Способ оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя и его моторесурс путем оптимизации режима работы двигателя внутреннего сгорания. Способ оптимизации 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. Измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменения 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 определяют величину сил 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:

T_ср=M_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 α поворота коленчатого вала и угла β отклонения шатуна от оси цилиндра:

P_∑=T_ср/sin(α+β)/cosβ

На основании полученных результатов для каждого полуоборота коленчатого вала определяют суммарную величину тангенциальной силы на кривошипе коленчатого вала, суммарную величину силы давления продуктов сгорания топливной смеси в цилиндре и суммарную силу инерции возвратно-поступательного перемещения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма для каждого цилиндра как разницу между средними суммарными силами Р_∑ для средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и суммарными силами давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала, после чего устанавливают на валу двигателя маховик и обеспечивают вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью. 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 рассчитанной выше суммарной силы инерции.

 

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

Известен способ определения технического состояния двигателя внутреннего сгорания (ДВС) путем нахождения зависимости индикаторного давления в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого вала (см. патент РФ 2078324, кл. G 01 М 15/00, 1997), при этом данный способ основан на непрерывном измерении в фазе текущих значений угловых ускорений коленчатого вала двигателя, генерировании функции инерционной составляющей ускорения, а также на взаимной зависимости активных сил в цилиндре с крутящим моментом и выделении составляющей ускорения, отражающей рабочие процессы в цилиндре, с вычислением индикаторной диаграммы работы цилиндра.

Недостатком указанного выше способа является необходимость установки сложных устройств для измерения неравномерности частоты вращения коленчатого вала и, следовательно, его дороговизна. Кроме того, данный способ не обладает высокой точностью, так как индикаторная диаграмма получается расчетным путем.

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. - C.117-123).

При этом принимается, что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью ω. Газовые нагрузки на поршень в расчете не учитываются. Данное допущение позволяет рассматривать все кинематические величины в виде функциональной зависимости от угла поворота коленчатого вала, который при ω=const пропорционален времени.

Вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью может быть обеспечено за счет ускорения или замедления движения поршня вдоль цилиндра и, вызванного его движением, перемещением шатуна вдоль оси цилиндра и отклонением шатуна от этой оси, при этом происходит изменение скорости поступательного движения поршня на величину dv за время dt.

Силы инерции возвратно-поступательного движения масс P_j, действующие в кривошипно-шатунных механизмах ДВС, рассматриваются как результат ускорения или замедления поршня, связанного с кинематикой кривошипно-шатунного механизма. Аналогично ускорению поршня силы инерции возвратно-поступательного движения масс P_j обычно представлены в виде суммы сил инерции первого P_j1 и второго Р_j2 порядков

Р_j=Р_j1+Р_j2

Недостатком этого способа расчета режима работы ДВС, в частности расчета ускорения поршня и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, является то, что в нем не учитываются силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс для установившегося режима работы двигателя как результат действия сил давления газов на поршень в зависимости от угла поворота коленчатого вала, все шейки которого вращаются в одном направлении с постоянной угловой скоростью.

Задачей предлагаемого способа является повышение кпд двигателя и его моторесурса путем оптимизации режима работы двигателя внутреннего сгорания.

Указанная задача решается за счет того, что в способе оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания вначале 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, 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 определяют величину сил 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 вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма (P_∑) в зависимости от угла α поворота коленчатого вала и угла β отклонения шатуна от оси цилиндра:

P_∑=T_cp/sin(α+β)/cosβ,

и затем на основании полученных результатов для каждого полуоборота коленчатого вала определяют суммарную величину тангенциальной силы на кривошипе коленчатого вала, суммарную величину силы давления продуктов сгорания топливной смеси в цилиндре и суммарную силу инерции возвратно-поступательного перемещения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма для каждого цилиндра как разницу между средними суммарными силами P_∑ для средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и суммарными силами давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала, после чего устанавливают на валу двигателя маховик и обеспечивают вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью, 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 рассчитанной выше суммарной силы инерции.

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), сила давления газов на поршень рассчитывается как Р=Р_г-Р₀.

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 углом 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=ε·J₀.

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 Р_jk=М/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.

Для установившегося режима работы двигателя, когда 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 М_сопр=М_кр.ср, при этом ε·J₀=0. Таким образом, при выполнении указанного выше условия будет достигнуто вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью ω=const.

Действительный эффективный крутящий момент, снимаемый с вала двигателя, имеющего механический кпд η_м, рассчитывается как Mg=М_кр.ср.·η_м.

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.

Вращение с постоянной угловой скоростью коленчатого вала двигателя достигается при среднем индикаторном суммарном крутящем моменте М_кр.ср и под действием суммарной тангенциальной силы Т_ср, которые являются следствием воздействия изменяющихся по величине и направлению сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс в зависимости от суммарных сил давления газов для каждого полуоборота коленчатого вала и цилиндра.

В свою очередь для определения силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, изменяющихся по величине и направлению в зависимости от суммарных сил давления газов для каждого полуоборота коленчатого вала и цилиндра, определяются средние значения суммарных сил вдоль оси поршня и кривошипно-шатунного механизма P_∑=T_ср/sin(α+β)/cosβ, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Значения суммарных тангенциальных сил определяются для каждого полуоборота коленчатого вала и цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала, вращающегося с постоянной угловой скоростью.

Как видим, анализ работы одноцилиндрового двигателя подтвердил, что неправомерно рассматривать силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс только в зависимости от угла поворота коленчатого вала при постоянных других параметрах. Их надо рассматривать как результат действия сил давления газов в зависимости от угла поворота коленчатого вала с достижением вращения коленчатого вала с постоянной скоростью в одном направлении.

Расчеты четырехцилиндрового дизельного двигателя с воздушным охлаждением Д145Т показал, что реальные силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, поддерживающие вращение всех шеек коленчатого вала в одном направлении с постоянной угловой скоростью под действием разных по величине сил давления газов, достигают в первом цилиндре максимума со знаком минус на третьем полуобороте коленчатого вала в начале такта - рабочий ход; во втором цилиндре достигают максимума со знаком минус на третьем полуобороте коленчатого вала в начале такта - выхлоп и максимума со знаком плюс на втором полуобороте в конце такта - рабочий ход; в третьем цилиндре достигают максимума со знаком минус на третьем полуобороте коленчатого вала в начале такта - сжатие и максимума со знаком плюс на втором полуобороте в конце такта - всасывание; в четвертом цилиндре достигают дважды максимума со знаком минус в начале тактов - выхлоп и сжатие соответственно на втором и четвертом полуоборотах коленчатого вала и дважды максимума со знаком плюс в конце тактов - рабочий ход и всасывание соответственно на первом и третьем полуоборотах коленчатого вала.

Наблюдается характерное для каждого цилиндра и полуоборота коленчатого вала распределение сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс с разной интенсивностью их приложения. При этом их максимальная величина для одноцилиндровых двигателей больше максимальной величины сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, рассчитанных в зависимости от угла поворота коленчатого вала при постоянных других параметрах, т.е. традиционным способом, в 4...7 раз.

Способ оптимизации 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, отличающийся тем, что измеряют величину давления продуктов сгорания топлива на поршень и изменения 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 определяют величину сил 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

T_ср=M_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 α поворота коленчатого вала и угла β отклонения шатуна от оси цилиндра

P_∑=T_ср/sin(α+β)/cosβ,

на основании полученных результатов для каждого полуоборота коленчатого вала определяют суммарную величину тангенциальной силы на кривошипе коленчатого вала, суммарную величину силы давления продуктов сгорания топливной смеси в цилиндре и суммарную силу инерции возвратно-поступательного перемещения масс поршня и кривошипно-шатунного механизма для каждого цилиндра как разницу между средними суммарными силами Р_∑ для средней суммарной тангенциальной силы Т_ср и суммарными силами давления продуктов сгорания топливной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала, после чего устанавливают на валу двигателя маховик и обеспечивают вращение коленчатого вала с постоянной угловой скоростью, 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 рассчитанной выше суммарной силы инерции.