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多缸发动机.doc

2017-11-14 8页 doc 22KB 19阅读

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多缸发动机.doc多缸发动机.doc 多缸发动机 引言 前一章讨论了单缸内燃机和活塞泵的曲柄滑块的设计原理,这一章将讨论多缸发动机结构的设计。有些摆动力和摆动转矩问题可以通过在一根曲轴上用多个单缸曲柄滑块的适当组合来解决。本书附带的ENGINE程序可以计算本章推导的方程式,并让学生在短时间内联系发动机设计的多种方案。只要光盘文件读入程序就可以调出例子,这在本书里有说明。建议学生用ENGINE程序来研究这些例题,一边加深对本专题精髓的理解。ENGINE程序用户手册见附录A。为了熟悉程序操作,可以阅读手册中的内容,但不必按顺序阅读或参考,这并...
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多缸发动机.doc 多缸发动机 引言 前一章讨论了单缸内燃机和活塞泵的曲柄滑块的设计原理,这一章将讨论多缸发动机结构的设计。有些摆动力和摆动转矩问可以通过在一根曲轴上用多个单缸曲柄滑块的适当组合来解决。本书附带的ENGINE程序可以计算本章推导的方程式,并让学生在短时间内联系发动机设计的多种。只要光盘文件读入程序就可以调出例子,这在本书里有说明。建议学生用ENGINE程序来研究这些例题,一边加深对本专题精髓的理解。ENGINE程序用户手册见附录A。为了熟悉程序操作,可以阅读手册中的内容,但不必按顺序阅读或参考,这并不影响参考内容的完整性。 正如上一章所讨论的单缸发动机一样,除了所必须的驱动装置的燃烧力定义以外,不再讨论内燃机发动机的热力学等其他方面问题,将着重讨论发动机的运动学和机械动力学特征。并不着眼于对学生成为“发动机设计师”的培养,而是希望学生能将动力学原理应用于一般有趣的实际设计问题中,并了解比单缸发动机更复杂的动力学装置设计。 14.1多缸发动机设计 多缸发动机的设计结构有很多种,从简单的直列式结构到V形、对置式及星形结构,其中有些机构可见图14-1.这些结构可以用于第13章中讨论过的任何一种冲程循环,为二冲程和四冲程内燃机或柴油机。 直列式发动机 最常用并且最简单的结构就是直列式发动机,他的左右气缸都在一个平面上,如图14-2所示,其中二、三、四、五和六缸中列示发动机最为常用。每个缸都有自己独立的曲柄滑块机构,它由曲柄、连杆及活塞组成。把这些曲柄做在一起形成一个公共的曲轴,如图14-3所示。曲轴上每个缸的曲柄叫做曲拐。这些曲拐按照某个相位角布置,以使活塞按时交错运动,从前一章关于摆动力和平衡的讨论中知道,活塞彼此同时向相反方向运动,可抵消往复的惯性力。曲拐之间最优的相位角关系取决于缸数和冲程循环数是否相同。对于一个给定结构的发动机来说,常常有一个(或最少数目)可行的曲拐位置。图14-2所示的发动机是一个四冲程循环、直列式四缸发动机,它的曲拐的相位角为0?、180?、180?和0?,不久就会看到这是该发动机最优的位置。图14-3所示为图14-2的同结构发动机设计的曲轴、连杆和活塞。 V形发动机:V形二、四、六、八、十和十二缸发动机都有产品问世,其中V形六缸和八缸是最常用的结构。图14-4和图14-5分别展示了一个60?V形十二缸发动机的剖面图和局部视图。V形发动机可以想象为两个直列式发动机并接在一起并用一个公共曲轴。两个或两排“直列”位置,彼此有一个V形角度。图14-1d所示为V形八缸发动机,它的曲拐分别是0?、90?、270?和180?,V形角是90?。曲轴和缸体的几何结构对发动机的动态特性有很大影响。下面详细探讨这些关系。 对置式发动机:这是主要的V形发动机结构,其V形角为180?。如图14-6所示,每排活塞安置在曲轴的两边。这种结构可以相互抵消惯性力并且常见于航空发动机结构中,也用于车辆结构中。 星形发动机:在几乎同平面内绕曲轴径向排列缸体。这种结构在二次世界大战飞机上常见,因为这种结构位移比较大,从而动力性能好,结构紧凑体积小,适合与飞机上用。这种结构使得所有缸体都暴露在气流之中,所以制冷效果好。体积比较大的发动机油多排缸体,旋转式触发使冷空气能够达到后排。燃气涡轮喷气发动机的出现导致了这种航空发动机的落伍。 旋转式发动机:是在航空星形发动机基础上演变出来的。在外观和缸体布局上都与星形发动机相像,不同之处在于曲轴对地面时静态的。螺旋桨与曲柄箱连缸体在一起,曲柄箱 绕曲柄轴转动。在运动学上,它与星形发动机相反,并且它不需要飞轮。 几百年来,发动机还衍生了很多其他结构,本章后面的参考书中有的描述了这些结构 发动机的特点。下面从最简单的结构——直列式发动机开始详细介绍多缸发动机的设计,接 着介绍V形及对置式发动机的设计。 14.2 曲柄相位图 在谁及任何形式的多缸发动机(或活塞泵)时,最基本的问题是在曲柄轴桑怎样布置 曲拐。以四缸直列式发动机为例进行介绍。在四缸发动机中,似乎有很多种方案布置曲拐。 从常识角度很明显的一个方案开始。任何曲柄轴都有360?,对于四个缸,安排0?、90?、 180?、270?似乎比较合理。拐之间的相位角增量式90?。一般来讲,为了最大程度地抵 消惯性力(有一个旋转期间),最优的相位角增量式中 为测量这些相位角,建立如下约定: (1) 第一个缸体编号1,其相位角为0?,它是其他缸体的参考缸体。 (2) 其他缸体的相位角是相对于缸体1曲拐的测量角度。 (3) 相对于曲轴内的相位角的测量,也就是说,相对于一个固结于第一个曲拐的旋 转坐标系统来测量。 (4) 缸体从发动机前面往后面依次编号。 相位角在图14-7所示的曲柄相位图中定义,该相位图是一个四缸直列式发动机。图14-7a所示的曲轴线绕轴顺时针方向对拐进行编号。轴逆时针方向旋转。本图中,活塞沿着x轴水平方向来回移动。图中的缸体1,活塞处于上死点。把这点作为如图14-7b所示切断的起点,计算曲柄两转的每个活塞的速度。活塞1离开后,活塞2到达上死点90?。因此说活塞2落后活塞1 90?。根据假设,落后意味一个负相位角,以曲拐顺时针方向编号表示。从速度图明显看出每个气缸都比前一个落后90?到达。图14-7b中的负速度表明活塞在图14-7a中向左运动,图14-7b中的正速度表明活塞在图14-7a中向右运动。 为便于本章讨论,假设所有曲轴逆时针方向旋转,所有的相位角都是负的。然而,在相位角列表上省略负号标志。 图14-7显示事件循环的时间,并且在曲轴设计中是一个很必要且很有用的工具。然而,没有必要费劲地画出精确的正弦速度曲线一获取必要的信息。所需要的仅仅是指明各个气缸上下运动循环范围内的相对位置。在图14-8所示的简化曲柄相位图中也包含有同样的信息。这里,活塞运动用长方形表示,正表示向上运动,负表示向下运动。这是严格意义上的示意图。图中正负数值就是字面上的意思。对曲柄相位角任意做出的安排都可以画出如此一个曲柄相位示意图。为了画该图,只要相对于第一个缸按它的相位角把每个缸的方块简单地向右边移就可以了。 14.3 直列式发动机的摆动力 需要确定按选定曲轴相位角排列的整体摆动力。每一个缸都对总体摆动力有影响。把各个缸体的相位偏移考虑进去,就可以重叠他们的影响。定义了曲柄轴一常速度w转动时单个缸体的摆动力 这个表达式适用于不平衡曲柄,在多缸发动机中,曲轴上每个曲拐的配种至少能够抵消曲柄和连杆假定集中在曲柄销上的组合质量MA的摆动力影响。有时候多缸发动机的曲拐是过平衡的,虽然比单杠发动机范围要小。某些二缸四冲程直列式发动机可以除外,如果发动机曲轴相位角布置能抵消活塞销往复质量的影响,则不需要做过平衡。 假设发动机中各个缸体的位移相同并且各个活塞和连杆都是通用可替换件,则既合乎动态平衡,又可以符合低生产成本。如果用曲柄角wt表示参考曲拐对于气缸 1的瞬时相对位置,则其他曲柄的相对位置由各自的相位角确定,如图14-7a所示。因此,可以有一些相位角的组合,直到所引起的二次谐波的摆动力抵消。如果希望消去更高阶的谐波,则可以用傅里叶级数来表达,并且发现如果满足以下条件,四阶和六阶谐波就可以抵消 公式提供一个预测任意设计的直列式发动机摆动力特性的一种简便方法。程序ENGINE 计算公式并且把结果显示在一个表中。注意,相位角的任意倍数的正弦和余弦和都必须是0,才可以使摆动力的谐波为0.表14-1中相位角分别为0?、90?、180?、270?的四缸发动机例子的计算结果表明,一阶、二阶和六阶谐波为0,四阶谐波为非0.所以,对于这个例子的常规选择方案证明是合适的。四阶和六阶谐波项的系数很小,所以他们的影响即便有,也可以忽略。第一个分量必须考虑,因为他们的影响可能很大。二阶谐波没有第一个重要,因为它被r/l乘,而这个一般都比1/3小。摆动力的不平衡二次谐波不理想但可用,特别是当发动机位移很小时。 14.4 直列式发动机的惯性转矩 单缸发动机的惯性转矩在第13.6和公式中做了定义。因为惯性转矩会增加气动转矩,所以关心的是如何减小惯性转矩,最好是0.惯性转矩对于驱动转矩没有任何作用,因为其平均值始终为0,但是他确实引起总转矩波动。在系统中增加足够大的飞轮可以减小这些惯性转矩波动,适当地选择相位角可以彻底消除这些惯性转矩波动的影响。然而如果设计不好,即便外部看不到转矩波动或者调节到总和为0,它仍然在曲轴上存在并且引起扭转疲劳失效。 14.5 直列式发动机的摆动力矩 单缸发动机可看做是一种平面或二维装置,因此它只要求静平衡。多缸发动机是三维的,其气缸沿着曲轴的轴线分布,及时摆动力可以抵消,在发动机缸体的平面内仍然存在不平衡力矩,因此需要应用动平衡判据。 14.6 均匀点火 惯性力、惯性转矩、惯性力矩只是在多缸发动机设计中需要考女的一些判据,它与气动力和气动转矩一样同等重要。一般来说,要求按气缸均匀间隔时间来建立一个点火模式。如果气缸点火不均匀,则会引起震动,动力脉冲平稳的情况比较理想。动力脉冲决定于冲程循环,如果发动机是二冲程的,则n个气缸的每个缸每转有一个动力脉冲。 14.6.1 二冲程循环发动机 为确定发动机设计时恶点火模式,需要回到曲柄相位图。图14-11是图14-8的派生图,并增加一些新信息。对于相位角为0?、90?、180?、270?的曲柄结构的四缸二冲程循环发动机,该图显示一些动力脉冲信息。注意,图14-11中每个缸的负的区段是相对于参考缸1按相位角一次右移。在此简图表示中,只有负的区段是动力脉冲,因为他们代表活塞的下降冲程。习惯上,气缸1首先点火,所以他的在0?出的负的区段标记为power。其他缸体可以按顺序点火,但是他们的动力脉冲间隔应该是均匀的。 可得到的动力脉冲间隔有曲柄相位角表示。可能会有很多种点火顺序可以产生平稳点火,特别是气缸较多时。在这个简单的例子中,1、2、3、4的点火顺序将产生间隔为90?的连续动力脉冲。动力冲程角是气缸点火的角度,有曲轴相位角确定。 对于二冲程发动机,动力冲程角必须在0?到360?之间。要求他们以公式14-8c确定的动力冲程角增量均匀分布间隔。对已四缸二冲程发动机,理想的动力冲程角是0?、90?、180?、270?。 14.6.2 四冲程循环发动机 除了14-13所示是为四冲程循环发动机设计以外,其他都与图14-11有同样曲轴 设计的曲柄相位图。对于每个气缸,每720?只有一个动力冲程。每个缸体的第二幅的区段都必须用于进气冲程。缸1又第一次点火。其他刚健动力脉冲的均匀分布模式也是所要求的,但现在对于这个曲轴是不可能的。不管点火顺序是怎样是1、3、4、2,1、2、4、3还是1、4、2、3或是其他任何选择,动力脉冲都有间隙和重叠。因此对一个四冲程发动机,动力冲程角必须在0到720?之间。希望他们在间隔内有公式确定的增量角均匀分布。对于四缸四冲程发动机,理想的动力冲程角为0?、180?、360?、540?。 图14-14的不均匀点火时显而易见的。只要驾驶员操作装有这种发动机的车辆就会使艰难运行和产生震动,特别是在车辆怠速状态时,飞轮将掩盖这类艰难性,但是飞轮在低速时,则无效。就是这个事实使大多数发动机设计者在选择曲轴相位角时,喜欢平稳点火以消除惯性影响。惯性力、惯性转矩、惯性力矩都是发动机速度平方的函数。但是,随着发动机转速的提高使这些因素量值增加,同样的速度也增加了飞轮掩盖他们影响的能力,而由不均匀点火引起的气动转矩不平滑性并非如此,在全素食有飞轮不好并且在低速时飞轮不起掩盖的作用。 因此,对于四冲程四缸发动机,不采用这种曲轴设计。公式指出,需要在曲轴的相位角增量为180度时得到均匀点火,需要4个曲拐,并且所有的曲柄相位角小于360度。所以,如果使用180度相位角增量时,必须重复一些角度。对于4个曲拐,当相位角为0度,180度,0度180度有可能是另一种方案。此设计的曲柄相位图如图14-15所示。做功过程可以在720度范围内均匀分配。选择1、4、3、2点火顺序,从而获得理想的做功冲程角度顺序:Φ=0度,180度,360度540度。(注意1234的点火顺序也能使这个发动机工作) 此设计的惯性平衡条件必须由公式3.5.7来检验。一阶惯性力为0,但是,一阶惯性力矩,二阶力,二阶力矩及惯性力矩正如表所示全为非零。所以,这个均匀点火设计已经折中了以前的设计惯性平衡的很好状态。惯性转矩的波动可以用飞轮来调节。二阶力和力矩在小型发动机中相对较小,并且可以允许。非零的一阶力矩是一个需要说明的问题。运用ENGINE程序并从EXAMPLE下拉式菜单中选择该发动机结构,接着绘制计算结果,就可以看到该发动机结构的结果。关于NGINE程序的使用说明,请看附录A。 不久就要讨论用平衡轴平衡不平衡力矩的方法,但是对本例还有一个更直接的办法。图14-16显示由于单缸惯性力对某一中心力矩臂作用而引起的摆动力矩。如果认为该中心是发动机中部的点C,很明显是任何一阶力已平衡的曲轴设计,因为它对C点的横截面是对称的,所以只要所有缸体空间一致并且惯性力相等,其一阶力矩也是平衡的。图14-16a显示的是非平面对称的曲轴:0度180度0度180度。由缸体对12引起的力偶F和由缸体对34引起的力偶F量值与意义一样,所以相加。图14-16b显示的是平面对称的曲轴:0度180度180度0度。由缸体对12引起的力偶F和由缸体对34引起的力偶F量值一样但意义相反,所以相减。通过曲拐相位角改变成平面对称男的顺序0度,180度,180度,0度,可以既均匀又可以平衡一阶力矩。
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