2.2.3. Силовые установки

Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 
Машиностроение
Силовой установкой автомобиля служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с его системами, являющийся наиболее распростра­ненным источником механической энергии. Тип и параметры двигателя в значительной степени определяют эксплуатационные свой­ства автомобиля, его скоростные и динамичес­кие качества, производительность, топливную экономичность, экологично сть, металлоем­кость, надежность, возможность работы на различных сортах топлива и конкурентоспо­собность.
На автомобилях применяются, как пра­вило, четырехтактные поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом с рядным и V-образным расположением цилиндров. Все большая часть двигателей переводится на аль­тернативные виды топлива (сжатый природ­ный газ, сжиженный нефтяной природный газ, спирт, синтетическое топливо из каменно­го угля, биогаз, растительное масло, водород и др.). Выпускаются газодизели КамАЗ-7409, ЯМЗ-2Э6Ю и ЯМЗ-2Э8Ю. Ведутся работы по применению других альтернативных видов топлива, включая водород.
За рубежом, особенно в Западной Европе и Японии (почти на всех грузовых и почти на 40 % легковых автомобилей) используются дизели, как наиболее экономичные (по расхо­ду топлива) и экологичные по сравнению с бензиновыми двигателями.
Не исключено расширение применения двухтактных двигателей на легковых и грузо­вых автомобилях, а также газотурбинных дви­гателей высокой мощности, например на большегрузных карьерных автомобилях- самосвалах. Отмечена возможность появления более плотных компоновок поршневых дви­гателей, например с W-образным расположе­нием цилиндров (двигатель Ауди Авус), с V-образным расположением овальных цилин­дров (двигатель Хонда NR), или даже аксиаль­ных двигателей с регулируемым рабочим объемом и траверсных двигателей с регулиру­емой степенью сжатия.
В табл. 2.2.11 приведены основные пара­метры отечественных автомобильных двигате­лей.
Качество двигателя и его интегральный показатель. К автомобильным двигателям предъявляются определенные требования. Ос­новные из них сводятся к следующему:
высокий технический уровень, достаточ­ная мощность и запас крутящего момента при малой массе и габаритах, хорошая и стабиль­ная эксплуатационная экологичность и топ­ливная экономичность на номинальных и частичных режимах, т.е. в широком диапазоне эксплуатационных режимов, малый расход масла на угар и замены;
допускаемые уровни дымности и токсич­ности отработавших газов, шума и вибрации;
высокая надежность, характеризующаяся достаточным моторесурсом и безотказностью в разнообразных климатических и эксплуатаци­онных условиях (с дифференциацией ресурса в зависимости от назначения) при минимальных затратах сил и средств на обслуживание и ре­монт, ресурс двигателя должен быть не ниже ресурса до капитального ремонта автомобиля, должна быть обеспечена кратность техническо­го обслуживания двигателя и автомобиля;
хорошие пусковые качества при широ­ком диапазоне изменений температуры окру­жающей среды, минимальное время для при­ведения двигателя в рабочее состояние;
работа на не дефицитных топливно- смазочных материалах и охлаждающих жидко­стях; возможность работы на различных сортах топлив, включая альтернативные; обеспечение многотопливности дизелей;
легкость управления и автоматизация ра­боты;
максимальная унификация как семейства выпускаемых моделей и модификаций, так и близких по характеристикам моделей других семейств двигателей;
высокая технологичность изготовления, удовлетворяющая условиям крупносерийного и массового производства, минимальное ис­пользование уникального оборудования и де­фицитных материалов;
возможность дальнейшей форсировки двигателя, в частности с помощью газотурбин­ного наддува, охлаждения наддувочного возду­ха и др.;
возможность развития конструкции се­мейства двигателей в течение 10— 15-ти летне­го срока без коренной перестройки автомати­зированного и специального оборудования;
максимальная приспособленность для транспортировки на всех видах транспорта.
Все эти требования представляют только качественную характеристику двигателя.
Для количественной оценки двигателя, его систем, узлов и деталей служат их пара­метры, основные из которых сводятся в харак­теристику двигателя и служат как бы показате­лями их эффективности. При этом под эффек­тивностью понимается способность вырабаты­вать заданную механическую энергию при минимальных материальных и трудовых затра­тах, связанных с производством и эксплуата­цией, а также при наименьшем отрицательном воздействии на окружающую среду. Чтобы уменьшить влияние субъективных факторов при оценке степени удовлетворения конструк­ции двигателя различным требованиям приме­няют некоторые комплексные (групповые) показатели, например, удельную массу, учиты­вающую как металлоемкость конструкции, так и степень форсирования рабочего процесса.

2.2.11. Основные параметры автомобильных двигателей

Модели двигателей

Тип

Располо

жение

и число ци­

линдров

Диаметр

цилиндра ж

ж ход пор­шня, мм

Рабочий

объем, л

Степень сжатия

Номиналь

ная мощность,

кВт

Номиналь­ная частота

вра

щения, мин-1

Максима­

льный

крутящий

момент,

Нм

Частота

вращения

при макси­

мальном

крутящем

моменте,

Минималь­

ный удель­

ный расход

топлива,

г/(кВт-ч)

Минималь­

ный удель­

ный расход

топлива,

г/кВт

Масса

двига

теля,

кг

Топли­во

Завод-

изгото-

витель

Двигатели с искровым зажиганием

МеМЗ-966Г

БВ

V4

76 ж 54

0,887

6,5

22 (30)

4400

52,0 (5,3)

\2400...2600

347 (255)

 

88

А-76

МеМЗ

МеМЗ-968Н

БВ

V4

76 ж 66

1,197

7,2

30,9 (42)

4400

74,5 (7,6)

2700...2900

324 (238)

-

100

А-76

МеМЗ

МеМЗ-969А

 

 

 

 

 

31,5

5500

78,5

3400

260 (191)

283

100

АИ-93

МеМЗ

МеМЗ-245

БЖ

Р4

•72 ж 67

1,093

9,0

 

5600

 

3400

 

_

66

АИ-93

ВАЗ

ВАЗ-1111

БЖ

Р2

76 ж 71

0,65

9,9

22

5600

87,3

3400

270

306

114

АИ-93

ВАЗ

ВАЗ-2101

БЖ

Р4

76 ж 66

1,197

8,5

48,0

5600

94,1

3400

270

299

114

АИ-93

ВАЗ

ВАЗ-2105

БЖ

Р4

79 ж 66

1,3

8,5

50,7

5600

105,9

3400

270

299

116

АИ-93

ВАЗ

BA3-2103

БЖ

Р4

76 ж 80

1,451

8,5

56,5

5600

121,6

3000

270

306

117

АИ-93

ВАЗ

ВАЗ-2106

БЖ

Р4

79 ж 80

1,568

8,5

58,8

5600

95

3400

260

283

95

АИ-93

ВАЗ

ВАЗ-2108

БЖ

Р4

76 ж 71

1,288

9,9

46,8

5600

78,5

3400

260

283

92

АИ-93

ВАЗ

ВАЗ-21081

БЖ

Р4

76 ж 60,6

1,1

9,0

40

5600

106

3600

260

283

97

АИ-93

ВАЗ

BA3-21083

БЖ

Р4

82 ж 71

1,5

9,9

54

4750

91,2

2790...3200

327

_

151

А-76

АЗЛК

408Э

БЖ

Р4

76 ж 75

1,36

7,0

36,8

5800

107,9

3000...3800

270

280

144

АИ-93

УЗАМ

412

БЖ

Р4

82 ж 75

1,5

8,9

5,5

5800

_

_

-

-

144

АИ-93

УЗАМ

331

БЖ

Р4

82 ж 75

1,5

9,2

53

4000

167

2200...2500

306

-

163

А-76

УМЗ

414

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

6,7

56,7

4000

13

2500

260

283

163

А-76

УМЗ

4146

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

7,2

66

4000

169,5

2200...2500

272

-

163

СНГ

УМЗ

4149*

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

8,5

61,8

4000

171,6

2200...2500

-

-

163

А-76

УМЗ

4178-4179

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

7,0

66,0

4000

190,2

2200...2500

279

-

166

АИ-93

УМЗ

417

БЖ

Р4*

92 ж 92

2,445

8,3

75,8

4500

166,6

2500

295

_

180

А-76

змз

ЗМЗ-24-01

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

6,7

60,7

4500

180,4

2500

295

-

180

АИ-93

змз

ЗМЗ-24Д

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

8,2

68,0

4500

180,4

2400...2600

260

292,4

180

АИ-93

змз

ЗШ-402.10

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

8,0

72,1

4500

172,6

2400...2600

260

292,4

180

А-76

змз

ЗМЗ-4021.10

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

6,7

66,2

4500

196

2400...2600

279

-

180

АИ-93

змз

ЗМЗ-4024.10

БЖ

Р4

92 ж 92

2,445

8,2

81

5400

210

4750

250

292

165

АИ-93

змз

ЗМЗ-406.10

БЖ

Р4

92 ж 86

2,3

9,9

110

4000

397

2000...2500

279

 

265

АИ-93

змз

ЗМЗ-505.10

БЖ

V8

100 ж 88

5,53

8,5

143

3200

284,4

2000...2500

300

-

262

А-76

змз

3M3-53-11

БЖ

V8

92 ж 80

4,25

7,0

88,3

 

 

 

 

 

 

 

змз

ЗМЗ-672-11

БЖ

V8

92 ж 80

4,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

змз

ЗМЗ-66-06

БЖ

V8

92 ж 80

4,25

 

 

3200

284,2

2200

292

-

242

А-76

змз

ЗМЗ-511.10

БЖ

V8

92 ж 80

4,25

 

88,3

3200

292

2000...2500

279

-

254

А-76

змз

ЗМЗ-522.10

БЖ

V8

92 ж 80

4,25

 

92

3200

314

2000...2500

279

-

254

А-76

змз

3M3-523.10

БЖ

V8

92 ж 80

4,25

 

96

 

240

2000...2500

-

-

 

СПГ

змз

3M3-53-27*

БЖ

V8

92 ж 80

4,25

6,7

70

2800

206

1400...1600

333

 

306

А-76

ГАЗ

ГАЗ-5204

БЖ

Р6

82 ж 110

3,48

7,2

55

2800

196

1600... 1800

364,5

 

306

СНГ

ГАЗ

ГАЗ-5207*

БЖ

Р6

82 ж 110

3,48

7,2

54

3200

402

1800...2000

292

_

490

А-76

ЗИЛ

ЗИЛ-508.10

БЖ

V8

100 ж 95

6,0

7,1

110

3200

383

1800...2000

0,18

-

530

СНГ

ЗИЛ

ЗИЛ-5085.10*

БЖ

V8

100 ж 95

6,0

8,0

110

 

 

 

м3/(кВтч)

 

 

 

 

ЗИЛ-5086.10*

БЖ

V8

100 ж 95

6,0

7,1

88

3200

294

1800...2000

0,45 м3/(кВтч)

-

525

СПГ

ЗИЛ

ЗИЛ-509.Ю

БЖ

V8

108 ж 95

7,0

7,3

132

3200

466

1800...2000

299

-

505

А-76

ЗИЛ

ЗИЛ-114

БЖ

V8

108 ж 95

7,0

9,3

202,3

4000

559

2700...2900

292,4

-

265

АИ-95

ЗИЛ

ЗИЛ-4104

БЖ

V8

108 ж 105

7,7

9,3

232

4400...4600

608

2500...2700

285,6

-

300

АИ-95 "Экс­тра"

ЗИЛ

ЗИЛ-157Д-157КД

БЖ

Р6

100ж114,3

5,38

6,5

81

2800

343,2

1100...1400

333

-

465

А-72

ЗИЛ

Дизели

ГАЗ-542

ДЖ

Р4

105 х 120

4,15

18

63

2800

235

1600

224

242

380

ДТ

То же

ГАЗ

ГАЗ-542

ДЖТ

Р4

105 ж 120

4,15

17

79

2400

322

1600

216

226

450

«…»

ГАЗ

ЗИЛ-645

ДЖ

V8

110 ж 115

8,74

18,5

136

2800

509

1400...1600

217

_

650

«…»

ЗИЛ

ЯМЗ-КАЗ-642

ДЖ

V6

120 ж 120

8,14

18,5

117

2600

480

 

1400... 1600

220

234

590

«…»

КАЗ

ЯМЗ-КАЗ-642.10-01

ДЖ

V6

120 ж 120

8,14

16,5

114

2600

470 (48)

1600... 1800

220

230

590

«…»

КАЗ

ЯМЗ-КАЗ-6241

ДЖТ

V6

120 ж 120

8,14

16,5

147

2300

744

1300...1500

205

220

620

«…»

 

КамАЗ-740.10 КамАЗ-74007.10

ДЖ

V8

120 ж 120

10,85

16,5

154 (210)

2600

637 (65)

1600...1800

217,6 (160)

0,28

м3/(кВт-ч) газа + 0,04...0,85 г/(кВтч) дизельно­го топлива

750

«…»

КамАЗ

КамАЗ-740.10-20 КамАЗ-74007.10-20

ДЖ

V8

120 ж 120

10,85

16,5

162 (220)

2600

667 (68)

1600...1800

217,6 (160)

750

«…»

КамАЗ

КамАЗ-7408.10 КамАЗ-74087.10

ДЖ

V8

120 ж 120

10,85

17,0

144 (195)

2200

687 (70)

1400...1500

217,6 (160)

 

730

«…»

КамАЗ

КамАЗ-7403.10 КамАЗ-74037.10

ДЖТ

V8

120 ж 120

10,85

16,0

191 (260)

2600

785 (80)

1600...1800

217,6 (160)

0,28

м3/(кВт-ч) газа + 0,04...0,85 г/(кВтч) дизельно­го топлива

780

«…»

КамАЗ

КамАЗ-7409

ДЖ

V8

120 ж 120

10,85

 

147

2550

637

1300...1800

0,26

м3/(кВтч) газа

740

СПГ+ ДТ

 

ЯМЗ-236М2

ДЖ

V6

130 ж 140

11,15

16,5

132,4

2100

694

1250...1450

213,5

226 0,24

м3/(кВтч) газа + 0,04 г/(кВтч) дизельно­го топлива

890

 

ЯМЗ

ЯМЗ-238М2

ДЖ

V8

130 ж 140

14,86

16,5

176,5

2100

918

1250...1450

213,5

1075

 

ЯМЗ

ЯМЗ-2Э6Ю

ДЖ

V8

130 х 140

11,15

 

133

2100

666

1100...1300

222

0,24

м3/(кВтч) газа + 0,04 г/(кВтч) дизельно­го топлива

 

СПГ+

ДТ

То же

ЯМЗ

ЯМЗ-2Э8Ю

ДЖ

V8

130 х 140

14,86

 

177

2100

884

1000...1400

222

233

 

«…»

ЯМЗ

ЯМЗ-238Б

ДЖТ

V8

130 х 140

14,86

15,2

224

2100

1224

1200...1400

204

244

1130

«…»

ЯМЗ

ЯМЗ-238Д

ДЖТ

V8

130 х 140

14,86

15,2

244,7

2100

1377

1200... 1400

204

224

1129,4

«…»

ЯМЗ

ЯМЗ-8424.10

ДЖТО

V8

140 х 140

17,24

15,2

312,5

2100

1687

1300... 1400

197

220

1379

«…»

ТМЗ

ЯМЗ-8421.10

ДЖТ

V8

140 х 140

17,24

15,2

265

2100

1511

1300...1400

201

224

1350

«…»

ТМЗ

ЯМЗ-240М2

ДЖ

V12

130 х 140

22,3

16,5

265

2100

1326

1500... 1600

214,9

228

1670

«…»

ЯМЗ

ЯМЗ-240ПМ2

ДЖТ

V12

130 х 140

22,3

15,2

308,8

2100

1551

1500... 1600

210,8

224

1712

«…»

ЯМЗ

ЯМЗ-240НМ2

ДЖТ

V12

130 х 140

22,3

15,2

367,7

2100

1887

1500...1600

210,8

224

1790

«…»

ЯМЗ

ЯМЗ-84-1. 10- 01

 

ДЖТО

V12

140 х 140

25,86

14,0

441

2100

2158

1400... 1600

211

220

1870

«…»

ЯМЗ

ЯМЗ-8401.10

ДЖТО

V12

140 х 140

25,86

14,0

478

2100

2237

1400... 1600

211

220

1870

«…»

ЯМЗ

Д12А

ДЖ

V12

150 х 180

38,8

14 - 15

200 (300)

1500

1475(150)

1100...1200

 

 

 

«…»

 

6ДМ-21А

ДЖТ

V6

210 х 210

 

772

 

1500

 

 

 

 

4647

«…»

 

6ДМ-21АФ

ДЖТ

V6

210 х 210

 

956

 

1500

 

 

 

 

4647

«…»

 

6ДМ-21А

ДЖТ

V8

210 х 210

 

956

 

1500

 

 

 

 

5545

«…»

 

8ДМ-21Э

ДЖТ

V8

210 х 210

 

1176

 

1500

 

 

 

 

5551

«…»

 

12ДМ-21А

ДЖТ

V12

210 х 210

 

1765

 

1500

 

 

 

 

8472

«…»

 

Опытные образцы

ВАЗ-341

ДЖ

Р4

76 х 80

1,45

23

40

4800

94

3200

262

298

125

«…»

ВАЗ

НАМИ-УМЗ- 440

 

Р4

92 х 92

2,45

22

51

4000

147

2400

250

310

230

 

НАМИ

УМЗ

 

ЯМЗ-752

ДЖТО

Р6

130 х 152

12,10

15,2

265

2100

1570

1250

194

212

1000

 

ЯМЗ

ТМЗ-770

ДЖТО

V6

140 х 140

12,92

15,2

184

1900

1225

900... 1300

197

218

 

«…»

ТМЗ

 
Примечание: Б - бензиновый двигатель; Д - дизель; В - воздушное охлаждение; Ж - образное, а Р - рядное расположение цилиндров; СПГ - сжатый природный газ; СНГ - сжиженожидкостное охлаждение; Т - турбонаддув; ТО - турбонаддув с промежуточным охлаждением; V- ный нефтяной газ.
Технические требования в комплексе с установленными числовыми значениями при­веденных показателей используются как для характеристики заданного технического уровня эффективности существующих моделей двига­телей, так и для разработки технического зада­ния на проектируемое изделие. Поэтому очень важно правильно определить требуемые значе­ния показателей, учитывая при этом техничес­кие возможности их реализации и принимая во внимание их взаимное влияние. Часто улучшение одного свойства двигателя может привести к ухудшению других его свойств. Так, значительное увеличение мощности или уменьшение массы двигателя может привести к снижению его безотказности и долговечнос­ти (ресурса). Поэтому основной задачей разра­ботки технических требований, показателей технического уровня двигателя является опре­деление оптимальных параметров эффектив­ности с учетом его назначения, условий эксп­луатации, технических возможностей изготов­ления, ремонта и обслуживания, требований к экологичности и др. Эта задача может быть решена объективно только в результате глубо­ких научно-исследовательских и опытно- конструкторских проработок.
В первом приближении показатели тех­нического уровня двигателей, олизкие к опти­мальным, можно выбрать исходя из анализа достигнутого уровня в мировом двигателестро- ении, главным образом по двигателям- аналогам. Удобно воспользоваться при этом удельными или относительными показателя­ми, характеризующими техническое совершен­ство двигателей (табл. 2.2.12).
В настоящее время все транспортные средства и их составные части, в том числе автомобильные двигатели и их составные части (агрегаты, отдельные детали и запасные части) должны подвергаться сертификации. Имеется два вида сертификации: обязательная и добро­вольная. Обязательная сертификация прово­дится с целью реализации продукции на тер­ритории РФ только при условии соответствия установленных требований безопасности для жизни, здоровья и имущества граждан и охра­ны окружающей среды. Добровольная серти­фикация осуществляется по инициативе изго­товителя как потребителя продукции по ос­тальным требованиям как независимая объек­тивная оценка потребительских свойств про­дукции. Если для обязательной сертификации в основном достаточно соответствие двигате­лей и их составных частей государственным и отраслевым стандартам, то добровольная соот­ветствует Правилам Европейской экономичес­кой комиссии ООН (далее Правилами ЕЭК ООН).
Правила ЕЭК ООН, ГОСТы и ОСТы регламентируют например нормы, методы измерения и испытания:
дымность отработавших газов - Правила N 24 ЕЭК ООН, ГОСТ 17.2.2;01-84 (табл. 2.2.13);
выбросы вредных веществ с отработав­шими газами (токсичность ОГ) - Правила ЕЭК ООН N 49 и N 83, ГОСТ 17.2.2.03-87, ОСТы;
шумность двигателей - ОСТы;
пусковые качества двигателей - ОСТы.
Совокупность выходных свойств двигате­ля, обслуживающая пригодность для исполь­зования по назначению в соответствии с ГОСТ 15467-79 определяется его качеством. Качество двигателя является комплексным свойством, которое закладывается в процессе его разра­ботки, обеспечивается при изготовлении и реализуется в эксплуатации. В условиях кон­курентных рыночных взаимоотношений каче­ство двигателя как и любого изделия, количе­ственно проявляется в стихийно складываю­щейся на рынке его цены. При этом для про­изводителя качество двигателя, заложенное при его проектировании и обеспеченное в процессе изготовления, является важнейшим условием успешной реализацией двигателя в конкретной борьбе за сбыт на рынке. Для по­купателя двигателя определяющие факторы - его техническая характеристика, цена, ресурс, расходы на эксплуатацию, включающие расхо­ды на обслуживающий персонал, эксплуатаци­онные материалы, подготовку двигателя к вы­ходу на рабочий режим, на поддержание рабо­тоспособности в эксплуатации и др.
Важное значение для потребителя имеют и такие показатели, как число отказов (наработка на отказ) и стоимость восстановле­ния работоспособного состояния, количество и стоимость элементов изделия, сменяемость в эксплуатации, периодичность, продолжитель­ность и расходы на плановые ТО и ремонт.
В настоящее время около 90 % дизелей грузовых автомобилей имеют турбонаддув и значительная часть имеет тенденцию расшире­ния охлаждаемого и наддувочного воздуха, что в совокупности существенно повышает не только форсировку двигателя, но и его эколо­гические и технико-экономические показате­ли. Применение дополнительной силовой турбины (дизель фирмы Скания) еще больше улучшает все эти показатели.
При совершенствовании и модернизации выпускаемых двигателей, а также создании новых моделей большое значение имеет сис­тема оценочных показателей их качества. При этом качество продукции характеризуется со­вокупностью основных технико-экономи­ческих показателей, определяющих степень совершенствования модели, ее технический уровень, надежность и экологичность. Приме­няемые обычно единичные показатели по от­дельным параметрам не позволяют даже в совокупности однозначно охарактеризовать качество продукции в комплексе. Для комп­лексной оценки качества нужен интегральный показатель качества, наиболее полно характе­ризующий технико-экономическую эффектив­ность продукции, который определяется от­ношением полезного эффекта от потребления продукции к суммарным затратам на ее созда­ние и эксплуатацию.
 

Показатели

легковых

грузовых

легковых

грузовых

 

без наддува

с наддувом1

без наддува

без наддува

с наддувом1

без наддува

с наддувом1

Частота вращения, мин1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

номинальная

4500 .

. 6500

4000 .

. 6000

3000. 2800..

..3600 .3200[1]

4000 ..

.. 5200

4000 .,

.. 4800

1850 ..

.. 2800

1800

... 2400

при максимальном крутящем

2100 .

. 4500

2000 .

. 4000

 

-

1800 ..

.. 2800

1600 ..

.. 2400

1200 ..

.. 1800

1000

... 1500

моменте

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отношение хода поршня к диаметру

0,9.

. 1,2

0,9.

• 1,2

0,85 .

.. 1,15

0,96 ..

.. 1,36

0,96 ..

.. 1,36

1,0 ...

. 1,27

1,0 .

.. 1,36

Литровая мощность, кВт/л

38 .

. 57

50 .

. 67

18 .

.. 30

21 ..

.. 30

25 ..

.. 43

13 ..

.. 25

16 ...

34(37)

Поршневая мощность, кВт/10 мг

0,28 .

. 0,45

0,35 .

..0,54

0,16 .

.. 0,20

0,20 .

..0,25

0,30 .

..0,40

0,16 .

..0,34

0,24

...0,40

Среднее эффективное давление, МПа:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

номинальное

0,8 ..

1,06

0,95 .

. 1,10

0,75 .

.. 0,85

0,7 ..

0,8

0,85 .

... 1,2

0,65 ..

,. 0,80

0,90

... 1,68

максимальное

0,9 ...

. 1,18

1,1 ..

. 1,4

0,86 .

.. 0,96

0,8 ..

.. 1,0

1,05 .

... 1,5

0,80 .

... 1,0

1,05

... 1,94

Минимальный удельный расход топли­ва по скоростной характеристике, г/(кВтч)

245 ..

.. 300

250 ..

. 310

280 .

.. 320

220 ..

.. 250

210 ..

.. 240

200 ..

,. 230

186

... 210

Удельная габаритная мощность г кВт/м3

300 ..

.. 480

390 ..

.. 500

150 .

.. 260

200 ..

,. 300

240 ..

,. 380

160 ..

. 280

200

... 380

Удельная масса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кг/кВт

1,2 ..

.. 2,5

1,1 ..

. 2,0

2,2.

.. 3,5

2,2 ..

. 4,0

2,0 ..

,. 3,0

3,4 ..

,. 6,0

2,1

... 5,3

кг/л

50 ..

.. 70

55 ..

. 80

65 .

.. 90

60 ..

.. 90

65 ...

. 100

50 ...

. 110

55 .

.. 140

Запас крутящего момента, %

10 ..

.. 30

15 ..

. 35

10 .

.. 30

10 ..

. 30

10 ..

. 30

5 ...

. 30

10

... 35

Средняя скорость поршня, м/с

13 ..

.. 20

12 ..

. 18

9 ..

. 14

11 ..

. 16

10 ..

.. 16

9 ...

. 11

8,7 .

.. 10,9

Произведение среднего эффективного давления на среднюю скорость поршня, МПам/с

10 ..

,. 18

12 ..

. 24

7 ..

. 10

9 ...

. 12

12 ..

. 17

7 ...

. 12

9 .

.. 20

Относительный расход масла на угар, %

0,25 .

... 0,4

0,25 .

..0,4

0,3.

.. 0,4

0,25 .

.. 0,4

0,25 .

... 0,4

0,25 .

.. 0,4

0,25

... 0,4

Ресурс до капитального ремонта:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тыс. км

125 ..

. 250

125 ..

. 200

250 .

.. 450

150 ..

. 300

150 ..

. 400

400 ..

. 800

400 .

... 800

тыс. ч

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

8 ...

. 20

8 .

.. 20

Наработка на отказ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

тыс. км

20 ..

.. 80

20 ..

. 75

20 .

.. 60

40 ...

. 100

30 ..

. 90

40 ...

. 100

40 .

.. 100

тыс. ч

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

0,8 ..

. 2,0

0,8.

... 2,0

Бензиновые двигатели автомобилей
Дизели автомобилей
Без охлаждения и с охлаждением наддувочного воздуха.
 
2.2.13. Нормативные требования по токсичности отработавших газов автомобилей

 

Правила ЕЭК ООН

Федеральные нормы США и прогноз

Нормиру­емое

Легковые

Грузовые1

Легковые

Грузовые1

вредное вещество

1993

1996

2000*4

1993

1996

2000*4

1993

1996

2000*4

1993

1996

2000*4

 

г/км

гДкВт-ч)

г/км

г/(кВт-ч)

СО

14,3-27* 2,72*2

2,2

1,9

4,5

4,0

2,0

2,1

2,1

2,0

21,0

15,0

2,0

СН

4,7-6,9* 0,97*2

0,25

0,1

1,1

0,5

0,25

0,15

0,075 •

1,8

1,8

1,0

NOx

0,97*2

0,25

0,125

8,0

7,0

4,5

0,25

0,20

0,125

6,8

6,8

5,0

Твердые частицы

0,14*3

0,10

0,05

0,36

0,15

0,10

0,10

0,10

0,05

0,14

0,14

0,05


Применительно к двигателю интеграль­ный показатель качества за полный амортиза­ционный срок службы можно представить в виде (кВт ч/руб.):
А - работа, произведенная двигателем, кВт-ч; Р - коэффициент снижения полезной работы двигателя за счет его массы; Се - сум­марные расходы на создание, изготовление, эксплуатацию и ремонт двигателя, руб.
где NH - номинальная мощность двигателя, кВт; q - средний коэффициент использования номинальной мощности; 7\р - ресурс двигате­ля до первого капитального ремонта, ч; а/ - отношение ресурса двигателя после очередного /-го капитального ремонта к ресурсу до перво­го капитального ремонта; п - число капиталь­ных ремонтов двигателя; Сда - затраты (приведенные) на создание и изготовление двигателя, руб.; AQp - изменение расходов на создание и изготовление трансмиссии автомо­биля при использовании данного двигателя по сравнению с эталонным одинаковой мощности (например, применение дизеля вместо карбю­раторного двигателя), руб.; С,- и - расходы соответственно на топливо и масло, руб.; Сто, Сгр и Ср - расходы соответственно на ТО, текущие (устранение отказов) и капитальные ремонты двигателя, связанные с простоем ав­томобиля при проведении соответственно тех­нического обслуживания, текущего и капи­тального ремонта, руб.; С^ - расходы, связан­ные с подготовкой двигателя к пуску и выходу на рабочий режим, руб.; CqK - экологические расходы, условно эквивалентные вредному воздействию на водителя и окружающую среду дымности и токсичности отработавших газов, шума и вибрации; Сост - остальные (неучтенные) расходы, руб.
Уравнение (2.2.2) вкгаочает практически все основные показатели качества и техничес­кого уровня двигателя: себестоимость, техно­логичность, энергетические, топливно- экономические, экологические, пусковые, надежность (ресурс, безотказность, ремонтоп­ригодность), массу. При этом, безусловно, чем свободнее рынок, тем объективнее значения отдельных членов уравнения и интегральный показатель качества двигателя в целом.
Наиболее трудно на практике определять составляющую Сэк. В первом приближении экологические расходы предлагается прирав­нивать к расходам на дополнительные устрой­ства к двигателю для обеспечения законода­тельных норм по токсичности отработавших газов и уровню шума, например, за счет при­менения дополнительных нейтрализаторов- глушителей, сажевых фильтров, капотирования двигателя и др.
Члены уравнения интегрального показа­теля качества, как правило взаимосвязаны. От расходов на создание и изготовление двигателя зависят в той или иной степени почти все другие члены уравнения. От надежности дви­гателя в прямой зависимости находятся ресурс до капитального ремонта и между капиталь­ными ремонтами; от затрат на текущие и ка­питальные ремонты косвенно зависят практи­чески все остальные показатели, включая зат­раты на топливо, масло, пуск двигателя, его экологические свойства. Уменьшение расходов на ТО (включая диагностирование техническо­го состояния двигателя) и текущий ремонт обычно приводит к увеличению расходов на топливо и масло, повышению токсичности отработавших газов и уровня шума, снижению ресурса двигателя до капитального ремонта. Вместе с тем, объем ТО двигателя в эксплуата­ции должен быть оптимальным, вплоть до исключения его по отдельным узлам и агрега­там при одновременном сохранении или даже повышении безотказности и долговечности этих узлов, агрегатов и двигателя в целом за счет введения специальных конструктивных усовершенствований и применения эксплуата­ционных материалов повышенного качества.
Известны также взаимосвязь между энергетическими, топливно-экономическими, пусковыми и экологическими показателями. Поэтому при определении технико- экономической эффективности двигателя че­рез интегральный показатель качества, напри­мер от проведенной его модернизации, необ­ходимо учитывать возможные изменения всех членов уравнения, так как значения одних членов могут повышаться, а других снижаться. Так, при определении изменения интегрально­го показателя качества от модернизации двига­телей ВАЗ установлено „ что интегральный показатель качества повышен: по четырехци­линдровым двигателям на 16,7 %, по восьми­цилиндровым - на 17,1 %.
Определение интегрального показателя качества существенно упрощается при наличии соответствующего банка данных и использова­ния ЭВМ. Кроме того, возможна оценка вли­яния изменения отдельных показателей или вводимых конструкторских, технологических и других мероприятий на интегральный показа­тель качества.
Из уравнения (2.2.2) интегрального пока­зателя качества очевидны основные пути по­вышения технико-экономической эффектив­ности двигателей:
увеличение мощности и коэффициента ее использования;
снижение массы двигателя; увеличение первичного и межремонтных ресурсов;
снижение расходов на создание и изго­товление двигателя;
увеличение приспособляемости двигателя к автомобилю (например, к трансмиссии); снижение расходов на топливо и масло; улучшение пусковых свойств двигателя и его способности быстро выходить на рабочие режимы;
уменьшение дымности и токсичности выбросов;
снижение уровней шума и вибрации; повышение надежности двигателя (снижение расходов на поддержание работос­пособности двигателя в эксплуатации, а также расходов, связанных с вынужденным простоем автомобиля вследствие отказа двигателя, уменьшения степени ухудшения экологичес­ких, топливно-экономических, энергетических и других показателей двигателя за весь период его эксплуатации).
Ввиду большого количества сложных и взаимозависимых проблем повышения каче­ства на предприятиях-изготовителях двигате­лей необходима комплексная научная система управления качеством, охватывающая вопросы разработки конструкции, промышленного производства, эксплуатации и ремонта. Эта система должна значительно ускорять создание новых и модернизацию выпускаемых моделей двигателей за счет, например, лучшей органи­зации работ, человеческого фактора, широкого применения ЭВМ, цехов малых серий и пр.
Принципы разработки двигателей и осо­бенности методик испытаний. Разработка кон­струкций и организация массового производ­ства современных силовых установок - слож­ный и чрезвычайно трудоемкий процесс, свя­занный с решением многих задач как произ­водственного, так и эксплуатационного харак­тера. Переход к выпуску новой массовой мо­дели двигателя, как правило, сопровождается переоснащением производственной базы, вы­зывает необходимость перестройки эксплуата­ционных и ремонтных предприятий в органи­зации выпуска запасных частей, а иногда и эксплуатационных материалов.
Создание каждого нового образца двига­теля, производство которого требует больших материальных затрат, по существу, определяет технический уровень в данном классе машин на 15 - 20 лет вперед, нуждается в системном подходе, научном прогнозировании и быстром внедрении конструкции в практику. При кон­струировании и расчете автомобильных двига­телей следует исходить из комплекса связей, существующих между экономическими, энер­гетическими, массовыми и габаритными пока­зателями, параметрами надежности, совершен­ством тепловых процессов, выносливостью ответственных деталей, методами упрочнения и технологией производства и т.д.
Высокая надежность двигателей при про­беге автомобилей (до 1 млн. км с дизелями и до 400 тыс. км с карбюраторными двигателя­ми) определяется запасами прочности и мак­симальными напряжениями, возникающими в блок-картере, головке цилиндров, прокладке газового стыка, коленчатом вале, шатуне, поршневом пальце, поршне, кольцах и деталях механизма газораспределения. Большое значе­ние имеет также структурная жесткость, зави­сящая от выбранной силовой схемы, конструк­тивных форм, рационального распределения металла по объему, размеров и расположения крепящих деталей, силовых связей.
Стабильность теплового состояния двига­теля при различных нагрузочных и скоростных режимах работы обеспечивается:
герметизированной регулируемой систе­мой охлаждения со всесезонной жидкостью, исключающей образование накипи и коррозии деталей из алюминиевых сплавов;
эффективной защитой двигателя, его пар трения и поверхностей деталей от механичес­ких частиц загрязнений воздуха, масла и топ­лива, а также технологических загрязнений в процессе производства;
использованием масла и топлив с повы­шенными эксплуатационными свойствами;
повышением уровня технической эксплу­атации.
Тенденция развития грузовых и легковых автомобилей выражается в непрерывном воз­растании максимальных и средних скоростей движения, повышении приемистости, увели­чении грузоподъемности и снижении соб­ственной массы автомобиля. Высокие средние технические скорости движения, обеспечива­ющие эффективное использование грузового транспорта, достигаются при мощности, отне­сенной к полной массе автомобиля, 8 ... 11 кВт/т. В этом случае автомобиль может дви­гаться по пересеченной местности с высокой скоростью, с малым числом переключений передач и при продолжительных режимах ра­боты на неполных нагрузках, что обеспечивает высокую эксплуатационную экономичность автомобиля, если на нем установлен дизель, и большую долговечность.
Номинальную мощность определяют из условия обеспечения требуемых скоростей движения при заданной полной массе автомо­биля, а число и расположение цилиндров вы­бирают с учетом достижения оптимальных показателей по массе двигателей, их габарит­ных размеров и компоновки отсека двигателя.
Широкое использование дизелей мощно­стью 750 ... 1800 кВт (ведутся работы по со­зданию дизелей мощностью до 2000 кВт и выше) почти на всех грузовых автомобилях и расширение их применения на легковых авто­мобилях обосновано следующим:
высокой топливной экономичностью присущей рабочему циклу и стабильным про­теканием экономических характеристик в ра­бочем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, обеспечивающих снижение эксплуа­тационных расходов топлива на 25 ... 40 % по сравнению с бензиновыми двигателями;
сближением энергетических, габаритных и массовых показателей дизелей и карбюра­торных двигателей вследствие форсирования дизелей по среднему эффективному давлению за счет использования турбонаддува и охлаж­дения наддувочного воздуха, дополнительной силовой турбины, усовершенствования про­цесса газообмена, более эффективного исполь­зования воздуха при смесеобразовании и сго­рании, уменьшения внутренних потерь, ис­пользования электроники и т.д.;
приближением стоимости производства дизелей к карбюраторным двигателям;
высоким моторесурсом дизелей (1 млн км пробега автомобиля);
меньшей токсичностью отработавших га­зов.
Стоимость изготовления дизелей на 20 ... 25 % выше , чем карбюраторных двигателей ввиду большей металлоемкости (на 10...20 %), применения легированных сталей для ответ­ственных деталей, большей трудоемкости изго­товления, меньшего масштаба производства и относительно высокой стоимости топливной аппаратуры. Затраты на ТО и ремонт дизелей в эксплуатации в среднем выше примерно на 5 %. Вместе с тем, более высокая стоимость дизелей нивелируется в связи с неизбежным переводом бензиновых и других двигателей с искровым зажиганием на адаптивные много­точечные системы электронного впрыскивания топлива в сочетании с некоторыми затратами на снижение токсичности отработавших газов.
Выбор расположения и числа цилиндров, а также силовой схемы блок-картера при про­ектировании нового двигателя определяется следующим:
требованиями, предъявляемыми к вновь создаваемой конструкции в отношении распо­ложения двигателя на автомобиле или тракто­ре, получения минимальных габаритных раз­меров;
доступности к основным механизмам и агрегатам;
стремлением получить конструкцию ми­нимальной массы с повышенной жесткостью блок-картера, от которой зависит долговеч­ность гильз, поршневой группы и коленчатого вала с подшипниками;
уравновешенностью сил инерции враща­ющихся и поступательно движущихся масс и моментов от них и равномерностью крутящего момента;
типом системы охлаждения; материалами, применяемыми для изго­товления блок-картера, головки цилиндров, прокладки газового стыка и деталей цилиндро-поршневой группы.
Число цилиндров выбирают исходя из значений номинальной мощности, частоты вращения, сил инерции поступательно движу­щихся и вращающихся масс, действующих на детали и подшипники кривошипно-шатунного механизма, и равномерности крутящего мо­мента. От последнего зависят равномерность хода, масса маховика, размах цикла напряже­ний в элементах коленчатого вала и деталях трансмиссии, нагрузки на упругие элементы подвесок, вибрации двигателя и кузова авто­мобиля. В автомобильных двигателях распо­ложение цилиндров в основном однорядное (далее рядное), двухрядное и V-образное. При этом те и другие имеют свои преимущества и недостатки.
В мировой практике на легковых авто­мобилях 85 % моделей имеют рядные четы­рехцилиндровые двигатели с верхним распо­ложением клапанов. Остальные 15 % состав­ляют двух- и четырехцилиндровые опозитные, двух-, трех-, пяти-, шестицилиндровые ряд­ные; четырех-, шести-, восьми- и двенадцати­цилиндровые V-образные двигатели. На грузо­вых автомобилях малой грузоподъемности применяют рядные четырех- и шестицилинд­ровые двигатели ^ на автомобилях средней гру­зоподъемности - рядные шестицилиндровые и V-образные шести-, восьми- и десятицилинд­ровые, на автомобилях большой грузоподъем­ности - V-образные двенадцатицилиндровые двигатели. Все двигатели грузовых и легковых автомобилей, как правило, максимально уни­фицированы по деталям массового производ­ства, а также используемому технологическому оборудованию.
Наименьший габаритный объем при угле развала цилиндров 90° V-образные двигатели, как правило, более короткие и имеют мень­шую массу по сравнению с рядными той же мощности, числа и рабочего объема цилинд­ров. В среднем у V-образного двигателя длина меньше примерно на 25 %, а масса - на 20 %, поскольку блок-картер и коленчатый вал ко­роче, чем у-однорядного двигателя. На каждые два цилиндра, расположенные в одном отсеке V-образного двигателя, приходится лишь один участок картера, который неизбежно удлиняет­ся в конструкциях с последовательным разме­щением шатунов на одной шейке вала. В слу­чае использования центральных шатунов (главного и прицепного или вильчатого и внутреннего), когда оси обоих цилиндров од­ного отсека будут расположены в одной плос­кости, масса блок-картера уменьшается.
Рост цилиндровой мощности двигателей за счет форсирования, главным образом по среднему эффективному давлению, приводит к тому, что рядные двигатели при той же мощ­ности становятся короче (при равных разме­рах) переходят в разряд более высоких мощно­стей. Причем рядные двигатели рабочим объе­мом одного цилиндра около 1 л имеют мень­шую стоимость, чем V-образные двигатели.
Четырехцилиндровые дизельные и бен­зиновые рядные двигатели массового произ­водства могут выполняться без механизмов для уравновешивания сил инерции второго поряд­ка при простой конструкции подвески силово­го агрегата и высоких комфортабельности и эргономических качествах автомобиля. Вместе с тем, в некоторых случаях, например на дизе­лях Камминс, устанавливают уравновешиваю­щий механизм.
В диапазоне мощностей 75 ... 365 кВт, как следует из анализа ведущих зарубежных фирм-производителей дизелей для грузовых автомобилей и автобусов, подавляющую часть (около 70 %) составляют рядные шести­цилиндровые дизели. Остальные двигатели V-образные шести-, восьми-, десяти- и две­надцатицилиндровые. По количеству моделей рядные шестицилиндровые двигатели в 2 раза превышают все V-образные-. Объясняется это рядом преимуществ этой модели:
Во-первых, в ней уравновешены силы и моменты инерции первого и последующих порядков. В результате отсутствия высокочас­тотных вибраций существенно меньше уровень шума, выше надежность работы как двигателя, так и трансмиссии, проще подвеска силового агрегата (без подрессоривания кабины), значи­тельно улучшены условия работы водителя, особенно магистральных автопоездов и автобу­сов. Существенно снижен уровень шума рабо­ты шести цилиндрового двигателя благодаря отсутствию источника генерирования акусти­ческих колебаний, связанных с неуравнове­шенностью кривошипно-шатунного механиз­ма.
Во-вторых, рядная компоновка цилинд­ров позволяет, с одной стороны, повысить жесткость блока цилиндров при использова­нии отдельного корпуса коренных подшипни­ков, что дополнительно снижает уровень шума и надежность работы двигателя. С другой сто­роны, двухрядная блочная конструкция лучше компонуется с различными агрегатами и перс­пективными функциональными системами.
В случае использования рядного двигате­ля вследствие разгрузки передней оси улучша­ется проходимость, уменьшается радиус пово­рота машины из-за большой подвижности передних колео.
В V-образных двигателях наиболее рас­пространены восьмицилиндровые компоновки с углом развала 90° и с пространственным валом. При этом моменты центробежных сил инерции вращающихся масс и сил инерции первого порядка поступательно движущихся масс уравновешиваются противовесами на щеках вала и дисбалансными массами махови­ка, шкива привода вентилятора или отдельно расположенной массой на переднем конце вала. Применяются также четырехтактные шестицилиндровые двигатели, как правило, с развалом угла 60° и 90°. При угле развала 90° и расположении трехколенчатого вала (спарен­ные шатунные шейки) под углом 120° неурав­новешенным является момент сил инерции второго порядка поступательно движущихся масс. Момент сил инерции первого порядка уравновешивается вместе с неуравновешенным моментом от центробежных сил противовеса­ми. При угле развала 60° и расположении кри­вошипов под углом 60° силы инерции первого порядка уравновешиваются центробежными противовесами, размещенными на щеках ко­ленчатого вала, а силы инерции второго - про­тивовесами балансирного валика, вращающе­гося с удвоенной частотой вращения. При этой схеме достигается высокая равномерность крутящего момента.
Четырехтактные двигатели большей мощности изготовляют двенадцати цилиндро­вым и, например, с углом развала 75°. При угле смещения кривошипов 120° уравновешиваются силы инерции поступательно движущихся и вращающихся масс при любом угле развала цилиндров: наибольшая равномерность хода этих двигателей достигается в случае угла раз­вала 60°.
Для создания семейства двигателей с бо­лее плотным мощностным рядом можно при­менять V-образные конструкции с числом цилиндров десять и с углом смещения криво­шипов коленчатого вала 72°. При угле развала между осями цилиндров 90° неуравновешен­ные моменты сил инерции первого порядка и центробежных сил уравновешиваются также противовесами на щеках вала или выносными, а момент сил инерции второго порядка - ба- лансирным валиком, вращающимся с удвоен­ной частотой вращения.
При необходимости уменьшения высоты двигателя целесообразно применять конструк­ции с горизонтальным расположением цилин­дров или короткоходные V-образные. Однако установка короткоходных V-образных двигате­лей с относительно большой шириной связана с трудностями размещения опор (особенно задних), выпускных трубопроводов, рулевого механизма, стартера, масляных фильтров, мо­жет существенно ухудшить токсичность вы­пускных газов и топливная экономичность, а также повысить уровень шума при необходи­мости повышения частоты вращения.
Двигатели с горизонтальным расположе­нием цилиндров могут применяться на грузо­вых автомобилях, автобусах и колесно- гусеничных машинах специального назначе­ния, так как кабину можно расположить не­посредственно над двигателем, увеличить по­лезную площадь платформы, улучшить обзор­ность с места водителя и управляемость авто­мобиля. В автобусе при горизонтальном рас­положении цилиндров двигатель обычно раз­мещают под кузовом (в средней части шасси). В этом случае улучшается проходимость вслед­ствие разгрузки передней оси и уменьшается радиус поворота машины.
Конструктивная компактность двигателей характеризуется габаритной мощностью, кВт/м3:
где NtH - номинальная мощность; VT - габа­ритный объем двигателя, м3.
Габаритная мощность NT бензиновых двигателей легковых автомобилей в 1,3 - 1,6 раза меньше, чем дизельных и в 1,0 - 1,25 раза меньше, чем грузовых автомобилей.
С увеличением числа цилиндров NT за­метно возрастает, например у двенадцатици­линдровых двигателей жидкостного охлажде­ния NT больше в 1,2 раза, чем у шестицилинд­ровых. У шестицилиндровых рядных двигате­лей NT в 1,13 раза больше, чем у четырехци­линдровых.
Выбор отношения (ц/ = S / D) хода поршня S к диаметру цилиндра D дает воз­можность влиять на габаритные размеры и массу двигателя, топливную экономичность и экологические качества. Увеличение отноше­ния S / D определяется исходя из повышения экологичности и топливной экономичности. У бензиновых двигателей / = 0,85 + 1,2, а у дизелей у = 0,96 + 1,36; у большинства дизе­лей ц/ = 1,0 + 1,2 при средних, скоростях поршней 9 ... 11 м/с. Если двигатель имеет у 1,0 - длинно- ходным. Как правило, увеличение S / D в определенных пределах улучшает экологич- ность и топливную экономичность двигателя.
Выбор отношения ц/ имеет многокрите­риальный характер. Значение ц/ должно быть оптимальным и выбираться для конкретной модели двигателя. Это все хорошо видно из рис. 2.2.12, построенного для дизелей.
2.2.12 
К преимуществам короткоходных двига­телей относятся:
возможность повышения частоты враще­ния вала без повышения средней скорости поршня, а следовательно, без увеличения среднего давления внутренних потерь, прямо пропорциональных скорости поршня;
повышение срока службы деталей порш­невой группы при работе с умеренными сред­ними скоростями поршня;
повышение коэффициента наполнения цилиндров двигателя в результате меньших скоростей впуска, прямо пропорциональных скорости поршня;
понижение тепловых потерь в охлажда­ющую жидкость за процесс сгорания вслед­ствие уменьшения отношения поверхности охлаждения к объему цилиндра при увеличе­нии его диаметра.
Вместе с тем, Ьднорядные короткоход­ные двигатели обычно имеют большую массу, чем длинноходные, так как их длина опреде­ляется длиной блока цилиндров. Габаритные размеры при < 1 увеличиваются в длину и ширину. Масса двигателя возрастает вслед­ствие увеличения не только массы блок- картера, но в значительной мере и масс голов­ки цилиндров и коленчатого вала. Длина V- образного двигателя (с коренными подшипни­ками скольжения) зависит главным образом от длины коленчатого вала. Длину блока в этом случае удается приблизить к минимально воз­можной длине коленчатого вала и, тем самым, снизить массу двигателя.
В результате значительного перекрытия шатунных и коренных шеек в случае малых отношений S /Д а также применения более узких вкладышей для коренных шеек с боль­шими диаметрами можно получить более жес­ткий коленчатый вал с относительно тонкими щеками и сократить при этом общую длину вала.
Одной из причин, ограничивающих ми­нимальное отношение S /Д является прохож­дение противовесов под кромкой поршня при его положении в НМТ. У дизелей с непосред­ственным впрыскиванием отношение S /D лимитируется также формой камеры сгорания и конечным объемом над кольцевым вытесни­телем днища поршня.
В автомобильных карбюраторных двига­телях минимальное отношение S /D < 0,60 при средней скорости поршня 12 ... 15 м/с. В тракторных дизелях, имеющих сравнитель­но низкие средние скорости поршня (около 7,5 ... 9 м/с), отношение \|/ = 0,9 + 1,2. Большинство автомобильных дизелей имеет \|/ = 0,9 + 1,05 при средних скоростях поршня около 9 ... 11 м/с.
Показатели дизелей с воздушным и жид­костным охлаждением в настоящее время не­значительно различаются между собой. Литро­вая и поршневая мощности, удельная и литро­вая массы у обоих типов двигателей почти одинаковы, у наддувных дизелей при воздуш­ном охлаждении несколько ниже. Среднее эффективное давление дизелей с воздушным охлаждением примерно на 10 % ниже, что объясняется несколько меньшим коэффициен­том наполнения. У двигателей с воздушным охлаждением несколько большие габаритные размеры, если сравнивать двигатели обоих типов примерно одинаковой мощности. Длина двигателя в первую очередь зависит от рассто­яния между осями цилиндров L: в двига­телях с воздушным охлаждением L = 1,4 Д а в двигателях с жидкостным охлаждением L = 1,2/). Увеличение межосевого расстояния вызвано применением конструкции с отдель­ными цилиндрами и развитой поверхностью охлаждающих ребер.
У V-образных дизелей с воздушным ох­лаждением в среднем длина больше на 21 %, ширина - на 24 % и высота - на 3,5 %. Габа­ритная мощность у дизеля с воздушным ох­лаждением меньше, чем у дизеля с жидко­стным охлаждением (на 40 ... 50 %).
Глубина радиатора однорядных двигате­лей жидкостного охлаждения составляет 8 ...
% их длины. Поэтому, если сравнивать габаритные размеры силовых установок с уче­том размеров радиатора, то длина силовой установки двигателя с воздушным охлаждени­ем превышает длину силовой установки двига­теля с жидкостным охлаждением только на
... 17 %.
Ширина однорядного двигателя с воз­душным охлаждением вследствие значитель­ной ширины цилиндра и вынесенного в сто­рону вентилятора при одностороннем подводе охлаждающего воздуха примерно на 5 ... 10 % больше. При V-образном расположении ци­линдров вентилятор обычно удается вписать в габаритные размеры двигателя. Высота двига­телей с воздушным и жидкостным охлаждени­ем при верхнем расположении клапанов при­мерно одинаковая.
Дизели с воздушным охлаждением явля­ются перспективными для южных и северных районов страны. Время прогревания двигателя в температурных условиях крайнего севера заметно сокращается. В южных районах при использовании водяного охлаждения значи­тельные отложения накипи на омываемой поверхности вызывают местный перегрев, трещины в блоках и головках, преждевремен­ный выход из строя радиаторов, коррозию деталей из алюминиевых сплавов.
Порядок разработки и постановки на производство новых изделий регламентирован ГОСТ 15.001-88. Отраслевые стандарты опре­деляют организацию подготовки к выпуску изделий автомобильной промышленности. Применительно к двигателям система стандар­тов предусматривает разработку:
технического задания (ОСТ 37.001.508- 73), которое на основе достижений отече­ственной и зарубежной техники определяет назначение, условия использования, техничес­кие характеристики и основные показатели двигателя;
технического предложения (ГОСТ 2.118- 73), состоящего в предварительной конструк­торской проработке и анализе вариантов с целью уточнения требований, характеристик и показателей, указанных в техническом зада­нии;
эскизного проекта (ГОСТ 2.119-73), ус­танавливающего принципиальные конструк­тивные решения, позволяющие реализовать техническое задание;
технического проекта (ГОСТ 2.120-73), выявляющего окончательные конструктивные решения, дающие полное представление о конструкции;
рабочей конструкторской документации, включающей рабочие чертежи деталей, ведо­мость покупных изделий, проект инструкции по эксплуатации.
Изготовленные опытные образцы двига­теля проходят заводские, а затем приемочные испытания, при положительных результатах которых принимается решение к его произ­водству. Типовая схема организации разработ­ки двигателей приведена на рис. 2.2.13.
Проектирование новых моделей двигате­лей является многокритериальным и многова­риантным и обеспечивается широким применением ЭВМ и компьютерной техники, ис­пользованием прогрессивных методов расчетов (например* с помощью конечных элементов), измерений ц испытаний. На каждом этапе разработки производится исследование показа­телей двигателя и его деталей, вносятся соот­ветствующие коррективы с целью оптимиза­ции конструкции.
2.2.13
 
Частными задачами проек­тирования можно считать:
выбор и обоснование основных парамет­ров и конструктивных особенностей двигателя;
математическое моделирование рабочего процесса;
компоновку двигателя и прогнозирова­ние его надежности;
испытание образцов двигателей. Основным условием создания оптималь­ной конструкции двигателя является четкое научно-обоснованное определение главных технических требований, что является конк­ретно выраженной целью проектирования и отражается в техническом задании. Последнее составляется в соответствии с ОСТ 37.001.508- 73 и содержит следующие данные: назначение двигателя; энергетические показатели; основные параметры и важнейшие кон­структивные особенности; условия примене­ния (сорта топливно-смазочных материалов, температуру, давление и запыленность окру­жающего воздуха, крены и др.).
Эти данные устанавливаются с учетом требований, обусловленных назначением ма­шин, для которых предназначен создаваемый двигатель. Их выбирают на основе результатов предварительных научных исследований, име­ющегося задела конструкторско-эксперимен- тальных разработок научного прогнозирования и анализа передовых достижений отечествен­ной и зарубежной техники, мирового двигателестроения. При этом производится обосно­ванный выбор:
номинальной мощности; вида и сорта применяемого топлива, ко­торое не должно быть дефицитным в перспек­тиве;
способа воспламенения (искровым зажи­ганием или от сжатия);
способа смесеобразований, типа камеры сгорания и топливной аппаратуры; типа системы охлаждения; наличия наддува и типа нагнетателя. С учетом положительного и отрицатель­ного влияния изменения каждого перечислен­ного параметра выбираются наивыгоднейшие значения:
номинальной частоты вращения коленча­того вала пн;
степени сжатия е;
числа / и расположения цилиндров;
отношения хода поршня к диаметру ци­линдра \\f = S / D.
Кроме того, в техническом задании на­мечаются основные конструктивные особенно­сти, которые имеют принципиальное значение для достижения заданных показателей (нали­чие автоматических регулирующих устройств, применяемые материалы, пусковые приспо­собления, некоторые нетиповые конструктив­ные элементы).
Главным показателем при проектирова­нии двигателя является его номинальная мощ­ность Ntн, которая определяется из удельной мощности автомобиля.
Удельная мощность главным образом определяет скоростные и динамические свой­ства автомобиля и его класс и должна состав­лять 6 ... 11 кВт/т для современных грузовых автомобилей. Для легковых автомобилей диа­пазон удельных мощностей 37 ... 125 кВт/т. При этом примерно для половины всех моде­лей автомобилей iVya = 75 + 92 кВт. В настоя­щее время существуют достаточно точные ме­тоды расчета удельной мощности автомобилей различных типов, основанные на вероятност­ных условиях и\ эксплуатации. Однако, при проектировании мощность двигателя обычно определяют технико-экономическим расчетом в зависимости от класса автомобиля, требова­ний унификации, возможностей производ­ственной базы с учетом выявленных преиму­ществ и недостатков прототипов.
Базой для дальнейшего проектирования является отношение S /D (размерность двига­теля), которое в первом приближении может быть определено следующим образом. На ос­новании анализа статистических данных двига- телей-аналогов выбираются значения среднего номинального эффективного давления
Рассчитывается требуемый рабочий Объем двигателя, л,
Определяется размерность двигателя Найденное значение D сравнивается с принятыми в перспективном типаже, и при необходимости корректируется. Следует учи­тывать, что для бензиновых двигателей уста­новлен предпочтительный ряд диаметров 76, 82, 88, 92, 100 108 мм, а для дизелей - 92, 105, 110, 120, 130, 140, 150 мм.
Если расчетная размерность двигателя подвергалась корректировке, то по новому значению D следует определить:
Полученное значение мощности не должно отличаться от требуемого более, чем на 3 ... 4 %. При этом предпочтительным яв­ляется ее повышенное значение по сравнению с заданным.
После уточнения размерности определя­ются с помощью экспериментов и расчетов остальные параметры технического задания и следующие дополнительные.
Крутящий момент, Н м,
Внутриотраслевая унификация предус­матривает создание типоразмерных рядов двигателя, состоящих из семейства конструк­тивно-унифицированных между собой моде­лей. Наиболее рациональным принципом со­здания рядов двигателей является варьирова­ние числом цилиндров (например 6 - 8 - 12) при сохранении размерности всех моделей, например дизелей ЯМЗ.
Значение уточняется на стадии эс­кизного проектирования и по возможности его реализации. Для этого необходимы расчеты рабочего процесса двигателя и его парамет­ров с использованием методов математическо­го моделирования. Математическая модель рабочего процесса двигателя - это замкнутая система уравнений, устанавливающая с извес­тной степенью приближения количественные связи между входными параметрами, управля­ющими процессом, и выходными свойствами процесса.
К таким входным параметрам прежде всего относятся параметры, определяющие режим и условия работы двигателя (подача топлива, нагрузка, регулировочные условия и параметры окружающей среды), а также харак­теризующие многие конструктивные особен­ности двигателя, его механизмов и систем.
В качестве выходной характеристики ра­бочего процесса обычно принимаются пара­метры состояния рабочего тела в различные моменты времени (или по углу поворота ко­ленчатого вала): текущее давление р, объем V и температура Т. Кроме того, определяются обобщающие показатели, характеризующие эффективность рабочего процесса - среднее индикаторное давление pt и индикаторный КПД г|/.
Математическая модель позволяет произ­водить многовариантные расчеты на ЭВМ, по результатам которых можно определить об­ласть оптимальных параметров, обусловлива­ющих энергетические показатели цикла. Одна­ко окончательные значения параметров и ха­рактеристик цикла должны определяться по результатам дополнительно проведенных экс­периментов. Вместе с тем на практике, на­пример на ЯМЗ, получены довольно точные совпадения расчетных и экспериментальных зависимостей выходных параметров рабочего процесса от конструкций и условий работы двигателя.
Компоновка двигателя выполняется на этапе эскизного проектирования и постоянно уточняется по мере конструкторской прора­ботки узлов и деталей. Она заключается в вы­боре оптимальной структурной схемы меха­низмов и систем, а также в установлении и увязке основных размеров деталей, исходя, главным образом, из необходимости обеспече­ния их сборки и требуемой кинематики. При этом учитываются требования надежности, минимальной металлоемкости и габаритов, производственной и эксплуатационной техно­логичности. Компоновка двигателя обычно выполняется расчетно-графическими метода­ми, в результате чего отрабатываются схемы, являющиеся основой для последующего вы­полнения сборочных и деталировочных черте­жей. Основными исходными данными для компоновки являются рабочий объем цилинд­ра Vfa его диаметр D и ход поршня S, выб­ранные по результатам предварительного рас­чета и опробирования рабочего процесса.
Для исключения значительных ошибок и необходимости корректирования первоначаль­ных решений, исходные размеры определяют­ся с учетом опыта конструирования подобных двигателей, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации. Для этого обычно используют относительные размеры / и d деталей базо­вого двигателя, представляющие собой отно­шения
где /g и - соответственно линейный размер и диаметр деталей базового двигателя, мм; D§ - номинальный диаметр цилиндра базового двигателя, мм.
Любой аналогичный размер проектируе­мой детали может быть найден из выражения d = dD или / = ID . При этом, компоновка, как правило, не требует кардинального кор­ректирования. Однако она должна осуществ­ляться в нескольких вариантах. Для оптимиза­ции компоновочных решений необходимо рассмотреть и оценить влияние ряда факторов, которые могут существенно изменить показа­тели двигателя и прежде всего следующие: расположение цилиндров; параметры S / D и R / L ; форму, число опор и размеры шеек коленчатого вала; число и расположение рас­пределительных валов; схему, расположение и конфигурацию клапанов, впускных и выпуск­ных патрубков; форму и расположение навес­ных агрегатов и деталей. В этом случае компо­новочное решение представляется в виде целе­вой функции, которая минимизируется мате­матическими методами.
Изложенные принципиальные положе­ния позволяют выполнить компоновочную схему, но не исчерпывают необходимого объема конструкторской проработки. После выбора размеров и конфигурации деталей не­обходимо оценить их надежность. Такое про­гнозирование на стадии проектирования очень важно для уменьшения объема и времени пос­ледующих работ и заключается в оценке удельных нагрузок (давления) в сопряжениях, расчете деталей на жесткость, прочность (главным образом усталостную) и износостой­кость по методикам, приведенным в специ­альной литературе. Затем при необходимости корректируются компоновочные размеры и выполняются рабочие чертежи. При этом увя­зываются размерные цепи, выбираются посад­ки и допуски на размеры и геометрические отклонения, а также устанавливаются опти­мальные параметры шероховатости сопрягае­мых поверхностей и отрабатывается техноло­гичность деталей.
Несмотря на большое значение этапов исследования и разработки двигателя базовой информацией для обобщений, выводов и практических рекомендаций могут быть только результаты исследований, которые могут быть натурными на двигателях или (с целью сниже­ния трудоемкости и исключения влияния не­которых второстепенных факторов) в ряде случаев на моделях.
Проведение натурных испытаний непос­редственно на двигателе носит характер про­верки его основных показателей при различ­ных искусственно создаваемых условиях и режимах работы и в зависимости от постав­ленных целей (исследовательские, доводочные, проверочные, учебные, сертификационные). По условиям проведения испытаний двигате­лей они делятся на эксплуатационные, осуще­ствляемые ^ непосредственно на объекте, и стендовые. Для сокращения трудоемкости, материальных затрат и времени проведения, а также более четкого определения отдельных функциональных свойств на современном этапе развития техники предпочтительнее стендовые испытания двигателей. Объем и условия проведения поверочных стендовых испытаний автомобильных двигателей регла­ментированы ГОСТ 14846-81. Программы и условия остальных видов испытаний разраба­тываются в каждом конкретном случае в зави­симости от целей. ГОСТ 14846-81 определяет виды поверочных испытаний автомобильных двигателей, устанавливает комплектность стен­дов и требуемую точность измерительной ап­паратуры, условия подготовки и проведения испытаний, методику подсчета результатов. В соответствии с ним могут проводиться следу­ющие испытания:
контрольные, устанавливающие соответ­ствие серийной продукции требованиям тех­нических условий;
приемочные, устанавливающие возмож­ность постановки модели двигателя на произ­водство;
на безотказность.
Кроме того, предусматриваются испыта­ния на токсичность и дымносгь отработавших газов, шумность и др.
Во всех случаях испытаниям подвергают технически исправные двигатели, прошедшие обкатку до 60 ч, с установленным на них воз­духоочистителем, генератором и водяным на­сосом, но без вентилятора, глушителя и комп­рессора. Поэтому действительная мощность, которую можно использовать для приведения в движение машины, на 8 ... 10 % меньше Ntн, определенной по ГОСТ 14846-81. Стан­дарт устанавливает также нормальные условия проведения испытаний или приведения к ним полученных результатов по мощности, крутя­щему моменту и удельному расходу топлива.
Для создания необходимых условий ис­пытаний и режимов работы двигатель устанав­ливают на специальном стенде, оборудованном тормозным устройством и обеспечивающим работу двигателя системами питания, охлажде­ния, смазки, электрооборудования, выпуска отработавших газов. Для достижения одно­значности и достоверности получаемых ре­зультатов испытание чаще всего строится по принципу однофакгорнош эксперимента, ко­торый сводится к испытаниям двигателя на режимах определенных характеристик - скоро­стной, нагрузочной, регулировочных и т.п.
Наиболее часто используются программы поверочных испытаний. Так, программой кон­трольных испытаний по ГОСТ 14846-81 пре­дусматривается определение скоростных характеристик (рис. 2.2.14) при полностью открытом дросселе или при полной подаче топлива, а также их регулиро­вочных частей;
нагрузочных характеристик (рис. 2.2.15) не менее, чем на трех различных частотах вращения;
скоростной характеристике условных внутренних потерь (методом прокручивания);
характеристик холостого хода;
равномерности работы цилиндров;
массы двигателя;
дымности и токсичности отработавших газов (для дизелей).
2.2.14
При проведении приемочных испытаний дополнительно определяются частичные ско­ростные характеристики, минимальная частота вращения холостого хода и габаритные разме­ры двигателя. Испытания двигателей для про­верки качества изготовления и сборки, а также их безотказности (ГОСТ 14846-81) проводятся в течение 250 ... 1000 ч в зависимости от рабо­чего объема двигателя и состоят из повторяю­щихся циклов (3 ч): пуска, работы на холостом ходу, работы при полной подаче топлива на номинальном скоростном режиме. Между циклами предусматривается остановка двигате­ля на 10 мин.
2.2.15
Кроме стендовых испытаний по ГОСТ 14846-81 оценка безотказности автомобильных двигателей может производиться также по методикам РД 37. 001. 059-87, РД 37. 001, 086- 88 и РД 37. 001. 161-90, оценка износостойко­сти - по методике РТМ 37. 001. 013-75.
Традиционные программы, построенные по однофаюурному принципу, обеспечивают однозначность полученных результатов, но требуют проведения большого числа опытов. Кроме того, для повышения достоверности результатов каждый опыт необходимо повто­рить 2 — 3 раза. Все это чрезвычайно повышает сроки и стоимость эксперимента. Поэтому в последнее время широкое распространение получили многофактурные эксперименты, осуществляемые методом математического планирования. Использование такого метода позволяет существенно сократить число опы­тов без снижения достоверности результатов. Применение математического планирования эксперимента особенно целесообразно при доводочных работах и может сократить их продолжительность до 10 раз.
Параметры, определяемые при обяза­тельной сертификации двигателей и необхо­димых нормативных документов, устанавли­вающие требования и методы испытаний, приведены в табл. 2.2.14.
 
2.2.14. Параметры, определяемые при обязательной сертификации двигателей

Параметры

Нормативные документы, устанавливающие

Назначение

двигателя

технические требования

методы испытаний

Скоростной внешней ха­рактеристики:

максимальный кру­тящий момент (брут­то или нетто) номинальные момен­ты (брутто или нетто) частота вращения ко­ленчатого вала, соот­ветствующая опреде­ленным параметрам минимальный удель­ный расход топлива расход масла на угар

ГОСТ 23465-79

ГОСТ 14846-81, правила N 85

РД 37. 001. 642

Автомобили мас­сой более 3,5 т (категории М2, МЗ, N2, N3)

Расход топлива по циклу

 

 

ГОСТ 20306-90, правила N 84

Автомобили мас­сой до 3,5 т (категории Ml, N1)

Уровень шума

ОСТ 37. 001.266

ОСТ 37. 001.266

В составе АТС

Пусковые

 

ОСТ 37. 001.032 или ОСТ 37. 001.052

РД 37. 001.021 или ОСТ 37. 001.066

 

Выбросов вредных ве­ществ с искровым зажига­нием:

 

 

 

содержание СО, СН и NOx на заданных режимах

ОСТ 37. 001.070

 

ОСТ 37. 001.070

 

Автомобили мас­сой более 3,5 т (категории М2, N2, N3)

содержание СО, СН на холостом ходу

ГОСТ 17. 2. 2. 03-87

ГОСТ 17. 2. 2. 03-87

 

содержание СО, СН и NOx при испыта­нии по циклу

ОСТ 37. 001.054

 

ОСТ 37. 001.054

 

Автомобили мас­сой до 3,5 т (категории Ml, М2, N1)

содержание СО, СН на холостом ходу

ГОСТ 17. 2. 2. 03-87

ГОСТ 17.2.2. 03-87, правила N 83

 

Выбросов вредных ве­ществ дизелей:

 

 

 

содержание СО, СН и NOx при испыта­нии по циклу

ОСТ 37. 001.234 или правила N 49

ОСТ 37. 001.234 или правила N 49

Дизели автомоби­лей массой более 3,5 т (категории М2, N1, N3)

содержание СО, СН и NOx и твердых час­тиц при испытании по циклу

 

 

 

содержание СО, СН и NOx при испыта­нии по циклу

Правила N 83

 

Правила N 83

 

Дизели автомоби­лей массой до 3,5 т (категории Ml, N1)

Дымность дизелей:

 

 

 

на режимах скорост­ной внешней харак­теристики и свобод­ного ускорения

ГОСТ 17. 2. 2. 01-84

 

ГОСТ 17. 2. 2. 01- 84

 

Дизели всех авто­мобилей (катего­рии Ml, М2, МЗ, N1, N2, N3)

на установившихся режимах при полной нагрузке и на режиме свободного ускорения

Правила N 24

 

Правила N 24

 

 



[1] В знаменателе с наддувом.


 

Поиск


Сейчас 119 гостей и 6 пользователей онлайн





Забыли данные входа на сайт?