
- •Глава 1 кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма
- •Глава 2 уравновешенность и уравновешивание двигателя
- •Глава 3
- •Глава 4
- •Глава 5 поршневая группа
- •53. Поршневые кольца
- •Глава 6 шатунная группа
- •Глава 7 коленчатый бал
- •Глава 8
- •8.9. Потери энергии при колебаниях
- •Глава 9
- •Глава 10 смазочная система
- •Глава 11 система охлаждения
- •Глава 12 система воздухопитания
- •11.1. Агрегаты воз ду хопитания двигателей с наддувом (компрессоры, турбокомпрессоры)
- •Глава 13 система выпуска
- •Глава 14 система пуска двигателей
- •Глава 15
- •Глава 16 принципы подбора двс д ля транспортного средства
- •Глава 1. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма 5
- •Глава 2. Уравновешенность и уравновешивание двигателя 31
- •Глава 3. Основы конструирования и предпосылки к расчету деталей двигателя
- •Глава 4. Цилиндровая группа • картеры 69
- •Глава 5. Поршневая группа 87
- •Глава 6. Шатунная группа 123
- •Глава 7. Коленчатый вал 136
- •Глава 8. Колебания коленчатых валов 152
- •Глава 9. Механизм газораспределения 179
- •Глава 10. Смазочная система 215
- •Глава 11. Система охлаждения 233
Глава 12 система воздухопитания
ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛИ
Основным требованием, предъявляемым к системам воздухо- очистки, является минимально возможное гидравлическое сопротивление этих систем, что необходимо для снижения затрат энергии на газообмен и повышения наполнения цилиндров. Конструктивно система должна иметь наименьшие габариты и массу, для чего она объединяется с элементами шумоглушения ьиуска. Особое внимание при этом уделяется выбору размеров и геометрической формы элементов воздухоочистителя и глушителя шума впуска, что позволяет использовать нестационарные явления потока свежего заряда для улучшения наполнения цилиндров. В грузовых автомобилях променяют выносные системы воздухозабора с размещением в них фильтрующих элементов. Нередко воздухозаборник грузовых автомобилей располагается над кабиной или совмещен со стойкой- рамой ветрового стекла, что позволяет обеспечить забор воздуха с высоты 2,0...2,5 м, т. е. из зоны с пониженным оылесодержаннем. У легковых автомобилей воздух забирается из-под капота автомобиля. Место размещения воздухозаборника определяется экспериментальным путем.
В атмосферном воздухе в большем или меньшем количестве всегда присутствуют частицы пыли. Количественное содержание пыли в воздухе оценивается величиной запыленности воздуха (г/м3), показывающей массовое количество пыли, содержащейся в 1 м воздуха.
Запыленность атмосферного воздуха зависит от многих факторов: сезона года, типа грунта и дороги (табл. 12.1), влажности воздуха, интенсивности движения, типа транспортного средства и конструкции шин, направления ветра, аэродинамики транспортного средства.
Запыленность воздуха, поступающего в воздухозаборник системы воэдухоочистки двигателя при эксплуатации автомобиля, зависит помимо вышеперечисленных условий от месторасположения воздухозаборника, скорости движения автомобиля и может колебаться в пределах от 0,0003 до 1,4 г/м1.
256
Таблица
12.1
Тип автомобильной дороги |
Залы л «ни ость воздука при двпжешш автомобили, т/м5 |
|
одиночного |
в колонне |
|
. Автомагистраль |
0,001...0,002 |
Нет данных |
С твердым асфальтобетонным покрытием |
0,004.. .0,005 |
0,015...0,020 |
Без твердого покрытая |
0,01...0,10 |
0,4...0,6 |
Карьер |
0,5... 1,0 |
до 2,0 |
Основная масса частиц пыли, поступающих к воздухоочистителю двигателя, имеет размер до 40 мкм и состоит в основном из частиц оксидов кремния, железа и алюминия. Химический состав пыли различных почв по Гедройцу приведен в табл. 12.2.
Таблица 12.2
Тип ПОЧВЫ |
Размер час- таи, мкм |
Содержание прокаленного вещества, % по массе |
||||||
СО |
Si 02 |
Alj Oj + + F«2 О |
Afc Оз |
Ca О |
Mg О |
FO |
||
Лесс |
5...I0 |
5,3 |
62,2 |
17,3 |
— |
14,1 |
2,0 |
0,2 |
Подзол |
5...10 |
|
79,1 |
12,3 |
|
1,2 |
|
|
|
10...250 |
— |
89,4 |
— |
■ — |
V |
|
|
Чернозем |
5...10 |
|
88,5 |
8,6 |
7,1 |
0,4 |
0,2 |
|
|
10...250 |
— |
60,6 |
22,3 |
)5,0 |
0,8 |
0,5 |
|
Запыленность воздуха, поступающего в воздухозаборник кор* пуса фильтра, в значительной мере определяется высотой его расположения над поверхностью дороги. Увеличение на 0,7 м высоты расположения воздухозаборника уменьшает запыленность воздуха почти в 8 раз, в основном за счет уменьшения концентрации в воздухе крупных частиц пыли (табл. 12.3).
Таблица 12.3
Высота, забора пробы, м |
Содержание пыла, */• |
|
легковой автомобиль |
грузовой автомобиль |
|
0,5 |
0,20 |
0,50 |
1,0 |
0,14 |
0,35 |
1,5 |
0,04 |
0,22 |
2,0 |
0,01 |
0,14 |
9-548
237
Одной из главных характеристик, которая влияет на показатели работы воздухоочистителей, является дисперсность пыли.
По дисперсному составу пыль делится на три вида:
Мгновенная пыль, поднимаемая в воздух с дорожного полотна движущимся транспортным средством, имеющая размер частиц более 150 мкм и скорость оседания в неподвижном воздухе 1,0 м/с. Такие частицы составляют около 55% от массы поднимаемой машиной пыли.
Временная пыль имеет размер частиц 2... 150 мкм н скорость падения (1Д..0Д8)' 10"э м/с. Масса пыли этого вида составляет
.90% от массы пыли, поднимаемой машиной, что зависит от типа почвы или покрытия дороги.
Постоянная пыль содержит частицы, скорость осаждения которых менее 0,18 Ю-3 м/с.
Наиболее опасна для двигателя кварцевая пыль, твердость частиц которой выше твердости трущихся поверхностей двигателя. В пыли с дорожного полотна присутствуют и другие твердые минералы, входящие в состав материалов дорожного полотна, а также сажа и частицы от износа шин.
Эффективность воздухоочистителей ДВС оценивают следующими показателями: ф коэффициентом очистки воздуха, # гидравлическим сопротивлением, • пылеемкостью, # надежностью,
массовыми и габаритными показателями, • стоимостью конструкции и затратами на его обслуживание в процессе эксплуатации.
Эффективность очистки воздуха от ныли оценивают коэффициентами очистки tj или пропуска пыли е. Общий коэффициент очистки характеризует относительное количество пыли в процентах, задержанной воздухоочистителем, и определяется как
2 100=^^ 100, (12.1) А£\ Ь4\
где Ми Мь М3 — соответственно масса пыли, поступающей, задержанной и пропущенной воздухоочистителем пыли.
Коэффициент пропуска пыли определяется как относительное содержание пыли за воздухоочистителем: (Мэ/М|) 100%.
Коэффициенты пропуска и очистки связаны зависимостью E = (100-lf)%.
Система очистки воздуха существенно увеличивает гидравлическое сопротивление впускной системы. Гидравлическое сопротивление воздухоочистителя Ар зависит от его конструкции и определяется как разность давления на входе в воздухозаборник и давления после последнего элемента воздухо очистки (для многоступенчатых фильтров).
Гидравлическое сопротивление воздухоочистителя отрицательно влияет на коэффициент наполнения r[Vi ухудшает эффективные и экономические показатели работы двигателя. Экспериментальными
228
исследованиями
установлено, что величина гидравлического
сопротивления по мере загрязнения
фильтрующих элементов линейно возрастает
и до некоторой «предельной» величины
Ар^
(допустимое гидравлическое сопротивление,
см. табл. 12.4) не оказывает существенного
влияния на коэффициент наполнения
двигателя. Однако возрастающие при
этом энергозатраты на газообмен ухудшают
мощности ые и экономические показатели
двигателя.
Как
видно из табл. 12.4, нормативные значения
Ар^
зависят от типа и назначения двигателя
и определяются техническими условиями
з аво да- изгото вите ля.
Таблица 12.4 |
|
Двигатель |
Др, кПа |
С искровым зажиганием |
5,0 |
Дизель |
3,5...4,0 |
Дизель с турбонаддувом |
4,5... 5,0 |
. Трахтораый |
До 7,0 |
Относительные потери мощности для карбюраторных двигателей пропорциональны сопротивлению на впуске. Так, увеличение уровня гидравлических потерь на 100 мм вод. ст. вызывает снижение мощности двигателя примерно на 1,3%.
Дизели, имеющие большие значения коэффициента избытка воздуха, менее чувствительны к увеличению "гидравлического сопротивления воздухоочистителей. Увеличение Ар воздушного фильтра дизеля на 100 мм вод. ст. вызывает увеличение удельного расхода топлива и уменьшение мощности примерно на 0,5%.
На отдельных двигателях применяют системы воздухоочистки, для удаления пыли из которых используются устройства с эжекци- онным отсосом, соединенные с выпускными системами. Однако применение эжектора приводит к росту противодавления на выпуске, что вызывает потери мощности и увеличение эффективного удельного расхода топлива.
Количество пыли Wa (кг), которое воздухоочиститель задерживает до достижения предельно допустимой величины гидравлического сопротивления, называют пылеемкостью.
Совершенство конструкции воздухоочистителя оценивается его удельной пылеемкостью (кг/л) (табл. 12.5):
(12.2)
где V — полный объем, занимаемый системой очистки воздуха.
239
Таблица 12.5
Тао трайсиоргасго средства |
Начальная залыпев- вость воздуха <?, r/м1, ае более |
Уоельвах аагрузжа на сухой фильтрующей элемент |
|
9. м5/ч |
Л-гУм’ |
||
Легковые автомобиля |
0,05 |
400...250 |
125 |
Грузовые автомобили |
0,10 |
250...20Q |
185 |
Тяжелые самосвалы |
0,50 |
ПО |
230 |
Дорожно-строительная техника, тракторы и тягачи на гусеничном коду |
1,50 |
110 |
310 |
д Конструкция к работа систем очистки воздуха. В современных автотракторных двигателях используют воздухоочистители следующих типов: инерционно-центробежные, пористые и комбинированные.
Инерционно-центробежные очистители применяют в воздухоочистителях автотракторных дизелей в качестве первой ступени очистки. Коэффициент пропуска пыли таких очистителей колеблется от 10 до 60%, а гидравлическое сопротивление не превышает 100 мм вод. ст. Такие показатели позволяют применять их в основном в качестве первой ступени очистки.
Основным назначением первой ступени очистки воздуха является снижение пылевой нагрузки на вторую основную ступень возду- хоочистки, а следовательно, увеличение продолжительности его работы до технического обслуживания.
Наибольшее распространение на грузовых автомобилях получили двухступенчатые воздухоочистители с картонными фильтрующими элементами (рис. 12.1, а) во второй ступени очистки. Находят применение также комбинированные воздухоочистители с картонными фильтрующими элементами, в первой ступени которых используются батареи циклонов со сбором отсепарированной пыли в бункере с автоматическим удалением ее с помощью газового эжектора.
На грузовых полноприводных автомобилях применяются комбинированные системы очистки воздуха (рис. 12.1, б), в первой ступени которых используются конические инерционные решетки с автоматическим удалением отсепарированной газовым эжектором пыли.
Широкому использованию батарей циклонов в системах очистки воздуха препятствуют их большие габариты и высокая материалоемкость. Для обеспечения наибольшей продолжительности работы двухступенчатого воздухоочистителя коэффициент пропуска пыли первой ступеий &i должен находиться в пределах 8.Л5% (рис. 12.2).
260
1 |
*1 1 |
|
fijj |
|
|
|
|
fi
Рнс. 12.1. Воздухоочиститель с Картонным фильтрующим элементом (а) н комбинированные двухступенчатые воздухоочистители (б);
/ — прямоточный МОНОЦИХЛ08, 2 — картоижый фильтрующий элемеат, 3 — буях ер дм сбора отсепариро вавиой пыли, 4 — io- ШЛК1М ааерцновваа решетка, 5 - тртп нио-ыасляный ки- духоочвствтель
Ряс. 12.2. Зависимость относк- тельного времени работы т двухступенчатого воздухоо чистятеля от коэффициента пропуска первой ступени е,
Дальнейшее снижение коэффициента et не приводит к увеличе- нию продолжительности работы т двухступенчатых воздухоочисти- телей с картонными фильтрующими элементами вследствие того, что с уменьшением размера частиц пыли, поступающей на фильтро- вальный картон, удельная пылеемкость последнего резко сокраща- ется. Помимо того, уменьшается ресурс работы воздухоочистителя до предельного сопротивления из-за повышенного сопротивления первой ступени.
Широко применявшиеся ранее воздухоочистители инерционно- масляного типа, отличающиеся простотой конструкции и большим сроком службы, обладают рядом существенных недостатков, огра- ничивающих возможность их рационального использования на дви- гателе. Эффективность очистки воздуха от пыли такими фильтрами сравнительно невысока и в значительной мере зависит от режима работы двигателя. Так, если при расходе воздуха, соответствующе- го номинальному режиму работы двигателя, лучшие образцы фильтров пропускают 0,8... 1,8% пыли, то при работе на режимах частичных нагрузок этот показатель увеличивается до 5... 10%.
Воздухоочистители сухого типа в значительной мере лишены недостатков, присущих инерционно-масляным воздухоочистителям;
они обладают эффективностью очистки воз- духа, не зависящей от режима работы двига- теля, и в 10...30 раз превышают аналогич- ный показатель инерционно-масляных воз- духоочистителей. Кроме того, накопитель- ный характер пылеотложения на картонных фильтрующих элементах (КФЭ) делает воз- можным применение приборов (индикато- ров запыленности), показывающих в про- цессе эксплуатации рост сопротивления си- стемы впуска автомобиля и сигнализирую- щих о необходимости проведения обслужи- вания фильтрующего элемента (рис. 12.3).
Трудности компоновки воздухоочистите- лей с КФЭ в большегрузных автомобилях и необходимость исключения подогрева вса- сываемого воздуха не позволяют устанавли- вать такие фильтры в моторном отсеке. Та- ким образом, между двигателем и воздухо- очистителем в конструкции автомобиля по- является воздухопровод с резиновыми шла- нгами и стяжными хомутами.
Существующие методы расчета воздухо- очистителей в значительной мере основаны на использовании экспериментальных и ста-
рее. 12.3. Индикатор допустимого гидравлического сопротивления фирмы «Бахара»:
/ — пружка», 2 — смотровое окно, S — мембраяа, 4 — корпус, S — рычаг, 6 — поршень, 7 — отверстие для подвода воздуха
262
тистических
данных. Достоверность их сравнительно
невысока вследствие чего при их
разработке требуется проведение большой
объема экспериментальных доводочных
работ.
Расчет
инерционных воздушных фильтров
базируется на опреде лении скорости
осаждения твердой частицы в воздушном
потоке когда в воздушном пространстве
устанавливается равенство силь тяжести
частицы и силы сопротивления воздуха
ее движению В этот момент частица пыли
начинает перемешаться равномерно о
скоростью осаждения, значение которой
зависит от массы частицы ее размера,
вязкости и плотности воздушной среды.
При
центробежной очистке воздуха осаждение
пыли происходи- под действием центробежной
силы, возникающей при вихрево!* движении
потока в воздухоочистителе.
Наиболее
эффективно очистка воздуха осуществляется
сухим] фильтрующими элементами.
Конструкция фильтрующих элемента
постоянно совершенствуется, что
позволяет повысить их надеж ность,
удельную воздушную нагрузку и пылеемкость.
Появлени фильтрующих элементов на
основе фильтровальных картонов I
синтетических материалов позволило
создать конструкции очисти телей с
заранее заданными характеристиками,
что достигается из менением размеров
пор при производстве фильтровального
элемен та, тем самым определяется
наибольший критический размер ча стиц
пыли, которые могут проникнуть вместе
с воздухом во впуск ную систему двигателя.
Фильтрующий элемент можно рассматри
вать как монолитное тело, пронизанное
криволинейными каналами Воздух движется
по этим криволинейным каналам с
ворсистым] стенками, и частицы пыли
осаждаются на стенках, тем самым сужа!
канал и повышая тонкость фильтрации.
В
общ^м случае коэффициент
пропуска
может быть определи
как
е—е
, где i
—
толщина фильтрующего материала, X
— коэф фициент осаждения пыли (величина
экспериментальная).
Условия
работы фильтрующего элемента оцениваются
величи
V
ной
удельной
воздушной нагрузки
[м3/(ч'
м2)]
q
——,
где Vt
—
расход
F
воздуха
через двигатель, м5/ч;
F
—
площадь рабочей поверхносп фильтрующего
элемента, м . Косвенным критерием
пылеемкосп сухих фильтрующих элементов
является изменение
величины и;
удельного
сопротивления: Z=где
Аря
и Apt
—
соответствен
<Р
но
начальное и конечное сопротивления
фильтрующего элемента <р — запыленность
воздуха, подвергаемого фильтрации.
Удельная
пылевая нагрузка
на сухой фильтрующий элемент опре
деляется как gn
—
M^fF,
где
М2
— количество пыли, осевшей нг фильтрующем
элементе к моменту повышения сопротивления
воз духоочистителя до 700 мм вод. ст.
26:
Изменение
объемов надпоршневого пространства
при газообмене приводит к возникновению
шума.
Мощность акустического излучения при
этом зависит от диаметра цилиндра и
хода поршня и проявляется в основном
на низхих частотах, кратных периоду
чередования рабочих циклов в отдельных
цилиндрах двигателя. Шум на средних и
высоких частотах генерируется потоком
воздуха, обтекающим элементы карбюратора
и впускного клапана. Мощность
акустического излучения на этих частотах
зависит от скорости воздушного пот ох
а. Основным и малоизученным источником
является шум, возникающий при
перекрытии фаз газораспределения,
особенно в высокофорсированных
двигателях. Использование систем
турбонаддува значительно повышает
мощность акустического излучения на
впуске. Уровень незаглушенного шума
впуска на ряде двигателей с турбонаддувом
приближается к болевому порогу, достигая
135 дБ'А.
Одним из методов устранения этого
источника шума является повышение
частоты вращения компрессора, что
позволяет перенести акустическое
излучение в ультразвуковой диапазон
частот, не воспринимаемый органом
слуха. Применение турбокомпрессоров
с частотой вращения 130 ООО...200 ООО мин-1
позволяет «увести» акустическое
излучение в диапазон 25...30 кГц.
Глушители
шума
всасывания двигателей внутреннего
сгорания подразделяют на реактивные,
активные
и комбинированные.
Основным
элементом активного глушителя является
звукопоглощающий материал, который
размещен внутри корпуса глушителя и
взаимодействует с потоком газа. Снижение
шума происходит в результате превращения
звуковой энергии в теплоту в порах
звукопоглощающих материалов.
Характеристика
звукопоглощающих материалов определяется
коэффициентом
звукопоглощения,
показывающим величину отношения
звуковой энергии, поглощенной материалом,
к звуковой энергии, падающей на
поверхность материала: а= E^JE^.
Наиболее
эффективными и распространенными
звукопоглощающими материалами для
систем впуска являются технический
войлок, минеральная вата, капроновое
волокно. Звукопоглощающая способность
различных пористых материалов в области
низких частот весьма мала. Наиболее
эффективно звукопоглощение пористыми
материалами происходит в области
средних и высоких частот и зависит от
толщины и удельной плотности материала.
Реактивные
глушители,
или акустические фильтры, не содержат
специального звукопоглотителя и
представляют собой сочетание камер и
трубок, которые составляют систему
расширительных и резонансных объемов.
Набор элементов реактивного глушителя
создает импеданс рассогласования
и обеспечивает возврат звуковой энергии
к источнику. Реактивные глушители
эффективно работают для подавления
тональных составляющих шума в диапазоне
низких
264
и
средних частот. Резонансные камеры
целесообразно применять для снижения
шума высокой интенсивности и с узким
спектром излучения. Расширительные
камеры работают в широком диапазоне
частот, но их заглушающая способность
ниже.
Комбинированные
глушители
построены, как правило, по принципу
реактивных глушителей, в которые
вмонтированы активные элементы.
Нужно
сказать, что воздухоочистители, как
правило, являются довольно эффективными
глушителями шума впуска.
Воздухозаборник
и корпус воздушного фильтра при этом
являются элементами реактивного
глушителя; картонный фильтрующий
элемент работает как активный глушитель
и обеспечивает эффективное звукопоглощение
в спектре выше 3,5 кГц.
Расчет
единичной расширительной камеры
глушителя производят исходя из
потребной величины, на которую необходимо
уменьшить уровень шума процесса
впуска ДДЛ:
AL^lOlg
|^1
+0,25 ^m-^2sin
-J
(12.3)
где
m=FJFT
—
отношение площади проходного сечения
расширительной камеры к площади
сечения воздуховода; /=f]f*
—
безразмерная частота, являющаяся
отношением среднегеометрических частот
третьоктавных полос / к характеристической
частоте глушителя J*
=
С/(4/1);
4 — длина расширительной камеры; С
— скорость звука.
Расчет
единичной резонансной камеры глушителя
дрошьолшея из условия обеспечения
требуемого заглушения АЦ.п
на резонансной частоте/* при /,<0,4Др„:
^л=Ш8{1+[^]2}, (12.4)
где
— Cjj*
— длина звуковой волны на резонансной
частоте J*,
м;
V
— объем резонатора; F,
—
площадь сечения центральной трубы
глушителя; Ga
—
проводимость отверстий, соединяющих
трубу с резонансной камерой.
Подкапотное
пространство с позиций акустического
излучения следует рассматривать как
резонатор с точечным источником,
работающим в низкочастотном диапазоне
частот.
Характеристики
воздухоочистителей, используемых на
некоторых современных автомобилях,
приведены в табл. 12.6.
265
Таблица
12.6
Показатели
работы
Марта воэдухоочвсгвтел* |
львый расход воздуха, м Чч |
CDCpOTHB- ленне прв вомвшк львом расходе аоздуна, мм вод» ст. |
гоэффициеит пропуска пыли, %, ори |
удельная пылеем- юсгь, г/л |
|
номииа- льяом расходе воздуха |
20% номинального расхода воздуха |
||||
ВМ-16(ЗИЛ) |
430 |
240 |
1,0 |
4,6 |
57 |
ВМП-3 (ЗИЛ) |
430 |
305 |
1,2 |
5.3 |
187 |
ВС-4 (ЗИЛ) |
490 |
220 |
0,38 |
— |
370 |
Циклопах FWG (США) |
480 |
180 |
0,31 |
— |
84 |
«Ротопамм» Фарр (США) |
800 |
210 |
0,13 |
— |
193 |