2471

Отношение диаметра коренной шейки к диаметру цилиндра D (dk / D = 0,6 − 0,7), длины коренной шейки Lк / D = 0,6 − 0,7; длины шатунной шейки Lш / D = 0,5 − 0,8; толщины щеки Eщ / D = 0,2.

Длина одного колена вала lкол равняется (1,3 − 1,5)D. Принимаем длину колена вала lкол , равной 1,315·D. При диаметре цилиндра

D = 0,076 м величина lкол = 0,1 м.

9.3.2. Определение частоты собственных крутильных колебаний приведенной системы

Для упрощения расчетов систему, состоящую из нескольких масс, заменяем эквивалентной, состоящей из двух масс. Объединенный момент инерции должен быть равен сумме моментов инерции приведенных масс каждого цилиндра:

где lкол − приведенная длина колена. Приведенная общая длина равна

где Jкол − момент инерции колен вала (в нашем примере значение Jкол = 0,01 кг·м2); Jн.ч.ш − момент инерции вращающейся нижней части шатуна

Jн.ч.ш 2/3 0,5 0,03752 0,00047 кг м2.

Jп.ч − момент инерции от поступательно движущихся масс;

JД 0,01 0,00047 0,014 0,03 кг· м2.

Jоб Ji 0,03 4 0,12 кг м2.

Жесткость вала

где G = 8 1010 Н/м2 − модуль упругости при кручении материала; Jр= ∙dk4/32 – полярный момент инерции сечения вала, м4 (dк − диаметр коренной шейки 0,05 м).

Жесткость вала представляет собой момент (Н м), который необходимо приложить к валу, чтобы закрутить его на 10.

Общая жесткость системы, расположенной между массой маховика и объединенной массами коленчатого вала,

9.3.3. Определение резонансной критической частоты вращения

Период и число колебаний двухмассовой приведенной системы

C1 3100

Частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая резонансному режиму,

где z – число цилиндров.

nр 2 29 600 14800 мин 1. 4

Если величина np окажется в указанном диапазоне минимальной

и максимальной частоты вращения, то в процессе работы двигателя могут возникнуть резонансные колебания, вследствие чего в коленчатом валу появятся дополнительные напряжения, опасные в отношении его прочности.

Резонансное число оборотов двигателя определяют исходя из основного уравнения резонанса

где K – это порядок резонирующей моторной гармоники. Для четырехтактных двигателей значение К = 0,5;1;1,5;2;2,5;3 и т.д. Для двух-

тактных двигателей К = 1;2;3;4 и т.д.; р np 3,14 14800 15491/c 30 30

– средняя угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя при резонансном числе оборотов np коленчатого вала по отношению к

K-й гармонике.

Для обеспечения равенства левой и правой частей уравнения (9.31) величина К должна быть равна 9,5.

Так как двигатель работает в диапазоне nmin 600мин 1 до nmax

(например, nmax 6000мин 1), то для того, чтобы К-я гармоника возбудила резонансное колебание, необходимо выполнение еще од-

ного условия [8, 19]:

зоне частот вращения коленчатого вала двигателя (600 − 6000 мин-1).

9.3.4. Выработка рекомендаций, устраняющих крутильные колебания

Если резонансное число оборотов находится в зоне частот работы двигателя, то для устранения резонанса и уменьшения амплитуд вынужденных крутильных колебаний изменяют конструкцию криво- шипно-шатунного механизма или применяют гасители крутильных колебаний.

На рис. 9.3 показаны конструкции гасителей крутильных колебаний, установленные на свободном конце коленчатого вала.

Рис. 9.3. Гасители крутильных колебаний:

а – с резиновым упругим слоем; б – жидкостного типа

Маховик 1 (рис. 9.3, а) соединен с диском 3 упругим резиновым слоем 2. При возникновении крутильных колебаний маховик 1 скручивает и раскручивает резиновый слой 2. Часть энергии возмущающих моментов поглощается внутренним трением резинового слоя. Данная система «расстраивает» возникшие крутильные колебания, уменьшает опасную амплитуду резонанса.

На некоторых двигателях применяют гасители колебаний жидкостного типа (рис. 9.3, б). В закрытом корпусе гасителя, который жестко прикреплен к свободному концу коленчатого вала, расположен

диск (маховик). Между поверхностями вращающегося диска и корпусом демпфера имеются зазоры 0,2 − 2,5 мм, которые заполнены силиконовой жидкостью. Полиметилсилоксановая (силиконовая) жидкость имеет хорошую смазывающую способность, низкую температуру застывания, малую зависимость вязкости от температуры.

При резонансных колебаниях скорость вращения корпуса и диска становятся различными. Диск, двигаясь относительно корпуса, создает силу жидкостного трения. Энергия крутильных колебаний снижается, что уменьшает амплитуду колебаний и устраняет резонанс.

Согласно закону Ньютона сила внутреннего трения (Н), возникающая между слоями силиконовой жидкости и диском, определится выражением

где – коэффициент динамической вязкости, (Н·с/м2); S – площадь соприкасающихся слоёв, м2; / х – градиент скорости между диском и жидкостью, 1/с.

Подводя итог, отметим следующее. Крутильные колебания коленчатого вала были оценены с использованием дифференциального исчисления. Значение частоты вращения коленчатого вала, соответствующей резонансному числу оборотов np =14 800 мин-1, находится

вне диапазона частот вращения двигателя. Из выражения (9.32) следует, что при частоте вращения коленчатого вала, равной 3120 мин-1 двигателя автомобиля типа ВАЗ и резонирующей моторной гармонике, соответствующей 9,5, могут возникнуть резонансные колебания. В данном случае необходимо изменить конструкцию кривошипношатунного механизма (размеры, жесткость, массы) или применить гаситель крутильных колебаний.

Контрольные вопросы

1.Причины возникновения крутильных колебаний коленчатых валов двигателей.

2.Что называют колебанием, периодом, частотой, амплитудой?

3.Свободные крутильные колебания вала с одной массой.

4.Вынужденные крутильные колебания вала с одной массой.

5.Последовательность расчета вала на крутильные колебания.

6.Как определяются моменты инерции маховика, колена вала, шатуна, поршня?

7.Что называют резонансом?

8.Устройство гасителей крутильных колебаний.

10.МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ

ИИНТЕГРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДАЧИ ТОПЛИВА

10.1. Расчет цикловой подачи топлива и выбор эффективного проходного сечения распылителя

Экономические и экологические показатели дизеля зависят от величины и характеристики подачи топлива, согласованного движения воздушного вихря в камере сгорания и струи распыленного топлива. Для четырехтактного двигателя КамАЗ мощностью 220 кВт общее количество топлива за впрыск или цикловая подача (мм3/цикл) определится выражением [28]:

эффективная номинальная мощность, 220 кВт; i – число цилиндров 8; nн – частота вращения вала насоса, 1200 мин-1; ρТ – плотность топлива

0,82 г/см3, или 820 кг/м3.

Главным параметром распылителя является его эффективное проходное сечение F . Обычно коэффициент расхода равен 0,6 − 0,8 и представляет собой отношение действительного расхода топлива к теоретическому. Суммарная площадь сопловых отверстий F зависит от диаметра отверстий и их количества. Величина F для распылителей автотракторных дизелей лежит в пределах 0,15 − 0,4 мм2. Для конкретного двигателя величина F должна иметь строго определенное значение.

Для двигателей семейства КамАЗ мощностью от 154 до 265 кВт у топливной аппаратуры 33-02 значение F =0,185 0,205 мм2; для

33 - 10 – 0,215 0,235 мм2; 337-20 – 0,26 0,28 мм2; 337-20.04 – 0,25 0,27 мм2.

На рис. 10.1 приведена зависимость эффективного сечения распылителя F двигателя КамАЗ от подъема (хода) иглы Х [37]. Максимальный ход иглы у новых распылителей лежит в пределах

0,25 − 0,3 мм.

Из анализа рис. 10.1 следует, что при подъеме иглы более 0,25 мм значение F остается неизменным. Из этого следует, что максималь-

ный ход иглы не должен быть более 0,30 мм. С увеличением хода иглы возрастают ударные нагрузки на посадочный конус, что может привести к его разрушению. Дополнительно создаются условия для проникновения горячих газов из цилиндра двигателя в каналы распылителя и образования коксовых отложений.

Для приближенного определения эффективного проходного сечения распылителя F автотракторных дизелей можно применить номограмму, изображенную на рис. 10.2. Для этого необходимо знать требуемую цикловую подачу qц и продолжительность

впрыскивания топлива в . Например,

для qц 100 мм3 и в 100 значение

900 мин-1, максимального давления в полости форсунки 50 МПа, а среднего – 30 МПа.

Рис. 10.2. Номограмма для определения µF при различных значениях qц и φВ

Значение F окончательно выбирается после моторных испыта-

ний по анализу нагрузочных и скоростных характеристик дизеля. Оптимальное значение F должно соответствовать минимальному рас-

ходу топлива и допустимой токсичности отработавших газов.

Для цикловой подачи 100 мм3 и F 0,25мм2 продолжитель-

ность топливоподачи, согласно рис. 10.2, будет соответствовать 9 − 100. Максимальный ход иглы примем равным 0,25 мм.

10.2. Методика построения дифференциальной характеристики подачи топлива

Для построения характеристик топливоподачи необходимо иметь осциллограммы (графики) изменения давления в канале форсунки и хода иглы распылителя. Для этого обычно используют результаты эксперимента или расчета топливной аппаратуры.

На рис. 10.3 показано изменение давления топлива в форсунке и хода иглы распылителя в зависимости от угла поворота валика насоса. При подъеме иглы объем в полости форсунки увеличивается и давление снижается. Динамическое давление начала открытия (подъема) иглы Рфод больше статического Рфос и зависит от массы иглы, штанги, пружины, частоты вращения валика насоса n.

Из анализа осциллограммы изменения давления топлива в форсунке виден пик снижения давления в начале подъема иглы. Уменьшение давления происходит из-за увеличения объема в полости форсунки в результате подъема иглы.

Для быстроходных автотракторных дизелей в интервале частот вала насоса от 0 до 1500 мин-1 с достаточной для практики точностью величина динамического давления начала подъема иглы Рфод может быть определена по формуле

Величина статического давления открытия иглы форсунки Рфос для автотракторных дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием лежит в пределах 18 − 30 МПа, зависит от усилия затяжки пружины и диаметра направляющей части иглы.

Давление начала посадки иглы на седло Рнп обычно меньше статического давления начала открытия иглы и определяется по формуле

Рис. 10.3. Осциллограмма процесса топливоподачи в распылителе форсунки:

1 – изменение давления топлива в канале форсунки; 2 – изменение хода иглы в процессе подачи топлива; 3 – отметка времени, равная 0,001 с

Давление конца посадки Ркп меньше давления Рнп на 30 − 50 % и повышается с уменьшением диаметра иглы. Например, при уменьшении диаметра направляющей части иглы с 6 до 4,5 мм давление посадки иглы на седло при работе двигателя Д-440 на номинальном режиме увеличилось с 8 до 16 МПа [28]. Для снижения образования кокса в каналах распылителя необходимо, чтобы давление топлива в полости распылителя в период посадки иглы на седло было больше давления газов в цилиндре дизеля.

Рассмотрим методику построения характеристик впрыскивания топлива в камеру сгорания дизеля. Выбираем шаг расчета, например,

10, разбивая ход иглы (в нашем примере 100) на 10 участков. Применение современных компьютеров позволяет шаг расчета уменьшить до 0,010, что обеспечит более точную форму характеристики впрыска. В современных быстроходных дизелях с интенсивным процессом подачи топлива в камеру сгорания продолжительность впрыска составляет 8 − 120 поворота кулачкового вала насоса.

Секундный объемный расход (м3/с) топлива Q, вытекающего из распылителя, определим из выражения

Q F Т F 2 Р/ Т , (10.4)

Для F 0,25мм2 и P 40МПа величина Q будет равна

Q F 2 Р/ Т 0,25 10 62 40000000 /820 0,00078 м3/c.

Для упрощения расчетов при определении Q величину Р можно взять как среднее значение (0,6 Рф mах) за впрыск при максимальном значении F . При учете противодавления воздуха в конце процесса сжатия (4 − 6 МПа) подача топлива уменьшается. Например, давление топлива перед сопловыми отверстиями 60 МПа, а давление воздуха в камере сгорания 5 МПа, величина перепада давления будет равна 55 МПа.

Методика построения дифференциальной характеристики при впрыске топлива без противодавления следующая. Для каждого участка определяем среднее значение F (рис. 10.1) в зависимости от подъема иглы и величину среднего давления в канале распылителя

Время впрыска tв в секундах и общая продолжительность впрыска φв в градусах зависят от частоты вращения кулачкового вала n в мин-1 и связаны выражением