Требования к двигателям и их системам с учетом условий эксплуатации

Лекция 12.

Требования к двигателям и их системам с учетом условий эксплуатации.

Введение

Для создания высокопро­изводительной, экономичной в эксплуатации и экологически чистой транспортной, дорожно-строительной и сельскохозяйственной тех­ники автотракторные двигатели должны обеспечивать:

● высокую надежность в разнообразных эксплуатационных условиях;

●необходимую мощность при малой массе и габаритах, наибольшую топливную экономичность на всех режимах работы;

● нормативные шумность и вибрацию двигателя, а также дымность и токсич­ность отработавших газов;

● хорошие пусковые качества;

● легкость управления и автоматизацию работы;

Рекомендуемые материалы

● простоту технического обслуживания и ремонта;

● минимум эксплуатационных затрат труда и материалов.

Одним из главных эксплуатационных требований является обеспечение надежности двигателя, поскольку с надежностью напрямую связаны расходы на поддержание работоспособности двигателя в эксплуатации и расходы, вызванные простоем машины из-за отказов двигателя.

1. Основные показатели и условия эксплуатации поршневых двигателей.

2. Эксплуатационные требования к двигателю.

3. Требования к системам охлаждения, смазки, топливоподачи.

1.ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Основными показателями, характеризующими качество двигате­лей внутреннего сгорания, являются следующие:

1. Надежность всех элементов конструкции.

2. Степень совершенства преобразования тепловой энергии в ме­ханическую; она оценивается КПД или удельным расходом топлива, представляющим собой количество топлива (в массовых или объем­ных единицах), расходуемого в единицу времени на единицу мощ­ности.

3. Мощность двигателя, отнесенная к единице рабочего объема цилиндра или к единице площади поршня (удельная мощность).

4. Масса двигателя, приходящаяся на единицу мощности (удель­ная масса), и его габаритные размеры.

5. Степень токсичности и дымности отработавших газов, уровень шума при работе двигателя.

6. Простота конструкции, удобство обслуживания и стоимость изготовления двигателя, его эксплуатации и ремонта.

7. Надежность пуска двигателя.

8. Перспективность конструкции, позволяющая производить даль­нейшую ее модернизацию путем форсирования двигателя и повыше­ния его показателей в соответствии с уровнем развития техники.

Для транспортных двигателей важным качеством является быстрая приспособляемость к работе на пе­ременных режимах в зависимости от условий эксплуатации.

На рис. 56 приведены характери­стики двигателей внутреннего сго­рания различного назначения при работе на установившихся режимах. Поршневой двигатель может воспри­нимать нагрузку, начиная с опреде­ленного режима, характеризуемого минимальной устойчивой частотой вращения коленчатого вала пmin. Если органы управления впуском топливовоздушной смеси или впрыском топлива установлены на максимальную подачу, то, начиная с указан­ной частоты вращения, наибольшая развиваемая двигателем мощность будет характеризоваться кривой. Такое изменение мощности в зави­симости от частоты вращения называют внешней характеристикой двигателя. Максимальная мощность двигателя достигается в точке а. Частота вращения, соответствующая этой мощности, обозначается через п_е. При дальнейшем увеличении частоты вращения (штриховая линия) по ряду причин, указанных ниже, снижается мощность. При п = п _Разн, (где п_разн — максимальная частота вращения холос­того хода при установке органов управления впуском топливовоз­душной смеси или впрыском топлива на максимальную подачу) вся мощность двигателя расходуется на трение и приведение в дей­ствие вспомогательных механизмов. Работа двигателя по условиям надежности при п_разн не допускается.

Предельный скоростной режим, при котором двигатель работает по внешней скоростной характеристике, обычно ограничивается номинальной мощностью Nном при ^п = п_ном (точка а₁). В зависимости от условий передачи энергии потребителю кривая, характеризующая нагрузку двигателя, не всегда пересекается с его внешней характе­ристикой в точке, где N = Nmax_. Возможны случаи, когда п_ном = п_е.

Линия 2 характеризует режим работы при почти постоянной час­тоте вращения коленчатого вала (регуляторная характеристика). Соответствие между вырабатываемой двигателем на этом режиме мощностью и потребляемой устанавливается автоматически

Установившийся режим работы двигателя характеризуется тем, что его параметры (крутящий момент, частота вращения коленчатого вала и др.) в рас­сматриваемом интервале времени остаются неизменными.

регу­лятором. Точка Ъ характеризует работу двигателя без нагрузки. Режим работы двигателя с использованием регулятора характерен для стационарных силовых установок, а также для двигателей транс­портных машин. В этом случае положение органов управления по­дачей топливовоздушной смеси или топлива изменяется в соответ­ствии с потребляемой мощностью автоматически регулятором.

Небольшое увеличение частоты вращения коленчатого вала дви­гателя при снижении мощности связано с принципом действия ре­гулятора.

Для автомобильных двигателей с искровым зажиганием вслед­ствие ряда причин, связанных с условиями эксплуатации, рассмат­риваемый режим (линия 2) не является типичным и используется только в случае движения нагруженного автомобиля (например, автопоезда и т. п.) с мало изменяющейся скоростью на одной пере­даче.

Кривая 3 характеризует работу двигателя, нагруженного винтом (винтовая характеристика). В этом случае точка а_х соответствует номинальной мощности, развиваемой двигателем, когда органы подачи топлива или впуска топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя установлены на максимальную подачу. При нагружении двигателя винтом с уменьшением количества подаваемого топлива или топливовоздушной смеси снижается развиваемая двигателем мощность и понижается частота вращения вала. Ото изменение мощ­ности в зависимости от частоты вращения происходит по кубической параболе, т. е. N_е = Вп³ (где В — коэффициент пропорциональности).

По винтовой характеристике работают двигатели, в которых раз­минаемая мощность передается на винт (авиационные, судовые и др.).

В случае использования двигателя в качестве энергетической установки па автомобиле следует учитывать, что в зависимости от дорожных условий, скорости движения и нагрузки автомобиля необходимые для движения мощность двигателя и частота вращения колончатого вала меняются в широких пределах. Опыт эксплуатации автомобилей показывает, что большую часть времени двигатель работает с неполной нагрузкой при различной частоте вращения. При движении автомобиля на одной передаче по горизонтальному участку пути зависимость потребляемой им мощности от скорости движения близка к винтовой характеристике.

По результатам ранее проведенных исследований установлено, что и случае эксплуатации автомобиля «Волга» ГАЗ-21 в условиях интенсивного городского движения двигатель большую часть времени работает при низкой частоте вращения {п = 600 н- 1800 об/мин) и изменении мощности от мощности холостого хода до N_e — 23,6 кВт. Б указанном диапазоне режимов двигатель работает примерно 64% времени. При езде автомобиля по шоссе с небольшой интенсивностью движения этот двигатель преимущественно (в течение примерно 90% времени) работает с высокой частотой вращения при изменении мощ­ности от 37 кВт до номинальной.

Характерные режимы эксплуатации грузовых автомобилей в ус­ловиях езды по городу с интенсивным движением показаны на рис. 57, а. Опыты установили резкие колебания скорости движения V_а (кривая 1) и частоты вращения коленчатого вала двигателя (кривая 2).

Рис. 57. Характерные режимы работы автомобильных двигателей, установлен­ных на грузовых автомобилях:

а— карбюраторного в условиях городской езды;

б — дизеля (ЯМЗ) за полный цикл работы автомобиля в карьере;

М_кп — отношение крутящего момента при данном числе частоты вращения к наибольшему.

Причем большую часть времени двигатель работал со сравнительно мало открытой дроссельной заслонкой (кривая 3). Предельное от­крытие дроссельной заслонки составляло 40%.

Результаты исследования работы двигателя автомобилей КрАЗ-256 и БелАЗ-540А за полный цикл их работы в карьере (рис. 57, б) пока­зали, что крутящий момент М_кр двигателя ЯМЗ-238 (кривая 4) менялся от момента холостого хода до момента, равного 40% макси­мального, а двигателя ЯМЗ-240 (с наддувом) — до момента, состав­ляющего 60% максимального (кривая 5). Длительность работы ди­зеля ЯМЗ-238 при наибольшей нагрузке составила примерно поло­вину времени цикла, дизеля ЯМЗ-240Н — четверть времени. Частота вращения коленчатого вала менялась примерно в 4 раза.

Таким образом, особенностью эксплуатации автомобильного двигателя является частое и, в некоторых случаях, резкое изменение скоростного и нагрузочного режимов. Изменение мощности и ско­ростного режима автомобильного двигателя (заштрихованная об­ласть на рис. 56) ограничено внешней скоростной характеристикой и ветвью регуляторной характеристики (линия 2).

2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДВИГАТЕЛЮ.

Проектирование двигателя является сложным процессом, при котором специалистам приходится решать комплекс проблем, свя­занных с удовлетворением требований, определяемых назначением двигателя и условиями его эксплуатации. Для создания высокопро­изводительной, экономичной в эксплуатации и экологически чистой транспортной, дорожно-строительной и сельскохозяйственной тех­ники автотракторные двигатели должны обеспечивать:

● высокую 1 надежность в разнообразных эксплуатационных условиях;

●необходимую мощность при малой массе и габаритах, наибольшую топливную экономичность на всех режимах работы;

● нормативные шумность и вибрацию двигателя, а также дымность и токсич­ность отработавших газов;

● хорошие пусковые качества;

● легкость управления и автоматизацию работы;

● простоту технического обслуживания и ремонта;

● минимум эксплуатационных затрат труда и материалов.

Одним из главных эксплуатационных требований является обеспечение надежности двигателя, поскольку с надежностью напрямую связаны расходы на поддержание работоспособности двигателя в эксплуатации и расходы, вызванные простоем машины из-за отказов двигателя.

Под надежностью понимают свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах при заданных условиях его эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов в течение требуемого промежутка времени и (или) требуемой наработки. Заданной функцией для двигателя будет обеспечение энергией той транспортной, дорожно-строительной или сельскохозяйственной машины, для которой он предназначен.

3.ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ ОХЛАЖДЕНИЯ ,СМАЗКИ, ТОПЛИВОПОДАЧИ.

При современных требованиях конструирования машин надежность их является главным показателем конструктивного и технологического совершенства, особенно это касается двигателей внутреннего сгорания, и конструктору ДВС приходится решать сложные задачи по надежности. Сложность заключается в том, что в ДВС ряд ответственных деталей и взаимосвязанных узлов работают при одновременном воздействии на них переменных не только механических, но и тепловых нагрузок.

Сложность решения задач, связанных с надежностью, значи­тельно повышается при создании перспективных высокофорси­рованных двигателей, отличающихся высокой удельной мощностью и частотой вращения коленчатого вала. Надежность двигателя может также обусловливаться такими составляющими, как безот­казность, долговечность, сохраняемость деталей и узлов. Очевид­но, высокая сопротивляемость истиранию поверхностей трущихся пар и ослабление тепловой напряженности деталей могут обеспе­чить высокую надежность работы двигателя. Практически эта задача может решаться (кроме применения прогрессивной техно­логии) разработкой и применением эффективных систем охлажде­ния и смазки. Характеристики и общие схемы этих систем должны прорабатываться уже на стадии общей компоновки любого типа двигателя.

В качестве двигателей внутреннего сгорания для автомобилей и тракторов в настоящее время используют.

1. Двигатели с внешним смесеобразованием и воспламенением смеси от постороннего источника. В этих двигателях используют легко испаряемое топливо (жидкое или газообразное), а горючую смесь, как правило, приготовляют за пределами основного рабоче­го объема (цилиндра и камеры сгорания) двигателя в специальном приборе — карбюраторе. К этому же типу относятся двигатели с так называемой системой непосредственного впрыска легкого топлива во впускной трубопровод (коллектор).

2. Двигатели с внутренним смесеобразованием и самовоспламе­нением топлива. В этих двигателях используется трудноиспаряемое топливо (дизельное топливо, соляровые масла и их смеси) и горю­чая смесь образуется в камерах сгорания двигателей. Поэтому конструкция камер сгорания дизелей оказывает непосредственное влияние на способ смесеобразования и воспламенения горючей смеси. В современных дизелях в зависимости от конструкции камер сгорания и способа подачи топлива используют неразделенные камеры с объемным или пленочным смесеобразованием и разделен­ные камеры сгорания — предкамерные и вихрекамерные. К этому типу можно отнести бензиновые двигатели с впрыском топлива непосредственно в полость цилиндра.

Независимо от типов и видов двигателей внутреннего сгорания к их системам питания предъявляются требования, основными из которых являются.

1. Точное дозирование топлива и окислителя (воздуха) по цик­лам и цилиндрам.

2. Приготовление горючей смеси в строго определенный, как правило, очень малый отрезок времени.

3. Образование горючей, а затем и рабочей смеси, обеспечива­ющей полное сгорание топлива и отсутствие токсичных компонен­тов в продуктах сгорания.

4. Автоматическое изменение количества и состава горючей сме­си в соответствии с изменением режима работы двигателя как скоростного, так и нагрузочного.

5. Надежный пуск двигателя в различных температурных усло­виях.

6. Стабильность установленной регулировки системы питания в течение длительного времени эксплуатации двигателя наряду с возможностью изменения регулировки в зависимости от условий эксплуатации и технического состояния двигателя.

7. Технологичность системы питания: простота и надежность конструкции, удобство монтажа, регулировки, обслуживания и ре­монта.

Выполнение указанных требований в системах питания автомо­бильных и тракторных двигателей, в основном, обеспечивается:

а) для двигателей с внешним смесеобразованием карбюрато­ром в карбюраторных двигателях, карбюратором-смеси смесителем в га­зовых двигателях, электромагнитными форсунками и блоком упра­вления в двигателях с впрыском легкого топлива во впускной коллектор;

б) для двигателей с внутренним смесеобразованием насосом высокого давления и форсункой или насос-форсункой, а для двига­телей с впрыском легкого топлива непосредственно в полость цили­ндра электромагнитными форсунками и электронным блоком упра­вления — микропроцессором.

Обратите внимание на лекцию "2 Юстиниан".

Контрольные вопросы:

1. Какие показатели характеризуют качество ПД?

2. В каких условиях эксплуатации ПД работает с частым изменением суточного и нагрузочного режима?

3. Каковы основные эксплуатационные требования к двигателю транспортной машины?

4. Что понимается под надежностью ПД?

5. Какие требования предъявляются к системам охлаждения, смазки, топливоподачи?