2514

Nн = 0,5…1% от номинальной мощности ДВС.

Лекция 23. Воздушные системы охлаждения

Воздушные системы охлаждения состоят из дефлекторов оребренных головок и цилиндров, а также осевого многолопастного вентилятора, обеспечивающего напор 1000…2400 Па, высокие скорости циркуляции воздуха в каналах дефлекторов и межреберных каналах головок и цилиндров двигателя.

Параметры окружающей среды и расчетные режимы принимают такие же, как при расчете масляной системы. Расчетные температуры цилиндра и головок приведены в табл. 23.1. Средняя температура у оснований ребер цилиндра из чугуна 130… 170 С. У оснований ребер головки из чугуна 170…220 С и алюминиевого сплава 160…200С. Температура внутренних поверхностей цилиндра должна быть не ниже 130…140 С. Относительный теплоотвод в систему воздушного охлаждения составляет для ДсИЗ q = 0,24…0,30, для дизелей q = 0,2…0,25.

Тогда общий теплоотвод в систему воздушного охлаждения составляет:

где Hu –низшаятеплотворная способностьтоплива: GT –расходтоплива. С учетом отводимой теплоты масляным радиатором и поверхно-

стями картера

Если головка изготовлена из чугуна, то доля теплоты от головки увеличивается. Количество теплоты, Дж/с, отводимого от одного цилиндра:

средняя температура воздуха, выходящего из межреберных каналов и входящего в них, С; tвх = 45 С; tвых = (tв +tн)/2, где tв =80…110 С от верхней зоны цилиндра; tн =60…80 С от нижней зоны цилиндра, то-

гда tвых = 70…95 С.

Через неплотности газовоздушного тракта теряется 8…10 % охлаждающего воздуха,поэтомуна охлаждение одногоцилиндра требуется

Для всего двигателя G GBi , где i – число цилиндров. Удельный расход воздуха, кг/(с кВт), на единицу мощности дви-

гателя qв=G/Nе приведен в табл. 23.3. Эти данные можно использовать для проверки правильности расчетов G для двигателя.

131

Таблица 23.3

Удельный расход воздуха на единицу мощности двигателя

шаг оребрения; – средняя толщина ребра; l – средняя ширина межреберного канала. В табл. 23.4 приведены значения всех этих параметров.

Сравнительный анализ жидкостного и воздушного охлаждения

Достоинства жидкостных систем охлаждения: меньшие монтажные зазоры между зеркалом цилиндра и поршнем, эффективное и равномерное охлаждение деталей двигателя при любой тепловой нагрузке, применение блок-картера, что повышает жесткость конструкции, использование охлаждающей жидкости для обогрева кабин и салонов транспортных средств, меньший шум, меньшая склонность к детонации ДсИЗ, возможность регулирования температуры.

132

Недостаток жидкостных систем охлаждения: высокая трудоемкость эксплуатации системы из-за регламентных работ по очистке и промывке системы охлаждения и радиатора, устранению подтекания охлаждающей жидкости, явлений кавитации и др.

Достоинства воздушной системы охлаждения: простота конструкции, быстрый прогрев двигателя после запуска, меньшая чувствительность к температуре окружающей среды, простота обслуживания, низкая стоимость и меньшие затраты мощности (примерно в 2 раза) на функционирование системы.

Недостатки – большие градиенты температур в элементах корпуса, невозможность регулировки системы, уменьшение среднего эффективного давления и литровой мощности вследствие снижения коэффициента наполнения, повышенная шумность работы двигателя, переохлаждение двигателя при низких температурах воздуха при встречном ветре и др.

Лекция 24. Художественное конструирование. Анализ конструкций и перспектива развития поршневых двигателей

Художественное конструирование

Рассмотрим этапы художественного моделирования [7]. Эстетические качества машин определяются с первых стадий

проектирования, когда формируется скелет изделия. Они определяются целесообразностью форм, рациональностью и соответствием форм функциональному назначению и эстетическому восприятию изделия. Аэродинамические формы воздушных лайнеров вселяют в нас уверенность в быстроте, скорости и надежности полета. Формы джипа говорят о мощности, проходимости этого внедорожника. Внешний вид роторов турбин свидетельствует о их мощности. Таким образом, формы изделия определяются удобством его использования по назначению и техническим совершенством его функциональных свойств. Это единство требований лежит в основе выбора компоновки изделия и форм его элементов.

При этом особую роль играет впечатление устойчивости, композиционного равновесия, распределения нагрузок относительно центра тяжести изделия и его опор. Это приводит к симметрии конструкции, опирающейся как минимум на три точки опоры. Примеры: автомобиль, самолет, поезд.

Двигатель тоже симметричен относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, и имеет четыре точки

133

ность движения масс, линий к центру или к плоскости симметрии. Целостность ансамбля элементов изделия зависит от соотношений размеров и рекомендуется от 1:1 до 2:1. Имеются специальные ряды чисел (ГОСТ 8031-56) гармоничных пропорциональных отношений размеров. Обеспечение удобства пользования изделия требует соизмерения с человеком, его руками и другими частями тела. Кнопки, шкалы приборов, рукоятки управления, фары, люки, дверцы зависят от масштабности изделия и соизмеряются с размерами тела человека.

Соотношение размеров изделия и его пульта управления определяются эргономикой, т.е.расходом энергии человека на операцию управления. Кроме физической нагрузки, человек испытывает еще психическую нагрузку, которая зависит не только от взаимоположения узлов, но и от цветовой гаммы.

Обычно это темные органы управления на светлом фоне панели, а на белом фоне становятся предельно контрастными и раздражают.

Контрастные отношения цветов могут придать форме изделия динамичность, зрительный эффект движения. Отсутствие нюансировки формы делает ее грубой, негармоничной.

134

Окраска станков в зелено-голубой цвет привела к увеличению производительности и освещенности рабочих мест на 10 %. Красный цвет утомляет и понижает слуховую чувствительность.

В помещении, окрашенном в оранжевый цвет, кажется теплее, чем в помещении сине-зеленого цвета. Белый потолок, находясь выше поля зрения человека, не вызывает ослепления и отражает много света и т.п.

Итак, при окраске двигателя и его агрегатов и их размещении нужно обеспечивать удобство пользования и привлекательность внешнего вида.

Анализ конструкций и перспектива развития поршневых двигателей

Развитие автомобильных и тракторных двигателей, как и двигателестроение в целом, происходит в направлении улучшения экологических характеристик – снижения токсичности, уровня шума, вибрации, улучшения эксплуатационной экономичности по топливу и маслу, расширения использования ассортимента топлив, повышения моторесурса и надежности, уменьшения удельной материалоемкости и трудовых затрат на техническое обслуживание и эксплуатацию.

Для легковых автомобилей основным типом является ДВС с принудительным воспламенением. Суммарный рабочий объем составляет 1…4,5л, частота вращения достигает 7000 мин-1, литровая мощность 50…75 кВт/л; удельная масса 1…2,5 кг/кВт, удельный расход топлива 235…300 г/(кВт ч), степень сжатия 9…10,5. Обычно это четырехтактные, с числом цилиндров i=3…6 у рядных и i=8 у V-образных двигателей. Классически это четырехцилиндровый ДВС с рядным расположением цилиндров. Например, ДВС Заволжского моторного завода четырехтактный, рядный, четырехцилиндровый с рабочим объемом цилиндра 2,3 л (рис. 24.1). Он имеет четырехклапанное распределение с двумя верхними распределительными валами, центральным расположением свечи зажигания и комплексной микропроцессорной системой управления впрыска топлива и зажигания. Это обеспечивает высокие технико-экономические показатели. Чугунный блок-картер имеет высокую жесткость.

Применение наклонного расположения цилиндров позволяет уменьшить высоту двигателя и обеспечить свободный доступ ко всем деталям и вспомогательным агрегатам, требующим периодического технического обслуживания и регулировки.

135

Генератор и электромотор для предотвращения нагрева устанавливают со стороны, противоположной размещению выхлопных патрубков. Подача топлива осуществляется с помощью системы распределенного многоточечного впрыска, реже применяют центральный впрыск. Форма камеры сгорания – и клиновая, и полусферическая, и шатровая и др. Для снижения размеров и массы применяют турбонаддув. Двигатели V-образной схемы имеют угол развала цилиндров 90 , что упрощает уравновешивание. Применение алюминиевых сплавов, композиционных и порошковых материалов и керамики снижают массу ДВС и стоимость изготовления.

Однако двигатели с принудительным воспламенением не отвечают в полной мере эксплуатационной экономичности и токсичности газов. В городских условиях, при частых пусках, на переходных режимах они имеют низкую экономичность и высокую токсичность, при полной нагрузке КПД е = 30…32 %, а при частичных нагрузках

е = 5…15 %.

Для современных автомобилей требуется ограничение расхода топлива до 5 л на 100 км пробега и в будущем до 3,5 л при ужесточении выбросов CO2.

Достижения этих целей позволяет применение четырехклапанной головки цилиндров с двумя впускными клапанами, фиксацией, организацией многостадийного впрыска топлива, повышением энергии электрического разряда при центральном расположении свечи зажигания, обеспечением переменного давления впрыска, управляемым рассеиванием заряда и работы на бедных смесях, повышением степени рециркуляции, установкой более совершенных нейтрализаторов.

Кроме того, наметилась тенденция к повышению степени сжатияс установлением датчиков вибрации контроля детонации в головке цилиндров. Увеличение на две-три единицы снижает расход топлива на 8…10 %, что особенно эффективно на режимах частичной нагрузки. Применяют также автоматическое изменение хода поршня, что приводит к оптимизации степени сжатия на любом режиме и снижению токсичности. В некоторых случаях применяют отключение части цилиндров, что особенно эффективно для V-образных двигателей.

При переходе на сжиженный или сжатый газ в двигателе изменяется только система топливоподачи. Газовые двигатели лучше запускаются при низкой температуре, имеют более однородную горючую смесь, меньшие отложения на свечах и стенках камеры сгорания,

136

снижается токсичность выбросов, особенно на пусковых и переходных режимах. Но для компенсации потери мощности, вследствие разной теплоты сгорания топлив, необходимо повышать степень сжатия до 11…13. Кроме того, увеличивается масса автомобиля из-за установки газовых баллонов и дополнительного оборудования.

Ведутся большие исследования по применению альтернативных топлив растительного происхождения и водорода. Широкие пределы воспламеняемости водородо-воздушной смеси ( =0, 14…10) позволяют при принудительном воспламенении осуществить качественное регулирование и высокую экономичность.

Впоследнее время намечен переход на дизельные двигатели для легковых автомобилей, этому способствует их более высокая экономичность до 38 % в условиях городского движения и до 15 % в средних дорожных условиях. Большинство фирм для удешевления производства создают дизели на базе существующих двигателей, унифицируя основные детали. Это в основном четырехцилиндровые четырехтактные рядные двигатели. Блоки цилиндров литые чугунные с рабочими цилиндрами, выполненными в блоке, головку блока выполняют из алюминиевого сплава.

Камеры сгорания выполняют в основном с непосредственным впрыском (однополостные), они отмечаются улучшением экономичности по сравнению с дизелями с разделенными камерами.

Втопливной аппаратуре, кроме насосов высокого давления распределительного типа, используют аккумуляторную систему типа Common-Rocil, а также насос-форсунки. Применение турбонаддува компенсирует снижение мощности дизеля по сравнению с исходным двигателем с принудительным воспламенением того же рабочего объема. При этом стремятся уменьшить диаметр ротора, сохранив расход за счет увеличения частоты вращения, что улучшает приемистость дизеля. Таким образом, дизель с наддувом имеет такие же характеристики и удельные показатели по массе и размерам, что и ДсИЗ, а также меньший расход топлива и токсичность отработанных газов.

Главной тенденцией развития грузовых и автотракторных двигателей, в основном дизелей, является улучшение их экономических показателей, экономичности, увеличение срока службы, повышение удельных показателей при высокой надежности.

Заканчивается переход отечественного дизелестроения на выпуск двигателей с токсичностью по нормам Евро-3 и начато изготовление двигателей по нормам Евро-4.

137

Впоследнее время развивается унификация двигателей и создание их семейств, что повышает рентабельность производства и расширяет их применение. Это достигается в основном изменением числа цилиндров (рабочего объема). Новая тенденция повышения мощности – форсирование давления Pe за счет применения турбонаддува с промежуточным охлаждением. Расширяется использование автомобильных двигателей для строительно-дорожных машин и оборонной техники, а также двойного применения. В последнее время возникло направление создания когенерационных установок, когда двигатель используется как автономный узел для выработки электрической и тепловой энергии.

Двигатели грузовых автомобилей разделяют на двигатели для автомобилей малой грузоподъемности, средней и тяжелой, при этом рабочий объем цилиндров Vл соответственно равен 0,7; 1,0 и 2,0 л.

Требование низкой токсичности отработанных газов остается важнейшим для всех видов двигателей. Это требование приводит к снижению экономичности, т.к. при повышении температуры горения увеличивается выброс в атмосферу окислов азота и CO2, поэтому наблюдается рост максимального давления цикла (в перспективе до 20МПа). Это повышает требования к подшипникам коленчатого вала

ик газовому стыку, а также к прочности деталей цилиндропоршневой группы. Снижение токсичности требует также применения четырехклапанной головки цилиндров, перепуска отработанных газов с их охлаждением, установки систем турбонаддува с промежуточным охлаждением, непосредственным разделением впрыска с управляемым законом топливоподачи и контролем расхода масла на угар.

Наиболее востребованы в количественном отношении дизели мощностью 70…140 кВт и iVп=2,2…3,4 л в рядном исполнении. Они предназначены для легковых автомобилей класса Е, внедорожников, малой грузоподъемности, грузовых автомобилей, микроавтобусов, тракторов, катеров, яхт, военной и другой техники.

В2006 г. впервые были созданы автомобили BMW Hydrogen 7, работающие на водороде, которые поступили в эксплуатацию в 2007 г., но в связи с отсутствием развитой системы заправок водородом этот двигатель может работать на бензине с возможностью переключения с одного вида топлива на другой.

Таким образом, дальнейшее развитие автомобилестроения имеет большие перспективы.

138

Библиографический список

1.Конструирование двигателей внутреннего сгорания: учебник для вузов/ Н.Д. Чайнов, Н.А. Иващенко, А.Н. Краснокутский, Л.Н. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. – М. Машиностроение, 2008. – 494 с.: ил.

2.Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. Кн. 2./ В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. –

М.: Высш. шк., 2005. – 400 с.: ил.

3.Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей /А.С. Орлин, М.Г. Круглов и др.; под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – М.: Машино-

строение, 1984. – 384 с.

4.В.С. Зарубин. Математическое моделирование в технике / В.С.Зарубин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 318 с.

5.О.В. Соснин. Энергетический вариант теории ползучести / О.В. Соснин, Б.В. Горев, А.Ф. Никитенко; ИГ АН СССР.– Новосибирск, 1986. – 96 с.

6.Теория теплообмена /А.И. Леонтьев и др.; под ред. А.И. Леонтьева.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. – 684 с.

7.А.В. Богданович. Художественное конструирование в машиностроении/ А.В. Богданович, В.А. Бурьян, Ф.И. Раутман. – Киев: Изд-во «Технiка», 1976. – 182 с.

8.Е.М. Юдин. Шестеренчатые насосы. – М.: Оборонгиз, 1957. – 142 с.

139