Раскрыть заявленную в заголовке тему в маленькой статье трудно, почти невозможно. Тут требуется целая глава учебника. Но мы попытаемся – крупными мазками, как говорят художники. Без этого перейти к повреждениям ДВС не получится.
И еще. Просим учесть, что мы пишем, в том числе, для людей, от двигателей далеких. Но при этом работающих в автобизнесе. Вспомните менеджера из первой нашей статьи с его вопросом «а дизель – это двигатель внутреннего сгорания?». Вспомнили? Поэтому не судите нас, если некоторые рассуждения покажутся вам банальными. Это для того самого менеджера.
Начнем с того, что в ДВС сгорает… что? Бензин? Дизельное топливо? Нет, топливно-воздушная смесь. Для преобразования тепловой энергии в механическую требуется рабочее пространство. Оно состоит из камеры сгорания и пространства над поршнем, объем которого при движении поршня меняется. Причем меняется циклически. Для четырехтактного ДВС этот цикл состоит из четырех движений поршня между мертвыми точками: «впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск».
(Фото из открытого доступа в интернете)
Возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуется во вращательное движение коленчатого вала посредством кривошипно-шатунного механизма. Четырем тактам соответствуют два оборота коленчатого вала.
Дальше будет немного той самой физики. Газы, образующиеся при сгорании топливно-воздушной смеси, давят на поршень. В соответствии с законами термодинамики давление это меняется. Следовательно, результирующая сила давления газов FG,действующая на поверхность поршня, тоже меняется.
Схема сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм
Кроме того, в кривошипно-шатунном механизме возникает переменная сила инерции. Она увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения коленчатого вала. Разумеется, результирующая сила давления газов и сила инерции взаимодействуют, как и положено векторным величинам. Так в верхней мертвой точке поршня результирующая сила давления газов и сила инерции направлены навстречу друг другу. Но вот поршень пошел вниз. В первой половине рабочего хода сила инерции препятствует перемещению поршня, а во второй половине уже наоборот, способствует его движению. В нижней мертвой точке силы складываются, однако результирующая сила давления газов здесь существенно меньше, чем в начале рабочего хода.
Усилие передается поршнем через шатун на кривошип коленчатого вала, и далее мы говорим уже не о силе, а об ее аналоге для вращательного движения. Этот аналог называется крутящим моментом.
Крутящий момент снимается с маховика и «поступает на службу» в коробку передач. К сожалению, при этом приходится учитывать потери на трение. Но это уже отдельная тема.
Двигатели работают с разной частотой вращения и разной нагрузкой в зависимости от требований, какую же именно мощность необходимо получить. Возможности двигателя в зависимости от нагрузки и частоты вращения называется рабочим диапазоном ДВС.
Графическую зависимость давления в цилиндре от хода поршня (или в зависимости от объёма, занимаемого газом в цилиндре) называют индикаторной диаграммой. Но это упрощенное определение, смысл и назначение индикаторной диаграммы гораздо шире. Она позволяет определить взаимосвязь между физико-техническими параметрами, такими как крутящий момент, обороты и мощность. А также зависимость давления в цилиндре, мощности и расхода топлива от крутящего момента и частоты вращения.
В общем виде индикаторная диаграмма представляет собой трехмерное изображение. Но поскольку с трехмерными изображениями работать сложно, тот или иной параметр проецируется на плоскость «обороты-крутящий момент».
С помощью индикаторных диаграмм оцениваются характеристики двигателя в процессе его разработки. Эти диаграммы используются и при проектировании компонентов ДВС.
Двигатель и его компоненты подвергаются двум типам нагрузок:
- высокочастотных (high-cycle frequency, HCF) в рабочем режиме;
- низкочастотных (low-cycle frequency, LCF), возникающих в результате переключения с рабочих частот на более низкие.
Изменения высокочастотных нагрузок могут стать причиной серьезных повреждений компонентов ДВС. Это естественно: ведь конструкционные материалы более чувствительны к быстрым изменениям динамических воздействий, чем к низкочастотным или квазистатическим нагрузкам.
Но низкочастотные нагрузки ни в коем случае нельзя недооценивать! Какое-то время инженеры не придавали им особого значения. Однако опыт работы показал, что даже небольшие величины этих нагрузок бывают опасными – особенно при стыковках двигателя с другими агрегатами. А взаимное действие высокочастотных и низкочастотных нагрузок может приводить к быстрым усталостным разрушениям конструкционных материалов.
Таким образом, при конструировании компонентов двигателя учитывают все типы нагрузок и диапазоны их частот. И конечно же, предусматривают запасы усталостной прочности деталей при расчетах.