1. Введение
В классической схеме, по которой построены двигатели внутренного сгорания (ДВС), ось цилиндра и ось коленчатого вала лежат в одну плоскость и перпендикулярны собою. Здесь будут показаны результаты теоретического исследования основных характеристик ДВС, в которых ось цилиндра и ось коленчатого вала не лежат в одной плоскости – ось цилиндра паралельно сдвинута на расстоянии E со своего традиционного положения в плоскости вращения колена коленчатого вала, то есть они являются скрещивающимися (фигура выше заголовка). Расстояние E будем называть смещение.
Будем исследвать две группы характеристик как функции смещения: энергетические – индикаторная работа (коррелированная c индикаторной мощностью) и средный крутящий момент; и силовые – силы, приставленные к коленчато-шатунному механизму (КШМ) и поршень-цилиндровой группе (ПЦГ). Вместе со средным крутящим моментом будем вычислять и его средняя квадратическая ошибка (СКО) σ, дающая представление о равномерности вращения коленчатого вала.Индикаторная работа есть
где Pv – давление в цилиндра как функция объема цилиндра V.
Средный крутящий момент есть
где Mφ текущее значение момента как функция угла φ, а n = 2 или 4 (для двух- или четырех-тактовых ДВС).
Силы, приложенные к КШМ и ПЦГ, выражаются через тригонометрические уравнения, а их средные стоимости определяются посредством решения определенных интегралов, аналогичные (2). При исследовании размерах ДВС как функцией смещения видно, что максимальный объем цилиндра (Vmax) в двух концах области определенности нарастает до значение, которое растет при увеличении длины шатуна:
(3), 2. Математичесская модель для исследвание характеристик в реальном ДВС способом обработки его индикаторной диаграммы
Здесь показан вид индикаторной диаграммы 2-тактного ДВС. Процесы сжатия (1-2) и расширения (3-4) политропны и для них PVn=const. Процес продувки (4-1) с определенной точностью тоже можно представить двумя политропными процессами. Процес горения (2-3) тоже политропный, однако с сильно изменяющийся показатель n. То-же самое описание индикаторной диаграммы 4-тактного ДВС. Интегральные уравнения (1) и (2) для процессах 3-4-1-2 не имеют решения в елементарных функциях, а для въчисления процесса сгорания (2-3) предлагаются разные математичесские модели. Это накладывает применение общей математичесской модели для вычисления уравнений (1) и (2).Разработанная математичесская модель вычисления давления в цилиндре при разных стоимостей смещения Е основывается на фактических индикаторных диаграммах реальных ДВС, выполненых по классической схеме (Е=0) при заданном режиме работы – определенный расход топлива и приложенная нагрузка. И как функцией смещения определяются исследованые энергетические характеристики и силы при сохранении постоянного объема цилиндра (при сохранении постоянной действительной степени сжатия ε) и расхода топлива. Индикаторные диаграммы, используемые в качестве основы для модели, получены при помощи системы MIP (Combustion Analyzer), использованная в Болгарском морском флоте.
3. Функционалные зависимости основных характеристик как функцией смещения
Для нескольких ДВС показаны полученные при помощи математической модели диаграммы, которые показывают исследуемые нами функциональные зависимости как функции нормированного смещения e=E/R: индикаторная работа Aind, средный крутящий момент Mav, средная квадратическая ошибка крутящего момента σ и средные стоимости сил, приставленые к поршневому пальцу Fb, к шатуну и шатунному подшипнику Fl, к паре поршень-цилиндр Fn, перпендикулярно к колена в шатунному подшипнику Fm, к колена и головному подшипнику Fr. Все диаграммы построены в нормированных стоимостях (в %), т.е. поделенные ихными стоимостями при нулевому смещению (Е=0); диаграммы с индексом а сняты в характерных местах абсциссы увеличенным масштабом и уменьшенным шагом; сила Fn показана через своей абсолютной стоимостью |Fn| и через ее съставляващие – положительная +Fn и абсолютная стоимость отрицательной |-Fn|.
3.1. ДВС 6ДКРН 67/170-4, главный двигатель моторного судна Станко Стайков (ДВС прототип B&W K67GF) – дизельный, 2-тактный
3.2. ДВС MAN-B&W 4S26MC, главный двигатель моторного судна Полукс – дизельный, 2-тактный
3.3. ДВС SULZER 5AL25/30, дизель-генератор № 1 моторного судна Рожен – дизельный, 4-тактный
3.4. ДВГ SULZER 8BAH22, дизель-генератор № 4 моторного судна Белмекен – дизельный, 4-тактный
4. Анализ полученных диаграмм характеристик как функции смещения
Анализ функциональных зависимостей энергетических характеристик и действующих сил показывает следующее:
4.1. В двухтактных ДВС с увеличением смещения в положительном направлении работа увеличивается, в отрицательном уменьшается; при смещении еmax работа в исследованных дизельных двигателей увеличавается до 108% – 125%, при е ≈ 1 работа увеличивается до 120%. В четырехтактных ДВС график работы похож на параболу, перевернутая книзу. То есть работа уменьшается, при этом в отрицательном направлении в начале задерживается очень близко к 100%, но после этого быстрее опускается до более низких стоимостей; при еmax работа можеть упасть до 70% – 85%.
4.2. Функция среднего крутящего момента представляет собой сломанную линию, колеблющаяся вокруг графика работы. В двухтактовых ДВС при смещении еmax средный крутящий момент достигает 105% - 130%, максимумы при e ≈ 1 имеют стоимости в интервале 105% - 125%. В четырехтактовых ДВС есть только отдельные пики, превышающие 100%, но они находятся в границах 101% - 102%.
4.3. Функция СКО крутящего момента имеет характер параболы, перевернутая книзу. То есть с увеличаванием смещения увеличавается равномерность вращения коленчатого вала. В двухтактных ДВС при смещении, вблизи максимального, СКО уменьшается с 15% до 30%, при стоимостях смещения e ≈ 1 СКО уменьшается с 3% до 10%. В четырехтактных ДВС максимум параболы находится при e = [-0.9,-1.4] и имеет стоимость около 101% - 102%, то есть равномерность вращения ухудшается; при больших смещениях в отрицательном направлении СКО падает быстрее, однако до высших стоимостей чем при смещении в положительном направлении.
4.4. Функциональные зависимости средных стоимостей сил Fr и Fl отходят незначительно от 100%. В двухтактных ДВС отклонение в направлении снижения средных стоимостей; в четырехтактных ДВС сила Fr тоже уменьшается, но сила Fl увеличивается. Fm следует график среднего крутящего момента.
4.5. Сила |Fn| имеет характер параболы с минимумом 80% - 95% в интервале e = [0.1,0.4]. Вблизи предельных стоимостей смещения увеличение может достичь до 15 – 20 раза. При смещении вокруг e ≈ 1 увеличение средных стоимостей колеблется в границах от 5 до 15 раза. При смещении выше 0.6 – 0.7 только одна из составляющих этой силы отлична от нуля; т.е. только одна из сторон пары цилиндр/поршень нагружена.
5. Заключение
При положительном смещении в двухтактных ДВС возможно увеличить индикаторную работу, то есть мощности двигателя, и существенно среднего крутящего момента при ощутимом увеличении равномерности вращения коленчатого вала. Все это осуществляется без изменении количества сгораемого топлива. Это приводит к увеличению КПД двигателя и уменьшении эфективного расхода топлива. То есть улучшаются экономические показатели ДВС, что означает и улучшение показателей всей системы, приводимая этим двигателем. В четырехтактных ДВС увеличение индикаторной работы невозможно достичь, однако возможно незначительное увеличение крутящего момента.
Одновременно с этим можно достичь уменьшении потерь скольжения в паре поршень/цилиндр и их износ, когда смещение находится в зоне минимума силы |Fn|. Конструирование двигателя со смещением, приводящее к существенным увеличиванием силы Fn, с целью достичь большее увеличивание работы и момента оправдано, когда потери скольжения преодолеваются через дополнительные конструктивные и технологические меры. Одна из известных мер является крейцкопфный двигатель.
—————————————————————————————————
Опубликувано в журнале "Машиностроение и электротехника" № 5/2005 год. Научно-технического союза машиностроения, Болгария. Вынесен доклад на XII международной научно-технической конференции "Транс & Мотауто '05" 2005 год. в гор. Велико Тырново, Болгария.
Няма коментари:
Публикуване на коментар