Силовые и термические нагрузки на детали двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 10

Силовые и термические нагрузки на детали двигателя

Введение

Для обеспечения достаточной долговечности и надежности работы деталей необходимо, чтобы абсолютные значения их температур не превосходили допустимых величин, а распределение температуры по телу детали не вызывало возникновения больших температурных напряжений и нарушения геометрии сопрягаемых поверхностей.

Тепловое состояние деталей влияет на прочностные характеристики материалов, из которых они изготовлены на интенсивность отложений на деталях, на условия их смазки, трения, износа, а также не напряжения в деталях.

Температура деталей влияет на рабочую температуру смазочного масла, а следовательно, на его вязкость, толщину слоя смазки, разделяющего детали трущейся пары, характер трения. Последний вместе с износными характеристиками материалов, которые также зависят от температурного состояния деталей, определяет темп износа.

Амплитуда изменения напряжений от сил давления газов меньше, чем амплитуда термических напряжений, но частота изменения напряжений от сил давления газов существенно выше. Поэтому и они могут играть существенную роль в усталостном разрушении детали. Для ряда деталей определяющую роль играют термические напряжения, и при критическом их уровне деталь выдерживает недостаточное количество тепловых ударов, что ограничивает срок ее службы.

В последние годы предпринимаются попытки обеспечения надежной работы двигателей с пониженным отводом теплоты при существенно более высокой температуре поверхности гильзы цилиндра и использовании специальных смазочных материалов.

Методы управления тепловое напряженность к естественно связаны с факторами, ее определяющими. Конструкциям деталей, применяемым материалам и условиям охлаждения соответствуют конкретные допустимые уровни тепловых нагрузок.

1. Силы и моменты, нагружающие детали КШМ

При работе двигателя на кривошипно-шатунный механизм действуют силы давления газов и силы инерции. Силы инерции масс кривошипно-шатунного механизма, движущихся с переменными по величине и направлению скоростями, возникают на всех режимах работы двигателя и для некоторых деталей этого механизма являются основными расчетными силами. Последнее связано с тем, что в высокооборотных двигателях силы инерции значительно превосходят силы газов и поэтому являются основными при расчете деталей на выносливость (усталостную прочность).

В зависимости от характера движения силы инерции масс кривошипно-шатунного механизма делятся на: 1) силы инерции масс, движущихся возвратно-поступательно; 2) силы инерции вращающихся масс; 3) силы инерции масс, совершающих сложное движение.

Шатун совершает сложное поступательно-качательное движение в плоскости, перпендикулярной к оси коленчатого вала. В целях упрощения динамических расчетов кривошипно-шатунного механизма принимают приближенный способ определения сил инерции шатуна, заменяя на основании законов механики движение фактической массы шатуна движением трех или двух условных масс.

При приведении массы шатуна к трем массам одну из них -- массу т₁ (рисунок,

а -- сосредотачивают на оси верхней головки шатуна, другую -- т₂ -- на оси нижней головки шатуна, а третью -- т_ъ -- в центре тяжести шатуна.

Для обеспечения динамического подобия шатуна с трехмассовой системой необходимо соблюдение следующих условий:

1) сумма всех масс должна быть равна массе шатуна т_ш;

2) общий центр тяжести трех масс должен совпадать с центром тяжести шатуна;

3) сумма моментов инерции всех масс относительно оси, проходящей через центр тяжести шатуна, должна быть равна моменту инерции шатуна J_ш относительно той же оси;

4) массы должны располагаться на одной прямой, проходящей через центр тяжести шатуна.

Согласно статистическим данным для автомобильных двигателей можно рекомендовать

Рис.52.- Приведение масс: а - шатуна; б - кривошипа

К вращающимся массам кривошипно-шатунного -- механизма относятся масса неуравновешенных частей кривошипа т_к, и часть массы шатуна т₂.

Массу неуравновешенных частей кривошипа приводят к оси шатунной шейки. При этом центробежная сила приведенной массы т_к должна быть равна сумме центробежных сил всех неуравновешенных частей кривошипа при условии постоянства угловой скорости вращения со.

Масса частей кривошипно-шатунного механизма, движущихся возвратно-поступательно,



где т_п -- масса комплектного поршня, включающая массы собственно поршня, поршневых колец, поршневого пальца и заглушек или стопорных колец;

т₂ -- часть массы шатуна, отнесенная к оси поршневого пальца.

Массу т полагают сосредоточенной в центре пальца поршня.

Сила инерции P_w масс, движущихся возвратно-поступательно, действует по оси цилиндра и считается положительной, если она направлена к оси коленчатого вала, и отрицательной, если она направлена от нее.

Для центрального кривошипно-шатунного механизма сила инерции

или

где P_wl -- сила инерции первого порядка; период изменения этой силы -- один оборот коленчатого вала

;

P_wll - сила инерции второго порядка; период изменения этой силы -- полоборота коленчатого вала;

;



Рис. 53. - График сил, действующих в кривошипно-шатунных механизме

На рисунке, б построены диаграммы сил P_w], P_W]I и P_w в зависимости от угла поворота коленчатого вала ср для одного цикла четырехтактного двигателя.

Сила инерции вращающихся масс действует по радиусу кривошипа и определяется по формуле

P_R =-m_RRco² -const.

Закон изменения давления газов на поршень по его ходу или углу поворота коленчатого вала обычно задается индикаторной диаграммой. Последнюю строят по данным теплового расчета двигателя или получают экспериментально.

На рисунок, а приведена индикаторная диаграмма, а на рисунок, б показана ее развертка по углу поворота коленчатого вала.

Вертикальная слагающая силы избыточного давления на поршень, откладываемая по оси ординат развернутой диаграммы, определяется по формуле

где р_г -- давление газов в цилиндре по индикаторной диаграмме;

р_о -- давление в картере двигателя;

F_n -- площадь поршня.

Сила Р_г считается положительной, если она направлена к оси коленчатого вала.

Суммарная сила, действующая по оси цилиндра, складывается из силы избыточного давления газов на поршень и силы инерции масс, движущихся возвратно-поступательно,

На рисунке 52, б и в приведены графики сил P_w, Р_г и Р₂ в зависимости от угла поворота коленчатого вала .

Разложим силу на две составляющие

Сила - направлена по нормали к стенке цилиндра и прижимает к ней поршень.

Сила действует вдоль оси шатуна.

Сила положительна, если она направлена в сторону, противоположную направлению вращения, и отрицательна, если она направлена в сторону вращения. Сила положительна, когда она сжимает шатун, и отрицательна, когда растягивает его.

Перенесем силу вдоль линии действия в точку А на оси шатунной шейки и разложим на силу , действующую по касательной к оси кривошипа (тангенциальная сила),

и силу, действующую по оси кривошипа (нормальная сила),

Сила положительна, если она направлена в сторону вращения кривошипа, при противоположном направлении сила отрицательна. Сила положительна, если она направлена к оси коленчатого вала (сжимает щеку), и отрицательна, если она действует от оси коленчатого вала (растягивает щеку).

Для построения графиков указанных сил по углу поворота коленчатого вала значения тригонометрических функции ;;; табличных данных в зависимости от.

На рисунке 53; г, д и е приведены зависимости сил , и в зависимости от угла поворота коленчатого вала .

Примечание: Чтобы избежать вычислений с большими числами в расчет вводят удельные нагрузки, т. е. силы делят на площадь поршня:

;; и т.д.

При работе рядного двигателя крутящий момент, действующий на первую от переднего конца коленчатого вала шатунную шейку,

,

где -- суммарная тангенциальная сила, определяемая по формуле;

-- радиус кривошипа.

Для V-образного двигателя сила равна сумме тангенциальных сил, действующих на рассматриваемую шатунную шейку коленчатого вала как от правого, так и от левого цилиндров. Крутящий момент, передаваемый через любую коренную шейку коленчатого вала,

,

где -- сумма крутящих моментов, действующих на всех предыдущих коленах вала, начиная от его переднего конца.

Крутящий момент, передающийся через колено вала, равен сумме двух моментов. Один из них, создаваемый тангенциальной силой, действующей на данное колено, зависит только от угла поворота коленчатого вала. Другой, представляющий собой суммарный крутящий момент от сил, действующих в цилиндрах, расположенных до рассматриваемого колена со стороны переднего конца вала, зависит, кроме того, от числа цилиндров и порядка работы двигателя.

Большое влияние на динамику двигателя в целом оказывает его порядок работы, от которого зависят фазы сил и моментов, действующих в отдельных цилиндрах. При выборе порядка работы двигателя стремятся обеспечить: 1) чередование вспышек через равные промежутки времени, что обусловливает более равномерную работу двигателя; 2) равномерное распределение смеси (воздуха) по цилиндрам; 3) возможно лучшее уравновешивание двигателя, что уменьшает его вибрации; 4) расположение последовательно работающих цилиндров возможно дальше один от другого, что необходимо для уменьшения нагрузок на подшипники коленчатого вала; 5) возможно меньшую амплитуду крутильных колебаний коленчатого вала, чтобы снизить дополнительные (знакопеременные) напряжения кручения в его элементах..

Для получения наибольшей равномерности крутящего момента на коленчатом валу двигателя необходимо, чтобы одноименные процессы в цилиндрах происходили через одинаковые углы поворота коленчатого вала. Для двигателя, имеющего i цилиндров, одноименные процессы в цилиндрах при четырехтактном цикле должны следовать через угла поворота коленчатого вала, а при двухтактном цикле - через

2. Температурные напряжения и деформации

Температурные напряжения и деформации. Нагрев деталей д. в. с. является следствием осуществления в нем рабочих процессов. Если деталь д. в. с. при изменениях температуры лишена возможности свободно расширяться или сжиматься, то в ней возникают тепловые напряжения.

При переходе в область температур, при которых начинают меняться показатели прочности, упругости, линейного расширения, теплопроводность обычных материалов, применяемых для изготовления деталей д. в. с, следует пользоваться понятиями жаропрочности и жаростойкости. Первое характеризует способность длительно выдерживать напряжение в условиях высоких температур, второе - способность сопротивляться коррозии при этих температурах.

Тепловые деформации меняют взаимное расположение деталей в узлах, имеющих различную рабочую температуру или изготовленных, из различных материалов. Часто это приводит к возникновению термических зазоров или натягов в сочленениях, что учитывают при холодной сборке механизмов в основном или ремонтном производстве. Обычно термические напряжения сочетаются с напряжениями от внешних силовых нагрузок. Тепловую деформацию элемента детали оценивают по зависимостям вида , учитывающим ее конструкцию, коэффициент линейного расширения материала и ее температуры в рабочем и нерабочем состоянии.

3. Температурное состояние деталей цилиндропоршневой группы

Для обеспечения достаточной долговечности и надежности работы деталей необходимо, чтобы абсолютные значения их температур не превосходили допустимых величин, а распределение температуры по телу детали не вызывало возникновения больших температурных напряжений и нарушения геометрии сопрягаемых поверхностей.

Высокая температура детали может привести к значительному ухудшению физико-механических свойств материала, изменению его структуры (например, рост чугуна). С ростом температуры обычно наблюдается уменьшение предела прочности металла о_в модуля упругости Е, значительно изменяется коэффициент линейного удлинения S, коэффициент теплопроводности Л и другие параметры. Высокий нагрев приводит к изменению твердости материала.

На ряд свойств материала оказывает влияние цикличность тепловых и механических нагрузок. Таким образом, оценка предельных температур для деталей должна осуществляться на основании многостороннего анализа условий работы детали и свойств ее материала.

Опыт двигателестроения показывает, что предельной температурой головки поршня, выполненной из чугуна, следует считать 400-450 °С, из стали 400-475(500)°С, из легких сплавов 200-250 °С (для сплавов типа АЛ-1) и 300-350 °С (для сплавов типа АК-4).

Характерной температурой, по которой оценивают надежность работы уплотнительных колец, принято считать максимальную температуру поршня в зоне их расположения t_m (практически -- температура верхней кромки канавки под первое уплотнительное кольцо). При высокой температуре в этой зоне либо ухудшаются условия смазки колец, возрастает износ, либо наблюдается интенсификация отложений в канавках под кольца. Это приводит к быстрой потере подвижности колец, к нарушению уплотнения и отвода теплоты от поршня. Предельно допустимая величина температуры t_m, при которой еще возможна надежная работа колец зависит от ряда факторов (свойств масла, конструктивных особенностей колец, требований к двигателю и т. п.). Обычно для двигателей, от которых требуются повышенные надежность и долговечность, температура t_m редко превышает 200 °С. Для двигателей многооборотных форсированных с ограниченным моторесурсом t_m = 220-^245 °С.

Предельная температура зеркала цилиндра в области работы поршневых колец определяется с учетом необходимости обеспечения хороших условий смазки, снижения механического и коррозионного износов. Практика доводки и эксплуатации двигателей, исследования на моделях показывают, что превышение 200°С на поверхности трения приводит к резкому нарастанию скорости механического износа. Считается нежелательным превышение температуры зеркала цилиндра этой величины. Необходимо отметить, что с увеличением содержания серы в топливе увеличивается количество отложений и их твердость, что приводит к повышению износа.

При значительном количестве серы в топливе в определенных условиях возможно преобладание «химических износов». Сера и сернистые соединения, входящие в состав топлива, при его сгорании в цилиндре двигателя преобразуются в SO₂ и SO₃, которые в присутствии паров воды образуют кислоты, вызывающие коррозию деталей цилиндропоршневой группы. В областях пониженной температуры, где возможна конденсация паров воды, наблюдается быстрое нарастание износа.

4. Тепловые нагрузки на детали двигателя и их тепловая напряженность

Под тепловой нагрузкой понимают значение удельного теплового потока, передаваемого от рабочего тела к поверхности детали. Теплота передается от РТ к поверхности деталей радиацией и теплоотдачей.

Роль радиации особенно велика в дизелях в связи с тем, что в них имеет место преимущественно диффузионное горение, сопровождающееся обильным образованием и последующим частичным выгоранием сажи. Содержание в пламени сажи является причиной высокой степени его черноты, а поэтому высокой излучательной способности пламени. Согласно измерениям, температура дизельного пламени превышает значения средней по объему термодинамической температуры.

Высокие значения температуры пламени и степени его черноты определяют высокую долю теплоты, передаваемой излучением, в общем теплообмене (по некоторым оценкам, до 45% и более).

Локальные тепловые потоки, передаваемые излучением через отдельные участки деталей, зависят от расположения участка по отношению к факелу и поэтому неодинаковы. Например, для дизелей с камерой в поршне некоторые зоны таких деталей, как гильза цилиндра, головка цилиндра и сам поршень, экранированы телом поршня от факела в период наиболее интенсивного излучения.

Интенсивность теплоотдачи определяется в большой мере локальными условиями смесеобразования и тепловыделения. Проведенные исследования выявили, что на распределение тепловой нагрузки по деталям оказывают влияние не столько интенсивность и характер движения заряда, в цилиндре и камере сгорания, созданные при движение заряда, инициируемое при сгорании, а также распределение сгорающего топлива по объему камеры сгорания, зависящее от количества и гения топливных струй, размеров и конфигурации камеры сгорания. Последние факторы определяют локальную температуру заряда.

Выявлены нестационарность теплообмена в поршневых двигателях и существенно неравномерное распределение тепловой нагрузки по деталям. Нестационарность теплообмена определяется переменностью во времени всех факторов, влияющих на радиацию и теплоотдачу (параметров состояния заряда, его скорости, в дом числе пульсационной ее составляющей, структуры пламени и т. д.). Для характеристики нестационарности теплообмена отметим, что максимальное значение удельного теплового потока может в несколько десятков раз превышать его среднее по времени значение. Наибольшая часть теплоты передается в период интенсивного сгорания. Так, примерно за 1до времени цикла (от 10° до ВМТ до 60° после ВМТ) от заряда к стенкам деталей передается до 70% всей теплоты, теряемой за цикл в четырехтактном дизеле автотракторного типа. Если определить теплоту, передаваемую за отдельные такты цикла, то окажется, что основная часть теплоты передается за такт расширения (рабочий ход) -- до 90%. Доля теплообмена за такт выпуска в большинстве случаев не превышает 10%.

Рис.54- Распределение тепловой нагрузки по деталям дизеля:

а - поршень; б - головка цилиндра; в - гильза цилиндра; R_K-- расстояние до зоны измерения от оси цилиндра R = D/2; 1_ГК - расстояние до зоны измерения от верхнего торца гильзы; 1_Г - длина гильзы

Рисунок 54 иллюстрирует неравномерность распределения средней но времени тепловой нагрузки по поверхностям различных деталей. В конкретном случае по поверхности поршня удельный тепловой поток изменяется в 2,5 раза, по поверхности головки цилиндра -- в 2,5 раза, по поверхности гильзы цилиндра -- в 2,3 рази (в пределах зон измерения). Максимальное значение тепловой нагрузки в автотракторных дизелях с наддувом достигает 600 кВт/м² и более. Максимальная нагрузка имеет место, как правило, на номинальном режиме работы двигателя.

В дизелях с камерой сгорания в поршне неравномерность распределения тепловой нагрузки растет при уменьшении относительного диаметра камеры сгорания. В дизелях с разделенными камерами сгорания неравномерность распределения удельного теплового потока выше, чем в дизелях с неразделенной камерой сгорания. Уровень тепловых нагрузок в большой мере определяется степенью форсирования (литровой мощностью). Он, как правило, выше в двухтактных двигателях. Тепловая нагрузка заметно возрастает при увеличении нагрузки, частоты вращения, р_к и Т_к, При заданной внешней нагрузке уменьшения тепловой нагрузки можно достигнуть повышением а путем соответствующего выбора системы наддува и введения промежуточного охлаждения надувочного воздуха. С ростом угла опережения впрыскивания (зажигания) тепловая нагрузка также увеличивается вследствие повышения максимальных давления и температуры цикла.

С течением времени после начала эксплуатации нового или отремонтированного двигателя тепловые потоки, передаваемые от РТ к деталям, уменьшаются вследствие отложения на деталях продуктов неполного окисления, крекинга и полимеризации смазочного масла и топлива. В дальнейшем наблюдается тенденция к стабилизации передаваемых потоков.

При работе на переменных (неустановившихся) режимах передаваемые от РТ к детали тепловые потоки изменяются не только в течение каждого цикла, но также от цикла к циклу. Резкое изменение средних за цикл тепловых нагрузок во времени вследствие разгона, нагружения, разгрузки, остановки двигателя известно под названием теплового удара. Характер и частота тепловых ударов оказывают влияние на надежность работы двигателя.

Термин тепловая напряженность используется для выражения комплекс явлений, связанных с тепловым состоянием деталей двигателя. Тепловое состояние деталей влияет на прочностные характеристики материалов, из которых они изготовлены на интенсивность отложений на деталях, на условия их смазки, трения, износа, а также не напряжения в деталях. Из опыта известно, что для предотвращения потери подвижности кольца в канавке вследствие отложения кокса температура вблизи канавки под верхнее кольцо не должна превышать 220 °С. Для предотвращения интенсивного закоксование отверстий распылителя температура его носика не должна превышать 180...200 ^СС. Эти цифры следует рассматривать как ориентировочные, так как интенсивность отложении зависит не только от температуры, но также от конструкции деталей, других (кроме температурных) условий их работы, качества материалов (в том числе топлива и смазочного масла), технологии обработки деталей и т.д.

Температура деталей влияет на рабочую температуру смазочного масла,' а следовательно, на его вязкость, толщину слоя смазки, разделяющего детали трущейся пары, характер трения. Последний вместе с износными характеристиками материалов, которые также зависят от температурного состояния деталей, определяет темп износа. При критических условиях возможен переход жидкостного трения граничное или даже полусухое.

Амплитуда изменения напряжений от сил давления газов меньше, чем амплитуда термических напряжений, но частота изменения напряжений от сил давления газов существенно выше. Поэтому и они могут играть существенную роль в усталостном разрушении детали. Для ряда деталей определяющую роль играют термические напряжения, и при критическом их уровне деталь выдерживает недостаточное количество тепловых ударов, что ограничивает срок ее службы.

Степень форсирования дизеля наддувом также ограничивается тепловой напряженностью его деталей. Наиболее теплонапряженными являются головка цилиндра и поршень. Тепловое состояние гильзы цилиндра также важно, так как оно существенно влияет на тепловое состояние поршня. Наддув приводит к увеличению тепловых нагрузок на детали и, как следствие, к увеличению их температур и градиентов. Наиболее велики тепловые нагрузки в центральной части головки цилиндра. Тепловые нагрузки на поршень несколько ниже, а на гильзу цилиндра меньше, чем на головку, в 4...5 раз. Измерения, выполненные на деталях дизеля ЯМЗ с наддувом, выявили, что тепловые нагрузки различных зон деталей могут отличаться в 12 раз и более. Неравномерное распределение тепловой нагрузки на детали вместе с неодинаковым термическим сопротивлением различных зон деталей имеет следствием неравномерное распределение температуры в деталях. Так, перепады температуры вблизи «огневой» поверхности чугунной головки цилиндра могут достигать 180 °С, поршня из алюминиевого сплава -- 100 °С, чугункой гильзы -- 70 °С. Практические испытания показали, что максимальная температура чугунной головки цилиндра и поршня из алюминиевого сплава не должна превышать 350 °С, головки цилиндра из алюминиевого сплава -- 240 °С, гильзы цилиндра --160...180 °С;

Для гильзы цилиндра ограничивается и минимальная температура в связи с ее влиянием на условия конденсации водяного пара, особенно при применении топлив, содержащих серу. Конечно, и приведенные цифры должны рассматриваться как ориентировочные, так как на предельно допустимую температуру влияют конструкция я конкретные условия работы детали. Последнее может быть проиллюстрировано приведенными выше различиями в максимально допустимой температуре поршней и головок цилиндров, изготовленных из алюминиевого сплава. Для головок цилиндра по условиям нагружения предельная температура значительно ниже.

Методы управления тепловой напряженности естественно связаны с факторами, ее определяющими. Конструкциям деталей, применяемым материалам и условиям охлаждения соответствуют конкретные допустимые уровни тепловых нагрузок.

Справедливо и другое утверждение -- определенному уровню тепловых нагрузок должен соответствовать правильный выбор прочих факторов, обусловливающих тепловую напряженность деталей.

В последние годы предпринимаются попытки обеспечения надежной работы двигателей с пониженным отводом теплоты при существенно более высокой температуре поверхности гильзы цилиндра и использовании специальных смазочных материалов.

Существенному снижению температуры поршня, особенно критических его зон, способствует применение охлаждаемых конструкций. Снижению температуры и градиентов температур в деталях способствуют теплоизолирующие покрытия. При этом высокими оказываются температуры и градиенты температур в самом покрытии, отсюда повышенные требования к их свойствам. Заметного снижения тепловой напряженности можно достигнуть и путем рационального конструирования системы охлаждения. При этом, как правило, системы жидкостного охлаждения эффективнее систем воздушного охлаждения. Под эффективностью здесь понимается свойство обеспечения заданного теплового состояния при минимальных затратах работы на привод агрегатов системы охлаждения.

При конструировании систем охлаждения стремятся к увеличению интенсивности охлаждения наиболее нагретых участков без увеличения общего количества отводимой в систему теплоты. В частности, заметного снижения температуры в перемычке между клапанами головки цилиндра можно достигнуть, используя для подвода жидкости сверленые каналы.

В процессе эксплуатации тепловая напряженность двигателя может возрасти вследствие:

? эксплуатации дизеля в условиях высокогорья или чрезмерно высоких температур окружающей среды;

? отложения накипи в рубашках охлаждения двигателей с жидкостным охлаждением или загрязнения оребрения двигателей с воздушным охлаждением;

? нарушений в нормальном протекании процесса сгорания вследствие использования топлив с несоответствующими двигателю физико-химическими и моторными свойствами и несоблюдения оптимальных регулировок систем питания, впрыскивания и зажигания.

При необходимости эксплуатации дизелей в условиях пониженной плотности воздуха целесообразно в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя пересмотреть величину предельной подачи топлива. В эксплуатации очень важно сохранять неизменными тепловую эффективность и гидравлические сопротивления охладителя наддувочного воздуха.

Важное значение имеет также сохранение условий охлаждения деталей благоприятными в течение всего срока эксплуатации. Для этого, в частности, необходимо избегать заметных отложений в элементах системы охлаждения.

Безопасные предельные степени форсирования дизеля наддувом в большой мере зависят от принятого способа смесеобразования или типа камеры сгорания. При большой величине d_KC/D камеры сгорания обеспечивают более равномерное распределение тепловой нагрузки по их поверхности и, как следствие, снижение перепадов температуры. Это обеспечивает возможность достижения более высокой степени форсирования наддувом без превышения максимально допустимых температур деталей.

Контрольные вопросы:

1. Какие силы действуют на КШМ при работе ПД?

2. Каким образом классифицируют силы инерции масс КШМ?

3. Какие условия необходимо обеспечить при выборе порядка работы цилиндров?

4. Что характеризуют понятия «жаропрочность» и «жаростойкость»?

5. Что понимается под тепловой нагрузкой и в каких единицах?

6. Почему степень форсирования ПД ограничивается тепловой напряженностью его детали?

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.

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 V-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 V-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 в 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 V-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 V-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 -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, то подбирая двигатель, необходимо решить следующие вопросы: - тип двигателя, - его максимальная мощность, - частота вращения коленчатого вала, - тип системы охлаждения, - эксплуатационно-технические 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 эксплуатации 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.

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

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 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

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, СН, 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:

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?

деталь двигатель транспортный

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;

? 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

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.

Рис. 56. Характеристики двигателей различного назначения: N_е -- эффективная мощность 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.

...