книги из ГПНТБ / Багиров Д.Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин

Рис. 47. Повышение показателей на режиме нагрузки экскаватора за счет введения турбонаддува:

Рис. 48. Повышение .показателей дизеля на режиме нагрузки авто­ грейдера за счет введения турбонаддува: индекс 1 соответствует ди­ зелю со свободным всасыванием, индекс 2 — дизелю с турбонаддувом

Рис. 49. Выходные показатели дизеля со свободным всасыванием (ин­ декс 1) и с настроенным турбокомпрессором (индекс 2) при оди­ наковой номинальной мощности на режиме нагрузки экскаватора

77

Рис. 50. Скоростные характеристики дизеля А-41 с турбонад­ дувом:

индекс 1 соответствует убывающей мощности, индекс 2 — постоянНОЙ мощности

перевод работы турбокомпрессора с одной точки характеристики на работу по другой точке характеристики без изменения самой характеристики. Внутренние методы изменяют характеристику турбокомпрессора, т. е. обеспечивают регулирование в более ши­ роких пределах. При сравнительно невысоких значениях давле­ ния наддува (до рк я« 550 мм рт. ст.) для двигателей строительных

78

Рис. 51. Выходные показатели дви­ гателя с различной формой ско­ ростной характеристики при одина­ ковой номинальной мощности на режиме нагрузки экскаватора:

индекс 1 соответствует убывающей мощности, индекс 2—постоянной мощ ­ ности

и дорожных машин следует рекомендовать внешние методы, как достаточно эффек­ тивные и конструктивно бо­ лее простые.

В качестве параметра, за­ дающего настройку турбо­ компрессора, могут быть

приняты либо частота вращения по скоростной характеристике дизеля, либо положение рейки топливного насоса, т. е. на­ грузка. Учитывая, что практически двигатели большинства строительных и дорожных машин работают по скоростной харак­ теристике, в качестве задающего параметра следует рекомендо­ вать частоту вращения дизеля. Таким образом будет получена постоянная мощность в определенном диапазоне изменения час­ тоты вращения.

На рис. 50 и 51 показаны характеристики дизеля А-41 с нере­ гулируемым и регулируемым турбонаддувом (мощность посто­

а также длительно и монотонно изменяющейся в больших преде­ лах нагрузке (например, трогание с места и разгон машины) из-за инерционности ротора турбокомпрессора может наступить рас­ согласование в работе турбокомпрессора и дизеля. При этом могут значительно снизиться мощность и топливная экономичность последнего. Поэтому в таких условиях на дизелях большой мощ­ ности для уменьшения инерционности турбокомпрессора рекомен­ дуют его разгон от постороннего источника энергии (электродви­ гателем, сжатым воздухом и пр.).

Важным конструктивным параметром является число цилин­ дров двигателя. От числа и расположения цилиндров зависит равномерность вращения коленчатого вала и уравновешенность двигателя. Наибольшей равномерностью и уравновешенностью обладают рядная шестицилиндровая и Ѵ-образная восьмицилин­ дровая конструкции двигателей. Увеличение числа цилиндров

79

приводит к снижению надежности двигателей, к усложнению и удорожанию технического обслуживания и ремонта, что особенно ощутимо в специфических условиях эксплуатации строительных и дорожных машин. Уменьшение числа цилиндров, помимо ухуд­ шения уравновешенности, обычно сопряжено с увеличением удель­ ной массы и снижением механического к. п. д. из-за увеличения доли затрат мощности на привод вспомогательных механизмов. Тем не менее выбор малого числа цилиндров (2—4) оправдан для двигателей небольшой мощности (до 100 л. с.).

При мощности 100—200 л. с. наиболее целесообразны рядный шестицилиндровый и Ѵ-образный восьмицилиндровый двигатели. Для больших мощностей (свыше 250 л. с.) целесообразно приме­ нять двигатели с числом цилиндров больше восьми. При этом увеличивается эффект от применения многорядной конструкции (Ѵ-образные, W-образные), позволяющей получить большую еди­ ничную мощность за счет увеличения числа цилиндров, но при ограниченных габаритах двигателя и его массе.

Для упрощения ремонта и снабжения запасными частями целе­ сообразно ограничить число типоразмеров применяемых двигате­ лей и получать двигатели различной мощности за счет варьиро­ вания числа цилиндров и форсирования по частоте вращения и среднему эффективному давлению.

Диаметр цилиндра двигателя зависит от максимально допусти­ мой скорости поршня. Увеличение диаметра цилиндра позволяет повысить мощность двигателя при соответствующем снижении отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S/D), а следова­ тельно, и уменьшении средней скорости поршня. Чем выше задан­ ная частота вращения двигателя, тем уменьшение отношения SID целесообразнее. Отношение S/D сказывается на габаритных, мас­ совых показателях и сроке службы двигателей.

При уменьшении S/D массовые показатели и габарит двигателя (кроме длины) уменьшаются, длина же увеличивается. Особенно благоприятно уменьшение S/D отражается на массовых и габарит­ ных показателях двигателей с многорядным расположением ци­ линдров. Увеличение диаметра цилиндра и снижение скорости поршня приводят к увеличению срока службы двигателей. Поэтому уменьшение S/D повышает надежность двигателей. Однако чрез­ мерное увеличение диаметра цилиндров приводит к ограничению максимально возможной частоты вращения из-за роста инерцион­ ных нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма.

В настоящее время на большинстве дизелей тракторного и автомобильного типов применяется водяное охлаждение, как более эффективное по сравнению с воздушным и допускающее более высокую степень форсирования двигателя. Однако система воздушного охлаждения делает двигатель более легким и компакт­ ным, облегчает установку на машину, упрощает эксплуатацию двигателя, пуск его при низких температурах. Кроме того, на некоторых грунтоуплотняющих машинах вибрационного дей-

80

ствия воздушное охлаждение, кроме компоновочных соображений, желательно еще и потому, что в условиях вибраций нарушается герметичность системы водяного охлаждения. Поэтому для улуч­ шения эксплуатационных показателей строительных и дорожных машин в зависимости от назначения целесообразно применение на них двигателей как с водяным, так и с воздушным охлажде­ нием.

Система смазки смешанного типа, применяемая на большин­ стве автомобильных и тракторных двигателей, наиболее пригодна для строительных и дорожных машин. Хотя система смазки под давлением с «сухим картером», в которой масляные емкости отне­ сены на значительное расстояние от двигателя и соединяются с ним длинными трубопроводами, обеспечивает надежную работу двигателя при наличии кренов, однако при эксплуатации этой системы в холодном климате возникают определенные трудности. При низких температурах возможно застывание масла.в трубках и переохлаждение его в емкостях.

3* Газотурбинные двигатели (ГТД)

В настоящее время в связи с тенденцией повышения произ­ водительности и транспортных скоростей машин путем увеличе­ ния мощности все большее внимание как в нашей стране, так и за рубежом уделяется двигателям таких типов, которые обла­ дают большой мощностью в одном агрегате при относительно малой массе и габаритах. Одним из двигателей этого типа является газотурбинный.

Несмотря на то, что поршневые двигатели внутреннего сгора­ ния, в частности дизели, являются пока наиболее экономичными и возможности улучшения их удельных показателей и надежности еще не исчерпаны, можно предположить, что в ближайшей перс­ пективе ГТД начнут получать все большее распространение.

Все больше попыток делается для применения этих двигате­ лей на автомобилях, тягачах, тракторах, строительных и дорож­ ных машинах, в частности скреперах, землевозах, бульдозерах. Среди них ГТД, специально сконструированные для наземного применения, и авиационные ГТД, приспособленные к наземным \

условиям.

Наибольший размах эти научно-исследовательские и опытно­ конструкторские работы получили в США, где указанными вопро­ сами занимаются около 30 фирм. Такие же работы проводятся

и в нашей стране.

Для транспортных ГТД характерно применение одноступен­ чатого центробежного компрессора со степенью сжатия около 5 и одноступенчатых турбин, как правило, в сочетании с теплообмен­ никами различного рода для утилизации энергии выпускных га­ зов. Это позволяет получить удовлетворительную топливную экономичность и компактность двигателя.

81

Для улучшения эксплуатационных показателей машин при­ меняют двухвальные (реже трехвальные) ГТД с блокировкой валов и регулируемыми сопловыми и направляющими аппаратами, что значительно усложняет конструкцию двигателей. Для мак­ симально возможного улучшения к. п. д. и топливной экономич­ ности авиационных одновальных ГТД применяют многоступен­ чатые осевые компрессоры со степенью сжатия 25 и более и много­ ступенчатые турбины. Это значительно увеличивает осевые раз­ меры двигателя. Применение осевых компрессоров существенно сужает диапазон возможных режимов работы ГТД, и они рас­ считаны на работу с постоянной частотой вращения вала.

Основной особенностью рабочего цикла ГТД является непре­ рывность сгорания и одновременное совершение всех процессов рабочего цикла. Эта непрерывность в сочетании с гораздо более высокой частотой вращения вала позволяет ввести и сжечь в ГТД больше топлива в единицу времени, чем в поршневом двигателе. Важное принципиальное преимущество ГТД заключается и в том, что энергия расширения газов используется здесь более полно, чем в поршневом двигателе. Эти особенности и обусловливают получение высокой мощности при относительно малом габарите и массе ГТД.

Так, например, тракторный дизель А-41 с номинальной мощ­ ностью 90 л. с. при 1750 об/мин имеет удельную массу 9,20 кг/л.с., а ГТД фирмы Ровер (Англия) мощностью 100 л. с. при

55 000 об/мин — 2,12 кг/л. с.

Существенным преимуществом ГТД перед поршневым двига­ телем является отсутствие шатунно-кривошипного механизма. Это обстоятельство делает ГТД полностью динамически уравно­ вешенным, уменьшает внутренние потери трения, способствуя повышению надежности, значительно упрощает его конструкцию.

82

Благоприятные особенности и более совершенное сгорание позволяют применить в ГТД недефицитные и разнообразные топ­ лива, что упрощает и удешевляет его эксплуатацию и обеспечивает бездымность работы и малую токсичность отработавших газов.

К преимуществам ГТД по сравнению с поршневыми двигате­ лями относится также более благоприятная скоростная характе­ ристика, улучшающая выходные показатели двигателя при работе с неустановившейся нагрузкой и перегрузками и позволяющая упростить конструкцию трансмиссии машины. ГТД отличают также высокая надежность пуска при низких температурах, прос­ тота управления и небольшой объем работ по техническому обслу­ живанию, наличие на двигателе сжатого воздуха, который можно использовать для пневмосистем привода рабочих органов машин и тормозных систем, и горячих выпускных газов, применяемых для отопления. Таким образом, по ряду особенностей ГТД при­ годны для установки на строительные и дорожные машины.

Вместе с тем ГТД по сравнению с поршневыми двигателями, в частности дизелями, имеют и существенные недостатки:

низкую топливную экономичность; пониженную приемистость;

низкую тормозную способность и повышенную опасность раз­ гона турбины до разносной частоты вращения при резком сбросе нагрузки, свойственную в основном многовальным конструкциям без блокировки валов;

большой расход воздуха и высокую чувствительность к его запыленности, что создает определенные трудности в создании воздухоочистителей, а также вызывает рост их габаритов и массы, особенно для машин, работающих в условиях значительной запы­ ленности;

значительную зависимость выходных показателей от измене­ ния температуры и давления окружающего воздуха;

высокие частоты вращения ротора, т. е. высокую их механи­ ческую напряженность;

повышенную стоимость деталей.

Однако по мере общего прогресса техники в ближайшие годы можно ожидать значительного улучшения экономичности, приеми­ стости, тормозной способности, а также снижения стоимости ГТД.

Пониженная топливная экономичность ГТД объясняется огра­ ничением максимальной температуры газов перед рабочим коле­ сом турбины жаростойкостью лопаток. В настоящее время приме­ нением охлаждаемых лопаток и камер сгорания, специальных покрытий для них, а также двухфазных рабочих тел удается повы­ сить допустимую температуру газа перед турбиной до 1100 1200° К и довести общий к. п. д. двигателя до 30—33%. Эффектив­ ным средством улучшения топливной экономичности является применение теплообменников различной конструкции, особенно вращающихся, а также тепловых трубок. Применение регулиру­ емого соплового аппарата турбины и поворотных направляющих

83

м

Рис. 52. Характеристики ГТД:

а — одновального; б — двухвального ; 1 — ограничение по температуре газов перед т у р ­

тельно повысить топливную экономичность ГТД, особенно на частичных нагрузках, но и улучшить приемистость и тормозную способность.

Общий к. п. д. ГТД и их топливная экономичность могут быть повышены за счет увеличения степени сжатия воздуха в ком­ прессоре. В этом отношении особенно перспективно применение винтового компрессора, обладающего высокой эффективностью при небольшом габарите и массе и способного работать в запылен­ ной атмосфере.

Улучшение тяговых характеристик ГТД, их приемистости, тормозной способности, а также возможность реверсирования мо­ гут быть достигнуты использованием двух- и трехвальных схем с блокировкой валов.

Наиболее проста конструкция одновального ГТД, где часть мощности, развиваемой турбиной, расходуется на привод компрес­

тельно, и двигателем зависит, от закона подачи топлива. При неиз­ менной подаче топлива момент двигателя Мд2 возрастает, а при подаче, пропорциональной частоте вращения, момент М д1 умень­ шается с уменьшением скорости вращения вала ГТД. Лучшие тя­ говые качества машины можно получить при характеристике М д2, однако она не может быть реализована из-за ограничения темпера­ туры газов перед турбиной и из-за возможности возникновения помпажа в компрессоре. Наилучшую топливную экономичность

84

одновального ГТД на частичных режимах обеспечивает характе­ ристика Мд. Таким образом, одновальный ГТД не может воспри­ нимать нагрузку при малой частоте вращения, а тем более — при частоте вращения, равной нулю. В связи с этим на самоходных машинах, в частности строительных и дорожных, такой двигатель должен работать в сочетании с какой-либо трансмиссией. Оче­ видно, что для наилучшего использования мощности и топливной экономичности трансмиссия должна обеспечить работу двига­ теля при постоянной частоте вращения, т. е. быть непрозрач­ ной.

У двухвального ГТД сидящие на одном валу компрессор и турбина (турбокомпрессор) служат генератором горячего газа для тяговой турбины, приводящей во вращение второй, выходной вал. Скорость вращения тяговой турбины в зависимости от мо­ мента сопротивления может изменяться в широких пределах вплоть до нуля при практически неизменном режиме работы турбоком­ прессора. При этом, как видно на рис. 52, б, крутящий момент возрастает с уменьшением частоты вращения. Причем, если при частоте вращения, соответствующей максимальной мощности, значение крутящего момента принять за единицу, то при затормо­ женном вале оно возрастает в 2,5—3,5 раза. Таким образом, двухвальный ГТД обеспечивает лучшие тяговые качества машины, чем одновальный, и может воспринимать нагрузку при частоте вращения вала, равной нулю. Несмотря на это, при использо­ вании на строительных и дорожных машинах двухвальный ГТД также должен работать в сочетании с какой-либо трансмиссией, так как удовлетворительный к. п. д. двигателя может быть полу­ чен в относительно узком диапазоне изменения частоты вращения. Конструкция трансмиссии в этом случае может быть более прос­ той, чем конструкция одновального ГТД, т. е. она может обладать некоторой степенью прозрачности.

Режим частичного использования мощности двухвального ГТД получают путем уменьшения производительности турбоком­ прессора при снижении его частоты вращения. Этим объясняется резкое снижение к. п. д. двигателя на частичных нагрузках.

Аналогичной, обеспечивающей высокие тяговые качества ма­ шины, характеристикой обладет трехвальйый ГТД, однако ши­ рокое практическое использование его затруднено в связи со зна­ чительной конструктивной сложностью.

Современные транспортные ГТД уже достигли такой степени совершенства, когда их преимущества значительно преобладают над недостатками. ГТД имеют большие резервы для дальнейшего повышения показателей, позволяющие все более нивелировать присущие им недостатки или вовсе их исключить.

Все изложенное позволяет сделать вывод о том, что в ближай­ шее время ГТД найдут широкое применение в наземных условиях во многих отраслях промышленности, в частности в строитель­ ном и дорожном машиностроении.

85

Г Л А В А VI

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ

1« Повышение выходных показателей

Оптимизация загрузки* Одним из наиболее простых путей уменьшения отрицательного влияния неустановившегося харак­ тера нагрузки на выходную мощность и топливную экономич­ ность является оптимальная загрузка двигателей. Этот путь не требует не только каких-либо конструктивных изменений двига­ теля, но даже изменения его регулировок. Он заключается в по­ нижении загрузки двигателя, средней за цикл неустановившейся нагрузки. При этом средняя за рабочий цикл машины частота вращения двигателя близка к номинальной, амплитуды колеба­ ния частоты вращения за цикл относительно невелики, а средняя за цикл мощность наибольшая. Таким образом, резерв мощности, создаваемый за счет недогрузки двигателя, как бы частично ком­ пенсирует отрицательное влияние неустановившегося характера нагрузки на его выходные показатели.

При увеличении загрузки двигателя (среднего за рабочий цикл момента сопротивления) значения k3 непрерывно возрастают по закону прямой линии, а значения kHм уменьшаются вначале незначительно, а затем все более интенсивно. Следовательно, при определенной загрузке коэффициент выходной мощности имеет максимальное значение /гвых опт. Это соответствует опти­ мальной загрузке двигателя.

Изложенное иллюстрируется рис. 53, на котором показана зависимость средних за цикл выходных показателей Ncp, пср, gcр двигателя, работающего в режиме нагрузки гусеничного буль­ дозера при рытье траншеи в тяжелой глине, от загрузки. На ри­ сунке можно сравнить средние выходные показатели с данными регуляторной характеристики двигателя Ne., п, ge.

Как видно, при оптимальной по мощностным показателям загрузке топливная экономичность двигателя также близка к наи­ лучшей. Очевидно, что аналогично будут изменяться и относитель­ ные выходные показатели &вЫХ и уВЬІХ.

Загрузка выше оптимального значения Мср. опт приводит из-за снижения и колебания частоты вращения двигателя, которые влекут за собой нарушения работы регулятора и рабочего про­ цесса, к снижению выходной мощности и топливной экономичности двигателя.

Максимально допустимой по устойчивости работы двигателя является загрузка Мср.доп, соответствующая на рис. 53 точке пересечения кривой изменения минимальной за цикл частоты вра­ щения nmin с линией минимально устойчивой под нагрузкой

86