Понятие о динамике в ДВС

Если в замкнутое пространство, образованное полым цилиндром, крышкой и подвижным поршнем ввести горючую смесь, состоящую из мелкораспыленного топлива и воздуха и воспламенить её, то в результате сгорания газы, обладающие большим давлением и температурой будут перемещать вниз поршень. В результате этого перемещения совершится работа, равная (P∙∆V).

Силы, действующие в КШМ, можно подразделить на четыре группы:

1. Сила давления газов (Pг) на донышко поршня - Pг = p_i ∙ F,

где p_i = 0,8-125 [кг/см²] - давление газа в данный момент времени;

F = πD²/4 [м²] - площадь поршня.

2. Сила веса (Pв), поступательно движущихся частей, к которым относятся: вес поршня, ползуна крейцкопфа и 40% веса шатуна т.к. он совершает сложное движение. Сила веса всегда постоянна по величине и направлена вниз. Вес подвижных частей тронковых быстроходных двигателей очень мал, по сравнению с другими силами, поэтому его не учитывают.

3. Сила трения (Pтр), которая не поддаётся точному теоретическому расчёту и включается в механические потери двигателя.

4. Сила инерции (Pи) подвижных частей - Pи = -m∙a,

где знак [-] указывает, что направление сил инерции всегда противоположно ускорению;

m = G/g [кг] - масса подвижных частей;

G [кГ] - вес деталей КШМ;

g = 9,8 [м/с²] - ускорение свободного падения;

a [м/с²] - ускорение.

Во время рабочего хода на поршень действуют: Pг, Pв, Pтр, Pи. Сумма указанных сил называется движущим усилием (Pn).

Pn = +/-(Pг + Pв + Pтр + Pи)

В тронковых ДВС вектор этой силы приложен к центру поршневого пальца и передаётся через шатун на коленчатый вал. Её направление совпадает с направлением оси шатуна только в ВМТ и НМТ. При других положениях сила Pn раскладывается на две составляющие. Одна из них Pш - направлена по шатуну, другая – сила нормального давления N - перпендикулярно стенкам цилиндра. Эта сила передаётся поршнем и меняя своё направление на обратное при переходе поршнем мёртвых точек сильно изнашивает стенки цилиндров. Pn

Сила, действующая по оси шатуна Pш = ——

cosβ

Далее сила Pш передаётся шатуном через мотылевой подшипник на шейку коленчатого вала, где она также раскладывается на составляющие:

ü касательную силу Pк - создающую вращательный момент Mвр=Pк∙R, который зависит от угла поворота кривошипа (φ) и поэтому постоянно меняется от min до max, что вызывает неравномерность вращения коленчатого вала. Касательную (тангециальную) силу Pк можно определить как, sin (φ+β)

Pк = Pш ∙ sin(φ+β) = Pn ————

cos β

ü радиальную силу Pр - создающую нагрузку на рамовый подшипник и прижимает вал к вкладышам рамовых подшипников. Её величина определяется выражением:

cos(φ+β)

Pр = Pш ∙ cos(φ+β) = Pn ————

cos β

Указанные силы во время работы двигателя меняются как по величине, так и по направлению и достигают у дизелей малой мощности Pn=18-20 тонн; у дизелей большой мощности Pn = 230-280 тонн.

Для уменьшения неравномерности вращения на кормовую часть коленчатого вала устанавливают маховик. Он выполняет роль аккумулятора энергии т.е. накапливает её в период избытка и отдаёт, когда её не хватает. Обычно на двигатели с числом цилиндров 12 и более маховик не устанавливают, ибо необходимая степень неравномерности обеспечивается вращающимися массами.