Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания, страница 2

Общие предпосылкик разработке нового двигателяляющимися новыми требованиямик ее техникоэкономическим и,прежде всего, экологическим показателям.Ускорение процесса создания исокращение сроков модернизациидвигателей возможно на базе широкого и систематического применения математического моделирования в двигателестроении.Реализация с помощью новейшей вычислительной техники непрерывного процесса разработкиисходных вариантов конструкции,их расчетного анализа с выборомоптимального варианта, изготовления технической документациии производства отдельных деталейс помощью современных обрабатывающих центров стало нормойв практике передовых двигателестроительных фирм.Сколько бы совершенным не былпроцесс воплощения последовательности перечисленных стадий создания детали, узла и всего двигателя вцелом, успех в большой степени определяется выбором ряда основныхпараметров и соотношений, включая схемные решения, которые выполняются разработчиком.Необходимость создания новогодвигателя определяется условиямирынка, отражающими потребностиразличных потребителей в двигателях определенного типа с необходимыми техникоэкономическими показателями, включая рыночнуюстоимость двигателя.

При разработке новых конструкций широко используется принцип типоразмерного ряда, позволяющий при наличииминимального числа основных размеров двигателя, в частности, одного диаметра цилиндров за счет изменения их числа, а также степенифорсирования двигателя по параметрам рабочего процесса обеспечить значительный диапазон вырабатываемых мощностей. При этомпоявляются большие возможностив отношении унификации отдельных узлов и деталей, а следовательно, организации их специализированного производства и повышениякачества двигателей. Идея мощностного ряда нашла применение впрактике ведущих отечественных изарубежных фирмпроизводителей(ОАО "Коломенский завод" – двигатели ряда ЧН26/26, ОАО "Автодизель" (Ярославский моторный завод) – двигатели Ч(Н) 13/14; Ч(Н)14/14, КАМАЗ – двигатели Ч(Н)12/12, Ч(Н) 12/13 и др.)Жизненный цикл современногодвигателя составляет около 25 лет,на протяжении которых конструкция двигателя может быть модернизирована в соответствии с появ1.2.

Компоновочные схемыпоршневых двигателейПод компоновочной схемой поршневого двигателя (в рамках принятойкинематической схемы) понимаетсяпрежде всего взаимное расположение рабочих цилиндров и их число.Наибольшее распространение в современных ДВС получил кривошипношатунный механизм (КШМ) пе8схемы расположения цилиндров относительно коленчатого вала, нашедшие применение в двигателяхс КШМ.Схема 12 (табл. 1.1) может трансформироваться с любым числомколенчатых валов, расположенныхредачи усилий со стороны поршня квалу отбора мощности. В данномслучае компоновочная схема определяется взаиморасположением осейцилиндров и коленчатого вала (иливалов в многовальныхсхемах).В табл.

1.1 приведены различные1.1. Схемы расположения цилиндров в ДВС с КШМЧисло цилиндров в ряду(вдоль коленчатого вала)Cхема1. РяднаяОбластьпримененияВсе типы двигателейДо 112. VобразнаяВсе типы двигателей, кроме малооборотных судовых (МОД)До 103. ОпозитнаяБыстроходныетранспортныедвигателиДо 64. WобразнаяТо жеДо 69Продолжение табл.Число цилиндровв ряду (вдоль коленчатого вала)Cхема5. ХобразнаяОбластьпримененияБыстроходныечетырехтактныедвигатели специального назначенияДо 4То же6. Звездообразная(семилучевая звезда)До 8Авиационныечетырехтактныедвигатели воздушного охлаждения7.

Звездообразная(девятилучевая звезда)До 2Двухвальные двигатели8. Двухрядная с параллельным расположениемцилиндровТепловозные двигателиДо 610Продолжение табл.Число цилиндровв ряду (вдоль коленчатого вала)Cхема9. Двухрядные, НобразныеОбластьпримененияДвигатели специального назначенияДо 610.

С противоположно движущимися поршнями (ПДП)До 1011. С противоположно движущимися поршнями (ПДП)Тепловозные, судовые, специального назначения,двухтактныеБыстроходныедвухтактные специального назначения–Многовальные двигатели12. D – дельтигБыстроходныедвухтактные специального назначенияДо 611Окончание табл.Число цилиндровв ряду (вдоль коленчатого вала)Cхема13. Двухрядные с ПДПОбластьпримененияСудовые двухтактныеДо 8П р и м е ч а н и е. w – угловая скорость коленчатого вала; g – угол развала цилиндров.в вершинах соответствующих многоугольников. Однако практическогораспространения такие схемы не получили. Приведенными схемами неисчерпываются возможные композиции расположения и числа цилиндров, а также коленчатых валов.Указанные схемы относятся к двигателям простого действия.

На основенекоторых из них и прежде всегорядной (схема 1) и Vобразной (схема 2) схем возможно выполнениекак четырехтактных, так и двухтактных двигателей. Наряду с двигателями простого действия возможно выполнение и двигателей двойногодействия, когда поршень осуществляет рабочий ход при движении какв одну, так и в другую стороны, чтопозволяет увеличить мощность в1,5–1,8 раза.Принцип двойного действиябыл в прошлом реализован применительно к судовым малооборотным двухтактным двигателям сбольшими диаметрами цилиндров.В последнее время новые конструкции двигателей двойного действия не разрабатывались.Выбор компоновочной схемыопределяется не только одним расположением цилиндров относительно оси коленчатого вала (валов).

Важное значение имеет в целом "архитектурная" форма двигателя. Большое влияние на нее оказывает тип газообмена и привод клапанов, система топливоподачи, турбонаддува, смазочная, охлажденияи др. Выбор "архитектурной" формыи, прежде всего, схемы расположения цилиндров является ответственным моментом при созданиинового двигателя, так как от этогозависят многие важнейшие потребительские свойства двигателя, аизменение схемы в ходе доводки имодернизации двигателя невозможно и будет означать отказ от принятого разрабатываемого двигателя.1.3. Основные показатели,характеризующие конструкцию,и выбор исходных данных припроектировании поршневыхдвигателейСовременный этап развития двигателестроения характеризуется достаточно быстрой сменой поколенийпоршневых двигателей.

В машиностроительной технике такая сменапроисходит приблизительно в течение 10 лет. Одной из основных тенденций развития поршневых двигателей остается повышение их мощ12ДВС выпускаются в целях получения требуемого количества работы (энергии), вырабатываемой призаданной мощности в течение заданного срока службы двигателя(ресурса). Кроме того, при разработке двигателя приходится задаваться еще рядом параметров, определяющих работу двигателя и характеризующих его конструкцию.Рассматриваются комбинации различных параметров, некоторые изних однозначно связаны между собой. В качестве общих для всех типов двигателей показателей, кроменоминальной мощности и срокаслужбы, следует назвать частотувращения n коленчатого вала(мин-1), среднее эффективное давление pе (МПа), рабочий объем iVhцилиндров двигателя, определяемый рабочим объемом Vh (л) цилиндра и числом i цилиндров, а такжеотношение хода S поршня к диаметру D цилиндра, т.е.

S/D и тактность t двигателя.Эффективная мощность Nе двигателя (кВт) определяется по формулености при существенном улучшенииэкологических показателей и надежности, а также высокой экономичности. Как показывает статистика,мощность установок с поршневымидвигателями возрастает в среднем взависимости от назначения установки на 60–100 % за десять лет. Мощность является основным параметром двигателя.Развитие энергетических установок характеризуется также непрерывным ростом удельных показателей. Все большее внимание уделяется снижению расходов, связанных сэксплуатацией двигателя и определяемых его экономичностью, экологическими показателями, надежностью и сроком службы, трудоемкостью технического обслуживанияи некоторыми другими факторами.Конкурентная способность поршневых двигателей, особенно транспортного назначения, помимо экономичности, зависит от его массогабаритных показателей.

Эти показатели при заданной мощности непосредственно связаны с числомцилиндров и улучшаются с увеличением последнего. Причем если понижение массы двигателя после некоторого уровня часто уже не даетзаметного снижения массы всей установки, то уменьшение объема, занимаемого двигателем, во многихслучаях имеет первостепенное значение.При проектировании двигателяконструктор решает комплекс проблем, связанных с компоновкойдвигателя и анализом процессов,происходящих в цилиндре и различных системах двигателя. Приэтом должна учитываться возможность дальнейшего совершенствования конструкции в соответствиис требованиями научнотехнического прогресса.N e = pe niV h 30t .(1.1)Позаданнойэффективноймощности при выбранном отношении S/D можно определить диаметр D (дм) цилиндра:D = 3 (120tN e ) pi(S D) pe n .

(1.2)Диаметр цилиндра является основным геометрическим параметром поршневого двигателя, с помощью которого можно ориентировочно оценить большинство геометрических размеров отдельныхдеталей двигателя. Многочисленные статистические данные позволяют это сделать для различногокласса двигателей. В зависимости13от типа и назначения двигателядиаметр цилиндра может составлять от десятков до тысячи миллиметров и даже больше.Очень часто в качестве одного изосновных параметров, особенноприменительно к быстроходнымтранспортным двигателям, в частности автомобильным, рассматривается литровая мощность Nл(кВт/л), т.е. вырабатываемая эффективная мощность, приходящаяся на 1 л рабочего объема цилиндра,N л = pe n 30t.параметры характеризуют уровеньфорсирования двигателя, в частности, тепловую напряженность егопоршневой группы.В число задаваемых параметровчасто входит средняя скорость (м/с)поршня, характеризующая уровеньбыстроходности двигателяC m = Sn 30.Средняя скорость поршня меняется у двигателей различных классов в существенно меньших пределах в отличие от частоты вращенияn коленчатого вала, которая можетразличаться до двух порядков у двигателей разных классов.

При разработке двигателя в первом приближении можно ориентироваться наприведенные в табл. 1.2 основныепоказатели, характеризующие конструкцию поршневого двигателя.В табл. 1.2 включена удельнаямасса двигателя mN, характеризующая эффективность использованияконструкции двигателя в целом повыработке мощности на его валу.В ряде случаев данный параметримеет решающее значение, отражаяконструкторское и технологическоесовершенство двигателя. Особоезначение mN имеет применительно кбыстроходным транспортным двигателям: автомобильным, мотоциклетным, авиационным, специального назначения, а также тепловозным. Cтремление уменьшить mN недолжно приводить к снижениюпрочностных и жесткостных характеристик деталей и узлов, сокращению срока службы двигателя и повышению его виброактивности.Следует остановиться на упомянутых параметрах: отношении S/Dи числе цилиндров i, которые приходится выбирать при разработкенового, а иногда и модернизациисуществующего двигателя.(1.3)При заданной литровой мощности Nл диаметр цилиндра D определяется по формулеD = 3 4N e pN л i(S D).(1.4)По литровой мощности судят обэффективности использования рабочего объема и уровня форсирования двигателя.