СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F02B75/06 F02D35/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в двигателестроении.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения режима работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что определяют скорость и ускорение поршня и строят индикаторную диаграмму силы, действующей на поршень, в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг его оси вращения или снимают тепловые характеристики работы двигателя внутреннего сгорания и на основании теплового расчета строят указанную выше индикаторную диаграмму и затем определяют силы инерции возвратно-поступательного движения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от ускорения или замедления поршня (см. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа. - 1980. - С.124-195).

При этом известно, что основными нагрузками, действующими на детали двигателя внутреннего сгорания и участвующими в расчетах их основных деталей, уравновешивания и крутильных колебаний, являются силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, центробежные силы, давление на поршень со стороны картера, приблизительно равное атмосферному давлению, и силы тяжести, которые обычно в динамическом расчете не учитываются.

Все действующие в двигателе силы воспринимаются полезным сопротивлением на коленчатом валу, силами трения и опорами двигателя.

Суммарные силы Р_∑, действующие в кривошипно-шатунном механизме, определяют алгебраическим сложением сил давления газов Р_г и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс P_j

Р_∑=Р_г+P_j.

Суммарная сила Р_∑, как и силы Р_г и P_j, направлена по оси цилиндра и приложена к оси поршневого пальца. Воздействие от силы Р_∑ передается на стенки цилиндра перпендикулярно его оси и на шатун по направлению его оси.

Недостатком этого способа определения суммарной силы Р_∑ является то, что этот способ правомерен для условия, когда индикаторный крутящий момент двигателя М_кр в каждый момент времени уравновешивается суммарным моментом сопротивления М_сопр и моментом сил инерции J₀ всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала

М_кр=М_сопр+J₀·ε

При установившемся режиме работы двигателя, когда суммарный момент сопротивления М_сопр равен среднему индикаторному суммарному моменту двигателя М_кр.ср., т.е. М_сопр=М_кр.ср., J₀·ε=0, ε=0 и все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью ω, средние суммарные силы Р'_∑ являются уже результатом действия средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и находятся в функциональной зависимости только от угла поворота коленчатого вала α.

Задачей предлагаемого способа является повышение КПД двигателя и его моторесурса путем повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания.

Указанная задача решается за счет того, что в способе повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания вначале строят индикаторную диаграмму силы, действующей на поршень, в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг его оси вращения или снимают тепловые характеристики работы двигателя внутреннего сгорания и на основании теплового расчета строят указанную выше индикаторную диаграмму, а затем определяют силы инерции возвратно-поступательного движения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от ускорения или замедления поршня, при этом измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменение величины давления на поршень продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг оси вращения последнего, с учетом измеренных величин давления и определенных величин сил инерции возвратно-поступательного перемещения движущихся масс поршня и кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания в направлении по оси цилиндра внутреннего сгорания с построением индикаторной диаграммы, для каждого полуоборота коленчатого вала определяют среднюю суммарную тангенциальную силу (Т_ср), действующую на кривошип, в зависимости от крутящего момента (М_кр.ср.) на коленчатом валу:

Т_ср=М_кр.ср./R,

где R - радиус кривошипа коленчатого вала, после чего определяют средние суммарные силы вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма (Р'_∑) в зависимости от угла поворота коленчатого вала:

P'_∑=T_cp/sin(α+β)/cosβ,

для установившегося режима двигателя, когда суммарный момент сопротивления М_сопр равен среднему индикаторному суммарному моменту двигателя М_кр.ср., т.е. М_сопр=М_кр.ср., а J₀·ε=0, ε=0, где J₀ - момент сил инерции всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала, ε - угловое ускорение вращающегося коленчатого вала и все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью со, для чего на коленчатом валу устанавливают маховик, при этом размер маховика определяют из условия, что создаваемый им суммарный крутящий момент сопротивления вращению коленчатого вала равен суммарному крутящему моменту от ускорения вращения коленчатого вала под действием суммарной силы инерции, определяемой как разница между средней суммарной силой P'_∑ для средней суммарной тангенциальной силой Т_ср и суммарной силой давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени (угла поворота коленчатого вала) по действительной индикаторной диаграмме, снятой с двигателя или по индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета (обычно для номинальной мощности и соответствующей ей частоты вращения коленчатого вала).

Определяя в любой момент времени давление газов Р_г и учитывая давление на поршень со стороны картера Р₀ (приблизительно равное атмосферному давлению), рассчитывают силу давления газов на поршень как Р=Р_г-P₀.

Согласно индикаторной диаграмме двигателя под действием различных по значению сил давления газов происходит ускорение или замедление возвратно-поступательно движущихся масс.

При ускорении или замедлении поршневой группы и верхней головки шатуна начинает ускоренно или замедленно вращаться коленчатый вал двигателя. В этом случае должна преодолеваться не только инерция возвратно-поступательно движущихся масс, но и инерция вращающихся масс.

Между элементарным поступательным перемещением поршня на величину ds и элементарным утлом поворота dα коленчатого вала с радиусом кривошипа R существует простое соотношение ds=R·dα

Если перемещение ds происходит за промежуток времени dt, то отношение между скоростью поступательного движения поршня V=ds/dt и угловой скоростью коленчатого вала ω=dα/dt запишется в виде V=R·ω.

Если же за время dt произошло изменение скорости поступательного движения поршня на величину dv, а угловой скорости вращения коленчатого вала на величину dω, то соотношение между ускорением поступательного движения поршня j=dv/dt и угловым ускорением коленчатого вала ε=dω/dt выразится как j=R·ε

Таким образом, при ускорении поступательного движения поршня коленчатый вал приобретает угловое ускорение, равное ε=j/R

Для создания углового ускорения ε вращающегося коленчатого вала, имеющего момент сил инерции J₀ всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала, требуется приложение крутящего момента М=j·J₀/R

При ускорении поршня под действием газовых сил крутящий момент М рассматривается как M=j·J₀/R

Для создания такого крутящего момента к окружности радиуса кривошипа коленчатого вала должна быть приложена сила P_jк=M/R=j·J₀/R².

Индикаторный крутящий момент двигателя М_кр в каждый момент времени уравновешивается суммарным моментом сопротивления М_сопр и моментом сил инерции J₀ всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала. Эта взаимосвязь выражается уравнением М_кр=М_сопр+ε·J₀

При установившемся режиме работы двигателя все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении со средним индикаторным суммарным крутящим моментом М_кр.ср при среднем значении суммарной тангенциальной силы Т_ср, преодолевая силы инерции с ускорением или замедлением возвратно-поступательного перемещения движущихся масс под действием сил давления газов M_сопр=М_кр.ср, при этом ε·J₀=0. Для выполнения условия М=ε·J₀=0 в двигатель вводится маховик, основное назначение которого - обеспечение равномерности вращения коленчатого вала и создание необходимых условий для трогания машины с места.

Таким образом, достигнуто вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью ω=const.

Расчеты четырехцилиндрового дизельного двигателя с воздушным охлаждением Д145Т показали, что характер изменения средней суммарной силы P'_∑ со знаком плюс или минус одинаков для всех цилиндров и полуоборотов коленчатого вала двигателя.

При этом средняя суммарная сила P'_∑ со знаком плюс в каждом цилиндре в начале такта - рабочий ход больше по величине суммарной силы P_∑ в 3,5...4,5 раза.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя и его моторесурс путем повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания. Способ повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменение величины давления на поршень продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг оси вращения последнего с учетом измеренных величин давления и определенных величин сил инерции возвратно-поступательного перемещения движущихся масс поршня и кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания в направлении по оси цилиндра двигателя внутреннего сгорания с построением индикаторной диаграммы, после чего для каждого полуоборота коленчатого вала определяют среднюю суммарную тангенциальную силу, действующую на кривошип в зависимости от крутящего момента на коленчатом валу. После чего определяют средние суммарные силы вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью, для чего на коленчатом валу устанавливают маховик. Размер маховика определяют из условия, что создаваемый им суммарный крутящий момент сопротивления вращению коленчатого вала равен суммарному крутящему моменту от ускорения вращения коленчатого вала под действием суммарной силы инерции, определяемой как разница между средней суммарной силой для средней суммарной тангенциальной силой и суммарной силой давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Способ повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что строят индикаторную диаграмму силы, действующей на поршень, в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг его оси вращения или снимают тепловые характеристики работы двигателя внутреннего сгорания и на основании теплового расчета строят указанную выше индикаторную диаграмму, а затем определяют силы инерции возвратно-поступательного движения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от ускорения или замедления поршня, отличающийся тем, что измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменение величины давления на поршень продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота шейки коленчатого вала вокруг оси вращения последнего с учетом измеренных величин давления и определенных величин сил инерции возвратно-поступательного перемещения движущихся масс поршня и кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания в направлении по оси цилиндра двигателя внутреннего сгорания с построением индикаторной диаграммы, после чего для каждого полуоборота коленчатого вала определяют среднюю суммарную тангенциальную силу (Т_ср), действующую на кривошип в зависимости от крутящего момента (М_кр.ср) на коленчатом валу:

Т_ср=М_кр.ср/R,

где R - радиус кривошипа коленчатого вала,

после чего определяют средние суммарные силы (P'_Σ) вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма в зависимости от угла поворота коленчатого вала:

P'_Σ=T_cp/sin(α+β)/cosβ,

для установившегося режима двигателя, когда суммарный момент сопротивления М_сопр равен среднему индикаторному суммарному моменту двигателя М_кр.ср, т.е. М_сопр=М_кр.ср, а J₀·ε=0 и ε=0, где J₀ - момент сил инерции всех движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала, а ε - угловое ускорение вращающегося коленчатого вала, и все шейки коленчатого вала вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью ω, для чего на коленчатом валу устанавливают маховик, при этом размер маховика определяют из условия, что создаваемый им суммарный крутящий момент сопротивления вращению коленчатого вала равен суммарному крутящему моменту от ускорения вращения коленчатого вала под действием суммарной силы инерции, определяемой как разница между средней суммарной силой P'_Σ для средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и суммарной силой давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала.