Меню Закрыть

Механизмы двс: Устройство современного двигателя внутреннего сгорания

Содержание

Что такое двигатель Найта? — ДРАЙВ

Шестицилиндровая двухдверка Willys-Knight Great Six 1930 года — один из самых массовых автомобилей, когда-либо использовавших двигатель Найта. Всего с 1914 по 1932 год включительно под маркой Willys-Knight были выпущены сотни тысяч автомобилей нескольких моделей с бесклапанными ДВС на 4, 6 и 8 цилиндров.

В 1903–1905 годах американский изобретатель Чарльз Найт построил и испытал экспериментальный четырёхтактный ДВС, в котором за газораспределение отвечали не клапаны, а концентрическая пара подвижных гильз, вложенных в рабочий цилиндр. Уже внутри этой пары гильз двигался рабочий поршень. Каждая гильза была снабжена крупными окнами с одного края.

При смещении гильзы вверх и вниз эти вырезы периодически совпадали с впускным или выпускным окном в боковой стенке цилиндра. В движение гильзы приводили кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный эксцентриковый вал, заменивший кулачковый.

Образец мотора с газораспределительным механизмом типа «Тихий Найт» или «Бесшумный механизм Найта» (Silent Knight), 1919 год.

На Чикагском автошоу 1906 года Найт и его деловой партнёр Лаймен Кильбурн представили автомобиль Silent Knight с четырёхцилиндровым 40-сильным бесклапанным мотором. В соответствии с названием, главным преимуществом новичка в сравнении с тогдашними самобеглыми колясками был несравненно более низкий уровень шума. Эта машина поначалу не слишком заинтересовала покупателей, но зато незамедлительно вызвала большой интерес в самой индустрии и в последующие годы породила целую волну подражаний по обе стороны Атлантики, волну, спавшую только после Второй мировой войны.

Шестицилиндровый ДВС Willys Knight 1928 года (слева) и его развитие — бесклапанный мотор родстера Willys Knight Great Six 1930 года (шесть цилиндров, объём 4180 см³, мощность 87 л. с.).

Разные вариации двигателей с гильзовым золотниковым распределением начали проектировать и строить не только в США, но и в Европе, в основном — в Великобритании и Франции. Такие моторы компании создавали по лицензии Найта и нередко при его же непосредственном участии (в конце первого десятилетия XX века изобретатель несколько лет проработал в Европе, а потом вернулся на родину).

Гильзовый газораспределительный механизм фирмы Argyll (конструкция Барта и Макколлума). Использовался в автомобилях Argyll в 1912–1914 годах. Позже он был перенят в авиадвигателестроении.

В разные годы моторами с гильзовым газораспределением оснащались легковушки марок Daimler, Willys, Mercedes, Peugeot, Voisin, Panhard-Levassor и ещё нескольких других. При этом идея Найта развивалась, а механизм совершенствовался. Так, в моторах шотландской компании Argyll применялся оригинальный вариант бесклапанного распределения с единственной подвижной гильзой, которая по мере прохождения рабочих тактов одновременно и сдвигалась вверх-вниз, и совершала неполный поворот вокруг продольной оси. Благодаря этому она одна могла отвечать и за впуск и за выпуск.

Во время Второй мировой войны двигатели с гильзовой системой газораспределения совершили экскурс в авиацию. Такие многоцилиндровые моторы (рядные и звездообразные) строили компании Napier (слева), Rolls-Royce и Bristol (справа). Они нашли применение на нескольких винтовых истребителях и бомбардировщиках 1940-х и начала 1950-х годов. Мощности этих ДВС достигали 3500 л.с., и это были самые могучие моторы, построенные по принципу, изобретённому Найтом. Но вскоре они ушли в историю.

Двигатели Найта обладали рядом преимуществ перед четырёхтактными ДВС с традиционными клапанами. У бесклапанных моторов были очень крупные окна для впуска и выпуска, что улучшало газообмен. Такие механизмы не боялись высоких оборотов коленвала, тогда как клапаны в аналогичной ситуации требовали всё более и более сильных пружин, что увеличивало потери на трение в приводе. Вместе все эти особенности позволяли получать на двигателях Найта высокие по тем временам мощности. Кроме того, в начале XX века, в 1920-х и даже в 1930-х годах газораспределительные механизмы Найта были во много раз долговечнее клапанных механизмов.

Французская компания Avions Voisin возникла в 1905 году, а исчезла в пятидесятых. С 1919 года и почти до самого своего конца фирма выпускала автомобили с двигателями Найта, такие как этот кабриолет Voisin C11. На разных моделях Вуазена применялись моторы Найта с четырьмя, шестью цилиндрами и даже 12 в ряд. А на прототипах были опробованы V-образные ДВС с восемью и 12 цилиндрами, а также «звезда» о семи цилиндрах. Лишь к самому концу своей истории (то есть после Второй мировой войны) компания перешла на обычные моторы.

Однако обычные газораспределительные системы быстро совершенствовались, а вот схема Найта так и не смогла избавиться от изначально присущих ей недостатков. Среди них: проблемы с обеспечением герметичности цилиндров, проблемы с приработкой внутренней гильзы и поршневых колец, проблемы с подводом смазки ко всем частям и собственно очень высокий расход масла. Эти слабые места вынудили двигатели Найта уйти с массовой сцены, хотя на протяжении всего XX века отдельные изобретатели продолжали попытки усовершенствовать такую схему. Но дальше выпуска всякой экзотики вроде крохотных моторчиков для авиамоделей дело не пошло.

Механизмы и системы обслуживающие двигатель внутреннего сгорания

Впуск в цилиндр четырехтактного дизеля воздуха и выпуск из него отработавших газов совершаются соответственно через впускной и выпускной клапаны с механическим управлением. Продолжительность открытия и закрытия клапанов регулируется с помощью распределительного вала и механизма газораспределения. Распределительный вал получает вращение от коленчатого вала двигателя через зубчатые шестерни или с помощью цепной передачи. У многих быстроходных дизелей распределительный вал установлен на уровне крышек цилиндров либо непосредственно под клапанами.

На рис. 63 показан этот вариант расположения распределительного вала. Вращение от коленчатого вала к распределительному передается вертикальным промежуточным валом 6 и шестернями 8, 7, 4 и 5. Открытие клапана осуществляется с помощью рычага 2, имеющего ось качания 1 и ролик 3, который при вращении распределительного вала перекатывается по поверхности закрепленной на нем кулачковой шайбы. При подъеме конца рычага с роликом другой его конец опускается и открывает клапан; закрытие клапана осуществляется пружиной, установленной на его штоке и сжимающейся при открытии клапана.


Рис. 63. Механизм газораспределителя быстроходного дизеля.

У многих двигателей средней и малой мощности передача вращения распределительному валу производится цилиндрическими шестернями (см. рис. 54): ведущей 17, установленной на коленчатом валу 16, паразитной 15 и ведомой 18 — на распределительном валу. Распределительный вал 13 с насаженными на него кулачками 14 установлен примерно на уровне средней части картера 2. Ввиду низкого расположения распределительного вала привод клапана осуществляется при помощи длинной штанги 7 и двуплечего рычага 5.

Впускные и выпускные клапаны механизма газораспределения работают в тяжелых условиях, поэтому материал для их изготовления должен обладать жаростойкостью, высокой прочностью, ударной вязкостью и износостойкостью.

Распределительный вал и кулачковые шайбы также являются ответственными деталями механизма распределения. В быстроходных двигателях распределительный вал изготовлен заодно с кулачками. В тихоходных двигателях шайбы изготовляют в виде отдельных деталей и закрепляют на распределительном валу с помощью шпонок или специальных зажимных приспособлений, позволяющих производить более точную установку каждой шайбы. Расположение кулачковых шайб на распределительном валу (угол их заклинивания), а также их профиль должны обеспечивать определенную последовательность работы клапанов, согласованную с продолжительностью тактов цикла в каждом цилиндре двигателя и с последовательностью работы цилиндров. Углы заклинивания кулачковых шайб согласовывают с расположением кривошипов коленчатого вала.

У реверсивных двигателей для привода каждого клапана имеются две кулачковые шайбы — переднего и заднего хода, так как при реверсе изменяется газораспределение. Кроме кулачковых шайб впускного и выпускного клапанов на распределительном валу закреплены шайбы топливных насосов высокого давления и детали распределителя пускового воздуха, а также различные шестерни.

В двухтактных двигателях конструкция органов газораспределения определяется системой продувки цилиндров.

Топливная система судовой дизельной установки включает: танки для хранения запасов топлива, расходные цистерны, топливоперекачивающие насосы для перекачки топлива из танков в расходные цистерны, комплекс топливоподготовки, топливо-подкачивающие насосы для подачи топлива к топливным насосам высокого давления, фильтры и форсунки.

В комплекс топливоподготовки входят сепараторы в комплекте с насосами и подогревателями, фильтры грубой и тонкой очистки топлива и отстойные цистерны.

Топливоподкачивающий насос предназначен для создания в трубопроводе избыточного давления, необходимого для преодоления сопротивления трубопровода и для обеспечения подпора топливным насосам высокого давления.

Топливный насос высокого давления (ТНВД) служит для подачи дозированного количества топлива высокого давления через форсунку в камеру сгорания рабочего цилиндра в момент, точно согласованный с положением поршня в цилиндре. При этом необходимо обеспечивать постоянное количество подаваемого топлива на данном режиме работы и определенную продолжительность подачи. Эти насосы бывают индивидуальными и многосекционными (блочными). Индивидуальный ТНВД обеспечивает работу только одного цилиндра, а блочный — работу всех цилиндров дизеля. Такой насос помимо общих требований, предъявляемых к ТНВД, должен обеспечивать также определенную очередность впрыска топлива в цилиндры дизеля.

По способу дозирования топлива и по другим признакам различают топливные насосы плунжерного, золотникового и клапанного типов, с газовыми толкателями и др. Наибольшее применение для судовых двигателей получили топливные насосы плунжерного и золотникового типов.

На рис. 64 показан топливный насос плунжерного типа. Корпус 6 насоса установлен на кронштейне блока цилиндров. Плунжер 1 насоса, расположенный во втулке 4, перемещается под действием толкателя 17 при набегании ролика 18 на выступ кулачковой шайбы. Пружина 2 обеспечивает плавное перемещение плунжера 1 вниз, упираясь в торец стопорной гайки 3, которая закрепляет втулку 4. В корпусе насоса, в нижней части штуцера 7 расположен нагнетательный клапан 5, перпендикулярно к которому слева установлен предохранительный клапан. Всасывающий клапан 10 расположен вертикально, справа от нагнетательного. Контргайка 8 закрывает отверстие в месте установки всасывающего клапана.


Рис. 64. Топливный насос высокого давления.

Топливо, поступая через штуцер 9, заполняет рабочую полость насоса при открытом всасывающем клапане, который работает с помощью штока 12, расположенного во втулке 11 и упирающегося в толкатель 14 штока клапана. На эксцентрик 15, установленный на конце отсечного валика (на рисунке не виден), опирается двуплечий рычаг 16, левый конец которого шарнирно соединен с толкателем 17 плунжера, а правый упирается в толкатель 14 штока клапана.

Продолжительность хода плунжера 1 от момента закрытия всасывающего клапана до момента достижения ВМТ определяет количество топлива, подаваемого в цилиндр двигателя за каждый рабочий цикл. Эта продолжительность зависит от зазора между хвостовиком всасывающего клапана и штоком 12. Для изменения зазора, а вместе с этим и количества подаваемого топлива в зависимости от изменения нагрузки, приложенной к дизелю, поворачивают отсечной валик, а вместе с ним эксцентрик 15, и тем самым поднимают или опускают правый конец рычага 16. Индивидуальное регулирование зазора в каждом насосе с целью равномерного распределения топлива по цилиндрам достигается поворотом болта 13, головка которого упирается в тарелку штока 12. Кулачковая шайба симметричного профиля, от которой получает движение толкатель 17, обеспечивает работу двигателя как на передний, так и на задний ход. Применение всасывающего клапана 10 в качестве перепускного упрощает конструкцию насоса и повышает надежность его работы.

Форсунка служит для распыливания топлива, поступающего от ТНВД, в камере сгорания дизеля. В настоящее время применяются исключительно форсунки закрытого типа, т. е. такие, у которых сопловые отверстия открываются лишь на период впрыска топлива. Запорным органом в них служит игла форсунки, управление которой осуществляется автоматически — давлением самого топлива.

На рис. 65, а показан общий вид закрытой форсунки. Корпус 8 форсунки вставлен в центральное отверстие крышки цилиндра и закреплен шпильками. Топливо нагнетается в форсунку через штуцер, ввертываемый в отверстие корпуса в направлении, указанном на рисунке стрелкой. По каналу 7 в корпусе топливо направляется в иглодержатель 3 иглы 2. Съемный распылитель 1, имеющий от семи до девяти сопловых отверстий диаметром 0,15—0,3 мм, закреплен гайкой 5.

Существуют различные конструкции распылителей форсунок; наиболее распространенная показана на рис. 65, б.


Рис. 65. Устройство закрытой форсунки.

Давление топлива, при котором происходит подъем иглы 2, регулируется пружиной 12, установленной в колпачке 9 с гайкой 11 и пробкой 10. Игла перемещается в отверстиях иглодержателя 3 и плотно прилегает к его стенкам (зазор составляет 1,5—2 мкм). Такой характер сопряжения достигается притиркой. Наибольший подъем (ход) иглы составляет 0,4—0,6 мм. У данной форсунки он ограничен втулкой 4, запрессованной в корпусе форсунки. Возврат иглы на место происходит под давлением пружины через штангу 6. Прокачивание форсунки топливом с целью удаления из нее воздуха производят по каналу 15, закрытому болтом 13 с шариковым клапаном 14 на конце.

Для повышения надежности работы форсунок на дизелях с диаметром цилиндра свыше 400 мм рекомендуется применять форсунки с охлаждением. Обычно отвод теплоты от форсунок производят тем же топливом, которое поступает для работы дизеля.

В последнее время на некоторых дизелях стали применять форсунки с гидравлически запираемой иглой, менее чувствительные к качеству топлива. У этих форсунок игла прижимается к седлу распылителя давлением жидкости — гидросмеси. В качестве гидросмеси применяют смесь смазочного масла с топливом. В такой форсунке отсутствуют пружина, штанга и детали регулировки пружины, что существенно упрощает конструкцию и повышает надежность эксплуатации.

Фильтры входят в состав топливной системы. Между расходным топливным баком и топливоподкачивающим насосом обычно устанавливают сетчатый фильтр грубой очистки, а между топливоподкачивающим насосом и ТНВД — фильтры тонкой очистки низкого давления. Механические включения и продукты окисления топлива удаляют из корпуса фильтра периодической его очисткой или через кран в нижней части корпуса. Фильтрующим материалом в фильтрах низкого Давления является войлок в виде тонких и толстых пластин, надетых на сетчатый каркас, либо специальные фильтровальные ткани и материалы. Фильтр тонкой очистки высокого давления устанавливают перед форсункой или непосредственно в ее корпусе; он служит для предохранения сопловых отверстий форсунки от засорения. Здесь фильтрующим элементом является прошлифованный цилиндрический стержень с продольными каналами либо вставка цилиндрической или конической формы, полученная путем спекания большого количества латунных шариков диаметром 0,25 мм.

Система смазки состоит из циркуляционных масляных насосов, фильтров грубой и тонкой очистки, емкостей для масла, масляного холодильника и связывающих все эти элементы трубопроводов. Назначение системы смазки изложено в гл. X.

Система охлаждения предназначена для подачи охлаждающей жидкости к наиболее нагретым деталям и узлам двигателя, а также для охлаждения масла и наддувочного или продувочного воздуха в соответствующих холодильниках. В качестве охлаждающих жидкостей используют пресную и забортную воду и только для охлаждения головок поршней дизелей большой мощности — масло.

Водяная система охлаждения может быть проточной (одноконтурной) и замкнутой (двухконтурной). При проточной системе через полости охлаждения двигателя прокачивается забортная вода, поступающая через кингстон. Охладив цилиндры, крышки цилиндров, выпускной коллектор и смазочное масло, эта вода сливается за борт. При замкнутой системе охлаждение двигателя осуществляется пресной, а в ряде случаев и дистиллированной водой, циркулирующей по замкнутому кругу (внутренний контур). В свою очередь охлаждение пресной воды производится забортной водой в специальном холодильнике (внешний контур). В настоящее время для большинства дизелей применяются замкнутые системы охлаждения.

Двигатели с изменяемой степенью сжатия: от Saab до Infiniti

Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Разбираемся, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.

В качестве вступления напомним, что степенью сжатия называют отношение объема над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней.

Компоненты / Новости

Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23.

Степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.

Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.

При малых нагрузках, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально.

Это позволяет не регулировать «назад» угол опережения зажигания, который остается в наиболее эффективной позиции для снятия мощности. Теоретически система изменения степени сжатия в ДВС позволяет до двух раз уменьшить рабочий объем мотора при сохранении тяговых и динамических характеристик.

Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней

Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем. Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.

Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня

Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия. Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.

Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.

Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров

Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании — опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.

Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло

На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.

Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора. Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.

Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а - поршень, b - шатун, с - траверса, d - коленвал, е - электродвигатель, f - промежуточный вал, g - тяга. 

За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.

Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности. Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.

Каков итог?

Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.

Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.

Основные механизмы и системы двс. Их назначение — Студопедия

Двигатели внутреннего сгорания, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также следующих пяти систем:

— системы питания;

— системы зажигания;

— системы охлаждения;

— системы смазки;

— системы выпуска отработавших газов.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.

Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания. Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма. Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.


Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм.

Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами и, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня. Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение — нижняя мертвая точка (НМТ). Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом.

Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S = 2R. 2 * S)/4 * i, где i — число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E = (Vc + Vh)Vc = Va/Vc = Vh/Vc + 1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность.

Страница не найдена |

Страница не найдена |

404. Страница не найдена

Архив за месяц

ПнВтСрЧтПтСбВс

13141516171819

20212223242526

27282930   

       

       

       

     12

       

     12

       

      1

3031     

     12

       

15161718192021

       

25262728293031

       

    123

45678910

       

     12

17181920212223

31      

2728293031  

       

      1

       

   1234

567891011

       

     12

       

891011121314

       

11121314151617

       

28293031   

       

   1234

       

     12

       

  12345

6789101112

       

567891011

12131415161718

19202122232425

       

3456789

17181920212223

24252627282930

       

  12345

13141516171819

20212223242526

2728293031  

       

15161718192021

22232425262728

2930     

       

Архивы

Метки

Настройки
для слабовидящих

Конструкция основных узлов дизельных двигателей

Современный дизельный двигатель представляет собой сложный агрегат, состоящий из ряда отдельных механизмов, систем и устройств. Конструкция дизельного двигателя зависит от его назначения, мощности, области применения и т.д. В любом двигателе можно выделить следующие основные узлы: остов, кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения и продувочные и наддувочные устройства (рис. 23).

Остов двигателя поддерживает и направляет движущиеся детали, воспринимает все усилия при работе двигателя; представляет собой совокупность неподвижных деталей двигателя – фундаментной рамы, картера, цилиндров, крышек цилиндров, анкерных связей, шпилек и болтов, стягивающих эти детали.

Фундаментная рама является основанием остова, предназначена для укладки коленчатого вала и служит емкостью для сбора масла, вытекающего из узлов смазывания двигателя. Рама нагружена массой двигателя, силами давления газов, силами инерции поступательного движения и вращающихся масс; Если двигатель оборудован навешенными механизмами (водяными, масляными, топливоподкачивающими насосами), то они монтируются на переднем конце рамы; Рамовые подшипники являются опорой для шеек коленчатого вала;

Картер служит для соединения цилиндров с фундаментной рамой, образует закрытое пространство для размещения кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Детали картера подвергаются растяжению от действия максимальной силы давления газов и сжатию усилием предварительной затяжки, а также изгибающим усилиям в крейцкопфных двигателях;

Рабочие цилиндры – это часть двигателя, где осуществляется рабочий цикл. Цилиндр состоит из рубашки и вставной втулки. Во втулке движется поршень и протекают рабочие процессы. Рубашка является опорой для втулки и образует полости для ее охлаждения. Цилиндры устанавливают на верхнюю обработанную плоскость станины или картера и закрепляют шпильками или анкерными связями.

Крышка рабочего цилиндра закрывает и уплотняет рабочий цилиндр и образует вместе с поршнем и втулкой камеру сгорания; на крышку действуют усилия от затяжки крышечных шпилек и переменного давления газов, а также высокая тепловая нагрузка; крышки двухтактных дизелей имеют более простую конструкцию из-за отсутствия клапанов;

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает усилие от давления газов и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основными деталями КШМ в крейцкопфных двигателях являются поршень, шток поршня, крейцкопф, шатун, коленчатый вал; в тронковых двигателях – поршень, поршневой палец, шатун, коленчатый вал.

Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через шатун на коленчатый вал. В тронковых двигателях он выполняет роль ползуна, управляет газообменом в двухтактных дизелях; днище поршня воспринимает давление и теплоту горячих газов, ограничивает и формирует камеру сгорания. Форма днища поршня зависит от примененного способа смесеобразования, расположения камеры сгорания и типа продувки. Поршень уплотняется в цилиндре поршневыми кольцами – компрессионными и маслосъемными. Компрессионные кольца уплотняют рабочий зазор, отводят теплоту от поршня к стенкам цилиндра, маслосъемные кольца регулируют количество масла, удаляя его излишки с зеркала цилиндра;

Шатун соединяет поршень или поперечину крейцкопфа с коленчатым валом, обеспечивает перемещение поршня при совершении вспомогательных ходов; шатун подвергается действию силы от давления газов, сил инерции поступательно движущихся масс и сил инерции, возникающих при качании шатуна;

Группа коленчатого вала – сюда входят следующие узлы двигателя: коленчатый вал, противовесы, распределительная шестерня или звездочка, шестерни привода навешенных вспомогательных механизмов, узел осевой фиксации, демпфер, маховик. Коленчатый вал относится к числу наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей. При работе двигателя вал нагружается силами давления газов, силами инерции движущихся возвратно-поступательно и вращающихся деталей. Для уравновешивания центробежных сил коленчатые валы снабжаются противовесами. Если вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу дизеля, приводятся во вращение от коленчатого вала самого двигателя, то раздача мощности на механизмы производится от коробки приводов. Отбор мощности производится на механизмы газораспределения, топливные, масляные насосы и насосы системы охлаждения. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала двигателя применяются маховики.

Механизм газораспределения открывает и закрывает впускные и выпускные органы в соответствии с принятыми фазами газообмена. Механизм газораспределения состоит из рабочих клапанов и деталей, передающих им движение от коленчатого вала двигателя – шестерен, распределительных валов, толкателей, штанг, рычагов. Конструкция механизма газораспределения зависит от конструкции самого дизельного двигателя. Как правило, применяются следующие типы газораспределения: клапанное, золотниковое и комбинированное.

Клапанное газораспределение применяется в четырехтактных дизелях всех типов и в качестве привода выпускных клапанов в двухтактных дизелях при клапанно-щелевой схеме газообмена (рис. 24).

Привод верхних клапанов может осуществляться непосредственно от распределительного вала или через промежуточные детали в виде толкателей, штанг, коромысел, рычагов, траверс. Расположение распределительного вала при этом может быть как верхним над крышкой блока цилиндров (рис. 24.а – г), так и нижним – вдоль блока цилиндров (рис. 24.д). Верхние клапаны дают возможность получить компактную камеру сгорания цилиндрической, конической или сферической формы, благоприятной для смесеобразования и сгорания топлива. Верхнее расположение клапанов типично для различного рода дизельных двигателей. При нижнем расположении клапанов (рис. 24.е) упрощается устройство головки цилиндров и механизма привода клапанов, уменьшается число деталей механизма газораспределения и высота самого двигателя. При этом клапаны могут располагаться как с одной, так и с обеих сторон блока цилиндров.

Золотниковое (бесклапанное) газораспределение осуществляется поступательно движущимися или вращающимися золотниками, а также золотниками, совершающими одновременно поступательное и угловое перемещения. При золотниковом газораспределении можно обеспечить большие проходные сечения для газов и бесшумную работу двигателя. В двухтактных дизелях в роли золотниковой пары выступает сам поршень и окна во втулках цилиндра.

К продувочным и наддувочным устройствам для зарядки цилиндров двигателя относятся: продувочные насосы (в двухтактных дизелях), наддувочные агрегаты, детали приводов, ресиверы продувочного и наддувочного воздуха, охладители воздуха, воздушные фильтры.

Литература

Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]

Похожие статьи

Двигатель внутреннего сгорания — обзор

10.4 Усовершенствованные низкотемпературные системы сгорания

В дизельном двигателе сгорание топлива до постановления Агентства по охране окружающей среды США 2010 года определялось обычным сгоранием для широкого диапазона уровней NO x от 0,4 до более 10 г / (л.с. / ч). Для уровня NO x (0,2 г / (л. С. Ч)) EPA 2010 и даже ниже были предложены различные режимы LTC, чтобы попытаться контролировать как выбросы в цилиндрах, так и BSFC. LTC привлекает большое внимание в отрасли тяжелых дизельных двигателей.LTC включает в себя множество инновационных и различных механизмов предварительно смешанного горения, обнаруженных многими исследователями, такими как PCCI (Kanda et al. , 2005, 2006; Zhang et al. , 2009; Murata et al. , 2010 ), HCCI (Stanglmaier and Roberts, 1999; Epping et al. , 2002; zhao et al. , 2003; Cracknell et al. , 2008; Schleyer, 2006; Zhao, 2007), зажигание от сжатия с предварительным смешиванием ( PCI), модулированная кинетика (MK), Unibus и воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI) (Reitz, 2010) и т. Д.

Общей чертой LTC является улучшение предварительного смешивания топлива и воздуха и поддержание низкой температуры сгорания, чтобы одновременно избежать образования NO x и сажи (De Ojeda et al. , 2007, 2008, 2009; Musculus и др. , 2011). LTC также потенциально может предложить низкий расход топлива из-за короткой продолжительности сгорания. Высокий термический КПД и низкие выбросы NO x , сажи, HC и CO требуют точного контроля процесса LTC при самовоспламенении и времени сгорания, чтобы заряд реакционной смеси в цилиндре сгорал в области одновременно низкого уровня. выбросы на известной диаграмме ϕ T , обычно используемой при анализе горения (рис.10.3). LTC обычно использует высокую скорость рециркуляции отработавших газов, высокое давление наддува, высокую степень сжатия, бедную смесь (но с высоким допуском для высокого эквивалентного отношения или низкого отношения воздух-топливо) и высокую скорость горения для достижения чрезвычайно низкого выхлопа двигателя NO x и выбросы ТЧ и может соответствовать стандарту выбросов США 2010 года с решениями для цилиндров. Система рециркуляции отработавших газов и время закрытия впускного клапана (IVC) обычно используются в PCCI или HCCI для управления оптимальным фазированием сгорания дизельного топлива.

10.3. Иллюстрация низкотемпературного горения.

Ранний PCCI относится к впрыску топлива намного раньше верхней мертвой точки (ВМТ), а события воспламенения и горения обычно происходят до ВМТ. Поздний PCCI относится к впрыску топлива после ВМТ, а события воспламенения и горения происходят далеко после ВМТ. Как ранний, так и поздний PCCI могут полагаться на длительные задержки зажигания для достижения хорошего перемешивания и получения очень низких NO x и сажи при низком BMEP. Ранний PCCI обладает хорошей стабильностью и низким расходом топлива, но требует более высокой скорости рециркуляции отработавших газов и генерирует более высокое пиковое давление в цилиндре, более высокий уровень шума сгорания и более ограниченный диапазон BMEP, чем поздний PCCI.Поздний PCCI имеет более узкий диапазон стабильности горения и, следовательно, обычно требует датчика горения для его контроля. Стэнтон (2008) показывает, что ранний PCCI превосходит поздний PCCI и бездымное обогащенное сгорание на низких скоростях и нагрузках с точки зрения теплового КПД при таком же низком уровне NO x , равном 0,2 г / (л.с. / час).

LTC обычно сталкивается с проблемами высоких выбросов HC и CO из-за сложностей в управлении зажиганием, а иногда проблемы достаточно серьезны, чтобы привести к высокому BSFC. Высокие выбросы HC и CO обусловлены относительно низкой летучестью дизельного топлива, конденсацией топлива и гашением пламени на поверхности камеры сгорания или в щели, а также столкновением со стенкой распылителя (Miles et al., 2010). Попадание жидкого топлива на стены иногда также может затруднить удаление сажи в LTC.

Хотя HC и CO можно контролировать с помощью дизельного окислительного катализатора (DOC), высокий BSFC и высокий уровень выбросов CO 2 по-прежнему являются проблемой для LTC по соблюдению требований по парниковым газам (GHG). Преимущество топливной экономичности дизельных HCCI / PCCI ограничено нынешней неспособностью адекватно контролировать оптимальную фазу сгорания и попадание жидкого топлива, особенно при высоких нагрузках.В LTC с кинетическим управлением имеется только небольшое окно сгорания для одновременного низкого уровня выбросов и высокого теплового КПД, и это окно очень трудно контролировать при различных скоростях и нагрузках. Разница BSFC между LTC и обычным дизельным топливом заключается в сложной комбинации нескольких следующих аспектов. Контролируемое время сгорания, более бедная и предварительно смешанная смесь, меньшие потери теплопередачи в цилиндрах, меньшее количество поступающего кислорода LTC могут дать некоторые комбинированные преимущества с точки зрения теплового КПД (например,г., всего 7%). Однако более низкая степень сжатия, пониженная эффективность сгорания (связанная с чрезмерными выбросами HC и CO) и более высокая температура всасываемого заряда могут в определенной степени компенсировать выигрыш в тепловом КПД (например, на 3%). Наконец, может быть либо чистая прибыль, либо потеря BSFC для LTC по сравнению с обычным сжиганием (Musculus et al. , 2011).

Нижняя граница диапазона нагрузок при работе LTC ограничена стабильностью воспламенения и горения. Запуск LTC при высоких нагрузках также является нерешенной проблемой.Работа LTC при высоких нагрузках ограничена или запрещена высоким коэффициентом эквивалентности (низким соотношением воздух-топливо), высоким выбросом сажи и чрезмерно высоким пиковым давлением в цилиндре и скоростью нарастания. Диапазон нагрузки от минимальной до максимальной, достижимой в PCCI / HCCI, зависит от цетанового числа топлива. Проблема реализации LTC возникает не только из-за контроля стабильной фазировки сгорания (через EGR и VVA) и управления переходами между различными режимами сгорания от низких нагрузок до высоких (и наоборот), но также из-за того, что камера сгорания и Конфигурация сопла форсунки должна быть совместима с обычным сгоранием.Несмотря на то, что диапазон скорости-нагрузки LTC расширяется за счет передовых разработок системы сжигания, в настоящее время обычное сжигание дизельного топлива все еще необходимо использовать при высоких нагрузках. Следует отметить, что режимы высокой или полной нагрузки часто являются критическими режимами, используемыми при проектировании системы дизельного двигателя.

В PCCI с кинетическим управлением поиск оптимальной топливной смеси для управления реактивностью является эффективным способом расширения диапазона BMEP для HCCI / PCCI. Стоит отметить новый развивающийся режим горения, RCCI (Reitz et al., 2009 г .; Reitz, 2010; Разветвитель и др. , 2010, 2011a, 2011b, 2011c; Kokjohn et al. , 2011; Wagner et al. , 2011 г .; Nieman et al. , 2012). Это режим горения между дизельным HCCI и самовоспламенением с бензиновым двигателем (CAI) с точки зрения химии горения. Концепция RCCI заключается в достижении высокого теплового КПД и низкого уровня выбросов NO x и сажи в широком диапазоне нагрузок двигателя путем смешивания топлива с различной реактивностью в цилиндре.RCCI использует прямой впрыск дизельного топлива плюс впрыск бензина или прямой впрыск бензина с добавками (например, 75–90% бензина плюс 25–10% дизельного топлива) для управления условиями заряда в цилиндрах и работает в цикле воспламенения от сжатия. Хорошо известно, что высокая летучесть топлива (например, смесь дизельного топлива и бензина в цилиндре) может способствовать смешиванию. Как указал Рейц (2010), дизельное топливо легко воспламеняется, но его трудно испарять, а бензин трудно воспламенить, но он может легко испаряться.Оба вида топлива имеют преимущества и недостатки с точки зрения контроля HCCI / PCCI. Дизельное топливо подходит для сгорания с предварительной смесью при низкой нагрузке, но при высоких нагрузках может вызвать сгорание слишком рано, и поэтому дизельное топливо сталкивается с пределом нагрузки при высоком BMEP. Напротив, бензин плохо сгорает при низких нагрузках, но может обеспечивать хорошее сгорание при высоких нагрузках. Следовательно, двухтопливное сгорание с воспламенением от сжатия может предложить жизнеспособный путь для решения проблемы ограничения диапазона нагрузки HCCI / PCCI, чтобы должным образом контролировать время сгорания и скорость повышения давления в цилиндре, а также расширить пределы нагрузки для чистого дизельного топлива или бензина.

Следует отметить, что добавление соотношения дизельного топлива и бензина в управление LTC обеспечивает еще одно важное измерение параметров управления сгоранием. RCCI имеет гораздо более высокие выбросы HC и CO (как и бензиновые двигатели), чем обычные дизельные двигатели, и поэтому требует катализаторов окисления HC и CO. Хотя эффективность сгорания RCCI ниже, чем у обычного дизельного топлива (например, 97% против 99% из-за чрезмерных выбросов углеводородов), преимущества RCCI с точки зрения времени сгорания, степени эквивалентности бедной смеси, значительно сниженной скорости рециркуляции отработавших газов (например.g., нулевая система рециркуляции отработавших газов) и уменьшенные насосные / тепловые потери, а также меньшая теплопередача в цилиндрах могут дать чистую прибыль в несколько процентных пунктов увеличения теплового КПД. Сообщалось (Reitz, 2010), что RCCI может предложить примерно 20% улучшение теплового КПД по сравнению с обычным дизельным сгоранием, обеспечивая при этом выбросы NO x и ТЧ без дополнительной обработки. Reitz (2010) также сообщил, что RCCI может достичь высокого теплового КПД, превышающего 50%, как для двигателей большой мощности, так и для двигателей малой мощности.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Введение в аналитические методы для кулачковых механизмов двигателя внутреннего сгорания, Уильямс, Дж. Дж., Электронная книга

Современные методы проектирования автомобильных кулачков требуют вычисления ряда параметров. В этой книге представлена ​​логическая последовательность шагов для вывода соответствующих уравнений из первых принципов для более широко используемых кулачковых механизмов. Хотя изначально эта работа была разработана для использования в двигателях с высокими рабочими характеристиками, эта работа в равной степени применима к проектированию серийно выпускаемых автомобильных двигателей и других двигателей внутреннего сгорания.Эта работа также может быть применима для кулачков, используемых в других областях, таких как печатное и упаковочное оборудование.

Введение в аналитические методы для кулачка двигателя внутреннего сгорания Механизмы предоставляет уравнения, необходимые для расчета кривых подъема кулачка с соответствующей плавной кривой ускорения. Уравнения выводятся для кинематики и кинетики всех рассмотренных механизмов, а также для кривизны кулачка и скорости уноса масла. Это позволяет оценить форму кулачка, все нагрузки и контактные напряжения, а также соответствующую трибологию.Описывается влияние асимметрии на изготовление кулачков для толкателя пальца и изогнутых толкателей с перемещением смещения, а также приводятся способы преобразования данных формы кулачка в данные для толкателя с радиальным перемещением. Это позволяет производить и проверять более широкий спектр станков с ЧПУ.

Описывается расчет неустановившихся моментов распредвала и приводится схема для оценки компонентов для двигателей нижнего уровня. Хотя теория, использование и конструкция реактивных маятниковых демпферов хорошо документированы в других источниках, эти вопросы также были рассмотрены для полноты картины.В последней главе представлен анализ механизмов толкателя, включая четырехзвенный цепной механизм, который является более надежным.

Написано как справочник для практикующих инженеров-проектировщиков и разработчиков автомобилей, так и в качестве учебника для студентов, изучающих автомобилестроение, Введение в аналитические методы для кулачка двигателя внутреннего сгорания Механизмы дает читателям подробное введение в конструкцию автомобильных кулачковых механизмов, включая много материалов, ранее не публиковавшихся.

Оптимизация конструкции кулачкового механизма двигателя внутреннего сгорания для повышения его эффективности

Современное машиностроение
Том 2 № 3 (2012), Идентификатор статьи: 22205,6 страниц DOI: 10.4236 / mme.2012.23014

Оптимизация конструкции кулачкового и толкательного механизма двигателя внутреннего сгорания для повышения эффективности двигателя

Махеш Р.Мали 1 , Прабхакар Д. Маскар 2 , Шраван Х. Гаванде 3 , Джей С. Баги 4

1 Исследования и разработки, MAN Trucks India Pvt. Ltd., Пуна, Индия

2 Кафедра машиностроения, Технологический институт Раджарамбапу, Ислампур, Индия

3 Кафедра машиностроения, M.Инженерный колледж E. Society, Пуна, Индия

4 Инженерный колледж KIT, Колхапур, Индия

Электронная почта: [email protected], [email protected]

Поступила 29 марта 2012 г .; отредактировано 5 мая 2012 г .; принято 14 мая 2012 г.

Ключевые слова: Follower & Cam; Точечный контакт; Анализ вибрации; Метод конечных элементов [FEA]

РЕЗЮМЕ

В нынешнем кулачковом и ведомом механизме четырехтактного двигателя внутреннего сгорания используется плоский ведомый механизм.В этой работе сделана попытка заменить плоскую поверхность толкателя на толкатель с криволинейной поверхностью, чтобы можно было достичь требуемого точечного контакта. Линейный контакт между существующим кулачком и ведомым механизмом приводит к высоким потерям на трение, что приводит к низкому механическому КПД. Замечено, что частота вибрации в существующем и модифицированном кулачковом и ведомом механизме остается почти такой же.Для проведения анализа используется метод конечных элементов.

1. Введение

Кулачковый и следящий механизм предпочтительнее широкого спектра двигателей внутреннего сгорания, поскольку благодаря кулачку и следящему элементу можно получить неограниченное количество движений. Опять же, кулачок и толкатель играют очень важную роль в работе многих классов машин, особенно автоматических, таких как печатные машины, обувные машины, текстильные машины, зуборезные станки, винтовые станки и т. Д.Кулачок может быть определен как элемент машины, имеющий криволинейный контур или криволинейную канавку, который своим колебательным или вращательным движением придает заданное заданное движение другому элементу, называемому следящим элементом. Другими словами, кулачковый механизм преобразует вращательное или колебательное движение в поступательное или линейное движение. Фактически, кулачок можно использовать для получения необычного или неравномерного движения, которое было бы трудно получить с помощью другого рычага.Разнообразие различных типов кулачковых и ведомых систем, из которых можно выбирать, довольно велико, что зависит от формы контактирующей поверхности кулачка и профиля ведомого. Существующие кулачки, используемые в двигателях внутреннего сгорания, имеют различные формы, которые имеют прямой контакт с толкателем. Линейный контакт между кулачком и ведомым механизмом приводит к высоким потерям на трение, что приводит к низкому механическому КПД.Следовательно, в этой работе сделана попытка заменить плоскую поверхность толкателя на толкатель с криволинейной поверхностью, чтобы можно было достичь требуемого точечного контакта для минимизации потерь на трение.

Клапаны в распределительных системах двигателей внутреннего сгорания должны обеспечивать соответствующее заполнение цилиндров бензиново-воздушной смесью для двигателей SI и воздухом для двигателей с воспламенением от сжатия.С другой стороны, при высоких оборотах двигателя клапаны могут не успевать вернуться в исходное положение. Это следует за потерей мощности и в некоторых случаях столкновением между головкой клапана и поршнем, вызывающим поломку двигателя [1,2]. Динамическое поведение распределительного вала системы, толкателя, толкателя и клапана имеет большое значение для хорошей работы системы [3]. На этапах проектирования инженеры могут предсказать это динамическое поведение в зависимости от различных параметров компонентов клапанного механизма двигателя.Многие исследователи, которые интересовались этой областью исследований, работают над другим аспектом, например, с изменением фаз газораспределения. Посредством компьютерного моделирования, экспериментальной проверки и надежных стратегий оптимального проектирования Дэвид [4] показал, что можно разработать оптимальную конструкцию для производства оптимальных систем клапанного механизма. Чой [5] был заинтересован в разработке профилей кулачков распределительного вала с использованием алгоритма неявной фильтрации, помогающего идентифицировать параметры и оптимизировать их при проектировании автомобильных клапанных механизмов.Кардона [6] представил методологию проектирования кулачков для клапанных механизмов моторного двигателя с использованием алгоритма ограниченной оптимизации, чтобы максимизировать интеграл по времени площади клапана, открытой для потока газа. Он заметил, что ошибки профиля могут иметь большое влияние на динамические характеристики таких высокоскоростных систем следящего кулачка. Ким [7] использовал демпфер с сосредоточенной массой и пружиной для прогнозирования динамического поведения системы кулачок-клапан, который дает согласованные результаты по сравнению с экспериментальными испытаниями для оценки контактных сил в системе.Jeon [8] заявил, что с результатами экспериментов и моделирования, оптимизация профиля кулачка может увеличить площадь подъема клапана при одновременном снижении ускорения кулачка и пикового усилия толкателя. Это также может избежать явления скачка ведомого, наблюдаемого в некоторых случаях. Теодореску [9] представил анализ ряда клапанных механизмов в четырехцилиндровом, четырехтактном рядном дизельном двигателе с целью прогнозирования сигнатуры вибрации с учетом сил трения и контакта.

Согласно Хину [10] кулачковый механизм обычно состоит из двух подвижных элементов, кулачка и толкателя, установленных на неподвижной раме. Кулачок может быть определен как элемент машины, имеющий криволинейный контур или криволинейную канавку, который своим колебательным или вращательным движением придает заданное заданное движение другому элементу, называемому следящим элементом.При правильном расположении шарнира толкателя становится практически невозможно отскочить от толкателя, какой бы крутой ни была поверхность кулачка. Крайнее ограничивающее условие — сделать угол давления достаточно малым, чтобы нормальная сила кулачка не проходила через шарнир следящего механизма. Следовательно, боковая тяга не будет выходить из качения роликового толкателя, спроектированного таким образом.В то время как, как и Десаи [11], компьютерный кинематический и динамический анализ кулачкового и следящего механизма становится очень важным для желаемых и требуемых характеристик двигателей внутреннего сгорания. Кинематический анализ механизма помогает ответить на многие вопросы, связанные с движением ведомого, а динамический анализ используется для визуализации фактического поведения ведомого.Также согласно Юаню [12] наблюдается, что кулачок открывает и закрывает клапан при 1200 об / мин. Следовательно, полный цикл клапана завершается за 1/3 оборота распределительного вала или 0,01 сек. Rejab [13] работает над оценкой профилей дисковых кулачков с продольными роликовыми толкателями для получения точек на кулачке с роликовыми толкателями. Из анализа видно, что координаты центра толкателя требуются с небольшими приращениями угла кулачка, при которых анализ может быть легко запрограммирован и зависит только от координат толкателя, а не от типа толкателя.

Следовательно, чтобы учесть влияние профиля толкателя, в этой работе сделана попытка преобразовать существующий линейный контакт [как показано на рисунке 1] в модифицированный точечный контакт для повышения механической эффективности двигателя за счет снижения потерь на трение.

2.Постановка проблемы и цель

Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в различных приложениях, таких как автомобилестроение и производство электроэнергии, имеют роликовые кулачковые и следящие механизмы, имеющие прямой контакт между кулачком и толкателем, как показано на рисунке 1. Для улучшения механических характеристик. Эффективность механизма наблюдается, чтобы изменить линейный контакт на точечный.Следовательно, в этой работе сделана попытка преобразовать плоскую поверхность толкателя в профиль криволинейной поверхности с наклоном криволинейной поверхности под углом 24˚.

3. Модальный анализ

Модальный анализ роликового толкателя выполняется программным обеспечением Ansys для определения характеристик вибрации, таких как собственные частоты и формы колебаний.

4. Твердотельное моделирование толкателя

Для выполнения конечно-элементного анализа роликового толкателя необходима его твердотельная модель. На рис. 2 представлена ​​твердотельная модель роликового толкателя.

5. Процедура анализа методом конечных элементов

Привод ролика впервые был смоделирован в PRO / E WILDFIRE, отличном программном обеспечении САПР, которое делает моделирование таким простым и удобным для пользователя.Затем модель переносится в формат IGES и экспортируется в аналитическую программу ANSYS 11.0. Последователь анализируется в ANSYS в

Рис. 1. Существующий кулачковый и ведомый механизм.

Рисунок 2.Твердая модель роликового толкателя.

три ступени. Во-первых, это предварительная обработка, которая включает моделирование, геометрическую очистку, определение свойств элемента и создание сетки. Следующий шаг включает решение проблемы, которое включает в себя наложение граничных условий на модель, а затем запуск решения. Далее следует постобработка, которая включает в себя анализ результатов с нанесением на график различных параметров, таких как напряжение, деформация, собственная частота.На рисунке 3 показана пошаговая процедура анализа.

5.1. Создание сетки конечных элементов и тип контактного элемента

Целью построения твердотельной модели является создание сетки этой модели с узлами и элементами. После завершения создания твердотельной модели установите атрибуты элементов и элементы управления сеткой, которые позволят программе ANSYS создать сетку конечных элементов.Для определения атрибутов элементов пользователь должен выбрать правильный тип элемента. Это наиболее важная задача в анализе методом конечных элементов, поскольку она определяет точность и вычислительное время анализа.

Рисунок 3. Метод конечных элементов.

В данной работе в качестве типа элемента использовался элемент Solid 90. Solid 90 — это более высокая версия трехмерного восьмиузлового теплового элемента (Solid 70). Элемент имеет 20 узлов с одной степенью свободы, температурой, в каждом узле. 20 узловых элементов имеют совместимые температурные формы и хорошо подходят для моделирования криволинейных границ.Термоэлемент с 20 узлами применим для трехмерного, установившегося или переходного термического анализа. В данной работе Solid 90 используется для зацепления тела толкателя. Тип сетки, используемой для ведомого, — это СВОБОДНАЯ сетка, которая управляется двумя параметрами, назначенными каждой поверхности или объему сетки, которые влияют на размер создаваемых элементов. Сетчатая модель и область контакта показаны на рисунке 4.

5.2. Граничные условия

Был проведен свободный модальный анализ для определения собственных частот существующего и модифицированного толкателя с помощью программного обеспечения Ansys. Использовалась блочная решающая программа Lancoz, и настройки прохода расширения были установлены как 12 режимов для извлечения и 12 режимов для расширения.Диапазон от нуля до бесконечности был установлен для расчета собственных частот для существующего и модифицированного ведомого элемента, как показано на рисунках 5 и 9.

5.3. Анализ

В этом разделе подробно описан анализ методом конечных элементов и поведение элементов.

5.3.1. Собственная частота существующего ведомого с линейным контактом

На рисунке 5 показан частотный диапазон для 15 комплектов существующего ведомого с линейным контактом, который является фиксированным, и тот же частотный диапазон, который используется в модифицированном роликовом повторителе.

На рисунке 6 показан модальный анализ на частоте 828,32 Гц и поведение элемента.Зона красного цвета указывает на деформацию существующего роликового толкателя в диапазоне от 16,015 мм [мин.] До 17,436 мм [макс.]. Зона синего цвета указывает на деформацию существующего роликового толкателя в диапазоне от 4,642 мм [мин.] До 6,064 мм [макс.]. На рисунке 7 показан модальный анализ на частоте 1206 Гц и поведение элемента. Зона красного цвета указывает на деформацию существующего роликового толкателя в диапазоне от 22.От 439 мм [мин.] До 25,173 мм [макс.]. Зона синего цвета указывает на деформацию существующего роликового толкателя в диапазоне от 0,569 мм [мин.] До 3,304 мм [макс.]. На рисунке 8 показан модальный анализ на частоте 3272,8 Гц и поведение элемента. Зона красного цвета указывает на деформацию существующего роликового толкателя в диапазоне от 21,649 мм [мин.] до 23,41 мм [макс.]. Зона синего цвета указывает на деформацию существующего роликового толкателя в диапазоне от 7,558 мм [мин.] До 9,319 мм [макс.]. Весь этот частотный диапазон использовался в существующем повторителе, и тот же частотный диапазон, и шаги выполнялись в модифицированном повторителе.

5.3.2. Собственная частота модифицированного роликового толкателя

На рисунке 9 показан диапазон частот для 15 наборов, которые использовались в существующем роликовом толкателе с линейным контактом, используемым в модифицированном роликовом толкателе.

На рисунке 10 показан модальный анализ и поведение элементов модифицированного повторителя при частоте 953,60 Гц. Зона красного цвета указывает на деформацию модифицированного роликового толкателя в диапазоне от 13,898 мм [мин.] До 15,256 мм [макс.]. Зона синего цвета указывает на деформацию модифицированного роликового толкателя в диапазоне от 3,034 мм [мин.] До 4.392 мм [макс.]. На рисунке 11 показан модальный анализ и поведение элементов модифицированного ведомого при частоте 1284,2 Гц. Зона красного цвета указывает на деформацию модифицированного роликового толкателя в диапазоне от 18,201 мм [мин.] До 20,416 мм [макс.]. Зона синего цвета указывает на деформацию модифицированного роликового толкателя в диапазоне от 0,477 мм [мин.] До 2,692 мм [макс.]. На рисунке 12 показан модальный анализ

и поведение элементов модифицированного повторителя при частоте 3162,7 Гц. Зона красного цвета указывает на деформацию модифицированного роликового толкателя в диапазоне от 19,278 мм [мин.] До 21,675 мм [макс.]. Зона синего цвета указывает на деформацию модифицированного роликового толкателя в диапазоне от 0,0975 мм [мин.] До 2,495 мм [макс.].

6. Результаты и обсуждение

Проведен модальный анализ существующего и модифицированного ведомого. Согласно условиям изначально частотный диапазон был фиксированным, а затем был проведен модальный анализ. Частотный диапазон модифицированного роликового толкателя очень хорошо согласуется с частотным диапазоном существующего роликового толкателя. Полученный частотный диапазон существующего роликового толкателя — 828.От 32 Гц (Рисунок 6) до 3272,8 Гц (Рисунок 8), а для модифицированного ролика — от 953,60 Гц (Рисунок 10) до 3162,7 Гц (Рисунок 12). Поскольку частотный диапазон модифицированного роликового толкателя находится в пределах частотного диапазона существующего роликового толкателя. Таким образом, модифицированная конструкция оказывается безопасной. Из модального анализа следует, что максимальное значение деформации для модифицированного роликового толкателя составляет 21.675 мм, а для существующего роликового толкателя — 23,41 мм для полученной частоты. Это показывает, что модифицированный роликовый толкатель деформируется сравнительно меньше по сравнению с существующим роликовым толкателем. Это указывает на то, что изменение плоской поверхности роликового толкателя на роликовый толкатель с изогнутой поверхностью приводит к низким потерям на трение из-за точечного контакта, что приводит к повышению механического КПД двигателя внутреннего сгорания на 65-70%.

7. Заключение

В этой работе метод конечных элементов используется для оптимизации формы плоской поверхности существующего толкателя в изогнутую поверхность модифицированного толкателя, чтобы можно было достичь требуемого точечного контакта. Частотный диапазон модифицированного роликового толкателя очень хорошо согласуется с частотным диапазоном существующего роликового толкателя. Полученный частотный диапазон существующего роликового толкателя — 828.От 32 Гц (Рисунок 6) до 3272,8 Гц (Рисунок 8), а для модифицированного ролика — от 953,60 Гц (Рисунок 10) до 3162,7 Гц (Рисунок 12). Поскольку частотный диапазон модифицированного роликового толкателя находится в пределах частотного диапазона существующего роликового толкателя, модифицированная конструкция оказывается безопасной. Из модального анализа следует, что максимальное значение деформации для модифицированного роликового толкателя составляет 21.675 мм, а для существующего роликового толкателя — 23,41 мм. Это показывает, что модифицированный роликовый толкатель деформируется сравнительно меньше по сравнению с существующим роликовым толкателем. Это указывает на то, что замена плоской поверхности роликового толкателя на механизм роликового толкателя с криволинейной поверхностью приводит к низким потерям на трение из-за точечного контакта, что приводит к повышению механического КПД двигателя внутреннего сгорания на 65-70%.

Анализ механизмов течения масла в двигателях внутреннего сгорания с помощью высокоскоростной лазерно-индуцированной флуоресцентной спектроскопии (LIF)

Аннотация

Перед автопроизводителями стоит серьезная задача: в ближайшем будущем будут введены новые более строгие правила в отношении выбросов выхлопных газов и экономии топлива. Чтобы повлиять на текущие выбросы и экономию топлива, при исследовании двигателя внутреннего сгорания необходимо использовать новые передовые аналитические методы, такие как высокоскоростная лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF).Поскольку смазка в сборе поршневых колец является одним из наиболее значительных факторов расхода масла, она напрямую влияет на выбросы выхлопных газов, а также косвенно влияет на экономию топлива. Высокоскоростная LIF-спектроскопия позволяет наблюдать любые механизмы потока масла внутри цилиндра, которые могут быть напрямую связаны с производительностью или расходом масла. Это исследование было задумано как процесс разработки более медленной системы LIF для отбора проб и создания высокоскоростной LIF для более сложных диагностических целей.В исходной системе LIF наблюдались значительные недостатки, такие как чрезвычайно низкое временное разрешение и ошибка, вызванная температурной зависимостью красителей, используемых для спектроскопии LIF. Чтобы разработать эту систему, необходимо было испытать новые лазеры, оптику и камеры, чтобы определить, какие из них дают наилучшие изображения. Внедрение высокоскоростной камеры коренным образом изменило наблюдения и позволило провести точный анализ всех без исключения механизмов потока масла, присутствующих в двигателе внутреннего сгорания. Во время тестирования системы старые явления, которые были ранее задокументированы, позволили провести псевдокалибровку, в которой можно было подтвердить, что система работает аналогично исходной системе.Эффекты медленной и быстрой кавитации были более четкими, чем в предыдущих видеороликах, а также эффекты перекрытия, которые могут быть настолько пагубными для расхода масла. Были задокументированы даже новые явления, которые позволили сделать гораздо больше работы в будущем, чтобы по-настоящему понять и проанализировать эти новые нефтяные механизмы. Это исследование в значительной степени является диагностическим подтверждением концепции, так что другие могут создать такой аналитический инструмент для понимания механизмов потока масла внутри и двигателя внутреннего сгорания, чтобы улучшить экономию топлива или выбросы выхлопных газов.Будущие эксперименты действительно определят пределы того, что система может делать и как она может повлиять на будущие конструкции двигателей.

Описание
Диссертация: S.M., Массачусетский технологический институт, факультет машиностроения, 2014.

Каталогизируется из PDF-версии диссертации.

Включает библиографические ссылки (страницы 86-88).

Отдел
Массачусетский Институт Технологий. Кафедра машиностроения .; Массачусетский Институт Технологий.Кафедра машиностроения

Издатель

Массачусетский технологический институт

Введение в аналитические методы для CAM-механизмов двигателя внутреннего сгорания (твердый переплет)

Описание


Современные методы проектирования автомобильных кулачков требуют вычисления ряда параметров. В этой книге представлена ​​логическая последовательность шагов для вывода соответствующих уравнений из первых принципов для более широко используемых кулачковых механизмов.Хотя изначально эта работа была разработана для использования в двигателях с высокими рабочими характеристиками, эта работа в равной степени применима к проектированию серийно выпускаемых автомобильных двигателей и других двигателей внутреннего сгорания. Эта работа также может быть применима для кулачков, используемых в других областях, таких как печатное и упаковочное оборудование.

Введение в аналитические методы для кулачка двигателя внутреннего сгорания Механизмы предоставляет уравнения, необходимые для расчета кривых подъема кулачка с соответствующей плавной кривой ускорения.Уравнения выводятся для кинематики и кинетики всех рассмотренных механизмов, а также для кривизны кулачка и скорости уноса масла. Это позволяет оценить форму кулачка, все нагрузки и контактные напряжения, а также соответствующую трибологию. Описывается влияние асимметрии на изготовление кулачков для толкателя пальца и изогнутых толкателей с перемещением смещения, а также приводятся способы преобразования данных формы кулачка в данные для толкателя с радиальным перемещением.Это позволяет производить и проверять более широкий спектр станков с ЧПУ.

Описывается расчет неустановившихся моментов распредвала и приводится схема для оценки компонентов для двигателей нижнего уровня. Хотя теория, использование и конструкция реактивных маятниковых демпферов хорошо документированы в других источниках, эти вопросы также были рассмотрены для полноты картины. В последней главе представлен анализ механизмов толкателя, включая четырехзвенный цепной механизм, который является более надежным.

Написано как справочник для практикующих инженеров-проектировщиков и разработчиков автомобилей, так и в качестве учебника для студентов, изучающих автомобилестроение, Введение в аналитические методы для кулачка двигателя внутреннего сгорания Механизмы дает читателям подробное введение в конструкцию автомобильных кулачковых механизмов, включая много материалов, ранее не публиковавшихся.

Об авторе


Доктор Дж. Дж. Уильямс в течение 7 лет занимался исследованиями вибраций, вызываемых потоком, в крупных конструкциях и вращающемся оборудовании. Его самая известная работа этого периода — «Вибрация корпусов градирни». Затем он 18 лет проработал преподавателем в университете, читая лекции по широкому кругу предметов в области механики, строительства и электротехники. В течение последних пяти лет в качестве академика его исследования были сосредоточены на анализе кулачковых механизмов и вибрации клапанной пружины.В течение следующих 18 лет он работал аналитиком по дизайну в Ilmor Engineering, где большую часть своего времени он посвятил написанию программного обеспечения для проектирования компонентов клапанного механизма и подшипников двигателей для CART, Indy Car и Formula One. Это программное обеспечение также подходило для других двигателей, и он разработал кулачки для Miller Straight 8 1920 года выпуска, вместе с двигателями Rolls Royce Merlin для P51 Mustang и Flight of Britain Flight. Более экстремальная версия этих кулачков также была произведена для использования в Mustang для участия в Reno Air Races.В последнее время он работал консультантом по написанию программ, в основном для проектирования клапанных механизмов для Формулы-1, высокопроизводительных гоночных автомобилей и двигателей для мотоциклов.

Microsoft Word — final mmse (1)

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 7 0 объект /Заголовок /Тема / Автор /Режиссер / CreationDate (D: 20210908015322-00’00 ‘) / ModDate (D: 20150909161635 + 03’00 ‘) >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 6 0 obj > транслировать PScript5.dll Версия 5.2.22015-09-09T16: 16: 35 + 03: 002015-09-09T16: 16: 35 + 03: 00application / pdf

  • Microsoft Word — final mmse (1)
  • больной
  • Acrobat Elements 9.0.0 (Windows) uuid: c84b8937-b0ec-47fe-a877-920638bb04b5uuid: 14c25d1d-c4f5-4661-89e6-6b54c8624424 конечный поток эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageB / ImageI] >> эндобдж 19 0 объект > транслировать x ڝ XɎ # 7 + H -%! ȂoA.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *