Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

вого звездообразного двигателя с жидкостным охлаждением типа ЧН16/17 с цилиндровой мощно стью 58 кВт и n = 2000 мин 1. На картере туннельного типа монти руются семь моноблоков. Ша тунный механизм каждой звезды состоит из разъемного главного и шести прицепных шатунов. Ка ждый цилиндр имеет два впуск ных и два выпускных клапана. Поршни, выполненные из алюми ниевого сплава, работают с учетом невысокого значения среднего эф фективного давления pе (1,03 МПа) без специального масляного охла ждения.

11.4. Авиационные поршневые двигатели

Речь идет о двигателях для авиа ции общего назначения (АОН), или малой авиации, которая по лучила в мире чрезвычайно ши рокое распространение (особенно

вСША). Всего в мире зарегист рировано около 350 тыс. единиц АОН (самолетов и вертолетов), на большинстве из которых уста новлены поршневые двигатели. В России АОН немногочисленна и располагает около 11 тыс. легких самолетов и вертолетов.

Следует обратить внимание на консервативность авиационного поршневого двигателестроения в послевоенный период, когда поршневые двигатели были вы теснены из большой авиации га зотурбинными двигателями (до этого поршневые авиационные двигатели определили техниче ский прогресс в быстроходном двигателестроении). В связи с резким сокращением финанси рования НИОКР и производства

вотносительном большом коли честве продолжают выпускаться

старые конструкции, достаточ но надежные, но имеющие низ кие технико экономические по казатели (ре, gе, Nл и т.д.). Влия ют и жесткие требования серти фикации, в частности, по надеж ности, что тормозит внедрение в двигателях АОН многих новей ших достижений автомобиль ной промышленности, напри мер, многоклапанных головок, регулируемых фаз газораспреде ления.

В настоящее время на легких самолетах (авиация общего на значения) применяются практи чески повсеместно поршневые двигатели внутреннего сгорания с принудительным воспламене нием, включая роторно поршне вые двигатели (РПД). Существу ют и немногочисленные вариан ты дизелей. Основными произво дителями авиационных двигате лей рассматриваемого класса яв ляются американские фирмы "Аbkо Лайкоминг", "Континен таль", "Франклин". Эти фирмы выпускают большое количество четырехтактных горизонтально оппозитных двигателей с воздуш ным охлаждением в диапазоне мощностей 70–300 кВт.

Общий диапазон мощностей для поршневых двигателей для АОН можно разбить на интерва лы:

1)от 20 до 30 кВт;

2)" 45 " 60 кВт;

3)" 90 " 300 кВт.

В первом интервале предпоч тение отдается двухтактным дви гателям, в третьем интервале – четырехтактным. Во втором ин тервале предпочтения также мо гут быть отданы двухтактным двигателям, учитывая их главную особенность – увеличение в 1,5– 1,7 раза мощности при прочих

равных условиях по сравнению с четырехтактными двигателя ми. Приведенные значения мощ ностей соответствуют двигате лям автомобильного класса. Од нако сделать авиационный дви гатель из автомобильного двига теля весьма проблематично, хотя такие попытки предпринимались и в ряде случаев имели успех. К специфическим особенностям авиационного двигателя отно сится требование наличия сухо го картера, дублированной сис темы зажигания (в случае двига теля с принудительной системой зажигания), специальной систе мы топливоподачи, применение конструкционных материалов, снижающих удельную массу дви гателя.

Основные показатели, характе ризующие конструкцию современ ных поршневых двигателей, приве дены в табл. 1.2.

Следует отметить, что исполь зуемая в авиации общего назна чения частота вращения винта составляет nв = 2200–2300 мин 1. С повышением nв существенно усиливается уровень шума. По этому для высокооборотных дви гателей необходим понижающий редуктор с соответствующим пе редаточным отношением, напри

мер, при nдв = 7000 мин 1 (i ре дуктора можно принять равным

1/3). Ресурс двигателей АОН ус танавливают около 500 ч.

Авиационные двигатели разви вались главным образом как четы рехтактные, что всегда было обу словлено жесткими сроками, от водимыми на разработку и созда ние нового двигателя, а доводка рабочих процессов и конструк ции, в частности, поршня двух тактного двигателя, более дли тельна по сравнению с четырех

тактным. Известно, что немецкая фирма "Юнкерс" доводила свои двухтактные двигатели на протя жении 28 лет.

Применительно к малой авиа ции выпускают простейшие двух тактные карбюраторные двигате ли с кривошипно камерной про дувкой для сверхлегких летатель ных аппаратов. Эти двигатели имеют литровую мощность поряд ка 22–70 кВт/л, удельную массу 0,55–1,00 кг/кВт, среднюю ско рость поршня 9–14 м/с и удель ный расход топлива на крейсер ском режиме 380–540 г/(кВт3ч). Номинальная частота вращения коленчатого вала 4000–8500 мин 1. В качестве примера можно при вести одно и двухцилиндровые двигатели РМЗ 320МР и РМЗ 640МР АО "Рыбинские моторы" мощностью соответственно 15 и 28 кВт при n = 5500 мин 1, двига тели австрийской фирмы Rotаx – 582UL DCDI мощностью 32– 48 кВт при n = 6500 мин 1, а так же чешский двигатель Walter, ха рактеризующийся умеренным рас ходом топлива 327 г/(кВт3ч) при удельной массе 0,68 кг/кВт. Даль нейшее развитие двухтактных авиа ционных двигателей связано с по вышением мощности благодаря увеличению частоты вращения вала двигателя, а также с перехо дом от карбюраторов к более со вершенным системам топливопо дачи и применению роторных и винтовых компрессоров для про дувки.

Четырехтактные авиационные двигатели устанавливают на бо лее крупных летательных аппа ратах типа микроавтобусов с дальностью полета 2–5 тыс. км. Мощностной диапазон условно делят на два интервала: от 45 до 200 кВт и от 200 до 400 кВт и бо

форсированию двигателя до мощ ности 280–330 кВт.

11.5. Двигатели общего назначения (малой мощности)

Поршневые двигатели для средств малой механизации, а также в соста ве мобильных транспортных средств

образуют большую группу двух и четырехтактных двигателей. Эти двигатели выпускают как с жидко стным, так и, главным образом, воздушным охлаждением при ма лом числе цилиндров, часто в одно цилиндровом исполнении. Область применения двигателей данного класса весьма широка: мини тракто

ры, мотоблоки, холодильные уста новки, насосы, электрогенераторы, транспортные средства. Для пере численных потребителей необходи ма мощность от 7 до 27 кВт. Двига тели данного класса имеют литро вую мощность Nл = 14–16 кВт/л, удельный расход топлива для дизе лей и двигателей с принудительным воспламенением соответственно 240– 260 и 280–300 г/(кВт3ч) при удель ной массе 5–15 кг/кВт. Экологиче ские показатели этих двигателей должны быть в соответствии с нор мативными документами.

Малоразмерные двигатели вы пускают многие фирмы в весьма больших количествах. Общий годо

вой выпуск составляет десятки миллионов штук. При этом ситуа ция в чем то напоминает автомо бильное двигателестроение, когда легковые автомобили выпускают в большинстве с двигателями с при нудительным воспламенением, но ряд фирм производит легковые ав томобили с дизелями.

Многие средства малой механи зации оснащены четырехтактными двигателями с принудительным вос пламенением. При этом рациональ на разработка двигателей с учетом удовлетворения различных потреби телей при высокой степени унифи кации. Опыт зарубежных фирм ука зывает на целесообразность созда

ния семейств малоразмерных двига телей с числом цилиндров от одного до четырех. В этих двигателях при меняются воздушная и масляная системы охлаждения. Последнюю можно объединить со смазочной системой. Такая система обеспечи вает лучшее по сравнению с воздуш ной охлаждение, а также снижает общий уровень шума при работе

двигателя. К особенностям конст рукций малоразмерных двигателей относится частое совмещение от дельных агрегатов. Например, вен тилятор системы охлаждения выпол няют как одно целое с маховиком, в который встраивается и электроге нератор, и др.

В качестве примера на рис. 11.13 показан отечественный одноцилин

дровый, четырехтактный карбюра торный двигатель воздушного охла ждения типа 1 Ч5,0/6,8: мощность Nе = 3,7 кВт при 3600 мин 1, удель ный расход топлива не превыша ет 340 г/(кВт3ч), удельная масса дви гателя GN = 4,86 кг/кВт. Улучше нию показателей двигателей с при нудительным воспламенением спо собствует настройка систем впус ка и выпуска. Так, применительно к отечественному двигателю МД4 для средств малой механизации мощностью 3,5 кВт при n = = 4000 мин 1 за счет модернизации камеры сгорания и систем впуска и выпуска получено существенное снижение минимального расхода топлива (порядка 12 %) по скорост ной характеристике.

Дизели малой мощности про изводятся в достаточно больших объемах. Лидирующее положение здесь занимают немецкие и япон ские производители. При этом рынок этих двигателей весьма консервативен. Это связано с тем, что дизель малой мощности выступает в качестве комплек тующего элемента для изделий различного применения. Кроме того, производителей одноци линдровых дизелей значительно меньше, чем производителей тех ники, на которую они устанавли ваются. Дизели данного класса выпускаются с диаметром ци линдра 70–102 мм при частоте вращения коленчатого вала от 2400 до 3600 мин 1. В качестве примера можно привести отече ственный одноцилиндровый ди зель типа Т 450Д (рис. 11.14) воздушного охлаждения мощно стью 8 кВт при частоте вращения коленчатого вала 3000–3600 мин 1 типа 1 Ч8,5/8,0. Применение не разделенной камеры сгорания с доведенными процессами смесе

образования и сгорания позволи ло решить проблемы экологии и обеспечить минимальный удель ный расход топлива на уровне 235–240 г/(кВт3ч) по скоростной характеристике.

11.6.Поршневые двигатели

всоставе гибридной энергоустановки

Проблемы загрязнения окру жающей среды и непрекращаю щийся рост цен на нефть и при родный газ ставят перед двигателе строителями задачи поиска прин ципиально новых решений обес печения энергией установок, тра диционно ориентирующихся на поршневые двигатели внутреннего сгорания. Прежде всего, следует обратить внимание на энергоус тановки легковых автомобилей, эксплуатируемых в крупных го родах и особенно сильно влияю щих на загрязнение окружающей среды.

Одним из решений задачи по вышения экономичности и улуч шения экологических показате лей энергоустановок с поршне выми двигателями является соз дание так называемых гибрид ных моделей. Гибридная энерго установка предполагает наличие двух типов двигателей: внутрен него сгорания и электрического. При этом в качестве двигателя внутреннего сгорания предпоч тение отдается дизелю, в том числе газодизелю. К преимуще ствам гибридной установки от носится также существенное (до 60 %) снижение уровня шума по сравнению с дизельным вариан том. Поршневой двигатель рабо тает на электрогенератор, крутя щий момент на колеса автомо биля передает электродвигатель,

переключающийся при тормо жении в режим рекуперации. Накопителем энергии является аккумулятор (например, никель металлогидридный), позволяю щий проезжать с выключенным поршневым двигателем десятки километров.

Принцип объединения ДВС и электропривода колес давно ис пользуется в дизель генератор ных энергоустановках, например, тепловозов. Принципиально но вым в данном случае является включение в общую схему энер гетической установки накопите ля. В качестве последнего, в част ности, использовался набор акку муляторных батарей. По ориен тировочным оценкам, автомо биль типа "Жигули" при движе нии в городских условиях потреб ляет в среднем мощность около 15 кВт. С учетом этого и следует назначать мощность поршневого двигателя в составе гибридной установки. При постоянной рабо те на режиме, близком к расчет ному, двигатель обеспечит повы шенную топливную экономич ность и высокие экологические показатели энергоустановки ав томобиля.

Гибридная энергоустановка ав томобиля может быть выполнена по различным схемам соединения ее тепловой и электрической со ставляющих. Схемы последова тельного включения предусматри вают соединение поршневого дви гателя с генератором и приводом колес от электродвигателя, полу чающего электроэнергию от акку муляторных батарей и генератора. При параллельных схемах валы поршневого двигателя и генерато ра связаны между собой и валом трансмиссии через редуктор; при этом не обеспечивается постоян

ная работа поршневого двигателя на расчетном режиме, и снижение расхода топлива определяется лишь уменьшением рабочего объема ци линдров поршневого двигателя. В более совершенных схемах со единения, получивших название СПЛИТ, выходные валы поршне вого двигателя и электрических машин связаны с помощью несим метричного планетарного диффе ренциала, что позволяет обеспе чить поршневому двигателю рабо ту на режиме, близком к расчет ному, и существенно сократить по тери при перераспределении мощ ности между элементами гибрид ной энергоустановки и колесами автомобиля. На рис. 11.15 показан вариант схемы гибридной силовой установки автомобиля с приводом на задние колеса.

Концепция гибридного двигате ля открывает широкие возможно сти совершенствования транспорт ных энергоустановок с поршневы ми двигателями. На рис. 11.А пока зан общий вид гибридной установ ки легкового автомобиля. Фирма Toyota добилась значительных ус пехов в создании гибридных авто мобилей. Ее гибридный автомо биль Prius II с четырехцилиндро вым двигателем жидкостного охла ждения с принудительным воспла менением и рабочим объемом 1,5 л был признан в 2005 году автомоби лем года.

При частоте вращения n = = 5000 мин 1 мощность двигателя составляет 57 кВт. Помимо поршневого двигателя, гибридная энергоустановка включает тяго вый электродвигатель переменно го тока мощностью 50 кВт и ак кумуляторную батарею, общая масса которой была доведена до 45 кг. Привод колес обеспечива ется в различных вариантах: от

поршневого двигателя или от обоих двигателей. По данным фирмы, расход топлива составля ет примерно 4,3 л на 100 км про бега при значительном сокраще нии выбросов вредных веществ по сравнению с условным порш невым двигателем автомобиля та кого же класса.

По мнению ведущих специа листов, гибридные энергоуста новки могут занять прочные по зиции в автомобилестроении в ближайшие десятилетия. Особое значение они имеют для город ского транспорта и, прежде все го, автобусов.

Гибридная схема ухудшает мас со габаритные характеристики энергоустановки. В данном случае многое зависит от снижения разме ров и массы используемых аккуму ляторных батарей. В частности, масса разработанных для гибрид ных установок литиево ионных ба тарей почти в два раза меньше мас сы традиционных.

Конструкция двигателя тесно связана с видом используемого топлива. На протяжении более ста лет поршневые двигатели всех ти пов и назначений потребляют в качестве товарных топлив бензи ны, дизельные топлива, а в от дельных случаях сжатые и сжи женные газы.

Уже давно привлекает к себе внимание сжатый природный газ, для использования которого срав нительно легко адаптировать дви гатель с принудительным воспла менением, спроектированный для работы на бензине. В первую оче редь речь идет об автомобилях, ко торые в этом случае оснащаются газобаллонной аппаратурой. Емко сти, содержащие газообразное топ ливо, могут занимать значительное пространство, что является неиз бежной платой за отказ от традици онного жидкого топлива.

Учитывая ограниченность за пасов нефти, постоянное внима ние уделяется альтернативным