Исследование возможностей уравновешивания двигателя внутреннего сгорания типа R2



В статье рассматриваются вопросы улучшения уравновешенности рядного двухцилиндрового четырёхтактного двигателя типа R2. Двигатели такого типа чаще всего применяются для привода бензиновых генераторов, как силовые установки на небольших лодках, малогабаритной спецтехники, а также на легковых автомобилях.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, механизм уравновешивания, уравновешивание двигателей.

Сферы применения двигателя типа R2 и анализ его неуравновешенности

На рис. 1 показана схема однорядного двухцилиндрового четырёхтактного двигателя типа R2, которая обеспечивает равномерное чередование вспышек.

Рис. 1. Схема кривошипно-шатунного механизма двухцилиндрового двигателя типа R2

Оценим степень неуравновешенности такого двигателя:

1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 

где R –радиус кривошипа; — радиус центра массы;

и силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс (ВПДМ); — ВПДМ одного цилиндра; — радиус кривошипа; –угловая скорость вращения коленчатого вала; — угол поворота; — опрокидывающий момент; и - моменты от сил инерции 1-го и 2-го порядков соответственно.

Из проведённого анализа видно, что для такого типа конструкции неуравновешенны суммарные силы инерции первого и второго порядка, они могут быть уравновешены использованием балансирных валов [3].

Неуравновешенные силы и моменты — это такие, которые вызывают переменные по величине или направлению реакции на опорах силового агрегата. В случае использования такого двигателя в бензиновом генераторе неуравновешенность конструкции можно пренебречь или частично нивелирована использованием виброкомпенсаторов. Однако при использовании такой энергоустановки в составе транспортного средства пренебрежение такой степенью неуравновешенности неприемлемо.

Параметр оценки возмущений в двигателе

Сначала следует сообщить, что у возмущений, имеющих гармонический характер, количественную оценку можно осуществлять и просто по величине амплитуды гармоники (это практически все вышеуказанные силы и моменты), а вот не для гармонического возмущения, каковым является крутящий момент ДВС разработан специальный способ оценки — импульс возмущения.

Удобно пояснить это понятие на примере графической иллюстрации.

В данном случае было применено специальное уравновешивание опрокидывающего момента способом указанном ниже в этой статье.

Рис. 2. График зависимости моментов (суммарный момент) от угла поворота коленчатого вала

Величина возмущения характеризуется площадью под кривой крутящего момента. Следуя общей формуле кинетической энергии в интегральной форме , получим, что величина импульса — наиболее объективный параметр для оценки неравномерности крутящего момента. Во многом величина зависит от режима работы двигателя, что в свою очередь усложняет процесс качественного уравновешивания для работы двигателя на всех режимах.

Ниже рассмотрены разные способы уравновешивания и возможности реализации частичного уравновешивания крутящего момента в этих схемах.

Метод Ланчестера

Данный способ уравновешивания основан на том, что при суммировании пары центробежных сил (действующих от противовесов балансирных валов), каждая из которых имеет годограф в виде окружности, можно получить результирующую линейную силу, имеющую годограф в виде отрезка.

Рис. 3. Схема механизма Ланчестера

Метод Дайхатцу

Полностью уравновешены силы ВПДМ 1-го порядка. Величину опрокидывающего момента (амплитуду) можно менять путем изменения величины смещения балансирных валов относительно оси коленчатого вала. Статические моменты уравновешивающих противовесов балансирных валов менять нельзя, так как их значения определяются из условий уравновешивания сил инерции ВПДМ 1-го порядка.

Рис. 4

Задачей уравновешивания реактивного крутящего момента является определение величины смещения, при которой обеспечивается наибольшее снижение виброактивности силового агрегата от действия этого момента.

Недостатки вышеописанных методов и способы усовершенствования конструкции

Основным слабым местом в методе Дайхатцу (двухвальная схема), который из двух вышеописанных более усовершенствованный, является невозможность применения в тех случаях, когда радиус кривошипа балансирного вала превышает имеющееся расстояние до конструктивных элементов двигателя.

В связи с данным фактом целесообразно использовать метод уравновешивания, учитывающий работу двигателя на разных режимах (учитывающая импульсы возмущений от разных частот)

Для этого на кафедре «Энергоустановки для Транспорта и Малой Энергетики» Московского Политехнического Университета была разработана программа, позволяющая методом итераций получить оптимальные значения смещений оси балансировочного вала по высоте(амплитуда) и по горизонтали(фаза).

Метод итераций используется, т. к. кривая крутящего момента не описывается формулой и минимальные значения импульса получаются в результате перебора значений амплитуды и фазы.

Если реализовать возможность настройки двигателя для оптимальной работы в разных условиях (например, для езды по городскому циклу, или за городом), то на базе значений, полученных в программе мы получим возможность максимальной оптимизации работы двигателя на любом из режимов в отдельности, учитывая не среднее значение момента, а момент на каждом из режимов. Этот факт позволяет засвидетельствовать перспективность разработок в данном направлении.

Литература:

1. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание.-М.: Издательство «За рулём», 1999.-896с.
2. Дизели. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. Под общей редакцией В. А. Ваншейдта, Н. Н. Иванченко, Л. К. Коллерова. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977. 480с.
3. Гусаров В. В. Анализ возмущающего действия неравномерного крутящего момента двигателя. Журнал «Грузовик», 2002, № 6, с. 27–30.
4. Бородянский Л. Х. Уравновешивание сил инерции первого порядка малоразмерного ДВС. Журнал «Автомобильная промышленность», 1994, № 10,с.20–23.
5. Автореферат диссертации «Разработка методов оценки возмущений поршневых двигателей внутреннего сгорания и способы их уменьшения” на соискание ученой степени Ашишин А. А. 2011г. Москва. ГОУ МГИУ.