Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Конструкция, расчет двигателей

При конструировании и расчете автотракторных двигателей следует исходить из комплекса связей, существующих между экономическими, энергетическими, массовыми, габаритными показателями, совершенством тепловых процессов, выносливостью ответственных деталей, методами упрочнения и технологией производства.

Высокая надежность двигателей при пробеге автомобилей (500 800 тыс. км с дизелями, 250350 тыс. км с бензиновыми двигателями и 8000 ч работы тракторных дизелей) определяется величинами запасов прочности и максимальных напряжений, возникающих в блок-картере, головке цилиндров, прокладке газового стыка, коленчатом вале, шатуне, поршневом пальце, поршне, кольцах и деталях механизма газораспределения. Большое значение имеет также структурная жесткость, зависящая от выбранной силовой схемы, конструктивных форм, рационального распределения металла по объему, размеров и расположения крепящих деталей, силовых связей.

Стабильность теплового состояния двигателя при различных нагрузочных и скоростных режимах работы, обеспечиваемая герметизированной регулируемой системой охлаждения со всесезонной жидкостью, исключающей образование накипи и коррозии деталей из алюминиевых сплавов; полнопоточная тонкая очистка масла; применение водомасляных радиаторов; эффективная вентиляция внутри-картерного пространства; двухступенчатая очистка воздуха бумажными фильтрующими элементами являются факторами, обеспечивающими длительную и надежную эксплуатацию.

Тенденция развития грузовых и легковых автомобилей выражается в непрерывном возрастании максимальных и средних скоростей движения, повышении приемистости, увеличении грузоподъемности и снижении собственной массы автомобиля.

Высокие среднетехнические скорости движения, обеспечивающие эффективное использование грузового транспорта, достигаются при мощности, отнесенной к полной массе автомобиля, 68 кВт/т.

В этом случае грузовой автомобиль может двигаться по пересеченной местности с высокой скоростью, малым числом переключений передач и при продолжительных режимах работы на неполных нагрузках, что обеспечивает высокую эксплуатационную экономичность автомобиля, если на нем установлен дизель, и большую долговечность.

Номинальную мощность определяют из условия обеспечения требуемых скоростей движения при заданной полной массе автомобиля, а число и расположение цилиндров выбирают с учетом получения оптимальных показателей по массе двигателей, их габаритных размеров и компоновки моторного отделения.

Во всех промышленно развитых странах с целью повышения технико-экономической эффективности грузовых автомобилей, самосвалов, автобусов, дорожных и специального назначения машин широко используют дизели, мощность которых доходит до 750 кВт. Ведутся работы по созданию дизелей мощностью до 1000 кВт и выше в одном агрегате.

Широкое применение дизелей обосновывается:

1) высокой топливной экономичностью, присущей рабочему циклу, и стабильным протеканием экономических характеристик в рабочем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, обеспечивающих снижение эксплуатационных расходов топлива на 2540% по сравнению с карбюраторными двигателями; меньшей стоимостью топлива;

2) сближением энергетических, габаритных и массовых показателей дизелей и карбюраторных двигателей вследствие форсирования дизелей по частоте вращения и среднему эффективному давлению, усовершенствования процесса газообмена, более эффективного использования воздуха при смесеобразовании и сгорании, а также уменьшения внутренних потерь в короткоходных конструкциях;

3) сближением стоимости производства дизелей и карбюраторных двигателей;

4) высоким моторесурсом дизелей, достигающим 800 тыс. км пробега автомобиля;

5) меньшей токсичностью отработавших газов.

Стоимость изготовления дизелей на 2025% выше, чем карбюраторных двигателей из-за большей металлоемкости (на 1020%), применения легированных сталей для ответственных деталей, большей трудоемкости изготовления, меньшего масштаба производства и относительно высокой стоимости топливной аппаратуры. Затраты на техническое обслуживание и ремонт дизелей в эксплуатации в среднем выше примерно на 5%.

Следует отметить, что экономическая эффективность от внедрения дизелей определяется не только их топливной экономичностью, но и снижением примерно в 2 раза затрат на производство дизельного топлива по сравнению с высокооктановым бензином, уменьшением капитальных вложений на строительство установок вторичных процессов при производстве высокооктановых бензинов, значительным снижением объема нефтепереработки и перевозки топлива, меньшими потерями при его хранении.

Выбор расположения и числа цилиндров, а также силовой схемы блок-картера при проектировании нового двигателя определяется:

1) требованиями, предъявляемыми ко вновь создаваемой конструкции в отношении расположения двигателя на автомобиле или тракторе, получения минимальных габаритных размеров; доступности к основным механизмам и агрегатам;

2) стремлением получить конструкцию с минимальной массой и повышенной жесткостью блок-картера, от которой зависит долговечность гильз, поршневой группы и коленчатого вала с подшипниками;

3) уравновешенностью сил инерции вращающихся и поступательно-движущихся масс и моментов от них и равномерностью крутящего момента;

4) типом системы охлаждения (жидкостная или воздушная).

5) материалами, применяемыми для изготовления блок-картера, головки цилиндров, прокладки газового стыка и деталей цилиндро-во-поршневой группы.

Число цилиндров выбирают исходя из значений номинальной мощности, частоты вращения, сил инерции поступательно-движущихся и вращающихся масс, действующих на детали и подшипники кривошипно-шатунного механизма, и равномерности крутящего момента. От последнего зависят равномерность хода, масса маховика, размах цикла напряжений в элементах коленчатого вала и деталях трансмиссии, нагрузки на упругие элементы подвесок, вибрации двигателя и кузова автомобиля.

-образного двигателя уменьшается примерно на 30% и масса снижается на 2025%.

-образных двигателей на легковых автомобилях позволила увеличить полезную длину кузова на 300400 мм при одновременном снижении массы автомобиля на 100-110 кН.

При необходимости уменьшения высоты двигателя целесообразно применять конструкции с горизонтальным расположением цилиндров или короткоходные V-образные. Однако установка V-образных двигателей с относительно большой шириной связана с трудностями размещения опор (в особенности задних), выпускных трубопроводов, рулевого механизма, стартера, масляных фильтров.

Двигатели с горизонтальным расположением цилиндров имеют перспективы применения на грузовых автомобилях, автобусах и колесно-гусеничных машинах специального назначения, так как при этом можно расположить кабину водителя непосредственно над двигателем, увеличить полезную площадь платформы, улучшить обзорность автомобиля и его управляемость. В автобусах при горизонтальном расположении цилиндров двигатель обычно размещают под кузовом в средней части шасси. В этом случае улучшается проходимость вследствие разгрузки передней оси и уменьшается радиус поворота машины из-за большей подвижности передних колес. Наименьший габаритный объем двигателя получается при угле развала цилиндров 90°.

Из V-образных двигателей мощностью до 260 кВт наиболее распространены восьмицилиндровые с углом развала 90° и с пространственным валом. При зтом моменты от центробежных сил инерции вращающихся масс и сил инерции первого порядка поступательно движущихся масс уравновешиваются противовесами на щеках вала и дисбалансными массами маховика, шкива привода вентилятора или отдельно расположенной массой на переднем конце вала. Все больше применяются четырехтактные шестицилиндровые двигатели с углами развала 60 и 90°. При угле развала 90° и расположении трехколенчатого вала (спаренные шатунные шейки) под углом 120° неуравновешенным является момент сил инерции второго порядка поступательно движущихся масс. Момент сил инерции первого порядка уравновешивается совместно с неуравновешенным моментом от центробежных сил противовесами.

При угле развала 60° и расположении кривошипов под углом 60° силы инерции первого порядка уравновешиваются центробежными противовесами, размещенными на щеках коленчатого вала, а силы инерции второго противовесами балансирного валика, вращающегося с удвоенной частотой вращения. При этой схеме достигается высокая равномерность крутящего момента.

Четырехтактные двигатели большой мощности изготовляют двухрядными двенадцатицилиндровыми. При угле смещения кривошипов 120° уравновешиваются силы инерции поступательно движущихся и вращающихся масс при любом угле развала цилиндров: наибольшая равномерность хода этих двигателей достигается в случае угла развала 60°.

Для создания семейства двигателей с более плотным мощност-ным рядом можно рекомендовать V-образные конструкции с числом цилиндров десять и с углом смещения кривошипов коленчатого вала 72°. При угле развала между осями цилиндров 90° неуравновешенные моменты сил инерции первого порядка и центробежных сил уравновешиваются также противовесами на щеках вала или выносными, а момент сил инерции второго порядка балансирным валиком, вращающимся с удвоенной частотой вращения.

Наименьшую удельную массу имеют двигатели с V-образным расположением цилиндров. Масса уменьшается вследствие того, что при этом блок-картер и коленчатый вал короче, чем у однорядного двигателя. На каждые два цилиндра, расположенные в одном отсеке V-образного двигателя, приходится лишь один участок картера, который неизбежно удлиняется в конструкциях с последовательным размещением шатунов на одной шейке вала. В случае использования центральных шатунов (главного и прицепного или вильчатого и внутреннего), когда оси обоих цилиндров одного отсека будут расположены в одной плоскости, масса блок-картера уменьшается.

Коэффициент компактности дизелей (без воздухоочистителя) колеблется: однорядных для легковых автомобилей в пределах 18 20, V-образных жидкостного охлаждения грузовых автомобилей 1315, V-образных воздушного охлаждения грузовых автомобилей 1214.

Габаритная мощность V-образных дизелей с жидкостным охлаждением значительно выше (270325 кВт/м3), чем при воздушном (155185 кВт/м3). С увеличением числа цилиндров Nr заметно возрастает, например, при жидкостном охлаждении с 270 кВт/м3 (шестицилиндровые двигатели) до 325 кВт/м3 (двенадцатицилиндровые). У однорядных дизелей мощность Nr в среднем достигает 190 кВт/м3 (четырехцилиндровые) и 215 кВт/м3 (шестицилиндровые).

Выбор отношения S/D дает возможность влиять на габаритные размеры и массу двигателя. Все больше моделей двигателей в настоящее время выпускаются короткоходными с отношением SID равным 0,8 1,0 для бензиновых двигателей и 0,9 1,05 для дизелей. К преимуществам короткоходных конструкций относятся: .1) возможность повышения частоты вращения вала без повышения средней скорости поршня, а следовательно, без увеличения среднего давления внутренних потерь, прямо пропорциональных скорости поршня;

2) повышение срока службы деталей поршневой группы при работе с умеренными средними скоростями поршня;

3) повышение коэффициента наполнения цилиндров двигателя в результате меньших скоростей впуска, прямо пропорциональных скорости поршня;

4) понижение тепловых потерь в охлаждающую жидкость за процесс сгорания вследствие уменьшения отношения поверхности охлаждения к объему цилиндра при увеличении его диаметра.

Однорядные короткоходные двигатели обычно имеют большую массу, чем длинноходные, так как их длина определяется длиной блока цилиндров. Габаритные размеры при S/D <С 1 увеличиваются в двух направлениях в длину и ширину. Масса двигателя возрастает вследствие увеличения не только массы блок-картера, но в значительной мере и масс головки цилиндров и коленчатого вала.

Длина V-образного двигателя (с коренными подшипниками скольжения) зависит главным образом от длины коленчатого вала. Длину блока в этом случае удается приблизить к минимально возможной длине коленчатого вала и тем самым понизить массу двигателя.

В результате значительного перекрытия шатунных и коренных шеек в случае малых отношений S/D, а также применения более узких вкладышей для коренных шеек с большими диаметрами можно получить более жесткий коленчатый вал с относительно тонкими щеками и сократить при этом общую длину вала.

Одной из причин, ограничивающих минимальную величину отношения SID, является прохождение противовесов под кромкой поршня при его положении в н. м. т. У дизелей с непосредственным впрыском величина отношения iSVjD лимитируется также формой камеры сгорания и конечным объемом над кольцевым вытеснителем днища поршня.

при средних скоростях поршня около 911 м/с.

Показатели дизелей с воздушным и жидкостным охлаждением в настоящее время незначительно отличаются между собой. Литровая и поршневая мощности у обоих типов двигателей практически одинаковы.

Среднее эффективное давление дизелей с воздушным охлаждением бывает примерно на 10% ниже, что объясняется несколько меньшим коэффициентом наполнения. Массовые показатели удельная и литровая массы дизелей с воздушным охлаждением практически не отличаются от этих показателей для дизелей с жидкостным охлаждением.

, которое в двигателях с воздушным охлаждением достигает 1,4 D против 1,2 D для двигателей с жидкостным охлаждением. Увеличение межосевого расстояния вызывается применением конструкций с отдельными цилиндрами и развитой поверхностью охлаждающих ребер.

У V-образных дизелей с воздушным охлаждением в среднем длина получается большей на 21 %, ширина на ~ 24 % и высота на 3,5 %.

В результате габаритная мощность у дизеля с воздушным охлаждением меньше, чем у дизеля с жидкостным охлаждением (на 40 50%).

Глубина радиатора однорядных двигателей жидкостного охлаждения составляет 812% их длины. Поэтому, если сравнивать габаритные размеры силовых установок с учетом размеров радиатора, то длина силовой установки двигателя с воздушным охлаждением будет превышать длину силовой установки двигателя с жидкостным охлаждением только на 1317%.

Ширина однорядного двигателя с воздушным охлаждением вследствие значительной ширины цилиндра и вынесенного в сторону вентилятора при одностороннем подводе охлаждающего воздуха примерно на 510% больше. При V-образном расположении цилиндров вентилятор обычно удается вписать в габаритные размеры двигателя. Высота двигателей с воздушным и жидкостным охлаждением при верхнем расположении клапанов примерно одинакова.

Применение дизелей с воздушным охлаждением является перспективным для южных и северных районов нашей страны. Время прогревания двигателя в температурных условиях крайнего севера при этом заметно сокращается.

В южных районах при использовании водяного охлаждения образуются значительные отложения накипи на омываемых поверхностях, вызывающие появление местных перегревов, трещин в блоках и головках, преждевременный выход из строя радиаторов, коррозию деталей из алюминиевых сплавов.

Реклама