Навигация

Главная » Мануалы

1 2 3 4 5 ... 19




Тихоходные двигатели с противоположно двигающимися поршнями часто выполняют с одним валом и с передачей движения от одного из поршней валу системой тяг (шатунов).

ГОЛОВКИ не стеснены близостью смежных цилиндров. Однако, как правило, шатуны и коленчатые валы звездообразных двигателей получаются весьма напряженными и сложными. Последнее в еще большей степени относится к многорядным звездообразным двигателям (схема 7), имеющим то преимущество, что требование малых габаритов и веса при большой мощности может быть удовлетворено полнее, чем при других одновальных схемах.

В связи с необходимостью создания мощных быстроходных двигателей конструкторы уделяют значительное внимание двухвальным и многоваль-ным конструкциям. Конструктивные схемы подобных двигателей весьма разнообразны (схемы 8-14). Наличие нескольких валов позволяет осуществить компактные и легкие конструкции, упростить и разгрузить ряд узлов, нередко использовать детали прототипного одновального двигателя, например, блоки и головки цилиндров, детали шатунно-крнвошипного механизма - при выполнении двигателя по схемам 8 и 9.

В некоторых случаях эти двигатели уступают одновальным по габаритам и весу, в частности, когда конструктор, стремясь решить задачу создания мощного двигателя более простым путем, применяет сочетание двух существующих одновальных двигателей.

Стремление получить повышенные мощности в малых габаритах заставляет конструкторов нередко обращаться к двухтактным двигателям, которые при петлевой щелевой и клапанио-щелевой схемах, могут быть осуществлены с тем же расположением цилиндров, как и у четырехтактных двигателей. Значительное уменьшение габаритов и веса получается в результате применения двухтактных двигателей с противоположно двигающимися поршнями (схемы 10-14). В этом случае двигатель может быть выполнен двухвальным однорядным (схема 10), двухрядным V-образным (схема 11), или с параллельным расположением цилиндров (схема 7i). Может быть также осуществлена конструкция с расположением цилиндров по треугольнику (с тремя валами, схема 13), или по четырехугольнику (четырьмя валами, схема 14) или даже по шестиугольнику (с шестью валами) .

Двигатели, выполненные по схемам 13 и 14, имеют малые габариты и большую мощность. Рабочий процесс этих двигателей (так же как и двигателей по схемам 10-12) характеризуется высоким качеством. Следует заметить, что они отличаются сложностью некоторых узлов, в частности корпуса и невозможностью подхода к деталям со стороны внутренней полости (например, к части насосов и форсунок). Напомним, что в указанных двигателях (схемы 10-14) один из поршней каждого цилиндра управляет впуском, другой выпуском, причем поршень, управляющий выпуском, омываемый выпускными газами, находится в тяжелых тепловых условиях. Так как кривошипы каждого цилиндра смещаются на угол, отличный от 180° (на 10-20°), с коленчатого вала, управляющего выпуском, снимается большая мощность, и он получается более нагруженным.

В схемах J3 и 14 имеется возможность уравнять мощности, снимаемые с коленчатых валов.

Приведенные схемы не исчерпывают возможных рациональных композиций, характеризующихся различными расположением и числом цилиндров и валов.

Приведенные положения относятся как к четырехтактным, так и к двухтактным двигателям. И те и другие имеют перспективы для дальнейшего развития и совершенствования.



2) как правило, более совершенная очистка и наполнение цилиндра, осуществляемые в значительной степени принудительно в результате выталкивающего и всасывающего действий поршня;

3) более простое применение газотурбинного наддува, без приводного нагнетателя, необходимого для работы двухтактного двигателя при тех режимах, когда энергии выпускных газов недостаточно для привода турбонагнетателя;

4) большие возможности применения воздушного охлаждения вследствие меньшей тепловой напряженности головки и цилиндра;

5) возможность выполнения более совершенной конструкции для внешнего смесеобразования вследствие малых потерь смеси через выпускные органы или отсутствия потерь;

2 Орлин 2383

В настоящее время четырехтактными выполняются:

1) значительная часть стационарных, судовых и транспортных двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью до 150-180 л. с;

2) большая часть двигателей с внешним смесеобразованием (газовых) стационарного типа;

3) часть двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью более 200 л. с;

4) почти все двигатели автомобильного и тракторного типов с внешним смесеобразованием;

5) большая wacTb двигателей с воспламенением от сжатия автомобильного и тракторного типа;

6) часть двигателей с внешним смесеобразованием (жидкого топлива) мотоциклетного и лодочного типа.

Двухтактными выполняются:

1) значительная часть стационарных, судовых и передвижных двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью до 40- 50 л. с;

2) значительная часть двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью более 150 л. с. и большая часть двигателей с цилиндровой мощностью выше 200 л. с;

3) некоторое количество двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью 50-150 л. с;

4) почти все калоризаторные двигатели;

5) часть двигателей автомобильного и тракторного типа с воспламенением от сжатия;

6) значительная часть двигателей малой мощности с внешним смесеобразованием с кривошипно-камерной продувкой;

7) некоторое количество газовых двигателей с малой цилиндровой мощностью (с калоризаторным зажиганием и кривошипно-камерной продувкой) и с большой цилиндровой мощностью, в которых газ вдувается после окончания продувки.

Большое распространение четырехтактных двигателей автомобильного и тракторного типа объясняется тем, что до настоящего времени они имеют некоторые преимущества (см. ниже) по сравнению с двухтактными двигателями.

I Кроме того, имеет значение больший опыт конструирования и эксплуата-ции четырехтактных двигателей. гО Основными преимуществами четырехтактных двигателей являются: 1) меньшая тепловая напряженность таких ответственных деталей, как: поршневая группа, цилиндр, головка (если сравнивать с головкой двух-тактного двигателя с клапанно-щелевой схемой продувки), а иногда и клапаны, так как сгорание топлива происходит 1 раз за два оборота Щ вала;



6) более легкие условия работы топливоподающей системы (в двигателях с воспламенением от сжатия) вследствие того, что валик топливного насоса в четырехтактных двигателях обычно вращается с числом оборотов вдвое меньшим, чем в двухтактных двигателях.

Основными преимуществами двухтактных двигателей являются:

1) большая (в 1,5-1,7 раза) литровая мощность по сравнению с четырехтактными двигателями, что позволяет уменьшить габариты и вес двигателя при условии удачного выбора геометрических и конструктивных параметров (в первую очередь отношения хода поршня S к диаметру щ^линдра D);

2) большая равномерность крутящего момента по углу поворота кривошипа, т. е. большая равномерность хода. При одинаковой степени неравномерности и одинаковом числе цилиндров двухтактные двигатели имеют более легкие маховики;

3) шатуны и коленчатые валы двухтактных двигателей испытываютнагрузку, изменение которой происходит с меньшими амплитудами, что определяет больший запас прочности;

4) двигатели с щелевым распределением отличаются большей простотой (особенно при кривошипно-камерной продувке) и вследствие этого более высокой надежностью; стоимость их получается меньшей;

5) двухтактные двигатели, как правило, характеризуются более легким пуском (при пневматическом запуске): пуск в ход с любого положения может быть осуществлен при наличии четырех цилиндров (минимально), в то время как для четырехтактных двигателей пуск в ход с любого положения осуществляется лишь при шести цилиндрах (при рядном расположении).

Почти все двигатели внутреннего сгорания - двигатели простого действия. В таком двигателе можно применить тронковую конструкцию поршня, что обусловливает меньшие габариты в направлении оси цилиндра, большую простоту конструкции, меньший вес поступательно движущихся деталей.

При больших мощностях двигатели простого действия выполняют с крейцкопфом для создания более легких условий работы поршневой группы. Применение принципа двойного действия позволяет увеличить мощность в 1,7-1,8 раза при относительно небольшом увеличении веса. Все современные двигатели двойного действия выполняют только двухтактными. Такие двигатели характеризуются особо тяжелыми условиями работы поршневой группы, штока и других деталей. Двухтактные двигатели с противоположно движущимися поршнями могут быть отнесены к двигателям простого действия, так как в них газы действуют на поршни с одной стороны.

§ 2. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ

При проектировании двигателя конструктору приходится решать комплекс сложных вопросов, относящихся к рабочему процессу и непосредственно к компоновке двигателя.

Основными процессами являются смесеобразование и сгорание, выпуск отработавших газов и наполнение цилиндра.

Конструктор должен выбирать системы смесеобразования и газораспределения, термодинамические и газодинамические параметры процессов - оптимальные в отношении мощности и расхода топлива, динамики протекания процесса сгорания, тепловой и динамической напряженности.

При компоновке двигателя необходимо обеспечить заданные габариты и вес двигателя при соблюдении прочности, жесткости и износостойкости конструкции, простоты конструктивных форм деталей.

Конструктор должен обладать творческой инициативой и учитывать возможность и дальнейшие пути совершенствования конструкции в соответствии с требованиями современного двигателестроения.



Мощностные ряды двигателей

При построении нового двигателя рационально предусмотреть, чтобы он был одним из двигателей (звеньев) мощностного ряда.

Двигатели одного мощностного ряда характеризуются однотипной конструкцией (одинаковая компоновка, одинаковая конструкция главнейших узлов, одинаковые размеры цилиндра).

Основными преимуществами такого направления проектирования являются следующие:

1) удовлетворяется потребность в большом диапазоне мощностей путем построения двигателей минимального количества типов;

2) при серийном производстве двигателей одного мощностного ряда снижается стоимость изготовления двигателей;

3) сокращаются сроки освоения новых конструкций и улучшается качество двигателей;

4) обеспечивается единое плановое развитие конструкторской и производственной работы в области двигателестроения.

Двигатели одного ряда, имея принципиально общую для всего ряда конструкцию основных узлов и деталей, различаются числом и в некоторых случаях расположением цилиндров, наличием тех или иных вспомогательных агрегатов, конструкцией отдельных узлов и деталей.

При проектировании двигателей мощностного ряда группы однотипных двигателей с цилиндрами различных размеров иногда стремятся выдержать принцип подобия в отношении геометрических размеров и конструктивных форм. У таких двигателей (имеющих одинаковую конструктивную схему) размеры главных узлов и деталей взаимно пропорциональны, а также пропорциональны одному из основных конструктивных параметров, как правило, диаметру D цилиндра.

Эти двигатели характеризуются одинаковым отношением к диаметру цилиндра: хода поршня, диаметра шатунных и коренных шеек, диаметра поршневого пальца, диаметра впускных и выпускных клапанов, расстояния между осями цилиндров и между серединами опор вала и т. д. Кроме того, ставится условие, что подобные двигатели должны характеризоваться одинаковыми индикаторными диаграммами и коэффициентами наполнения, одинаковой средней скоростью поршня и механическим к. п. д.; вследствие чего у них должны быть одинаковые механические и тепловые напряжения, износостойкость и жесткость деталей.

Напомним, что средняя скорость поршня выражается соотношением

Sn ~ 30

где 5 - ход поршня.

У подобных двигателей средние скорости поршня одинаковы; это означает, что одинаковы и произведения Dn, которые иногда используют при выборе размеров цилиндра проектируемого двигателя. В этом случае считают известными (на основе данных практики) величину Dn и число оборотов вала п в минуту.

Силы Р;, действующие на детали, пропорциональны произведению давлений pg газов в цилиндре ка площадь F/y поршня, а изгибающие и крутящие моменты - произведеиию сил Рг на плечи / моментов.

Вследствие этого напряжение можно выразить в виде

или при наличии действующих моментов 7*



или соответственно

= 9- = const.

где D - диаметр рабочего цилиндра;

q- коэффициент пропорциональности.

К аналогичному выводу нетрудно прийти, рассматривая напряжения ау от сил Р инерции, пропорциональных MRoi.

Так. например, при изгибе или кручении

Pjl MRii>4 1ЮпЧ iDn)D3 °J == iir = = h = 4 -- = const.

где k\, k, k% и ki-коэффициенты пропорциональности;

М-масса движущихся деталей;

R - радиус кривошипа. То же самое относится к тангенциальным и к сложным напряжениям, а также к удельным нагрузкам k на подшипники, характеризующим в известной степени износостойкость деталей:

= 91 7 = 92 = const.

где Р^РгРр

I и d - длина и диаметр шейки вала или поршневого пальца; 4i и 92 - коэффициенты пропорциональности.

Индикаторная мощность двигателя пропорциональна произведению PiVn; таким образом

Ni = kpiDn = k DnD = k D%

где k, k и k -коэффициенты пропорциональности. Эффективная мощность

Литровая мощность

Vh , D *

где Vfi - рабочий объем цилиндра;

<7о и 9i-коэффициенты пропорциональности.

Поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу объема.

Vh~ D

где -х. - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, с уменьшением диаметра цилиндра у геометрически подобных двигателей увеличивается литрэзая мох^ность двигателя обратно пропорционально диа* метру цилиндра. Поверхность охлаждения из.мгняется аналогично.

Выводами теории подобия двигателей пользуются иногда при выборе размеров цилиндра, размеров основных узлов и деталей и при оценке выполненных конструкций. Такой метод проектирования, однако, применяют сравнительно редко по следующим причинам:

1) конструктивные и производственные соображения вызывают увеличение размеров (относительных) ряда узлов и деталей с уменьшением мощ-

где W-момент сопротивления изгибу или кручению; F - площадь сечения рассчитываемой детали; k - коэффициент пропорциональности.

Учитывая отмеченное выше о пропорциональности размеров основных деталей диаметру цилиндра и об одинаковых индикаторных диаграммах подобных двигателей, напишем



ности двигателя; в частности, это касается толщины литых стенок деталей, местных усилений этих стенок, ребер жесткости;

2) конструктивные усовершенствования, вносимые при проектировании новых моделей данного ряда, вызывают часто значительные изменения конструктивных форм.

Приступая к проектированию, конструктор располагает величиной эффективной мощности и некоторыми другими параметрами, заданными техническими условиями.

Эффективная мощность с конструктивными параметрами и средним эффективным давлением связана следующим равенством

7tD2 Snipg inp S 3 .

где i - число цилиндров;

pg - среднее эффективное давление в кг1смН X - число тактов; D - диаметр цилиндра в дм;

к - 0- 4.225

Выражая 5 через среднюю скорость поршня с„, нетрудно получить

el~PfrrP\ (2)

где

~ 4 225

В соотношения (1) и (2) входят параметры п, р^, i, D. При

определении размеров цилиндра некоторые из них приходится выбирать.

В частности, могут быть выбраны значения i, и или i, и с^.

Совокупность указанных параметров характеризует конструкцию двигателя.

Скорость поршня и число оборотов вала

Одним из основных параметров, связанных с типом двигателя и его назначением, является скорость поршня, определяющая быстроходность двигателя. При проектировании и анализе конструкций обычно используют величину средней скорости поршня. С увеличением скорости поршня увеличивается тепловая напряженность двигателя (в первую очередь поршневой группы), инерционные силы, нагружающие детали кривошипно-шатуиного механизма; увеличиваются износы подшипников вала и цилиндровой втулки уменьшается срок службы. С увеличением скорости поршня повышаются скорости газов в органах распределения, вследствие чего увеличиваются сопротивления. С повышением скорости поршня возникает, таким образом, необходимость увеличения сечений органов распределения и каналов в головке и блоке, создания более надежной в тепловом отношении конструкции поршня, улучшения качества материалов трущихся деталей и необходимость применения более высокого класса точности при обработке.

Следует особо подчеркнуть, что направление развития двигателестроения связано с повышением скоростного режима, т. е. с увеличением числа оборотов вала двигателя и скорости поршня.

Величину средней скорости поршня при проектировании выбирают с учетом назначения двигателя.



Отнош[ение хода поршня к диаметру цилиндра

Величина- является одним из основных параметров, определяющих

габариты и вес двигателя. Этот параметр связан непосредственно со скоростью поршня и мощностью двигателя.

В быстроходных двигателях величину-рационально уменьшать до определенного предела для получения умеренной скорости поршня, увеличения механического к. п. д., удгеньшения габаритов в направлении оси цилиндра

и повышения жесткости коленчатого вала. С уменьшением- (с уменьшением радиуса кривошипа)увеличивается перекрытие шатунных и коренных шеек,

т-г

кроме того, снижается износ поршневых колец При уменьшении

упрощается решение задачи расположения органов распределения в головке цилиндра (крышке). Сокращение необходимой длины поршня вызывает уменьшение габаритов двигателя в направлении оси цилиндра, особенно значительное в двухтактных двигателях.

Однако с уменьшением увеличивается длина двигателя и его вес.

при уменьшении износ гильз не уменьшается, так как он пропорционален числу оборотов вала и не зависит от хода поршня.

Вследствие уменьшения высоты камеры сгорания в дизелях с коротким ходом поршня ухудшаются условия смесеобразования. Кроме того, в двухтактных двигателях с прямоточной продувкой при очень низком ~- ухудшается качество процесса газообмена.

Пониженные значенияособенно целесообразно применять в V-образ-ных двигателях.

Главным препятствием к распространению двигателей с малым -g-

являлось увеличение длины двигателя, определяемой в однорядных конструкциях длиной блока цилиндров. В V-образных двигателях длина

ГОСТ 4393-48.

Двигатели^ подразделяются на тихоходные, менее 6,5 м/сек и на быстроходные, с^ более 6,5 м1сек. Иногда рассматривают дополнительно группу двигателей средней быстроходности; тогда получается следующая классификация: тихоходные = 3,5 6,0 м/сек, среднебыстроходные 6,0 -8,0 м/сек; быстроходные с^ = 8,0 ч- 12 м/сек и выше.

Число оборотов коленчатого вала у современных двигателей лежит в пределах 90-5000 в минуту и достигает в некоторых случаях 8000-10 ООО в минуту и более (гоночные автомобильные, мотоциклетные двигатели и т. д.).

Число оборотов вала двигателя зависит от характеристики связанного с двигателем агрегата, его к. п. д., конструктивных особенностей.

В табл. 1 приведены значения с^, п и других параметров для двигателей различных типов.

Выбор числа оборотов вала стационарного двигателя, непосредственно связанного с электрогенератором, определяется стандартным числом периодов / переменного тока (50 периодов в секунду) при заданном числе пар полюсов электрогенератора



Значения основных показателей для двигателей различных типов

Таблица 1

Двигатели

в MjceK

п в об/мин

Pg в А-г/сл

в г1л. с. ч.

в л. с. In.

в г 1л. с.

W S н

о

н о

S а) S я а) я а)

с о

О

м

и

Стационарные и судовые

3.5-6,5

100-600

1,2-2,0

4,5-6,5 (с наддувом до 8,0)

160-200

14-17

35-60

До 16

4-5,5

20-70

Стационарные и судовые быстроходные, тепловозные

6.5-9.0

600-1200

0,9-1.5

4,5-7,5 (с наддувом доЮивыше)

170-200

14-18

60-90

До 16

3,8-4,7

6-18

5-20

Судовые и транспортные повышенной быстроходности (легкого типа, с наддувом)

9,0-12

1500-2200

0,9-1,4

7-12 и выше

150-180

13-17

80-120

6-24 и более

3.2-4,2

15-40 и выше

1,2-5,0

Автомобильные

8-12

2000-3500

0,9-1,5

5,0-8,0

155-200

14-18

60-100

4-8 (до 16)

3,5-4,5

12-30

3,8-7,0

Тракторные

800-1500

1,2-1,6

4,0-6,0

180-230

13-18

40-70

3,7-4,7

6-14

8-20

Q. О Н се П,

2 ю

D, О)

Автомобильные

10-13

2500-4000

0,8-1,5

5,5-8,5

220-270

30-50

4-8 (до 16)

3.5-4.5

15-40

2,0-5,0

Автомобильные малолитражные и мотоциклетные

8-18

3000-8000

0,8-1,5

3,5-8,5

230-300

4-8 и выше

30-45

3,7-4.7

15-60

2,0-5,0

Стационарные газовые

3,5-6,5

100-600

1,3-2,0

3 4

2000-2500*

30-50

До 12

4-5.5

30-70

Калоризаторные двухтактные

4,0-7,5

500-1200

1,0-1,6

2,5-3,5

250-350

30-50

До 60

* в 1сал1л. с. ч.

Примечания: 1. Нижние пределы pg и верхние пределы относятся преимущ,ественно к двухтактным двигателям. 2. Значения приведенных показателей (кроме gg) для автомобильных карбюраторных двигателей относятся и к газовым автомобильным двигателям. Расход топлива 20-40 м^1л. с. ч. на 100 км пробега.



двигателя определяется длиной коленчатого вала, получаемой из расчета износостойкости шеек (и отчасти прочности щек). При повышенных значе-

ниях- в V-образных двигателях между осями цилиндров получаются

излишне большие расстояния и значительная часть общего объема двигателя

не используется. В V-образных двигателях с низким- минимальная длина,

определяемая из расчета коленчатого вала, примерно такая же, как и у блока цилиндров.

Применение конструкций с малым приводит к уменьшению ширины

V-образного двигателя, особенно при большом угле развала цилиндров. По той же причине двигатели с противолежащими горизонтальными цилиндрами бесспорно рационально выполнять короткоходными.

Указанные выше недостатки ограничивают возможность уменьшения-.

Это отношение должно быть не менее 0,80-0,85 даже при очень жестких требованиях к габаритам.

Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление зависит от способа смесеобразования, вида топлива, качества процессов .смесеобразования, сгорания и газообмена, механического к. п. д. -ц^, величины давления и температуры на впуске, от числа тактов двигателя.

Значение выбирают при выполнении проекта на основании опытных данных (при выполнении эскизного проекта и при предварительных расчетах). Выбранную величину р^ проверяют тепловым расчетом (при выполнении технического проекта). При этом учитывают возможность перегрузки двигателя. Окончательно величину р^ (и эффективную мощность Л^) можно установить только в результате испытаний построенного двигателя.

Увеличение веса заряда поступающего в цилиндр воздуха или горючей смеси путем повышения давления на впуске (применение наддува) позволяет значительно повысить среднее эффективное давление.

Осуществление наддува связано с предварительным сжатием воздуха специальным насосом. Температуру цикла при наддуве можно сохранить постоянной, если ввести промежуточное охлаждение воздуха.

Давление наддува р^. выбирают, учитывая назначение двигателя, размеры цилиндра и число оборотов вала, а также данные практики. Величина давления наддува, оптимальная в отношении мощности и экономичности, выявляется экспериментальным путем.

С повышением р^. увеличиваются тепловые и механические напряжения основных деталей, износ трущихся пар, а также склонность двигателя к детонации в случае принудительного зажигания.

Повышение прочности и износостойкости может быть достигнуто ограничением максимального давления сгорания. Переносить часть процесса сгорания на линию расшртрения, в результате чего снижается максимальное давление цикла, нецелесообразно вследствие повышения температуры выпускных газов, влияющей на тепловую напряженность вьшзскных органов, а также ухудшения экономичности.

Величина pg зависит от характера осуществляемого цикла, от степени сжатия, вида топлива, способа смесеобразования и других факторов. Обычно при проектировании значение /?, выбирают, принимая во внимание в первую очередь назначение двигателя и спосо'б смесеобразования. При этом

величина р^, а также отношение - не должны превышать определенных



1 2 3 4 5 ... 19