Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

458

3. Как определяются параметры и показатели двигателя на

режимах регулировочных характеристик по углу опережения по-

дачи топлива и по углу опережения зажигания?

4. Как определяется оптимальный состав смеси?

5. Представьте классификацию эксплуатационных характе-

ристик.

6. Как определяются параметры и показатели двигателя на

режимах нагрузочных и скоростных характеристик?

7. Как влияет коэффициент приспособляемости на условия

работы автомобильного двигателя?

8. Какие характеристики ДВС относят к специальным?

Список литературы к главе 13

1. Терещук А.Г. Исследование эксплуатационных режимов

работы и топливной экономичности автомобильного дизеля: Ав-

тореф. канд. дисс. – Харьков: ХИИТ, 1980. – 20 с.

2. Дьяченко В.Г. О возможности понижения быстроходнос-

ти двигателя 16ЧН24/27 при сохранении номинальной мощности

// Труды ХПИ: Серия «Энергомашиностроение». – Харьков: ХГУ,

1963. – Т. XLIII – Вып.3. – С. 170–177.

459

Глава 14

ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ

И РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВИГАТЕЛЯ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Требования, предъявляемые к двигателю

В основе требований, предъявляемых к двигателю внутрен-

него сгорания как энергетической установки конкретного назна-

чения (судовой, тепловозной, автомобильной, тракторной) в от-

ношении КПД, срока службы, удельной массы и т.д., должно

быть достижение наилучших технико-экономических показате-

лей в целом по установке за весь период его эксплуатации. Од-

ним из важнейших технико-экономических показателей является

общая сумма затрат на единицу работы (кВтчас, ткм, га услов-

ной пахоты и т.п.). В затратах на единицу работы находят отра-

жение и суммарную оценку различные качества не только двига-

теля, но и установки в целом: КПД (через расходы на горюче-

смазочные материалы), долговечность и надежность (через рас-

ходы на ремонты и технические уходы), мощность (через расхо-

ды на горюче-смазочные материалы, оплату труда обслуживаю-

щего персонала, возобновление), масса и сложность конструкции

(через расходы на возобновление и ремонты) и т.д. Анализ струк-

туры затрат на единицу работы энергетических установок раз-

личного типа и назначения показывает, что основным видом за-

трат на единицу работы является затраты на горюче-смазочные

материалы, ремонты и технические уходы. Затраты на возобнов-

ление не превышают, как правило, 3–7 % от суммарных затрат на

единицу работы, то есть, стоимость производства не является оп-

ределяющим фактором при выборе параметров двигателя [1, 2].

Общей тенденцией развития двигателестроения является по-

вышение параметров рабочих процессов путем применения над-

дува и более высокого уровня доводки рабочих процессов, часто-

ты вращения коленчатого вала с тем, чтобы максимально снизить

массу энергетической установки, уменьшить ее габариты. Однако

к вопросу повышения параметров рабочих процессов и в особен-

460

ности быстроходности двигателя необходимо подходить с учетом

конкретных условий производства и эксплуатации, определяю-

щих в конечном итоге стоимость единицы работы. При повыше-

нии частоты вращения коленчатого вала двигателя снижается его

масса, габариты, соответственно уменьшаются затраты на произ-

водство, но повышение быстроходности двигателя снижает его

надежность и долговечность, а зачастую и экономичность.

В настоящее время в двигателестроении не существует не-

преложных положений, ограничивающих выбор параметров ра-

бочих процессов, основных параметров конструкции двигателя

(диаметра цилиндра, отношения хода поршня к диаметру цилинд-

ра, средней скорости поршня, числа цилиндров и т.д.), но нет и

абсолютной свободы в их выборе. Для каждого типа двигателей

(автомобильных, тракторных, тепловозных, судовых, стационар-

ных) приняты определенные ограничения в выборе параметров

рабочих процессов и численных соотношений величин частоты

вращения коленчатого вала на режиме номинальной мощности,

диаметра цилиндра, отношения хода поршня к диаметру цилинд-

ра, средней скорости поршня и т.д. Вместе с тем на мировом

рынке имеется огромное количество однотипных двигателей,

существенно отличающихся по параметрам рабочих процессов и

конструкции. В подавляющем большинстве случаев это не только

не оправдано, но и является общим злом, тормозящим развитие

двигателестроения. Еще в начале прошлого столетия по этому

поводу известный немецкий инженер Г. Гюльднер писал [3]:

«Наиболее опасным препятствием для внутреннего развития вся-

кого рода машин является слишком большое разнообразие их

конструктивных форм. Вытекая не из действительной потребнос-

ти, а из честолюбия беспокойных изобретателей эти формы в 9

случаях из 10 противоречат самым элементарным правилам

конструирования. Если такого рода произведения и мстят за себя

сами своей недолговечностью, то в то же время они являются

общим злом, тормозящим правильный ход развития данной от-

расли промышленности и набрасывая тень сомнения на действи-

тельно правильные и целесообразные конструкции».

Удачно созданные конструкции двигателей выдерживают

конкуренцию на протяжении десятилетий, непрерывно совер-

шенствуясь, не уступают лучшим образцам вновь создаваемых.

461

Примером удачной конструкции из отечественных двигателей

может служить дизель В-2, созданный на заводе им. В.А. Малы-

шева в тридцатых годах прошлого столетия. Модификации этого

дизеля находятся в производстве свыше 60 лет и в настоящее

время не уступают по технико-экономическим показателям луч-

шим образцам зарубежных дизелей этого типа. Перспективны

также конструкции тепловозных дизелей завода им. В.А. Малы-

шева, автомобильных дизелей Ярославского моторного завода,

тракторных дизелей Минского моторного завода, автомобильных

двигателей АвтоВАЗа и др.

Первые попытки обоснования выбора параметров рабочих

процессов, основных параметров конструкции двигателя отно-

сятся к началу развития двигателестроения. В последующие годы

теория, конструкция и расчет двигателей внутреннего сгорания

получили дальнейшее развитие в трудах Н.Р. Брилинга, А.С. Ор-

лина, В.Т. Цветкова, Н.М. Глаголева, В.А. Ваншейдта, М.Г.

Круглова и др.

При проектировании двигателя наряду с таким важнейшим

критерием оценки выбора основных параметров двигателя как

стоимость единицы работы, учитывается ряд других технико-

экономических показателей, исходя из конкретных условий про-

изводства и эксплуатации двигателя. Эти показатели условно мо-

гут быть разделены на две группы. Первая группа представляет

собой технико-экономические показатели, определяющие качест-

ва двигателя как энергетической установки конкретного назначе-

ния: мощность (кВт); масса (кг, т), габаритный объем (м

) или га-

баритные размеры (длина  ширина  высота в м), срок службы

до капитального ремонта (час). Вторая группа – технико-эконо-

мические показатели, определяющие удельные показатели двига-

теля: литровая мощность (кВт/л), среднее эффективное давление

(МПа), удельная литровая масса двигателя (кг/л), удельная масса

двигателя (кг/кВт), удельный эффективный расход топлива

(кг/(кВтч)) или эффективный КПД.

Необходимость в разработке нового двигателя возникает,

когда выпускаемые двигатели не отвечают уровню развития дви-

гателестроения или при изменении требований, предъявляемых к

двигателю потребителем. Последнее обстоятельство определяет-

462

ся изменением требований в отношении производительности

машин, выпускаемых потребителем, требований в отношении

мощности, экономичности и экологических характеристик энер-

гетических установок к ним.

Вполне очевидно, что прежде, чем приступить к разработке

нового двигателя следует провести анализ выпускаемых двигате-

лей с целью оценки возможности их модернизации, повышения

их показателей до необходимого уровня. Модернизация двигате-

ля требует несоизмеримо меньших капитальных затрат, чем раз-

работка и постановка на производство нового двигателя. Поста-

новка на производство нового двигателя будет оправдана только

в случае, если невозможно выполнить требования, выдвигаемые

развитием техники и производства, на базе выпускаемых двига-

телей путем их модернизации.

Создание нового двигателя включает несколько этапов: со-

ставление проектного задания, разработка эскизного и техничес-

кого проектов, создание экспериментальных отсеков и доводка

рабочих процессов, создание опытных образцов двигателя и от-

работка элементов конструкции, эксплуатационные испытания и

проверка соответствия показателей двигателя требованиям про-

ектного задания.

Обоснование требований проектного задания, которым

должны удовлетворять технико-экономические показатели ново-

го двигателя, имеет принципиальное значение. Требования,

предъявляемые к новому двигателю, определяют не только уро-

вень технико-экономических показателей двигателя как энерге-

тической установки конкретного назначения (автомобильной,

тракторной, тепловозной и т.д.), но и перспективы его дальней-

шего совершенствования. Поэтому составление проектного зада-

ния требует всестороннего анализа существующих конструкций

двигателей, уровня научных разработок, технологии производст-

ва, условий эксплуатации двигателя в отрасли или на предпри-

ятиях, для которых он разрабатывается, возможного характера

изменений, а соответственно и изменения требований, предъяв-

ляемых к двигателю, в течение предполагаемого периода его вы-

пуска.

Мощность двигателя зависит от назначения энергетической

установки. Этот показатель в значительной степени определяет

463

как особенности конструкции двигателя, так и уровень ряда

удельных технико-экономических показателей. В энергетических

установках автотракторного типа используются в основном че-

тырехтактные дизели мощностью до 200 кВт, в энергетических

установках железнодорожного транспорта – четырехтактные и

двухтактные дизели мощностью от нескольких сот киловатт до

нескольких тыс. кВт, в судовых и стационарных энергетических

установках – дизели от нескольких десятков до нескольких де-

сятков тысяч кВт. Нижний предел значений мощностей четырех-

тактных дизелей соответствует нескольким кВт, верхний пре-

дел – более чем 10 тысяч кВт. Дизели большей мощности –

обычно двухтактные крейцкопфные.

Габаритные размеры, масса двигателя, как и мощность, за-

висят от назначения энергетической установки и в значительной

мере определяют выбор компоновки двигателя, число и располо-

жение цилиндров.

Срок службы двигателя до капитального ремонта (моторе-

сурс) определяется типом энергетической установки, ее мощ-

ностью. С увеличением мощности двигателя все более высокие

требования предъявляются к сроку службы двигателя до капи-

тального ремонта. Для автомобильных двигателей с искровым

зажиганием срок службы до капитального ремонта составляет

2000–4000 моточасов, для дизелей автотракторного типа в усло-

виях нашей страны экономически целесообразный срок службы

до капитального ремонта должен быть не меньше 10 тыс. часов,

для тепловозных, судовых, стационарных двигателей мощностью

свыше 1000 кВт – 20–30 тыс. часов. Срок службы двигателя до

капитального ремонта, общий срок службы двигателя, как прави-

ло, соответствуют сроку службы до капитального ремонта, об-

щему сроку службы автомобиля, трактора, тепловоза и т.д. Таким

образом, технико-экономические показатели первой группы

практически полностью определяются назначением силовой ус-

тановки.

Технико-экономические показатели второй группы являются

более универсальными и могут быть использованы как для оцен-

ки качеств двигателя конкретного назначения, так и для сравни-

тельной оценки различных по конструкции и назначению двига-

телей (автомобильных, тракторных, тепловозных и т.п.).

464

§2. Частота вращения коленчатого вала

Частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме

номинальной мощности является одним из основных факторов,

определяющих параметры конструкции, рабочих процессов, мо-

торесурс двигателя и, в конечном итоге, технико-экономические

показатели двигателя [2]. Уровень таких важнейших технико-

экономических показателей двигателя как удельная литровая

мощность, удельная масса практически однозначно (при одном и

том же уровне форсирования по среднему эффективному давле-

нию, одинаковом числе цилиндров, одинаковых материалах ос-

новных деталей) определяется частотой вращения коленчатого

вала. Удельная литровая мощность, кВт/л:

 

npVzNN

ehе







; (14.1)

удельная масса, кг/кВт:

лл

NgNMg



, (14.2)

где р

– среднее эффективное давление, Па;  – коэффициент

тактности (для четырехтактных двигателей  = 2, для двухтакт-

ных – 1); V

– рабочий объем одного цилиндра, л; z – число ци-

линдров;

hл

VzMg



– удельная литровая масса, кг.

Поэтому при прочих равных условиях, чем выше частота

вращения коленчатого вала, тем больше литровая мощность, ни-

же удельная масса. С этой точки зрения частоту вращения колен-

чатого вала на режиме номинальной мощности проектируемого

двигателя следует выбирать возможно большей. Этим обстоя-

тельством объясняется также и тенденция неуклонного повыше-

ния номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателей

внутреннего сгорания различного типа, начиная с первых лет их

производства и до настоящего времени.

Уровень форсирования по частоте вращения коленчатого

вала вновь создаваемых двигателей на каждом конкретном исто-

рическом этапе их развития лимитировался двумя факторами.

Во-первых, с увеличением номинальной частоты вращения ко-

ленчатого вала двигателя сокращается время, отводимое на осу-

465

ществление рабочих процессов, возрастают трудности их довод-

ки. Во-вторых, с увеличением частоты вращения коленчатого ва-

ла возрастает интенсивность износа основных сопряжений двига-

теля, сокращаются межремонтные сроки службы. Поэтому темпы

роста номинальной частоты вращения коленчатого вала вновь

создаваемых двигателей определялись и определяются в настоя-

щее время темпами совершенствования конструкции и техноло-

гии производства двигателей, применяемыми материалами, из-

менением требований к межремонтным срокам службы двигате-

лей. Последнее обстоятельство объясняется тем фактом, что, с

одной стороны, неуклонный рост темпов технического прогресса

сокращает экономически целесообразный срок службы машин (в

том числе и энергетических установок к ним – двигателей), с

другой стороны, неуклонный рост парка машин сокращает сред-

негодовую загрузку машин, продолжительность работы машины

(двигателя) в часах за период службы. Для достигнутого уровня

развития технологии производства двигателей, используемых ма-

териалов, современных требований в отношении моторесурса

двигателей примерное соотношение между сроком службы и оп-

ределяющей частотой вращения коленчатого вала в реальных ус-

ловиях эксплуатации для двигателей различного назначения

представлено в табл. 14.1 [2].

Определяющая частота вращения коленчатого вала двигате-

ля зависит от условий эксплуатации машины. Например, для дви-

гателей легковых автомобилей определяющая частота вращения

коленчатого вала в зависимости от дорожных условий в 1,5–2

раза ниже, чем частота вращения коленчатого вала на режиме

номинальной (максимальной) мощности; для двигателей грузо-

вых автомобилей и тепловозов определяющая частота вращения

коленчатого вала составляет 0,7–0,8 от номинальной; для судо-

вых дизелей – 0,8–0,9 от номинальной; для тракторных и стацио-

нарных двигателей – примерно равна частоте вращения коленча-

того вала на режиме номинальной мощности. Среднеэксплуата-

ционная нагрузка (среднеэксплуатационное значение р

), уровень

форсирования двигателя по наддуву оказывают относительно не-

значительное влияние на интенсивность износа деталей цилинд-

ро-поршневой группы, подшипников, а соответственно и на меж-

ремонтные сроки службы [2]. Поэтому, приняв, исходя из назна-

466

чения и условий эксплуатации двигателя, определяющую частоту

вращения коленчатого вала, в первом приближении устанавли-

вают частоту вращения коленчатого вала для режима номиналь-

ной мощности, которая обычно принимается кратной 100.

Таблица 14.1 – Соотношения между сроком службы до

капитального ремонта и определяющей

частотой вращения коленчатого вала

№

п/п

Определяющая

частота

вращения

коленчатого

вала

Срок

службы до

капитального

ремонта,

час

Преимущественная

область

использования

1 4000 – 5000 1000 – 2000 Мототехника

2 3000 – 4000 2000 – 4000

Двигатели для легковых

автомобилей

3 1500 – 3000 4000 – 10000 Автотракторные дизели

4 1000 – 1500 10000 – 30000

Стационарные, судовые,

тепловозные дизели

5 500 – 1000 30000 – 50000

Стационарные, судовые

дизели

Влияние частоты вращения коленчатого вала на показатели

процессов газообмена (коэффициент наполнения, среднее давле-

ние насосных потерь) сказывается через изменение гидравличес-

ких потерь в клапанах, оптимальных значений фаз газораспреде-

ления, условий теплообмена между свежим зарядом и стенками

цилиндра. Если рассматривать влияние частоты вращения колен-

чатого вала на показатели процессов газообмена различных по

размерности двигателей при оптимальных значениях фаз газо-

распределения, то оно незначительно. Например, коэффициент

наполнения при условиях на впуске 

дизеля Д-70 (n = 1000

об/мин; S/D = 270/240; p

= 1,4 МПа; p

= 0,25 МПа) равен 0,91

(рис. 12.3); дизеля СМД-14 (n = 1700 об/мин; S/D = 140/120; p

= 0,6 МПа) – 0,84 (рис. 12.7); карбюраторного двигателя ВАЗ-

2103 (n = 5600 об/мин; S/D = 80/76;  = 8,5; p

= = 0,8 МПа) – 0,82

467

(рис. 12.6). Влияние же частоты вращения коленчатого вала на

показатели процессов газообмена конкретного двигателя с конк-

ретными газовоздушными системами при неизменных условиях

на впуске и выпуске, оптимальных значениях фаз газораспреде-

ления на каждом из скоростных режимов определяется измене-

нием средней скорости поршня, условий теплообмена между

свежим зарядом и стенками цилиндра. Изменение же конструк-

ции и параметров газовоздушных систем двигателя оказывает

значительно большее влияние не только на характер зависимости

показателей процессов газообмена от частоты вращения коленча-

того вала, но и на абсолютное значение показателей газообмена

(рис. 8.19).

Зависимость показателей индикаторных процессов от часто-

ты вращения коленчатого вала определяется изменением процес-

сов топливоподачи, смесеобразования и сгорания, условий теп-

лообмена. Фактор времени при этом является одним из основ-

ных. Уменьшение продолжительности рабочих процессов с по-

вышением частоты вращения коленчатого вала требует все

больших затрат времени и материальных средств на их доводку.

Однако значение важнейшего показателя индикаторных процес-

сов двигателя (индикаторного КПД) определяется не столько вы-

бором номинальной частоты вращения коленчатого вала (в пре-

делах достигнутых значений для определенного типа двигателя),

сколько выбором способа организации процессов смесеобразова-

ния и сгорания и уровнем их доводки. Доводка рабочих процес-

сов конкретного двигателя осуществляется, как правило, на ре-

жиме номинальной мощности, и отклонение частоты вращения

коленчатого вала от номинальной, при прочих равных условиях,

вызывает снижение индикаторного КПД. Значения индикаторно-

го КПД различных по быстроходности и размерности дизелей

при одинаковом способе организации процессов смесеобразова-

ния и сгорания, достаточно высоком уровне их доводки находят-

ся примерно на одном уровне.

Среднее давление суммарных механических потерь характе-

ризует удельную (отнесенную к литражу двигателя) работу тре-

ния в подвижных сопряжениях деталей двигателя, работу насос-

ных потерь и работу привода вспомогательных механизмов за

цикл. Поэтому при одинаковой индикаторной работе за цикл,