Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

одним, так и с двумя распредели тельными валами, как правило, расположенными на головке ци линдров. Привод валов осуществ ляется от коленчатого вала в основ ном зубчатым ремнем из компози ционного материала. Тот же ре мень используется для привода ря да других агрегатов двигателя. На ряду с ременной применяется и цепная передача. Выпускная систе ма двигателя расположена обычно со стороны, противоположной той, на которой установлены генератор и электростартер (для предотвра щения их нагрева). Подача топлива в цилиндры современных двигате лей с принудительным воспламе нением осуществляется в большин

стве случаев впрыском топлива с помощью системы распределенно го многоточечного впрыска (реже применяют центральный впрыск). Формы камеры сгорания – разно образные: клиновая, полусфериче ская, шатровая и др.

В настоящее время к легковым автомобилям предъявляют все более жесткие требования с точки зрения ограничения размеров и массы. В связи с этим часто на вновь созда ваемых двигателях применяют над дув, в том числе газотурбинный. Двигатели, выполняемые по V об разной схеме, имеют угол развала блоков цилиндров 90 , что упрощает уравновешивание двигателя. Для уменьшения материалоемкости и

массы двигателя, а также снижения стоимости его изготовления все ши ре применяют алюминиевые спла вы, композиционные материалы, порошковые материалы и керамики.

Примером рядного двухцилинд рового четырехтактного карбюра торного двигателя является двига тель, устанавливаемый на автомо биль "Ока" (рис. 11.2). В пятици линдровых двигателях силы инер ции первого и второго порядков уравновешены, а моменты от этих сил воспринимаются упругими опо рами и гасятся демпфером.

Однако, несмотря на удовлетво рительные показатели по массе и размерам, высокую литровую мощ ность, хорошую динамику автомо

биля, отлаженную технологию про изводства и низкую стоимость изго товления, двигатели с принудитель ным воспламенением не отвечают в полной мере современным требова ниям с точки зрения эксплуатаци онной экономичности и токсично сти отработавших газов.

При движении автомобиля по городу двигатель работает б льшую часть времени на переходных режи мах при частых пусках и недоста точном прогреве. В этих условиях двигатели легковых автомобилей имеют пониженную экономичность и высокую токсичность отработав ших газов. Если при полной нагруз ке двигателя с принудительным воспламенением 9е = 30–32 %, то

при работе на частичных нагрузках 9е = 5–15 %. Для устранения этих недостатков необходимо улучшить работу двигателей с принудитель ным воспламенением на переход ных режимах.

Снижение вредных выбросов при работе двигателей и топливная эко номичность связаны между собой. Помимо традиционных токсичных составляющих, все большее внима ние уделяется снижению количества углекислого газа, что напрямую свя зано с уменьшением расхода топлива. Для двигателей современных автомо билей малого и в ряде случаев сред него класса требуется ограничение расхода топлива до 5 л на 100 км про бега и далее до 3,5 л при ужесточении нормирования выбросов СО2. Дости жение этих целей связано с реализа цией известных решений: примене нием четырехклапанной головки ци линдров с двумя впускными канала ми; организацией многостадийного впрыска топлива в цилиндр; повы шением энергии электрического раз ряда при центральном расположении свечи зажигания; обеспечением пе ременного давления впрыска; управ ляемым расслоением заряда и рабо той на бедных смесях; повышением степени рециркуляции; установкой совершенных нейтрализаторов.

В настоящее время во вновь раз рабатываемых конструкциях двига телей с принудительным воспламе нением наметилась тенденция по вышения степени сжатия +. При контроле детонации вибродатчиком, устанавливаемым в головке цилинд ров, степень сжатия + можно повы шать до границы детонации. Увели чение + на две три единицы обу словливает снижение расхода топли ва на 8–10 %. Особенно целесооб разно повышать фактическое значе ние + при работе двигателя на режи мах частичных нагрузок.

Для снижения расхода топлива при работе двигателя на частичных нагрузках в некоторых конструкци ях используют системы, автомати чески увеличивающие + на этих ре жимах вследствие изменения хода поршня. В результате этого обеспе чивается оптимальная по эконо мичности степень сжатия при ра боте двигателя на любом режиме. Одновременно снижается и ток сичность отработавших газов.

При работе двигателей с принуди тельным воспламенением на сильно обедненных смесях также повышает ся топливная экономичность и сни жается токсичность отработавших га зов. Однако работа двигателя в этом случае ограничивается верхним пре делом воспламенения смеси.

Одним из возможных методов повышения экономичности двига телей с принудительным воспламе нением является отключение части цилиндров при работе на частичных нагрузках. Это возможно при числе цилиндров свыше четырех и осо бенно эффективно в двигателях с V образной компоновкой. Цилиндры отключаются автоматически элек тронной системой, которая в то же время одновременно увеличивает подачу топлива в работающие ци линдры. Кроме того, эта система обеспечивает и изменение порядка зажигания в работающих цилинд рах, что уменьшает неравномер ность вращения коленчатого вала. Для исключения влияния насосных потерь в неработающих цилиндрах предусмотрено выключение из ра боты впускных и выпускных клапа нов. Отключение цилиндров целе сообразно при непосредственном впрыске топлива во впускной тру бопровод каждого цилиндра.

Испытания показали, что при отключении части цилиндров при работе на частичных нагрузках

средние эксплуатационные расхо ды топлива снижаются на 25–30 %.

Внастоящее время все большее внимание уделяется переводу двига телей с принудительным воспламе нением легковых автомобилей на га зообразное топливо, в частности, на сжиженный и сжатый природный газ. Конструкция двигателя при этом практически сохраняется, изменяется только система топливоподачи. Газо вые двигатели лучше пускаются при низкой температуре, имеют более од нородную топливовоздушную смесь с расширенными пределами горюче сти, меньшие отложения на свечах и стенках камеры сгорания, что снижа ет стоимость эксплуатации и увели чивает долговечность двигателя.

Вгазовых двигателях по сравне нию с бензиновыми двигателями, содержание тяжелых углеводородов

иоксидов азота в отработавших га зах значительно ниже, причем боль шее снижение токсичности наблю дается на режимах пуска и прогрева.

При переводе двигателя с прину дительным воспламенением на га зообразное топливо для компенса ции потери мощности, возникаю щей вследствие разной теплоты сго рания этих топлив, повышают сте пень сжатия до 11–13. Однако ши рокое использование газа в качестве топлива автомобильных двигателей требует организации сети заправоч ных станций и обслуживания. Кро ме того, увеличивается масса авто мобиля за счет установки дополни тельного оборудования и, в первую очередь, газовых баллонов.

Для автомобильных двигателей возможно также применение топли ва, получаемого из возобновляемых источников: продуктов земледелия, лесоводства и др. В качестве такого топлива перспективны спирты – эта нол и метанол. Однако используемые в чистом виде спирты обладают су

щественными недостатками – имеют высокую скрытую теплоту испаре ния, что затрудняет пуск холодного двигателя, пониженную теплоту сго рания, а также достаточно высокую стоимость. Тем не менее, этанол на шел применение в некоторых стра нах. Спирты используют и в виде до бавки к бензину (например, газохол

–бензина 90 % и этанола 10 %). Длительное время проводятся

исследования по использованию водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, в том числе и для двигателей легко вых автомобилей. Широкие преде лы воспламеняемости водородно воздушной смеси ( = 0,14–10) по сравнению с бензино воздушной ( = 0,4–1,4) позволяют реализо вать в двигателе с принудительным воспламенением качественное ре гулирование, что обеспечивает вы сокую топливную экономичность.

Заметное улучшение эксплуата ционной экономичности и сниже ния токсичности отработавших га зов по ряду компонентов связано с применением на легковых автомо билях дизелей. Широкому исполь зованию дизелей на легковых авто мобилях способствует их более вы сокая экономичность по сравнению с двигателями с принудительным воспламенением: до 35 % в условиях городского движения, до 15 % в средних дорожных условиях и до 5 % при движении на магистралях.

Учитывая массовый характер производства двигателей для легко вых автомобилей, большинство ав томобильных фирм для снижения стоимости производства создают ди зели на базе существующих двигате лей с принудительным воспламене нием, унифицируя основные детали.

В основном на легковых автомо билях используют четырехцилиндро вые четырехтактные дизели с рядным

вертикальным расположением ци линдров. Реже применяют пяти и шестицилиндровые конструкции. Блоки цилиндров, как правило, ли тые чугунные с рабочими цилиндра ми, выполненными непосредственно

вблоке. Реже используют вставные гильзы цилиндров как "мокрые", так и "сухие". Головку блока цилиндров чаще выполняют из алюминиевого сплава, реже из чугуна. Дизели легко вых и малотоннажных грузовых авто мобилей с неразделенными (однопо лостными) камерами называются двигателями с непосредственным впрыском. Такие дизели отличаются существенным улучшением эконо мичности по сравнению с дизелями с разделенными камерами.

Привод распределительного вала

вдизелях осуществляется, главным образом, сдвоенной цепью или зуб чатым ремнем. При этом применя ют, как правило, верхнее располо жение распределительного вала. В топливной аппаратуре, кроме насо сов высокого давления распредели тельного типа, используют аккуму ляторную систему типа Common Rail, а также насос форсунки. В ре зультате применения турбонаддува компенсируется снижение агрегат ной мощности дизеля по сравнению с исходным двигателем с принуди тельным воспламенением того же рабочего объема.

При установке турбокомпрессора ухудшается приемистость двигателя. Поэтому используют ротор турбо компрессора меньших размеров при одновременном повышении его час тоты вращения. Дизель с наддувом имеет тяговые характеристики и удельные показатели по массе и раз мерам, близкие к показателям двига теля с принудительным воспламене нием, вместо которого он устанавли вается, меньшие расход топлива и токсичность отработавших газов.

В конце 60 х и начале 70 х гг. большое внимание уделялось разви тию роторно поршневых двигателей с принудительным воспламенением. Эти двигатели имеют по сравнению с обычными поршневыми двигателями улучшенные некоторые показатели, включая меньшие массу и размеры. Однако по ряду основных показате лей, включая эксплуатационную эко номичность, токсичность отработав ших газов и надежность, они уступа ют традиционным поршневым дви гателям. Очевидно, роторно поршне вые двигатели могут найти примене ние в тех случаях, когда требования снижения массы и размеров двигате ля являются доминирующими.

11.1.2. Двигатели грузовых автомобилей и тракторов

Анализ развития автомобильного и тракторного двигателестроения свидетельствует о том, что основной энергоустановкой современных боль шегрузных автомобилей и тракторов является дизель. Главной тенденцией развития автотракторных дизелей является улучшение их экологиче ских показателей, экономичности, срока службы, а также повышение удельных и агрегатных мощностей при высокой надежности. В ближай шее время должен быть завершен переход отечественного двигателе строения на выпуск двигателей с показателями, токсичность которых отвечает нормам Евро 3, и начато изготовление двигателей, соответст вующих нормам Евро 4.

Опыт эксплуатации показал, что двигатель тем эффективнее, чем луч ше были учтены при проектирова нии условия его работы. Однако, чем выше специализация двигателя, тем выше стоимость его производст ва. Поэтому появляется необходи мость унификации двигателей и соз дания их семейств. Унификация и

повышение рентабельности произ водства двигателей, имеющих широ кий диапазон агрегатных мощно стей, достигается, в первую очередь, изменением числа цилиндров (рабо чего объема цилиндров двигателя).

В настоящее время все большее внимание уделяется повышению аг регатных мощностей автомобиль ных и тракторных дизелей путем их форсирования по давлению pe. Уве личение значений pe достигается в результате применения турбонадду ва с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.

Разрабатываемые автомобильные и тракторные дизели должны быть пригодными для использования и для строительно дорожных машин, а также в оборонной технике. Эко номически целесообразной являет ся концепция создания двигателей двойного назначения. Двигатели гру зовых автомобилей разделяют на двигатели малой грузоподъемности (легких) автомобилей, средних и тя желых многотоннажных грузовых автомобилей. Всех их объединяет раздельная от автомобиля сертифи кация и измерение вредных выбро сов [в г/(кВт3ч)]. Ориентировочно рабочий объем цилиндра Vh перечис ленных групп двигателей составляет соответственно 0,7, 1,0 и 2,0 л. Во всех случаях важнейшими являются требования низкой токсичности от работавших газов, низкого уровня шума и вибраций. Требования высо кой надежности и ресурса повыша ются по мере увеличения рабочего объема Vh. В известной мере это от носится и к массе двигателя.

Установленное законодательно тре бование снижения выбросов оксидов азота приводит к ухудшению эконо мичности двигателя. Поэтому при разработке новых и модернизации существующих двигателей требуются технические решения, позволяющие

разрешить это противоречие. По ме ре увеличения мощности двигателя возрастает доля затрат на топливо, вследствие чего для двигателей с уве личенным значением iVh обеспечение высокой топливной экономичности особенно важно. При этом наблюда ется тенденция роста максимального давления цикла (в перспективе до 20 МПа), что выдвигает повышенные требования к подшипникам коленча того вала, газовому стыку двигателя, а также к прочности деталей цилинд ропоршневой группы и головке (крышке) цилиндров. Технические решения, направленные на снижение токсичности отработавших газов дви гателей грузовых автомобилей, вклю чают также применение четырехкла панных (на один цилиндр) головок цилиндров, перепуск отработавших газов с их охлаждением. Кроме этого, двигатели этого класса снабжаются системами турбонаддува с промежу точным охлаждением воздуха, непо средственным разделенным впры ском с управляемым законом топли воподачи и контролем расхода масла на угар. Дизели мощностью 70– 140 кВт и iVh = 2,2–3,4 л в рядном ис полнении являются наиболее востре бованными в количественном отно шении. Они предназначены для лег ковых автомобилей класса Е, внедо рожников, малой грузоподъемности грузовых автомобилей, микроавтобу сов, тракторов, катеров, яхт, военной и другой техники.

Примером является рядный, че тырехцилиндровый, четырехтактный дизель 4 ЧН8,7/9,4 Заволжского мо торного завода. Дизель разработан в различных модификациях на базе двигателя с принудительным воспла менением, имеется вариант с турбо наддувом, охлаждением наддувочно го воздуха и электронной системой регулирования. Дизель снабжен че тырехклапанной конструкцией меха

Основные принципы компоновки и конструкторского исполнения ди зелей этой группы те же, что и пре дыдущей группы. Однако в связи с большим диаметром цилиндра и вы соким форсированием по среднему эффективному давлению pе в дизелях этой группы особое внимание уделя ется повышению жесткости основ ных элементов остова и коленчатого вала, герметичности газовых стыков,

снижению теплонапряженности де талей цилиндропоршневой группы и головки цилиндров. Головки цилин дров в этом случае выполняют, как правило, четырехклапанными инди видуальными, а также общими для двух или трех цилиндров.

Условия эксплуатации трактор ных дизелей существенно отлича ются от условий эксплуатации дизе лей грузовых автомобилей: высокая