Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1305 вузов, 5173 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Национальный авиационный университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:
Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн2 2007.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
4.08 Mб
Скачать
☆
►Содержание►

Глава 15

ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Неопределенность дорожных условий, в которых будет рабо­тать двигатель транспортного средства, а отсюда практическая невозможность строгого выбора регулировочных решений для систем двигателя, делают задачу подбора ДВС неопределенной, сводя ее к искусству решений по аналогии со складывающейся практикой.

Большое разнообразие транспортных средств, широкий диапа­зон условий эксплуатации и специфических требований к конкрет­ному транспортному средству заставили систематизировать эти факторы и в разумных сочетаниях искать (принимать) их зна­чения.

Если ограничиться 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 в 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 имя которого создаются двигатель, транспортное средство и вся инфраструктура.

В самом общем виде можно использовать сложившиеся в миро­вом двигателестроении соотношения между мощностью двигателя и массой автомобиля.

386

За последние 20 лет прошлого столетия мощность двигателей, приходящаяся на единицу (1 т) полной массы легковых и грузовых автомобилей, увеличилась в 2 раза.

Так, для легковых дизельных автомобилей среднего класса она составляет 23...51 кВт/т, грузопассажирских — 17...31, грузо­вых одиночных (массой 3,5—10 т) — 9...20, грузовых одиночных (массой свыше 10 т) — 9...20, автопоездов — 5...12 кВт/т.

Для легковых автомобилей с бензиновыми двигателями мощ­ность на единицу снаряженной массы — 50...160 кВт/т, полной массы — 37...125 кВт/т.

В условиях конкурентных рыночных взаимоотношений качество двигателя, как и любого изделия, количественно проявляется в сти­хийно складывающейся на рынке цене. При этом для производителя качество двигателя, заложенное при его проектировании и обес­печенное в процессе изготовления, является важнейшим условием успешной реализации двигателя в конкурентной борьбе за сбыт на рынке.

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 ДВС.

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 дает рис. 15.1.

31,1 1. Мотоколяски 6. ВАЗ

  • 2. Мопеды 7. ВАЗ 2121

  • 3. Мотороллеры 8. АЗЛК, Иж

  1. УАЗ, ЕрАЗ

  2. ГАЗ 52

  3. ГАЗ 53

  4. ЗИЛ

  5. КамАЗ

  6. МАЗ, КраЗ

  7. Автобусы

РАФ,УАЗ

  1. ПАЗ, КАВЗ

  2. ЛАЗ

  3. ЛиАЗ

21. Икарус

1 234 567.8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

4

4

■II-

Мототранспорт Легковые АТС Грузовые АТС Автобусы

Рис. 15.1. Структура парка АТС в бывшем СССР (на начало 70-х годов)

387

Мировой тенденцией в двигателестроении является увеличение доли дизелей, установленных на автомобиль. Так, после 1996 г. бензиновые двигатели практически не ставят на грузовые автомоби- ли или автобусы в странах Европы, Америки и Японии.

На рис. 15.2 показана динамика производства грузовых автомо- билей в 1985—1992 гг. рядом стран Западной Европы. По име- ющимся сведениям к 1996 г. Германия и Италия резко снизили выпуск грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями.

На рис. 15.3 показана динамика в 1980—1992 гг. общего произ- водства грузовых автомобилей в Западной Европе. Из них произ- водство дизельных автомобилей грузоподъемностью свыше 6 т вы- росло с 20,8% в 1980 г. до 31% в 1992 г.; производство дизельных автомобилей грузоподъемностью менее 6 т составило 21% в 1980 г. и 62,3% в 1992 г.; производство грузовых автомобилей с бензино- вым двигателем снизилось с 48% в 1980 г. до 16,8% в 1992 г.

Выпуск новых легковых автомобилей с дизелем вырос во Франции в 1985—1992 гг. с 15 до 38%, в Германии сначала несколько вырос с 22 до 27%, затем к 1989 г. снизился до 10%, а потом повысился до 15%. В Испании производство с 23% в 1985 г. упало до 15% в 1992 г. В Великобритании возросло с 5% в 1985 г. до 12% в 1992 г. В Бельгии возросло с 16% в 1985 г. до 37% в 1992 г.

Указанные страны производили новые легковые автомобили с дизелем в 1985 г. в среднем 16,2%, а в 1992 г. — 20%.

Тыс. шт

600

400

200

1985

85 92

дизель > 6т

85 92 85 1992 Годы

бензиновый < 6т

Рве. 15.2. Производство грузовых машин в странах Западной Европы:

D — Германия, F — Франция, / — Италия, Е — Испания, GB — Великобритания,

S — Швеция •

388

Тыс. шт. 2500

2000

1500

1000

500 '

О U

1980 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 1992 Годы

Н дизель > 6 т ^ дизель < 6 т ^ бензиновый < 6 т

Рис. 1S.3. Общее производство двигателей в Западной Европе

На рис. 15.4 показана динамика по годам производства дизелей в мире. Всего в 1975—1992 гг. выпуск дизелей вырос с 3,8 до 9,8 млн. шт. При этом доля дизелей для легковых автомобилей возросла с 5,3% в 1975 г. до 36,7% в 1992 г.; для грузовых автомобилей — с 42,1% в 1975 г. до 42,9% в 1992 г.; для тракторов уменьшилось с 16,3 до 8,2%; для стандартных установок — с 28,3 до 12,2%.

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.

Важным периодом эксплуатации двигателей является неустано- вившийся режим работы двигателя. Он составляет 93...97% в усло­виях интенсивного городского движения, 90...45% при движении по грунтовым дорогам, 30...35% всего времени движения на загород­ных магистралях. Используемая мощность двигателя составляет

  1. .78% от номинальной. Работа на неустановившихся режимах приводит к росту расхода топлива на 5...7% и увеличивает износ двигателя в среднем в 1,2...2 раза.

389

1980 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 1992 Годы

дизель > 6 т дизель < 6 т бензиновый < 6 т

Рис. 15.4. Производство автомобилей в мире

Диапазон изменения климатических условий также очень ши­рок. Так, в районе Москвы (умеренный климатический район) средняя суточная температура в течение года колеблется от +30 до — 30 °С, в районе Салехарда (холодном) — от +30 до — 50 °С, в Якутске (очень холодном) — от +30 до — 60 СС. Естественно, что при эксплуатации в данных диапазонах температур мощность двигателя будет меняться, влияя на тяговые качества транспорт­ного средства.

Указанных примеров достаточно для подтверждения сложности задачи выбора мощности двигателя. Тем не менее решению ее посвящено большое количество трудов в курсах теории автомоби­ля. Рассмотрим два несколько упрощенных подхода к решению данного вопроса.

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

N _ ".ш (<P™i+. + fonja)

1000»/,.

где — максимальная скорость автомобиля, м/е; тл — масса автомобиля; <р — коэффициент суммарного сопротивления дороги; Кл — коэффициент обтекаемости, Н ■ с2/м4; F—лобовая площадь,

390

м2; 5 — коэффициент учета силы инерции приведенных вращаю­щихся масс; для его определения можно пользоваться следующим выражением: S= 1,04+0,04i2, где ix —передаточное число коробки передач; ja — ускорение автомобиля, которое можно принимать равным 0,2...0.3 м/с2; »/т=0,85...0,9 — КПД трансмиссии.

Приближенно можно принять:

Автомобили

Н • (г'/м

F, м1

ч>

Легковые

0,2...0,3

1.5—2

(0,01-0,05)-Ю-6^

Грузовые

0,5-0,7

3,0-6,5

(0,015-0,02)4-6 Ю-6^

Автобусы

0,35—0,45

3,0-7,5

Н.д.

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

. _ -^сном

В табл. 15.1 приведены данные по Nya и другим показателям ряда отечественных автомобилей.

На основании данных табл. 15.1 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 в гл. 11.

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.

391

Таблица 15.1

Марка

автомобиля

Полна» масса, кг

Максималь­ная ско­рость, км/ч

Максималь­ная мощ­ность двигателя, кВт

Контрольный расход топлива*, л/100 км

Удельная

мощность,

кВт/т

Легковые автомобили

ЗАЗ-968а

1160

118

30,3

6,2/80

26,03

BA3-2103

1430

152

56,6

8,4/80

39,6

Москвич-2140

1445

154

58,8

8,5/80

40,2

1445

142

55,2

7,4/80

38,2

ГАЗ-24

1820

147

69,9

10,5/80

38,4

ГАЗ-ЗЮ2

1870

152

77,2

8,5/80

41,28

ЗИЛ-4104

3800

190

237,8

22,00/80

51,10

Грузовые автомобили

ГАЗ-52-ОЗ

5465

70

55,2

21,0/40

10,10

ЗИЛ-130

10525

90

110,3

29,0/50

10,47

КамАЭ-5320

15305

80

154,4

26,0/60

10,10

КрАЗ-2576

22500

68

176,5

38,50

7,8

Автобусы

ПАЗ-3201

7155

80

84,6

25,4/30

11,80

ЛАЗ-4202

13400

75

132,4

19,0/40

9,90

ЛиАЗ-677М

14050

70

132,4

39,0/40

9,40

* В знаменателе указана скорость автомобиля, при которой определяется расход топлива.

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) весогабаритные параметры радиатора, производи­тельности вентилятора и жидкостного 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 /0=30°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 следо-

392

вало 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. 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 удельный эффек­тивный расход топлива g„ г/(кВт ■ ч).

На уменьшение ge направлены исследования в области совер­шенствования рабочих процессов двигателей, в которых 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 КРТ отечественных автомобилей приведены в табл.

  1. 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.

К сожалению, при выборе двигателя нет полной информации по всем показателям, в лучшем случае имеются только данные по ge на номинальном режиме или по внешней скоростной характери­стике двигателя и иногда КРТ. Как показывает опыт, расход топ­лива (л/100 км) зависит от рабочего объема ДВС Vh и от Nya, поэтому, обосновывая необходимую мощность для транспортного средства, следует учитывать указанные зависимости и не завы­шать Nya.

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 регламен­

393


тированы ГОСТ117.2.2.03 — 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 и NO* [г/(кВт ■ ч)].

Вибрационно-акустические качества. Оценивая двигатель с точки зрения данных показателей, необходимо иметь в виду, что они во многом определяются степенью уравновешенности двигателя.

Для ориентировочной оценки допустимого значения неуравнове­шенных сил и их моментов можно воспользоваться критерием Климова — Стечкина — Каца, представляющим собой безмерные относительные величины, определяемые выражениями:

n>fi+-ZPfl+

4

L2+H2

—F D<1

6 LMr 1

L2+B2 J’

где L, H, В — длина, высота, ширина двигателя по основному массиву металла корпуса, м; D — диаметр цилиндра, м; тт — мас­са двигателя, кг; со— — угловая частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме, с-1.

Опыт показывает, что если значения £<0,002, то уравновешен­ность двигателя можно считать удовлетворительной, а двигатель — пригодным для установки на транспортное средство.

Равномерное чередование при любом количестве и любом угле развала цилиндров обеспечивается, в частности, смещением шатун­ной шейки каждого кривошипа на угол 8. Так выполнены колен­чатые валы двигателя КАЗ-ЯМЗ-642 и многих зарубежных шести­цилиндровых V-образных двигателей.

На современных двигателях корпусным деталям придают та­кие формы, которые исключают резонансные явления в зоне рабо­чих оборотов и тем самым обеспечивают бесшумную работу двигателя.

Надежность двигателя. При подборе двигателя ориентировочная оценка его с точки зрения напряженности рабочего процесса, а зна­чит, и косвенная оценка надежности двигателя могут быть осущест­влены определением критериев Б. Я. Гинцбурга и А. К. Костина. Выражения указанных критериев приведены в гл. 5.

У современных, достаточно надежно работающих автомобиль­ных двигателей значения указанных критериев находятся в следу­ющих пределах: iV„=l,5...2,3 кВт/см2, ди=3,2..Л.

394

Таким образом, если у выбранного двигателя для данного транспортного средства значения критериев не превышают указан­ных значений, то ориентировочно можно считать двигатель до­статочно надежным.

Моторное топливо. Для последних лет характерным является расширение спектра видов топлив, применяемых в ДВС. Так, в экс­плуатацию в Бразилии внедрено спиртовое топливо. В странах Западной Европы расширяется применение топлив биологического происхождения, в особенности на сельскохозяйственных транспорт­ных средствах. Повышается доля применения газовых топлив. Есте­ственно, все это меняет облик эксплуатационной сферы, меняется заправочное хозяйство, контрольно-диагностическое оборудование, меняются требования к обслуживающему персоналу. Происходит все это при одновременном ужесточении экологических требований к автомобилю, что стимулирует разработку новых моторных топ­лив. Эти тенденции сохраняют свое влияние на ДВС, и именно они будут определять сферу их применения.

Другими словами, выбирая двигатель для транспортного сред­ства, для парка машин, необходимо понимать, что сегодня тем самым задается облик автотранспортной инфраструктуры, меняют­ся капиталовложения, формируется занятость населения. Эти про­цессы будут все более глубокими по мере расширения ассортимента топлив, возможных для применения в ДВС.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Автомобильные двигатели/Под ред. М. С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977. 591 с.

  2. Двигатели внутреннего сгорания/Под ред. В. Н. Луканина. М.: Высшая шко­ла, 1985. 311 с.

  3. Конструкция и расчет автотранспортных двигателей/Под ред. Ю. А. Сте­панова. М.: Машиностроение, 1964. 552 с.

  4. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и ком­бинированных двигателей/Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. М.: Машиност­роение, 1980. 288 с.

  5. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей/Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1985.456 с.

  6. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей/Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1984. 384 с.

  7. Маслов Г. С. Расчеты колебаний валов: Справочник. М.: Машиностроение, 1980. 151 с.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности