Принципы выбора двс для транспортных средств

Лекция 11

Принципы выбора двс для транспортных средств

Введение

Подбор двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу.

Объясняется это большим разнообразием транспортных средств, широким диапазоном условий эксплуатации и специфических требований к конкретному транспортному средству.

Подбирая двигатель, необходимо решить следующие вопросы: - тип двигателя, - его максимальная мощность, - частота вращения коленчатого вала, - тип системы охлаждения, эксплуатационно-техческие показатели: экономичность, токсичность, виброакустические характеристики, пусковые качества, обеспечение условий зимней эксплуатации и надежность.

Рекомендуя двигатель на транспортное средство, конструктор значительной мере задает его свойства (топливную экономичность, динамические качества, надежность и | др.), а также предопределяет известную эксплуатационную инфраструктуру и, главное, } определяет исходные данные для проектирования и организации перевозочного процесса.

Рекомендуемые материалы

1. Общие предпосылки к выбору типа двигателя и его компоновки

2. Выбор отношения хода поршня к диаметру цилиндра и радиуса кривошипа к длине шатуна.

3. Предпосылки к выбору двигателя с учетом эксплуатационно-технических показателей мощности, типа системы охлаждения

1. Общие предпосылки к выбору типа двигателя и его компоновки

При проектировании двигателя в большинстве случаев считаются заданными его назначение, условия работы, потребная мощность и соответствующая ей частота вращения коленчатого вала.

При выборе на стадии проектирования типа двигателя учитывают как тенденции развития двигателестроения и автомобильного транспорта в целом, так и социально-экономические аспекты, в первую очередь связанные с вопросами экономии сырьевых и энергетических ресурсов, охраны окружающей среды, безопасности эксплуатации, надежности и т. д.

С учетом этих факторов основной энергетической установкой для грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности, автобусов, тракторов и дорожно-строительных машин является дизельный двигатель. Двигатели с искровым зажиганием устанавливают преимущественно на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности (до 2,5 т).

Следующим этапом при проектировании двигателя является выбор его системы охлаждения, которая в значительной мере определяет конструкцию и эксплуатационные качества двигателя.

После определения типа двигателя и системы охлаждения с учетом его назначения и условий работы на основе статистических данных для двигателей аналогичного типа устанавливают ориентировочные значения литровой мощности N_л и среднего

эффективного давления р_е проектируемого двигателя и тем самым оценивают уровень его форсированности. Значения N_л и р_е впоследствии уточняют с помощью теплового

расчета рабочего, цикла.

Далее приступают к выбору основных конструктивных параметров: количества и. расположения цилиндров, отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S/D), отношения радиуса кривошипа к длине шатуна ().

Количество и расположение цилиндров двигателя определяются местом установки двигателя на транспортном средстве, габаритными размерами подкапотного пространства, мощностью двигателя, размерами цилиндра, уравновешенностью сил инерции

вращающихся и поступательно движущихся масс и моментов от них, степенью равномерности крутящего момента.

С увеличением количества цилиндров улучшаются уравновешенность двигателя и равномерность его хода, облегчается пуск, уменьшается масса маховика. Вместе с тем увеличение количества цилиндров приводит к усложнению конструкции двигателя и росту затрат на обслуживание в эксплуатации.

При данном рабочем объеме двигателя количество цилиндров выбирают с учетом диаметра цилиндра, на размеры которого влияют организация рабочего процесса, механическая загруженность и тепловое состояние деталей поршневой группы.

Основная масса автотракторных дизелей, выпускаемых промышленностью, имеет диаметр цилиндра, находящийся в диапазоне 100... 140 мм. При меньших диаметрах цилиндра ухудшаются условия смесеобразования и сгорания из-за снижения интенсивности движения воздушного заряда, а при больших возрастают тепловое и механические нагрузки на головку цилиндра и поршень.

В двигателях с искровым зажиганием максимальное значение диаметра цилиндра ограничивается детонацией, вероятность которой повышается с увеличением расстояния от электродов свечи до наиболее удаленных объемов топливовоздушной смеси. Ввиду этого диаметр цилиндра двигателей с искровым зажиганием не превышает 105 мм.

При отмеченных выше диаметрах цилиндров на средних, большегрузных автомобилях и автобусах устанавливают преимущественно шести- и восьмицилиндровые двигатели. Для легковых автомобилей в большинстве случаев применяют четырехцилиндровые двигатели.

По расположению цилиндров автомобильные и тракторные двигатели разделяют на однорядные и F-образные.

Среди четырех- и шестицилиндровых двигателей преобладают модели с однорядным расположением цилиндров. Двигатели, выполненные по подобной схеме, хорошо компонуются как на автомобилях с кабиной за двигателем, так и на автомобилях с кабиной над двигателем. Они имеют достаточно простую конструкцию блок-картеров и удобны для обслуживания в процессе эксплуатации.

Значительно реже применяют шестицилиндровые двигатели с F-образным расположением цилиндров. Одним из препятствий к применению таких двигателей является неравномерность чередования рабочих ходов, которая увеличивает неравномерность крутящего момента, вызывает больший размах цикла напряжений б элементах коленчатого вала, повышает нагрузки на упругие элементы подвесок, приводит

к росту вибраций двигателя, требует установки маховика с увеличенным маховым моментом.

Исключение составляют рассматриваемые двигатели со смещенными шатунными шейками коленчатого вала для каждой пары шатунов смежных цилиндров. При этом достигается равномерное чередование рабочих процессов отдельных цилиндров, но усложняется конструкция коленчатого вала.

В двигателях с количеством цилиндров восемь и более применяют F-образное расположение цилиндров.

Достоинством V-образных двигателей по сравнению с однорядными той же мощности является уменьшение удельной массы двигателя, его габаритных размеров (длины и высоты) и, как следствие, повышение жесткости блок-картера и коленчатого вала.

При конструировании F-образных двигателей особое внимание уделяют выбору угла развала цилиндров у, от значения которого зависят уравновешенность двигателя, равномерность его хода и габаритные размеры. Наибольшее распространение получили углы развала у = 60, 90, 120, 180°.

2.Выбор отношения хода поршня к диаметру цилиндра и радиуса кривошипа к длине шатуна.

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра является одним из основных параметров, определяющих габаритные размеры и массу двигателя. Этот параметр связан непосредственно со скоростью поршня и мощностью двигателя. В настоящее время многие автомобильные двигатели делаются короткоходными, имеющими отношение S/D = 0,75 + 1,0.

Рассмотрим преимущества и недостатки двигателей с разными отношениями S/D, но с одинаковым числом оборотов коленчатого вала. С ростом отношения S/D увеличивается высота двигателя и его масса. При этом жесткость коленчатого вала уменьшается, вследствие чего создаются более благоприятные условия для возникновения резонанса крутильных колебаний. При увеличении отношения S/D возрастает ход поршня S, а следовательно, и средняя скорость поршня, что обусловливает повышение инерционной нагрузки на детали, ухудшение наполнения цилиндров и большую работу трения, т. е. меньшую износостойкость деталей двигателя.

К преимуществам короткоходных двигателей следует отнести следующее: 1) увеличение числа оборотов при форсировке двигателя без повышения средней скорости поршня; 2) повышение срока службы деталей поршневой группы при работе с умеренными средними скоростями поршня (для двигателей легковых автомобилей v_n =10,0^-16,0 м/сек, а для двигателей грузовых автомобилей v_n = 7,0 н-13,0 м/сек); 3)

увеличение перекрытия шатунных и коренных шеек, что повышает прочность и жесткость коленчатого вала; 4) повышение коэффициента наполнения цилиндров двигателя благодаря меньшим скоростям впуска, прямо пропорциональных скорости поршня; 5) уменьшение габаритных размеров двигателя в направлении оси цилиндров; 6) понижение тепловых потерь в охлаждающую среду.

Однако с уменьшением отношения S/D увеличивается длина двигателя и его

масса. При этом затрудняется прохождение противовесов коленчатого вала под кромкой поршня при его положении в н. м. т.

Малые отношения S/D целесообразно применять в К-образных двигателях, так как при этом уменьшается их длина и ширина, особенно при большом угле между осями цилиндров. По этой же причине двигатели с противолежащими цилиндрами также целесообразно делать короткоходными.

В современных автомобильных двигателях отношение S/D изменяется в пределах 0,75-1,2, причем высокооборотные двигатели и двигатели, работающие с большой нагрузкой, должны иметь отношение S/D, близкое к низшему пределу.

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна Л - R/L выбирают на основании следующих соображений.

Малые значения , желательны для понижения давления поршня на стенку цилиндра, а также для уменьшения второй и более высоких гармоник сил инерции поступательно движущихся масс, что имеет большое значение для уравновешивания двигателя. Однако малым значениям соответствует большая длина шатуна L, а следовательно, большие габаритные размеры и масса двигателя. С целью уменьшения габаритных размеров и массы двигателя выбирают большие значения .

Для современных автомобильных двигателей ; быстроходных

двигателях применяют более длинные шатуны, чем в тихоходных. При конструировании двигателей необходимо учитывать, что стержни шатунов при максимальном отклонении их от оси цилиндров и нижние головки шатунов в положении, близком к в. т. м., не

должны задевать за выступающие в картер стенки цилиндров. Поэтому увеличивают длину шатунов или, если это допускает конструкция, делают вырезы в блоке цилиндров.

3 Предпосылки к выбору двигателя с учетом эксплуатационно-технических показателей мощности, типа системы охлаждения

Подбор двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу, для решения которой до настоящего времени нет научно основанных рекомендаций.

Объясняется это большим разнообразием транспортных средств, широким диапазоном условий эксплуатации и специфических требований к конкретному транспортному средству.

Если ограничится автомобильной техникой, том подбирая двигатель, необходимо

решить следующие вопросы: - тип двигателя, - его максимальная мощность, - частота

вращения коленчатого вала, - тип системы охлаждения, - эксплуатационно-техческие показатели: экономичность, токсичность, виброакустические характеристики, пусковые качества, обеспечение условий зимней эксплуатации и надежность.

Рекомендуя двигатель на транспортное средство, конструктор значительной мере задает его свойства (топливную экономичность, динамические качества, надежность и | др.), а также предопределяет известную эксплуатационную инфраструктуру и, главное, } определяет исходные данные для проектирования и организации перевозочного процесса, т. е. того самого процесса во время которого созданы двигатель, транспортное средство и вся инфраструктура.

Обеспечение перевозочного процесса (или другой функции, например у дорожно-строительных машин, сельскохозяйственной техники) в городе, регионе, в стране в целом возможно вполне определенным парком машин, каждая из которых будет укомплектована обоснованно выбранным двигателем внутреннего сгорания.

Установленный двигатель на транспортном средстве и сформированный парк

машин будут определять воздействие на окружающую среду. Другими словами, выбор

типа двигателя для наземной мобильной машины — это не только задача техническая или

экономическая, но и экологическая.

Представление о структуре парка машин в нашей стране на начало 90-х годов дает рисунок 55, а. Отметим, что находящиеся в эксплуатации автомобили выбрасывают ежегодно 20...27 млн. т СО, 2...2,5 млн. т С_ХН_У, 6...9 млн. т NO_X, до 100 тыс. т соединений

серы, до 100 тыс. т сажи, 13 тыс. т тяжелых металлов, 200......230 млн. т СО2 и 3,1-10

МДж теплоты. Для сравнения в США: СО — 61 млн. т, С_ХН_У — 6,4 млн. т, NO_X — 6,6 млн. т, серы — 0,4 млн. т.

Таким образом, оценка экологических качеств ПДВС дает возможность более обоснованно осуществлять выбор двигателя для транспортного средства.

В настоящее время выбор стал значительно шире и многообразнее, так как на внутреннем рынке появилось большое количество зарубежной техники.

Рисунок 55. Структура парка АТС в бывшем СССР (на начало 70-х годов (а) и выбросы нормируемых вредных веществ автомобильным транспортом в атмосферу (б))

При выборе типа двигателя следует руководствоваться практикой мирового автомобильного двигателестроения. Так, в общем автомобильном парке ФРГ удельный вес дизельных автомобилей во второй половине 80-х годов составлял примерно 16%. При этом в парке грузовых, автомобилей — 61%, в автобусном — 98%, в легковом — 7%. В Японии 14% автомобильного парка используют дизели. Распределены они так: парк грузовых автомобилей — 28%, автобусов — 88%, легковых — около 4%.

В США дизелязация несколько отстает: доля дизельных автомобилей в грузовом парке составляет 4%, в автобусном — 15%, в легковом — 1%. Приведенное распределение сохранится, по-видимому, и в будущем, так как на легковых автомобилях будут применяться двигатели с искровым зажиганием, а на автобусах и грузовых — дизели.

Мощность двигателя конкретного транспортного средства 'зависит от многих факторов: - режимов эксплуатации, - климатических условий, - заданной максимальной скорости движения, - обеспечения необходимых приемистости и приспособляемости и др.

Превалируют в эксплуатаци и является неустановившемся режимом работы двигателя, он составляет 93...97% в условиях интенсивного городского движения, 90...95% при движении по грунтовым (Дорогам, 30...35% всего времени движения автомобиля на загородных магистралях. Используемая мощность двигателя составляет °13...78% номинальной. Работа на неустановившихся режимах приводит к росту расхода топлива на 5...7% и увеличивает износ двигателя в среднем в 1,2...2 раза.

В плане нашего курса рассмотрим два несколько упрощенных подхода к решению данного вопроса.

1. Мощность двигателя (кВт), обеспечивающую максимальную скорость движения, можно определить из следующего выражения:

где V_amax — максимальная скорость автомобиля, м/с; т_а — масса автомобиля; <р — коэффициент суммарного сопротивления дороги.

Приближенно можно принять: для легковых автомобилей ^ = (0,01...0,5)-10"⁶К_а²_тахдля грузовых автомобилей q> = (0,015...0,2)-10^F_a²_max; К_в — коэффициент обтекаемости, Н с²/м⁴; F— лобовая площадь, м²;

К_В F

Легковые автомобили 0,2...0,3 1,5...2,0

Грузовые 0,5...0,7 3,0...6,5

Автобусы 0,35...0,45 3,0...7,5

— коэффициент учета силы инерции приведенных вращающихся ' масс; для его определения можно пользоваться следующим выражением: 8 = 1,04 + 0,04/^, где i_K — передаточное число коробки передач; j_a — ускорение автомобиля, которое можно принимать равным 0,2...0,3 м/с²; rj_T =0,85...0,9—КПД трансмиссии.

2. Для ориентировочной оценки необходимой максимальной мощности двигателя для различных видов автомобильной техники можно воспользоваться статистическими данными по удельным мощностям двигателя (кВт/т):

В таблице приведены данные по N_уд и другим показателям ряда отечественных

автомобилей

На основании данных таблице можно принимать удельные мощности, кВт/т: 40...45— для Легковых автомобилей; 9...10 — для грузовых, 10...12 — для автобусов.

Зная полную массу, можно определить и необходимую максимальную мощность двигателя. Частота вращения коленчатого вала обусловлена специфическими требованиями к каждому типу I двигателя и должна учитываться при расчете передаточных чисел коробки передач и главной передачи.

Тип охлаждения двигателя. В практике мирового автомобильного двигателестроения применяется как жидкостное, так и воздушное охлаждение. Сравнительная оценка обоих видов дана выше.

Но, решая этот вопрос применительно к конкретному транспортному средству, необходимо руководствоваться условиями эксплуатации, в которых, вероятно, придется работать двигателю; традициями, установившимися в данной области техники; возможностью обеспечения хороших пусковых качеств при низких, отрицательных температурах и т. д

Таблица 2.

При использовании жидкостного охлаждения необходимо выпускать автомобили в двух видах исполнения: «северном» и «южном». Очевидно, что при эксплуатации в диапазоне температур +30...-60°С (Якутия) размеры поверхности охлаждения радиатора, подача вентилятора и водяного насоса должны быть меньшими, чем при эксплуатации в диапазоне температур+45...+10°С (Ташкент).

Так, например, у автомобиля КамАЗ поверхность охлаждения радиатора будет примерно на 25% меньше, если производить расчет на t₀ = ЗО°С (в настоящее время

расчеты ведут на +45°С). На машинах «южного» исполнения не требуется устройства, облегчающего запуск двигателя при низких температурах.

Эти обстоятельства позволят снизить затраты мощности на систему охлаждения и затраты дефицитных, материалов, что в конечном итоге приведет к значительному экономическому эффекту.

Эксплуатационно-технические показатели (топливная экономичность). Данный показатель является чрезвычайно важным при решении вопроса о двигателе для автомобиля. Если подходить к решению этого вопроса только с точки зрения экономичности, то следовало бы во всех случаях применять дизели, так как они экономичнее двигателей с искровым зажиганием в среднем на 25...30%. Но, как указывалось выше, применение дизелей пока ограничено грузовым транспортом и автобусами в силу специфических требований к двигателям легковых автомобилей. Но независимо от типа необходимо использовать двигатели с такими параметрами, которые обеспечивали бы конкретному транспортному средству минимальный расход топлива при максимальной производительности. Оценочным показателем топливной экономичности является расход топлива [г/(кВт • ч)]

где G_T — часовой расход топлива, кг/ч.

На уменьшение g_e направлены исследования в области совершенствования

рабочих процессов двигателей, где к настоящему времени достигнуты значительные успехи.

Но данный показатель в значительной степени зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. По этой причине он не может быть объективным показателем для сравнения и оценки двигателей различных машин. Более правильно отражает экономичность расход топлива, отнесенный к совершенной работе, т. е. л/100 т-км.

В соответствии с этим по ГОСТ 20306—85 топливная экономичность оценивается следующими показателями: - контрольный расход топлива (КРТ); - расход топлива в магистральном ездовом цикле на дороге (РТМЦ); - расход топлива в городском ездовом цикле на дороге (РТГЦД); - расход топлива в городском цикле на стенде (РТГЦ).

Значения KPT отечественных автомобилей приведены в таблица . Как видно из этой таблицы, КРТ определяют при определенной скорости движения, различной для разных видов автомобильной техники. КРТ позволяет косвенно оценить техническое состояние автомобиля и сравнить уровень топливной экономичности аналогов.

Остальные показатели экономичности используют для оценки средних расходов в типизированных характерных условиях движения.

К сожалению, при выборе двигателя нет полной информации по всем показателям, в лучшем случае имеются только данные по g_e на номинальном режиме или g_emin по внешней скоростной характеристике двигателя и иногда КРТ. Как показывает опыт, расход топлива (л/100 т-км) зависит от V_h и от N_уд, поэтому, обосновывая необходимую

мощность для транспортного средства, следует учитывать указанные зависимости и не завышать N_у..

Токсичность. При подборе двигателя необходимо, чтобы он в полной мере удовлетворял требованиям законодательных ограничений (предельных норм) на выброс токсичных веществ. Эти нормы и метод определения по содержанию оксида углерода регламентированы ГОСТ 17.2.2.03-77 для бензиновых двигателей, а для автомобильных дизелей — ГОСТ 21393-75 по дымности отработавших газов и ОСТ 37.001.234—81 по выбросам СО, СНя NO_X, [г/(кВт-ч)]:

оксида углерода СО не более 7,0;

углеводородов СН не более 2,4;

окислов азота NO_X не более 13,5;

Контрольные вопросы:

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 13 Доктрина существа над формой.

1. Какие факторы учитываются при выборе типа двигателя на стадии проектирования?

2. Каким фактором определяется выбор числа и расположения цилиндров?

3. Чем ограничивается максимальное значение в ПД с искровым зажиганием?

4. Чем ограничивается максимальное значение в ПД с самовоспламенением?

5. В чем состоят преимущества и недостатки ПД с разными отношениями ?

6. Какие факторы учитываются при выборе мощности двигателя?