу.  Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре  двигателя  внутреннего  сгорания,  резко повышается  давление,  под  воздействием  которого  происходит   перемещение поршня в цилиндре. А это-то и есть та самая нужная технологическая  функция, т.е. силовое  воздействие,  создание  больших  давлений,  которую  выполняет тепловое расширение, и  ради  которой  это  явление  применяют  в  различных технологиях и в частности  в  ДВС. 

Классификация ДВС

Как было выше сказано, в качестве энергетических  установок  автомобилей наибольшее распространение поучили ДВС, в которых процесс  сгорания  топлива с выделением теплоты и превращением  ее  в  механическую  работу  происходит непосредственно  в  цилиндрах.  Но  в  большинстве  современных  автомобилей установлены двигатели  внутреннего  сгорания,  которые  классифицируются  по различным признакам: По  способу  смесеобразования  -  двигатели  с  внешним смесеобразованием, у которых  горючая  смесь  приготовляется  вне  цилиндров (карбюраторные  и  газовые),  и  двигатели  с  внутренним  смесеобразованием (рабочая  смесь   образуется   внутри   цилиндров)   -дизели;   По   способу осуществления рабочего  цикла  -  четырехтактные  и  двухтактные;  По  числу цилиндров  -  одноцилиндровые,  двухцилиндровые   и   многоцилиндровые;   По расположению  цилиндров   -   двигатели   с   вертикальным   или   наклонным расположением цилиндров в один ряд,  V-образные  с  расположением  цилиндров под углом (при расположении цилиндров под  углом  180  двигатель  называется двигателем  с  противолежащими  цилиндрами,  или  оппозитным);  По   способу охлаждения - на двигатели с жидкостным или воздушным  охлаждением;  По  виду применяемого топлива - бензиновые, дизельные, газовые и  многотопливные; По степени сжатия. В зависимости от степени сжатия различают    двигатели высокого (E=12...18) и низкого  (E=4...9)  сжатия.

По  способу наполнения цилиндра свежим  зарядом: а)  двигатели  без  наддува,  у  которых впуск  воздуха  или  горючей  смеси  осуществляется  за  счет  разряжения  в цилиндре при всасывающем ходе  поршня;)  двигатели  с  наддувом,  у  которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под  давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и  получения  повышенной мощности двигателя; По  частоте  вращения:  тихоходные,  повышенной  частоты вращения, быстроходные  ;По  назначению  различают  двигатели  стационарные, авто тракторные ,судовые, тепловозные, авиационные и др.

  В последнее время все большее применение получают поршневые двигатели  с принудительным наполнением  цилиндра  воздухом  повышенного  давления,  т.е. двигатели с  наддувом.  И  перспективы  двигателестроения  связаны,  на  мой взгляд, с двигателями данного  типа,  т.к.  здесь  имеется  огромный  резерв неиспользованных конструкторских возможностей, и есть    над чем подумать, а во-вторых, считаю, что большие перспективы в  будущем именно у этих двигателей. Ведь наддув  позволяет  увеличить  заряд  цилиндра воздухом и,  следовательно,  количество  сжимаемого  топлива,  а  тем  самым повысить мощность двигателя.

Для привода  нагнетателя  в  современных  двигателях  обычно  используют энергию отработавших газов. В этом  случае  отработавшие  в  цилиндре  газы, которые имеют в  выпускном  коллекторе  повышенное  давление,  направляют  в газовую турбину, приводящую во вращение компрессор.

    Согласно  схеме  газотурбинного  наддува  четырехтактного  двигателя  ,отработавшие газы из цилиндров двигателя поступают в газовую турбину,  после которой отводятся  в атмосферу. Центробежный компрессор, вращаемый  турбиной, засасывает воздух из атмосферы и нагнетает его под  давлением  0.130...0.250 МПа в цилиндры. Помимо использования энергии  выхлопных  газов  достоинством такой  системы  наддува  перед  приводом  компрессора  от  коленчатого  вала является саморегулирование, заключающееся в том, что с увеличением  мощности двигателя соответственно  возрастают  давление  и  температура  отработавших газов,  а  следовательно  мощность  турбокомпрессора.  При  этом  возрастают давление и количество подаваемого им воздуха.

    В двухтактных двигателях  турбокомпрессор  должен  иметь  более  высокую мощность, чем в четырехтактных, т.к. при продувке часть воздуха  проходит  в выпускные окна, транзитный воздух не используется  для  зарядки  цилиндра  и понижает  температуру  выпускных  газов.  Вследствие  этого   на   частичных нагрузках  энергии   отработавших   газов   оказывается   недостаточно   для газотурбинного привода компрессора. Кроме того,  при  газотурбинном  наддуве невозможен запуск дизеля. Учитывая  это,  в  двухтактных  двигателях  обычно применяют   комбинированную   систему   наддува   с   последовательной   или параллельной  установкой  компрессора  с  газотурбинным   и   компрессор   с механическим приводом.

    При наиболее распространенной  последовательной  схеме  комбинированного наддува компрессор с  газотурбинным  приводом  производит  только  частичное сжатие  воздуха,  после  чего  он  дожимается  компрессором,  приводимым  во вращение от вала двигателя. Благодаря применению наддува возможно  повышение мощности по сравнению с мощностью двигателя без наддува от  40 %  до  100 %  и более.

    На мой взгляд,  основным  направлением  развития  современных  поршневых двигателей  с  воспламенением  от   сжатия   будет   являться   значительное форсирование их по мощности за счет применения высокого наддува в  сочетании с охлаждением воздуха после компрессора .

    В четырехтактных двигателях в результате применения давления наддува  до 3.1...3.2  МПа  в  сочетании  с  охлаждением   воздуха   после   компрессора достигается  среднее  эффективное  давление   Pe=18.2...20.2   МПа.   Привод компрессора в этих двигателях газотурбинный. Мощность    турбины  достигает  30 %  от  мощности   двигателя,   поэтому   повышаются требования к КПД  турбины  и  компрессора.  Неотъемлемым  элементом  системы наддува этих двигателей должен являться охладитель воздуха,  установленный после компрессора. Охлаждение воздуха производится  водой,  циркулирующей  с помощью индивидуального водяного насоса по контуру: воздухоохладитель - радиатор  для  охлаждения  воды  атмосферным воздухом.

   Перспективным направлением развития поршневых двигателей  внутреннего сгорания является более полное использование энергии  выпускных  газов  в турбине,  обеспечивающей  мощность  компрессора,   нужную   для   достижения заданного давления наддува. Избыточная мощность в этом случае передается  на коленчатый  вал  дизеля.  Реализация  такой  схемы  наиболее  возможна   для четырехтактных двигателей.

    1 КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА

1.1 Структурный анализ рычажного механизма

Механизм пресса представляет собой последовательное соединение кривошипа с двумя кривошипно-ползунными механизмами. Плоскости движения ползунов расположены под углом в 90о. В механизме ДВС два рабочих хода. Структурная схема механизма представлена на рисунке 4.

0 - стойка;

1 - кривошип;

2 - шатун;

3 - ползун;

4 - шатун;

5- ползун;

Рисунок 4- Структурная схема механизма ДВС

Основные размеры:

            lAB[M] – 0.30;

            lBC[M] – 1.60;

               lСD[M] = lBD[M] – 1.30;

               lDE[M] –1.70;

  Для определения степени подвижности механизма составим таблицу кинематических пар, используя схему механизма, представленную на рисунке 4.

Таблица 1 – Кинематические пары механизма ДВС

Число степеней свободы механизма определяется по формуле Чебышева:

W = 3 * n – 2 * p5 – p4 = 3 * 5 – 2 * 7 – 0 = 1,                                              (1)

где       n – количество подвижных звеньев механизма,

              p5 – количество кинематических пар пятого класса,

              p4 – количество кинематических пар четвёртого класса.

Получили механизм первого класса, первого порядка, то есть механизм приводится в действие одним двигателем. Так как механизм начинается простейшим двухзвенником со степенью свободы W=1, то механизм в целом, имея один двигатель, должен быть образован присоединением некоторого числа групп Ассура со степенью свободы W=0. Убедимся в этом, разбив его на группы Ассура (рисунок 5)

Рисунок 5 – Группы Ассура

  Таким образом, получим формулу строения механизма:

          I,1(0-1)                II,2(2-3)          II,2(4-5),

          Весь механизм 2 класса , 2 порядка.

Анализ проводится, начиная со входного звена, в порядке присоединения групп Асура до выходного звена.

1.2 Кинематический анализ

1.2.1 Определение функций положений и построение планов механизмов

         Планом положений называют графическое изображение механизмов, соответствующее конкретному значению обобщенной координаты механизма.

Для построения плана положений вычислим масштабный коэффициент- отношение действительной физической величины к длине отрезка на чертеже в мм, в котором она показана. Масштабный коэффициент плана положений обозначается

,                                                                                                         (2)

где  D-натуральная величина звена в метрах;

        0-величина звена в масштабе на плане положений. 

        µl=0,01 м/мм

                                                                                                                                (3)

                                                                                                                     (4)