Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания, страница 96

Очевидно, роторнопоршневые двигатели могут найти применение в тех случаях, когда требованияснижения массы и размеров двигателя являются доминирующими.11.1.2. Двигатели грузовыхавтомобилей и тракторовАнализ развития автомобильногои тракторного двигателестроениясвидетельствует о том, что основнойэнергоустановкой современных большегрузных автомобилей и тракторовявляется дизель. Главной тенденциейразвития автотракторных дизелейявляется улучшение их экологических показателей, экономичности,срока службы, а также повышениеудельных и агрегатных мощностейпри высокой надежности. В ближайшее время должен быть завершенпереход отечественного двигателестроения на выпуск двигателей споказателями, токсичность которыхотвечает нормам Евро3, и начатоизготовление двигателей, соответствующих нормам Евро4.Опыт эксплуатации показал, чтодвигатель тем эффективнее, чем лучше были учтены при проектировании условия его работы.

Однако,чем выше специализация двигателя,тем выше стоимость его производства. Поэтому появляется необходимость унификации двигателей и создания их семейств. Унификация и455повышение рентабельности производства двигателей, имеющих широкий диапазон агрегатных мощностей, достигается, в первую очередь,изменением числа цилиндров (рабочего объема цилиндров двигателя).В настоящее время все большеевнимание уделяется повышению агрегатных мощностей автомобильных и тракторных дизелей путем ихфорсирования по давлению pe.

Увеличение значений pe достигается врезультате применения турбонаддува с промежуточным охлаждениемнаддувочного воздуха.Разрабатываемые автомобильныеи тракторные дизели должны бытьпригодными для использования идля строительнодорожных машин,а также в оборонной технике. Экономически целесообразной является концепция создания двигателейдвойного назначения. Двигатели грузовых автомобилей разделяют надвигатели малой грузоподъемности(легких) автомобилей, средних и тяжелых многотоннажных грузовыхавтомобилей. Всех их объединяетраздельная от автомобиля сертификация и измерение вредных выбросов [в г/(кВт×ч)]. Ориентировочнорабочий объем цилиндра Vh перечисленных групп двигателей составляетсоответственно 0,7, 1,0 и 2,0 л. Вовсех случаях важнейшими являютсятребования низкой токсичности отработавших газов, низкого уровняшума и вибраций.

Требования высокой надежности и ресурса повышаются по мере увеличения рабочегообъема Vh. В известной мере это относится и к массе двигателя.Установленное законодательно требование снижения выбросов оксидовазота приводит к ухудшению экономичности двигателя. Поэтому приразработке новых и модернизациисуществующих двигателей требуютсятехнические решения, позволяющиеразрешить это противоречие.

По мере увеличения мощности двигателявозрастает доля затрат на топливо,вследствие чего для двигателей с увеличенным значением iVh обеспечениевысокой топливной экономичностиособенно важно. При этом наблюдается тенденция роста максимальногодавления цикла (в перспективе до20 МПа), что выдвигает повышенныетребования к подшипникам коленчатого вала, газовому стыку двигателя,а также к прочности деталей цилиндропоршневой группы и головке(крышке) цилиндров. Техническиерешения, направленные на снижениетоксичности отработавших газов двигателей грузовых автомобилей, включают также применение четырехклапанных (на один цилиндр) головокцилиндров, перепуск отработавшихгазов с их охлаждением. Кроме этого,двигатели этого класса снабжаютсясистемами турбонаддува с промежуточным охлаждением воздуха, непосредственным разделенным впрыском с управляемым законом топливоподачи и контролем расхода маслана угар.

Дизели мощностью 70–140 кВт и iVh = 2,2–3,4 л в рядном исполнении являются наиболее востребованными в количественном отношении. Они предназначены для легковых автомобилей класса Е, внедорожников, малой грузоподъемностигрузовых автомобилей, микроавтобусов, тракторов, катеров, яхт, военнойи другой техники.Примером является рядный, четырехцилиндровый, четырехтактныйдизель 4 ЧН8,7/9,4 Заволжского моторного завода. Дизель разработан вразличных модификациях на базедвигателя с принудительным воспламенением, имеется вариант с турбонаддувом, охлаждением наддувочного воздуха и электронной системойрегулирования.

Дизель снабжен четырехклапанной конструкцией меха456низма газораспределения с цепнымприводом двух распределительныхвалов на головке цилиндров, применена рециркуляция отработавших газов. Чугунный блоккартер и кованый вал из легированной стали повышают надежность и срок службыдвигателя.На рис. 11.3 показан опытный четырехцилиндровый представитель семейства четырехтактных автомобильных дизелей типа 4 ЧН10,2/12,2жидкостного охлаждения с газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха Ярославского моторного заводаРис. 11.3.

Поперечный разрез автомобильного дизельного двигателя типа 4 ЧН10,2/12,2457(ЯМЗ). Двигатели этого семействапредназначены для многоцелевыхавтомобилей и автобусов, сельскохозяйственной техники, стационарныхустановок и транспортных средствспециального назначения. Будучивысокофорсированными по среднему эффективному давлению (около2 МПа), эти двигатели по техникоэкономическим показателям, включая экологические, соответствуютлучшим мировым аналогам. Проведена модернизация конструкции дизеля, направленная на повышениеего техникоэкономических показателей.Дизели мощностью 90–240 (300)кВт и iVh = 3–6(8) л могут выпускаться в рядном при i, равном 3,4и 6, и Vобразном исполнении приi, равном 6 и 8.

Они предназначаются для грузовых автомобилейсредней и повышенной грузоподъемности, городских автобусов,тракторов сельскохозяйственногоназначения, комбайнов, военной идругой техники.На рис. 11.4 показан поперечныйразрез четырехтактного, восьмицилиндрового, Vобразного автомобильного дизеля жидкостного охлаждения с газотурбинным наддувом.Рис. 11.4. Поперечный разрез автомобильного дизеля типа 8 ЧН13/14458Этот двигатель представляет собойдальнейшее развитие двигателей известного семейства ЧН13/14 ЯМЗ.Двигатель предназначен для установки на магистральные автопоезда, атакже тракторы.

Двигатель развивает мощность 294 кВт при n == 1900 мин-1, возможно форсирование по мощности до 309 кВт. Следуетотметить, что модернизация семейства двигателей ЧН13/14 с выходомна современный уровень параметров (минимальный расход топлива194 г/(кВт×ч), расход масла 0,2 % расхода топлива, ресурс – 800 тыс. кмпробега до капитального ремонта) затронула конструкцию более 90 % деталей и узлов двигателя.Дизели мощностью 300–1100 кВтрабочим объемом цилиндров iVh == 15–26 л выпускаются в Vобразномисполнении при i, равном 6,8 и 12, сгазотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочноговоздуха.

Они предназначены длябольшегрузных автомобилей, карьерной техники, тяжелых тракторов, атакже военной техники. Примеромможет служить четырехтактный, двенадцатицилиндровый, Vобразныйдизель 12 ЧН14/14 Ярославского моторного завода (рис. 11.5).Рис. 11.5. Поперечный разрез автомобильного дизеля типа 12 ЧН14/14459Основные принципы компоновкии конструкторского исполнения дизелей этой группы те же, что и предыдущей группы.

Однако в связи сбольшим диаметром цилиндра и высоким форсированием по среднемуэффективному давлению pе в дизеляхэтой группы особое внимание уделяется повышению жесткости основных элементов остова и коленчатоговала, герметичности газовых стыков,снижению теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы иголовки цилиндров. Головки цилиндров в этом случае выполняют, какправило, четырехклапанными индивидуальными, а также общими длядвух или трех цилиндров.Условия эксплуатации тракторных дизелей существенно отличаются от условий эксплуатации дизелей грузовых автомобилей: высокаяРис. 11.6.

Поперечный разрез тракторного дизельного двигателя типа 4 ЧН10,5/12,0460средняя нагрузка 60–80 %, а при тяжелой пахоте 85–100 %, переменный характер режимов работы (число циклов нагрев–охлаждение достигает 4×104 за 6000 моточасов), повышенная запыленность окружающей среды. Вследствие высокой нагрузки двигателя элементы тракторного дизеля должны иметь большиезапасы прочности. Именно поэтомуустановка автомобильного дизеляна трактор сопровождается снижением его номинальной мощностина 30–40 %. Для тракторов применяют дизели жидкостного, режевоздушного охлаждения, в рядном иVобразном исполнениях в зависимости от числа цилиндров и мощности двигателя. Хотя выпускаютсяи безнаддувные двигатели, предпочтение отдается двигателям с турбонаддувом с неразделенными камерами сгорания.Компоновка и конструкциятракторного дизеля определяютсяего назначением, размерами цилиндра, агрегатной мощностью идругими факторами.

На рис. 11.6показан рядный, четырехтактный,четырехцилиндровый дизель воздушного охлаждения с турбонаддувом 4 ЧН10,5/12 Владимирскогозавода для трактора класса 1,4–2 т. Представленная модификациядвигателя мощностью до 60 кВтявляется развитием мощностногоряда известных отечественных тракторных дизелей с воздушным охлаждением. Дальнейшее улучшениетехникоэкономических показателей связано, в частности, с уменьшением длины поршня при сокращении до трех числа поршневых колец.Одна из модификаций представленного на рис. 11.5 дизеля жидкостного охлаждения 12 ЧН14/14 устанавливается на промышленныетракторы класса до 35 т.11.2.

Тепловозные и судовыедвигатели с частотой вращенияколенчатого вала 750–1100 мин1В диапазоне мощностей 1500–3500 кВт, что считается перспективным для железнодорожного транспорта, в настоящее время преимущественно применяются высокофорсированные четырехтактные дизели с частотой вращения коленчатого вала 900–1000 мин-1. Доля двухтактных тепловозных двигателей нароссийских железных дорогах напротяжении нескольких десятилетий постоянно уменьшается (имеются в виду как двигатели с противоположно движущимися поршнями типа ДН 20,7/2´25,4, так и с клапаннощелевой продувкой типа ДН 23/30).Тепловозные дизели как двух, так ичетырехтактные выпускают рядными с числом цилиндров 4 и 6, а также Vобразными с числом цилиндров 8, 12, 16 и 20 при диаметре цилиндра 200–300 мм.

Двигатели рассматриваемого класса используютсятакже в качестве главных и вспомогательных на судах различного назначения, большегрузных карьерныхсамосвалах, передвижных электростанциях, буровых установках имногих других объектах. Дизели сменьшими агрегатными мощностями можно создать в пределах мощностного ряда за счет уменьшениячисла цилиндров и уровня форсирования.

В условиях сильной конкуренции на мировом рынке достигнуты высокие показатели рабочих процессов, обеспечивающие удельныерасходы топлива 186–195 г/(кВт×ч),масла 0,4 г/(кВт×ч) при сроке службыдо выемки поршней 35–50 тыс.ч.Эти двигатели относятся к верхнейступени диапазона частот вращениякласса среднеоборотных двигателей.В ближайшем будущем эмиссияотработавших газов должна быть461по оксидам азота не более 6–8 г/(кВт×ч), оксиду углерода 0,5–1,0, углеводородам – не выше0,5 г/(кВт×ч) и дымности менее 1балла. В дальнейшем эти показатели должны постоянно понижаться.Массогабаритные показатели тепловозных двигателей в значительной степени ограничены нагрузкойна ось и габаритами локомотива.Улучшению массогабаритных показателей способствует применениеподвесных опор коленчатого валавзамен фундаментной рамы.