Силовые агрегаты

1 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО ДГАУ) АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКИЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ ФГБОУ ВПО «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» в г. ЗЕРНОГРАДЕ Кафедра: «Тракторы и автомобили» Н.В. Сергеев Силовые агрегаты КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Учебное пособие Зерноград–2015 2 УДК 621.43 Печатается по решению методического совета факультета «Автотранспорт в АПК» Азово-Черноморского инженерного института Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде Рецензент кандидат технических наук, доцент кафедры ЭА и ТТП Щиров В.Н. Сергеев, Н.В. Силовые агрегаты. Конспект лекций: учебное пособие / Н.В.Сергеев – Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ, 2015. – 186 с. В конспекте лекций, в соответствии с программой, изложены основные положения, предусматривающие обучение студентов по направлению подготовки 23.03.03. – Эксплуатация транспортно-технологических машин. Развитие автомобильного транспорта в условиях НТП невозможно без постоянного совершенствования силовой установки автомобиля. Главными направлениями развития автомобильного двигателестроения является повышение удельных энергетических и экологических показателей, увеличение моторесурса двигателей при одновременном снижении удельной металлоёмкости, обеспечение работы на не дорогостоящих видах топлива, улучшение экономических характеристик – снижение токсичности и дымности отработавших газов, уменьшение удельных затрат на изготовление, обслуживание и ремонт деталей. Учебное пособие предназначено для бакалавров факультета «Автотранспорт в АПК» очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин. Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Тракторы и автомобили». Протокол № 4 от 20.04.2015 г. Рассмотрено и одобрено методическим советом факультета «Автотранспорт в АПК». Протокол № 7 от 27.04.2015 г. © Сергеев Н.В., 2015 © Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ, 2015 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… 4 Лекция № 1 Особенности эксплуатации двигателей………………… 5 Лекция № 2 Основные понятия и определения. Рабочие циклы ДВС………………………………………... 11 Лекция № 3 Особенности конструкции КШМ………………………... 22 Лекция № 4 Механизм газораспределения……………………………. 61 Лекция № 5 Система охлаждения…………………………..................... 86 Лекция № 6 Система смазывания…………………………..................... 100 Лекция № 7 Система питания…………………………………………... 131 Лекция № 8 Системы газообмена…………………………..................... 150 Лекция № 9 Перспективные направления развития автомобильных двигателей……………………………….. 163 Литература…………………………………………………………………. 185 4 Введение Цель изучения дисциплины является подготовка будущих специалистов в областях теории рабочих процессов, конструирования и расчётов различных элементов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и их систем в такой степени, чтобы они могли принимать технически обоснованные решения по выбору, способов эксплуатации, сервису и ремонту силовых установок для подвижного состава мобильных машин с целью максимальной экономии топливно-энергетических ресурсов, интенсификации технологических процессов и эффективной защиты окружающей среды. Предметом изучения в общем случае являются принципы работы тепловых двигателей, классификация силовых установок, терминология, основные закономерности действительных рабочих циклов, оценочные показатели, режимы работы и характеристики двигателей внутреннего сгорания, конструкция их деталей и узлов, силовые и термические нагрузки, уравновешивание двигателей, расчет систем транспортных силовых установок. Задачами изучения дисциплины является приобретение необходимых знаний о закономерностях преобразования в ДВС химической энергии топлива в механическую работу, влиянии основных конструктивных, режимноэксплуатационных и атмосферно-климатических факторов на протекание рабочих процессов в ДВС, их надёжность, формирование показателей работы и характеристик двигателей, воздействии на окружающую среду, современных методах улучшения технико-экономических показателей и снижения токсичности выпуска и шумоизлучения, основных критериях совершенства силовых установок автомобильного транспорта и направлениях их развития. Курс лекций помогает освоить следующие компетенции: ОК– 6 – Стремлением к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства, владение навыками самостоятельной работы; ПК – 10 – Умеет выбирать материалы для применения при эксплуатации и ремонте транспортных машин и транспортно-технологических комплексов различного назначения с учётом влияния внешних факторов и требований безопасной и эффективной эксплуатации и стоимости; ПК – 15 – Владеет знаниями технических условий и правил рациональной эксплуатации транспортной техники, причин и последствий прекращения её работоспособности; ПК – 33 – Владеет знаниями методов монтажа транспортных и технологических машин и оборудования, используемого в отрасли. 5 Лекция № 1 Особенности эксплуатации двигателей План 1.Требования к транспортным энергоустановкам 2. Использование инновационных технологий. 3. Управление. 4. Особенности эксплуатации двигателей. 1 Требования к транспортным энергоустановкам Основные требования к транспортным энергоустановкам: – высокие качество и эффективность функционирования в составе автомобиля при перевозках – обеспечение безопасности выполнения транспортных услуг – создание транспортного комфорта и сохранности грузов при транспортировке – минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду – сохранение природных (топливно-энергетических) ресурсов за счет минимизации затрат труда, расхода эксплуатационных материалов и энергии при их производстве и в процессе эксплуатации. Топливо. Наметилась реальная перспектива истощения невозобновляемых природных энергетических ресурсов, поэтому возникла необходимость повышать эффективность использования топлива за счет повышения экономичности автомобиля, а также искать возможности применения перспективных топлив. Актуальны работы по использованию смесей топлив нефтяного происхождения и альтернативного. Спрос на энергию будет постоянно расти. По мере истощения запасов нефти и вследствие необходимости обеспечения требуемого качества нефтепродуктов будет расти их стоимость. Ограниченность невозобновляемых энергетических и материальных ресурсов предполагает постоянное проведение работ по поиску перспективных альтернативных видов топлив и адаптации под них энергоустановок автомобилей. К перспективным альтернативным топливам относятся природный газ, спирты, синтетические топлива, эфиры (диметиловый и из рапсового масла), которые производятся из органических материалов растительного происхождения. В настоящее время предусматривается совместное использование их с бензином или дизельным топливом. Экологические свойства автомобиля. Для выполнения все более ужесточающихся требований к вредным выбросам и шуму автомобилей, регламентируемых государством, следует значительно повысить экономические и экологические показатели двигателей. Для энергоустановок автотранспорт- 6 ных средств первостепенную значимость имеют минимальный удельный расход топлива, выбросы оксидов азота и углерода, полициклических ароматических углеводородов (а для дизельных двигателей – частиц), допустимый уровень шума. Снижения выбросов вредных веществ автомобильными двигателями можно достичь: – воздействием на рабочий процесс (смесеобразование и сгорание) и конструкцию двигателя; – нейтрализацией токсичных компонентов в выпускной системе двигателя; – применением альтернативных (более экологически чистых) топлив; – обеспечением нормальных условий эксплуатации автомобиля (режимов движения, технического состояния двигателя и автомобиля, качества топлива и т.д.). Безопасное движение автомобиля. В значительной степени выполнение этого требования определяется свойствами энергоустановки автомобиля, надежностью его конструкции и в частности двигателя. При росте числа транспортных средств на дорогах очень важно обеспечить требуемый уровень маневренности автомобиля в различных дорожных ситуациях, что достигается лишь при согласованных характеристиках двигателя и автомобиля. При этом необходимо гарантировать надежную работу ДВС даже при отклонении его технических характеристик от штатных значений, а также при неправильной эксплуатации. Поступательное развитие общества привело к резкому росту технологических возможностей для быстрого создания все более совершенных технических систем. Причем сроки морального старения этих систем постоянно сокращаются. К современному автомобилю предъявляются зачастую противоречивые требования в части обеспечения комфорта и удовольствия от вождения. Усиливающаяся конкуренция и непрерывно ужесточающиеся требования к экологическим показателям вызывают необходимость постоянного повышения качества ДВС, сокращения сроков создания новых конструкций ДВС, а также снижения издержек на всех стадиях их жизненного цикла (особенно при эксплуатации, так как до 70% затрат в жизненном цикле автомобиля составляют затраты на топливо). Выполнение этих требований возможно только за счет использования на всех этапах жизненного цикла двигателя (при разработке, изготовлении, эксплуатации, обслуживании, ремонте и утилизации) инновационных технологий, требующих минимальных материальных затрат, энергетических и трудовых ресурсов. С другой стороны, все это обуславливает использование все более сложных технологий и технических решений. Для двигателестроения характерны высокая наукоёмкость продукции, массовость производства и потребления, наличие большого количества поставщиков комплектующих и материалов, широкая сервисная сеть. 7 Ведутся работы на основе электронных систем управления по согласованному совершенствованию: • газообмена за счет использования переменных фаз газораспределения и высоты подъема клапанов при увеличении числа клапанов до трех или четырех на цилиндр; • топливоподачи на основе многократного впрыскивания топлива, увеличения давления впрыскивания дизельного топлива, впрыскивания бензина (в том числе и непосредственно в цилиндр); • применения наддува, включая его регулирование; • мероприятий по снижению токсичности за счет применения нейтрализаторов, рециркуляции отработавших газов, фильтров частиц; • качества топлива и рабочих жидкостей, а также разработки двигателей применительно к конкретному топливу. Рассмотренные проблемы можно решить только на основе системного подхода, т.е. используя современный уровень науки о ДВС, достижения в области технологии производства, успехи теории и практики информационных и коммуникационных технологий. Поэтому очень важен уровень профессиональной подготовки участников жизненного цикла ДВС, а также непрерывное повышение этого уровня. 2 Использование инновационных технологий В настоящее время при создании ДВС применяются новые технологии производства конструкционных материалов, их обработки и сборки ДВС, что, в свою очередь, определяет использование новых материалов (в частности, керамики), рабочих тел с заданным уровнем свойств и требуемой долговечностью, алюминиевых цилиндров и др. Новые технологии позволяют обеспечить высокий уровень форсированности двигателя и технологичности его конструкции. Реализация современных информационных и коммуникационных технологий при создании промышленных изделий позволила сформировать так называемые САLS-технологии (Continuous Acquisition and Lifecycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла изделий. За счет непрерывной информационной поддержки обеспечиваются единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции, поставщиков/производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала. Информационная поддержка реализуется в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) – русскоязычный аналог понятия CALS), обеспечивающие новый уровень информационной поддержки всех этапов жизненного цикла ДВС. 8 В мире интенсивно ведутся работы по созданию комбинированных (гибридных) энергетических установок, представляющих собой синтез поршневого и электрического двигателей, двигателей, работающих на водороде, а также установок по прямому преобразованию топлива в электрическую энергию (топливных элементов). Прогнозируемое время широкого использования данных разработок от ближайшего будущего до 15...25 лет. Также активно прорабатываются варианты утилизации теплоты, отводимой охлаждающей жидкостью и отработавшими газами. Чрезвычайно важны вопросы эффективной утилизации выведенных из эксплуатации автомобилей и в частности ДВС. 3 Управление Функционирование современного автомобиля и его силовой установки невозможно без комплексного управления рабочими процессами всех их элементов с использованием современных информационных и коммуникационных технологий. В современном двигателе это обеспечивается использованием автоматической системы управления рабочими процессами, включающей в себя: – совокупность датчиков, обеспечивающих получение информации, необходимой для управления; – электронный блок управления, формирующий на основе полученной от датчиков информации управляющие воздействия; – исполнительные устройства, реализующие управляющие воздействия по сигналам, поступающим от блока управления. Основные направления работы этой системы следующие: – топливоподача и искровое зажигание смеси – фазы газораспределения – управляемые системы впуска и наддува – управляемая интенсивность вихревого движения заряда в цилиндре – нейтрализация отработавших газов и т.п. Механизмы управления процессами газообмена в современных ДВС обеспечивают выполнение все более широких функций, в частности: – формирование внешней скоростной характеристики (оптимизацию наполнения на нескольких режимах или во всем рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала посредством изменения объема впускного тракта). – управление нагрузочными режимами работы (регулирование мощности двигателя посредством использования в конструкции устройств управления фазами газораспределения и регулирования высоты подъема клапанов). Аналогично строится работа систем смазывания и охлаждения ДВС. Сегодня активно ведутся работы по созданию конструкций ДВС, позволяющих управлять изменением их рабочего объема, варьировать степень 9 сжатия топлива, отключать часть цилиндров или отдельные рабочие циклы. 4 Особенности эксплуатации двигателей Основными факторами, обеспечивающими штатное функционирование двигателя и его надежность, являются: – соблюдение инструкций по эксплуатации и интервалов технического обслуживания (ТО); – использование качественного топлива; – применение технических жидкостей (масла и антифриза), соответствующих требованиям производителя; – использование оригинальных запасных частей; – квалификация технического персонала, эксплуатирующего и обслуживающего двигатель. Имеющаяся в России статистика отказов двигателей показывает, что в 80% случаев они происходят из-за использования некачественного топлива, в 14% – некачественных технических жидкостей и лишь 6% приходится на прочие обстоятельства. При регламентном обслуживании двигателей допускается использование только технических жидкостей, рекомендованных заводом-изготовителем, причем замену их необходимо производить в строго определенные сроки. Использование оригинальных комплектующих (запасных частей) обеспечивает качество работы двигателей, их оптимальные рабочие характеристики и функциональную совместимость с другими компонентами, а также безопасность, безаварийность работы, удобство монтажа, наличие гарантии и её сохранение в целом на двигатель. Риски при использовании неоригинальных комплектующих следующие: – высокая вероятность ошибки при их подборе; – рассогласованная работа элементов двигателя (потеря мощности, увеличение расходов масла и топлива, затрудненный пуск, дымность, превышение норм вредных выбросов, повышение вибрации); – необходимость дополнительных настроек (например, ТНВД и турбокомпрессоров); – высокая вероятность выхода двигателя из строя; – снижение ресурса двигателя вследствие преждевременного износа его компонентов; – сложность монтажа, уменьшение интервалов ТО; необходимость повторного поиска деталей и дополнительные затраты, а также увеличение времени простоя техники; – отказ в период гарантии. 10 В общем виде основную задачу инженера-эксплуатационника автомобилей по отношению к их энергетическим установкам можно сформулировать следующим образом: грамотная эксплуатация транспортного средства в процессе его функционирования и качественное техническое обслуживание, а также быстрое устранение возникших неисправностей в соответствии с регламентом, предписанным заводом-изготовителем этой установки. Вопросы для повторения и самоконтроля 1. Перечислить основные требования к транспортным энергоустановкам. 2. Какими способами можно достичь снижения выбросов вредных веществ автомобильными двигателями? 3. Какие работы ведутся на основе электронных систем управления, по согласованному совершенствованию? 4. Что такое САLS-технологии? 5. Что включает в себя, в современном двигателе, автоматическая система управления рабочими процессами? 6. Какие основные направления работы этой системы? 7. Что обеспечивают механизмы управления процессами газообмена в современных ДВС? 8. Что является основными факторами, обеспечивающими штатное функционирование двигателя и его надежность? 9. Каковы риски при использовании неоригинальных комплектующих? 10. Сформулируйте основную задачу инженера-эксплуатационника. 11 Лекция № 2 Основные понятия и определения. Рабочие циклы ДВС План 1. Классификация автомобильных двигателей. 2. Основные понятия и определения. 3. Рабочий цикл бензинового двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ). 4. Рабочий цикл дизеля. 1 Классификация автомобильных двигателей Энергетическая установка автомобиля, преобразующая теплоту сжигаемого в ней топлива в работу, называется тепловым двигателем. Тепловой двигатель, в котором сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее части в механическую работу происходит непосредственно в его расширительном устройстве (цилиндре, турбине и т.д.), а рабочее тело циклически обновляется, называется двигателем внутреннего сгорания. В расширительном устройстве подавляющего большинства автомобильных двигателей применяются движущиеся возвратно-поступательно поршни, поэтому их относят к категории поршневых двигателей внутреннего сгорания, которые классифицируются по различным признакам: По способу смесеобразования – двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и газовые), и двигатели с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров) – дизели и ДсИЗ с распределённым и центральным впрыскиванием бензина; По способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные и двухтактные; По числу цилиндров – одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые; По расположению цилиндров – рядные с линейным расположением цилиндров; V-образные с двумя рядами цилиндров, оси которых расположены под углом γ, называемым углом развала (при γ = 10,6 и 15° – VR-образные двигатели при γ = 180° – оппозитные); W-образные, представляющие собой объединение двух VR-образных двигателей, поперечные оси симметрии которых находятся под углов друг к другу, обеспечивающим при данном числе цилиндров равномерное чередование рабочих ходов. По способу охлаждения – на двигатели с жидкостным, воздушным охлаждением, комбинированным; По виду применяемого топлива – бензиновые, дизельные, газовые и многотопливные; 12 По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: а) двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня; б) двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя; По степени быстроходности практически все современные двигатели относятся к категории быстроходных υп > 10 м/с на режиме номинальной мощности(гарантированная заводом-изготовителем для определённых условий работы). По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др. По способу передачи движения поршня к выходному валу: с кривошипно-шатунным механизмом; без кривошипно-шатунного механизма, т.е. свободно поршневые, с пространственным движением механизмов в виде рычагов или «качающиеся» шайбы (двигатель Стирлинга); роторнопоршневые (двигатель Ванкеля). По способу действия: двигатели простого действия, которых рабочий цикл осуществляется только в надпрошневой полости; двигатели двойного действия, в которых рабочий цикл совершается в двух полостях, с двух сторон поршня (двигатель Стирлинга). 2 Основные понятия и определения. Для того чтобы легче было изучать устройство и работу поршневого двигателя, необходимо ознакомиться и уяснить термины и определения, являющиеся общими для поршневого двигателя в любой конструкции. Чтобы понять принцип работы двигателя, вначале рассмотрим упрощенную схему одноцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания. В цилиндре 4 (рисунок 2.1) размещен поршень 3, который с помощью пальца 2 шарнирно соединен с верхней головкой шатуна 1. Нижней головкой шатун соединен с шейкой кривошипа 7 коленчатого вала 5. При сгорании рабочей смеси в цилиндре 4 газы, имеющие высокую температуру, расширяются. Под их давлением поршень перемещается вниз, совершая полезную работу. Прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня 3 с помощью шатуна 1 и кривошипа преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Поршень, перемещаясь вверх и вниз, достигает двух крайних положений: верхнего и нижнего, которые называют мертвыми точками, так как поршень в них останавливается для изменения направления движения. 13 Рисунок 2.1 – Основные положения деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя Верхняя мертвая точка (в.м.т.) – положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси коленчатого вала двигателя наибольшее. Нижняя мертвая точка (н.м.т.) – положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси коленчатого вала двигателя наименьшее Ход поршня (S) – расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой измеряемого по оси цилиндра. При каждом ходе поршня коленчатый вал поворачивается на половину оборота, то есть на 180°. Ход поршня центрального кривошипно-шатунного механизма равен двум радиусам кривошипа коленчатого вала. S  2r , где r – радиус кривошипа коленчатого вала. При перемещении поршня объем цилиндра над поршнем изменяется. В поршневом двигателе внутреннего сгорания различают объем камеры сжатия, рабочий объем цилиндра и полный объем цилиндра. Объем камеры сжатия (сгорания) (Vc) – объем цилиндра над поршнем при нахождении его в в.м.т. Рабочий объем цилиндра (Vh) – объем цилиндра, освобождаемый поршнем при перемещении от в.м.т до н.м.т, d 2 Vh  S, 4 где d – диаметр цилиндра, см; S – ход поршня, см. Полный объем цилиндра (Vа) равен сумме рабочего объема цилиндра и объема камеры сжатия, Vа = Vh + Vc. 14 Литраж двигателя (Vл) – это сумма рабочих объемов всех его цилиндров, выраженная в литрах, V л  10 3 Vh i , где Vh – рабочий объем одного цилиндра, см3; i – число цилиндров двигателя. Степень сжатия (ε) представляет собой – это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия,   Va / Vc . Таким образом, степень сжатия – это отвлеченное число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сжатия, чем выше ее числовое значение, тем двигатель обладает большей мощностью и экономичностью. Для двигателей данной конструкции она является величиной постоянной. Так в карбюраторных двигателях степень сжатия равна 7,5…12, а в дизелях – 14…23. Для карбюраторных двигателей величина степени сжатия ограничивается детонационными свойствами топлива, скорость распространения пламени достигает 2000…2500 м/с, носит взрывной характер при нормальной скорости – 20…30 м/с, для дизелей – «жесткость» работы двигателя когда давление газов в цилиндре возрастает более 0,4 МПа на градус поворота коленчатого вала. Детонация – это быстрое сгорание топлива, подобное взрыву. Работа двигателя с детонацией недопустима, так как сопровождается ударной нагрузкой на поршни, поршневые пальцы, шатунные и коренные подшипники, местным нагревом деталей, прогоранием поршней и клапанов, дымным выпуском, снижением мощности двигателя и увеличением расхода топлива. На появление детонации влияют также скоростной режим и нагрузка двигателя, нагарообразование на поршне и головке цилиндров, опережение зажигания и т.д. Антидетонационные свойства бензина оценивают октановым числом. Бензин сравнивают со смесью из двух топлив: гептана и изооктана. Гептан сильно детонирует и октановое число для него условно принимают равным нулю. Изооктан слабо детонирует и для него октановое число условно принимают равным 100 единицам. Октановым числом топлива называют процентное содержание изооктана в такой смеси с гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна испытываемому топливу. Например, если смесь, состоящая из 76% изооктана и 24% гептана (по объему), по детонационным свойствам соответствует проверяемому бензину, то октановое число такого бензина равно 76. Чем выше октановое число топлива, тем больше его стойкость против детонации. Рабочий цикл двигателя – это комплекс последовательных процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск), периодически повторяющийся в каждом цилиндре и обусловливающий работу двигателя. Такт – это часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня от одной мертвой точки до другой. Четырехтактными называют двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня или за два оборота коленчатого вала. 15 Двухтактными называют двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. Порядком работы цилиндров двигателя называется последовательность чередования тактов расширения в цилиндрах двигателя. Мощность двигателя Мощность это физическая величина, равная отношению работы, совершенной за определенное время, к этому времени. В системе единиц СИ мощность измеряется в Ваттах (Вт). Поднимая груз массой 1 килограмм на высоту 1 метр за 1 секунду, мы развиваем мощность 1 кг × 9,8 м/с2 × 1 м/с = 9,8 Вт. Мощность автомобильных двигателей обычно измеряют в лошадиных силах. Термин «лошадиная сила» был введен в конце XVIII в. английским изобретателем Дж. Уаттом. Наблюдая за работой лошадей, вытягивающих из угольных шахт при помощи блоков корзины с углем, ученый измерил общий вес извлеченной ими породы и высоту, на которую он был поднят за определенное время. Уатт рассчитал, что 1 лошадь за 1 минуту с глубины 30 м вытягивает в среднем 150 кг угля. Эта единица мощности и получила название лошадиной силы (horsepower). После принятия в 1960 г. системы единиц СИ лошадиная сила стала вспомогательной единицей мощности, равной 736 Вт. Средняя мощность человека равна 70–90 Вт, что составляет 0,1 лошадиной силы. Поршневой двигатель внутреннего сгорания представляет собой совокупность механизмов и систем, выполняющих определенные функции. Кривошипно-шатунный механизм преобразовывает прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения открывает и закрывает клапаны для впуска в цилиндр горючей смеси или воздуха и выпуска из цилиндра отработавших газов в определенные промежутки времени и обеспечивает герметичность цилиндра. Система питания служит для приготовления горючей смеси и подвода ее к цилиндру (карбюраторные и газовые двигатели) или подачи топлива к цилиндрам и наполнения его воздухом (дизели) и отводит из цилиндров отработавшие газы. Смазочная система предназначена для подачи смазки к трущимся деталям двигателя с целью уменьшения трения. Система охлаждения осуществляет отвод тепла от нагретых деталей в атмосферу, поддерживая требуемый тепловой режим работы двигателя. Система зажигания предназначена для принудительного воспламенения горючей смеси от электрической искры. У дизеля система зажигания отсутствует. Система пуска служит для пуска двигателя, то есть создает необходимые условия для смесеобразования и воспламенения горючей смеси. Система управления двигателя является составной частью системы управления автомобиля. 16 3 Рабочий цикл бензинового двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ) Рисунок 2.2 – Принципиальная схема бензинового двигателя с искровым зажиганием и его индикаторная диаграмма Совокупность последовательно чередующихся в цилиндре процессов впуска (наполнения), сжатия, сгорания, расширения и выпуска формирует рабочий цикл двигателя. Характер процессов, составляющих рабочий цикл, зависит от принципов организации газообмена, способов организации смесеобразования (внешнее или внутреннее) и воспламенения (от искры или от сжатия). В качестве топлива для ДсИЗ используется бензин, представляющий собой смесь низкокипящих углеводородов, низшая теплота сгорания которых Ни = 44 МДж/кг. Для полного сжигания 1 кг этого топлива необходимо минимальное количество окислителя – кислорода, содержащееся в 14,78 кг воздуха. Регулирование количества работы, производимой за рабочий цикл двигателя, осуществляется посредством изменения положения дроссельной заслонки. Топливовоздушная смесь в зависимости от режима работы двигателя имеет различное относительное содержание топлива и воздуха, т. е. различное качество. Качество смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха α, который представляет собой отношение количества воздуха, содержа- 17 щегося в смеси в цилиндре после закрытия впускного клапана, к минимальному количеству воздуха, необходимого для полного сгорания всего находящегося в смеси топлива. При α < 1 (богатая топливом смесь) воздуха в ТВС меньше, чем необходимо для полного сгорания находящегося в ней топлива. При α > 1 (бедная топливом смесь) в ТВС имеется избыток воздуха. На разных режимах работы ДсИЗ коэффициент α может изменяться от 0,75 до 1,2. Рабочие процессы двигателя принято анализировать по индикаторной диаграмме, представляющей собой зависимость давления р в цилиндре двигателя от текущего объема V пространства над поршнем (рисунок 2.2). Первый такт работы двигателя – впуск – реализуется при повороте кривошипа коленчатого вала (ПКВ) от 0 до 180°, что соответствует перемещению поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). При этом объем надпоршневого пространства изменяется от Vc (объема камеры сгорания) до V a =V c +Vh (полного объема цилиндра). Объем Vh называется рабочим объемом цилиндра. Применительно к рабочему циклу поршневого двигателя понятия «такт» и «процесс» не совпадают, поскольку для лучшей организации процессов газообмена впускные и выпускные клапаны открываются до начала соответствующих тактов (в точках а' и b') и закрываются после их завершения (в точках а" и b"), а искровый разряд в свече зажигания (формальное начало процесса сгорания) происходит до завершения такта сжатия (в точке е). Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом (линия rа на диаграмме) происходит из-за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону НМТ. Давление ра в конце такта впуска (в точке а) определяется уровнем гидравлических потерь во впускном тракте, значение которых зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы (от скорости перемещения ТВС по впускному тракту и от степени открытия дроссельной заслонки). На режиме номинальной мощности, т.е. когда дроссельная заслонка открыта полностью и частота вращения коленчатого вала равна номинальной, для безнаддувного ДсИЗра = 0,08...0,09 МПа. На температуру Та влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя, формирующими впускную систему и камеру сгорания, и его охлаждение вследствие испарения топлива. Для повышения полноты испарения иногда используется специальный подогрев ТВС во впускном трубопроводе либо горячей жидкостью из системы охлаждения, либо отработавшими газами. Температура свежего заряда в цилиндре увеличивается также вследствие перемешивания его с горячими остаточными газами. На режиме номинальной мощности в двигателе с искровым зажиганием превалирует подогрев свежего заряда, и Та = 320...380 К. Чем больше уровень гидравлических потерь, выше подогрев свежего заряда, больше количество продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла, тем меньше свежего заряда поместится в нем к 18 концу процесса впуска. Второй такт работы двигателя – сжатие – осуществляется при повороте кривошипа на угол φ от 180 до 360° (линия ас на диаграмме). На параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (в точке с) в основном влияют их начальные значения (ра, Та) и степень сжатия ε, равная отношению объемов Va и Vc (ε = Va /Vc). При значениях ε = 7,5... 12, характерных для современных бензиновых двигателей, рс = 1,2...2,4 МПа, Тс = 600...900 К. Максимальное значение ε ограничивается детонацией. При реализации рабочего цикла давление в конце такта сжатия р'с больше рс, т.е. р'с = (1,15... 1,25)рс, что является следствием начавшегося процесса сгорания. Точка е соответствует моменту искрового разряда в свече зажигания. Угловой интервал (в градусах поворота коленчатого вала – ПКВ) от момента подачи искры до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания (фо.з). Третий такт работы двигателя – расширение (φ от 360 до 540° ПКВ) – включает в себя сгорание основной доли поданного в цилиндр топлива, расширение рабочего тела и выполнение полезной работы. После ВМТ при повороте кривошипа на угол φz = 10...15° давление в цилиндре достигает максимального значения pz= 4...8 МПа и соответственно возрастает температура рабочего тела до значения Tz = 2500...2850 К. Отношение λ = pz/pc называется степенью повышения давления. Для современных двигателей с искровым зажиганием λ = 3,2...4,2. По завершении такта расширения Pb = 0,35...0,50 МПа, Tb = 1200...1700 К. Следует заметить, что в действительном рабочем цикле процесс расширения заканчивается раньше, чем поршень приходит в НМТ, вследствие раннего (до прихода поршня в НМТ) начала открытия выпускного клапана. Четвертый такт работы двигателя – выпуск (φ от 540 до 720° ПКВ) – осуществляется при давлении рr = 0,105...0,12 МПа, зависящем от уровня гидравлических потерь в выпускной системе. Отработавшие газы выходят из цилиндра при Тr= 900...1100 К. 4 Рабочий цикл дизеля Основной вид топлива, используемого в дизелях, – дизельное топливо – представляет собой смесь более высококипящих, чем в бензинах, углеводородов. Низшая теплота сгорания этого топлива Ни = 42,5 МДж/кг. Для полного сжигания 1 кг такого топлива необходимо минимальное количество кислорода, содержащееся в 14,45 кг воздуха. Регулирование количества работы, производимой за рабочий цикл двигателя, осуществляется изменением количества впрыскиваемого топлива. В дизеле особенности процессов смесеобразования и сгорания позволяют использовать коэффициент избытка воздуха α = 1,4...4 (до 7). 19 Рисунок 2.3 – Принципиальная схема дизеля и его индикаторная диаграмма В целях обеспечения температуры, достаточной для надежного самовоспламенения впрыскиваемого топлива, степень сжатия в дизелях должна быть намного больше, чем в двигателях с искровым зажиганием, т.е. ε = 14...23. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного безнаддувного дизеля приведена на рисунке 2.3 (Большинство современных автомобильных дизелей имеет наддув.) За первые 180° ПКВ такого двигателя реализуется такт впуска. Особенности протекания процесса наполнения цилиндров свежим зарядом (в дизеле это воздух) и значения параметров рабочего тела в конце этого процесса (в точке а) определяются следующими факторами: – гидравлические потери во впускной системе дизеля заметно меньше, чем в двигателях с искровым зажиганием, имеющих дроссельную заслонку и диффузор в карбюраторном двигателе, и они не изменяются при варьировании нагрузки на двигатель; – во впускной системе нет отвода теплоты на испарение топлива ввиду отсутствия последнего в свежем заряде дизеля, следовательно, отпадает необходимость в специальном подогреве впускного трубопровода. По этим причинам давление в конце такта впуска (в точке а) в дизеле больше, чем в ДсИЗ, т. е. здесь ра = 0,085...0,095 МПа. При наддуве ра может возрастать до 0,20 МПа, а Та до 360 К. Температура Та в дизеле несколько ниже, чем в двигателях с искровым зажиганием (Та = 310...350 К), в основном вследствие того, что при больших степенях сжатия к свежему заряду подмешивается относительно меньшее количество отработавших газов (ОГ), имеющих к тому же более низкую температуру. Особенностью такта сжатия в дизеле (φ от 180 до 360° ПКВ) являются более высокие, чем в ДсИЗ, параметры рабочего тела в точке с 20 (рс = 2,9...6,0 МПа, Тс = 700...900 К), что объясняется в основном большей степенью сжатия. При наддуве рс может возрастать до 8,0 МПа, а Тс до 1000 К. В конце такта сжатия в камеру сгорания начинают впрыскивать топливо. Угол, на который повернется коленчатый вал от момента начала впрыскивания топлива до прихода поршня в ВМТ, называется углом опережения впрыскивания (фo.вп). Вследствие начинающегося еще до ВМТ процесса сгорания давление в цилиндре р'с превышает значение рс; р'с = (1,05... 1,15)рс. Если в ДсИЗ после подачи искры процесс сгорания происходит в условиях заранее подготовленной достаточно однородной (гомогенной) рабочей смеси, то в дизеле подготовка смеси происходит за короткий промежуток времени от начала подачи топлива. Значительная его часть впрыскивается в цилиндр непосредственно в процессе сгорания. Все это приводит к тому, что вблизи ВМТ в дизеле сгорает существенно меньшая часть всего подаваемого топлива и достаточно большое его количество горит после ВМТ при заметном увеличении объема над поршнем. Следствием этого в значительной мере является то, что степень повышения давления λ = 1,7...2,2 меньше, чем аналогичная величина в ДсИЗ. Максимальное давление рабочего цикла в дизеле (в точке z) рz = 7,5...9,5 МПа, а соответствующая температура Tz = 1800...2200 К. В дизелях с наддувом значения pz могут достигать 18 МПа. Более низкие значения Тz по сравнению с бензиновым двигателем являются в основном следствием большего значения коэффициента избытка воздуха α. Параметры рабочего тела (РТ) в конце такта расширения (в точке b) следующие: рb = 0,2...0,4 МПа, Тb = 950...1100 К, т.е. они ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, вследствие более высокой степени расширения продуктов сгорания. Такт выпуска (φ от 540 до 720° ПКВ) каких-либо принципиальных особенностей не имеет. Давление в точке r (в конце такта выпуска), определяемое гидравлическими потерями в выпускной системе, рr = 0,105...0,12 МПа, а температура рабочего тела Тr = 600...850 К, т.е. ниже, чем в ДсИЗ, что объясняется более низкой температурой в конце такта расширения Тb. Вопросы для повторения и самоконтроля 1. Что называется тепловым двигателем? 2. Что называется двигателем внутреннего сгорания? 3. По каким признакам классифицируются ДВС? 4. Что называют рабочим циклом двигателя, тактом, степенью сжатия? 5. Перечислить объёмы двигателя и дать им определения? 6. Что такое детонация? 7. Что такое мощность и в чём она измеряется? 8. Назовите механизмы и системы из которых состоит ДВС. 9. Перечислить такты ДВС. 21 Лекция № 3 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ КШМ План 1. Анализ работоспособности элементов двигателя. 2. Особенности конструкции деталей КШМ 1 Анализ работоспособности элементов двигателя Расчетные нагрузки на элементы двигателя В процессе работы на элементы двигателя воздействуют: • механические нагрузки от газовых Рг, и инерционных Рj Кr сил, основными особенностями которых являются их переменность по времени, локализация по месту и способу взаимодействия с нагружаемыми ими элементами; • тепловые нагрузки, зависящие от переменной по фазам и времени реализации рабочего цикла степени нагрева деталей, а также от наличия и характера распределения по объему деталей градиента температур; • нагрузки от упругих резонансных колебаний элементов двигателя, возникающих от действующих на них переменных по времени силовых факторов; • нагрузки от предварительных натягов при сборке и от термической деформации сопрягаемых с натягом элементов двигателя. Механические комплексные нагрузки характерны для деталей корпуса и основных механизмов двигателя: от совместного действия газовых и инерционных сил для элементов цилиндропоршневой группы и кривошипношатунного механизма и инерционных сил – для компонентов механизма газораспределения. Тепловые нагрузки являются одним из основных силовых факторов, лимитирующих работоспособность элементов головки цилиндров, поршневой группы, цилиндров и клапанов МГР. Эти нагрузки носят ярко выраженный переменный характер, и если степень нагрева элементов определяется практически режимом работы и условиями эксплуатации двигателя, то градиент температур в них сосредоточен в основном в тонком поверхностном слое, контактирующем с рабочим телом, а его значение и направление определяются изменяющейся в очень широких пределах температурой последнего. Напряженное состояние, возникающее в результате резонансных колебаний, характерно для элементов, имеющих частоты собственных колебаний в диапазоне действия энергетически насыщенных нагружающих их гармоник, от периодически изменяющихся по времени силовых факторов. Это, в первую очередь, нагрузки от крутильных колебаний коленчатого вала, а также колебания витков клапанных пружин в результате их повторнопеременных деформаций. 22 Нагрузки от предварительных натягов при сборке характерны для резьбовых и прокладочных сопряжений. При наличии в этих сопряжениях элементов с различными коэффициентами линейного расширения либо с различной степенью нагрева действие таких нагрузок усугубляется появлением термических сил, которые могут варьироваться при изменении режимов работы двигателя. Данный вид нагрузок является определяющим для элементов газового стыка, а также резьбовых элементов фиксации крышек коренных и шатунных подшипников. Методы оценки работоспособности элементов двигателя Результаты анализа характерных эксплуатационных дефектов показывают, что основными причинами, приводящими к потере двигателем работоспособности, являются: разрушение деталей по причине их недостаточной прочности, потеря подвижности в сопряжениях вследствие чрезмерной деформации составляющих их элементов; износ элементов и составляющих пары трения. Следовательно, при разработке конструкции двигателя необходимо проводить анализ конструктивных решений его элементов на соответствие требованиям сохранения их работоспособности в заданном техническими условиями периоде эксплуатации. Методы оценки прочности элементов двигателя. Сложность конфигурации деталей двигателя (особенно комплексность и переменность по времени и характеру взаимодействия с их конструкцией действующих нагрузок) практически исключает эффективное использование для оценки прочности классических методов. Поэтому в практике двигателестроения для создания работоспособных проектируемых элементов используются экспертные методы, согласно которым конструктивные параметры этих элементов определяются по имеющимся статистическим данным для идентичных деталей двигателей того же типа и аналогичного технического уровня. Оценка оптимальности принимаемых при этом конструктивных решений производится на основе расчетов действующих в элементах напряжений при статическом приложении к ним нагрузок. Недостоверность таких расчетов очевидна, поэтому полученные результаты используются далее не для оценки действительного напряженно-деформированного состояния проектируемого элемента, а как параметр для сравнительной оценки его работоспособности, т.е. рассчитанные напряжения сравниваются затем с статистическими напряжениями, рассчитанными данным методом для аналогичных деталей конструктивных прототипов проектируемого двигателя. При этом косвенно учитывается и влияние на работоспособность детали прочих видов нагрузки (например, тепловых и динамических нагрузок от упругих колебаний), характерных для рассматриваемого элемента при его работе в составе конструкции двигателей-прототипов. Расчет элементов на прочность с учетом переменности действующих на детали нагрузок. Практически все элементы основных механизмов ДВС (кривошипно-шатунного и газораспределительного) находятся под дей- 23 ствием переменных по значению и направлению силовых факторов. При большом числе циклов нагружения детали может произойти ее усталостное разрушение вследствие действия напряжений, составляющих всего 10...20% от предельно допустимых. Опыт эксплуатации транспортных двигателей свидетельствует о том, что в большинстве случаев разрушение их элементов происходит в зонах концентрации напряжений, т.е. разрушения имеют усталостный характер. В практике разработки двигателей для оценки работоспособности их элементов в качестве оценочного параметра используется запас прочности п при циклической нагрузке. Исходными данными для расчета запаса прочности являются параметры цикла нагружения σmax, τmax и σmin,τmin, т.е. максимальные и минимальные напряжения (нормальные и касательные), возникающие в детали под действием приложенной к ней системы силовых факторов. Дальнейший расчет производится по классической методике из курса сопротивления материалов. 1. Рассчитываются амплитудные и средние напряжения цикла: 2. Определяется зона диаграммы усталостной прочности, в которой располагается цикл: При А > В запас прочности рассчитывается по формулам а при А < В – по выражениям 3. При сложном напряженном состоянии, когда в детали одновременно действуют нормальные и касательные напряжения, определяется суммарный запас прочности √ Рассчитанный запас прочности затем сравнивается с значениями, характерными для соответствующих элементов двигателей аналогичного типа, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации. Это обстоятельство позволяет считать косвенно учтенными тепловые и динамические нагрузки от упругих колебаний, полагая их идентичными в проектируемом двигателе и его прототипах. Оценка работоспособности сопряжений подвижных элементов при их деформации. Изменение под действием механических и тепловых нагру- 24 зок конфигурации и размеров элементов подвижных сопряжений может сопровождаться полной выборкой зазора между ними, что приводит к потере их относительной подвижности. Для исключения этого при функционально обоснованном размере зазора элементы узла должны обладать необходимой жесткостью. При проектировании это устанавливается расчетом предельной деформации деталей сопряжения под действием характерных нагрузок, которая должна быть меньше размера зазора. Оценка износостойкости элементов двигателя. Сравнительная ориентировочная оценка износостойкости элементов, формирующих узлы трения, производится по удельному давлению в сопряжении (q). Этот параметр выбран в качестве оценочного в силу его влияния на условия смазывания узла и (в предположении пропорциональности износа удельной нагрузке) на изнашивание его элементов. Далее устанавливается соответствие расчетного значения q и аналогичного параметра, характерного для конструктивных аналогов проектируемого двигателя. Расчетные режимы работы двигателя Основные расчетные нагрузки на элементы двигателя, т.е. газовые (Рг) и инерционные (Рj) силы, существенно зависят от режимов его работы. Эти силы изменяются также в зависимости от угла поворота кривошипа, достигая максимума практически одновременно в начале такта расширения, и в силу их разнонаправленности в данной фазе рабочего цикла нивелируют нагружающее действие друг друга. В соответствии с требованиями обеспечения работоспособности расчетными считают режимы работы двигателя, при которых проектируемый элемент максимально нагружен. На практике для оценки работоспособности элементов двигателя используются три режима: • режим пуска, при котором крутящий момент максимальный (Мк mах), а частота вращения близка к нулю (п = 0). Очевидно, что данный режим предусматривает максимальную нагрузку от газовых сил при отсутствии разгружающего действия сил инерции; • режим максимальной частоты вращения холостого хода по внешней скоростной характеристике (Мк = 0, п = nхх.mах). В данном режиме при отсутствии газовых сил нагружающее действие сил инерции максимальное; • эксплуатационный режим (наиболее характерный), в котором производится оценка напряженно-деформированного состояния по дефектам, проявляющимся при длительном периоде эксплуатации (усталостным поломкам, износу и т.д.). Для тракторных двигателей – это режим номинальной мощности (Ne ном, nном), для автомобильных двигателей – это режим максимального крутящего момента (Мк mах, пM). Определение напряженно-деформированного и теплового состояний элементов двигателя методами дискретного моделирования В настоящее время для решения задач оперативного анализа напряженно-деформированного и теплового состояний конструктивных вариантов де- 25 талей двигателей при их разработке с использованием систем автоматизированного проектирования широко используются методы дискретного моделирования. В практике двигателестроения наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). В этом случае деталь сложной конфигурации представляется системой геометрически простых элементов, в пределах которых связь между граничными условиями в узлах и анализируемым параметром описывается математически. В качестве элементов используются фигуры простых геометрических форм, кусочно-непрерывные функции в которых однозначно описываются по их значениям в узлах. В этом случае значения анализируемой величины (перемещения, температуры и т.д.) рассчитываются в узлах модели детали, а затем в пределах каждого элемента. В настоящее время при проектировании используются универсальные программные конечно-элементные комплексы, существенно упрощающие и автоматизирующие все этапы дискретного моделирования: от представления объекта моделирования в виде совокупности элементов заданной формы и степени дискретизации до визуализации результатов анализа определяемого параметра в виде изоповерхностей по объему рассматриваемой детали. 2 Особенности конструкции деталей КШМ Цилиндровая группа и картеры Базовой частью двигателя является корпус, на который устанавливаются все его основные механизмы и системы. С помощью корпуса обеспечивается также крепление ДВС на транспортном средстве. Корпус состоит из следующих функциональных элементов: цилиндра и картера. Цилиндр выполняет функцию направляющего элемента для движущегося поршня, участвуя в обеспечении необходимого теплового режима поршневой группы. Головка цилиндра соединяется с самим цилиндром шпильками или болтами, а стык между ними уплотняется прокладкой. Головка совместно с цилиндром формирует камеру сгорания, а совместно с движущимся поршнем они создают пространство, в котором реализуется рабочий процесс. Картер, предназначенный для установки коленчатого вала, ограничивает рабочий объем движущихся элементов КШМ и обеспечивает крепление двигателя на транспортном средстве. Нижняя часть картера может служить емкостью для масла и называется масляным поддоном. Картер состоит из перегородок коренных опор, боковых и торцевых стенок, опорной плиты и нижней части. Нижняя часть картера не является несущей и штампуется из листовой стали толщиной 1,0...1,5 мм или отливается из алюминиевого сплава. Условия, в которых работает корпус ДВС: • высокие, циклически изменяющиеся параметры рабочего тела (температура и давление) в камере сгорания; • значительные силы инерции движущихся элементов КШМ; • высокие относительные скорости контактирующих поверхностей дви- 26 жущихся деталей; • наличие химически активной среды и абразива; • ограниченное смазывание отдельных трущихся пар. Требования, предъявляемые к корпусу ДВС: • достаточная жесткость всей конструкции и отдельных элементов крепления для исключения недопустимых деформаций в зонах коренных подшипников, гильзы цилиндра и поршня и в плоскости стыка с головкой цилиндра; • минимально возможная масса; • обеспечение требуемого теплового режима работы двигателя. В автотракторных двигателях корпусные детали могут иметь различную конструкцию и компоновку, образуя многообразие конструктивных схем. Так, в зависимости от компоновки цилиндров различают следующие автомобильные ДВС: линейные (однорядные) и многорядные (V-, VR-, W-образные). На конструкцию корпуса большое влияние оказывает тип системы охлаждения (воздушная или жидкостная). Так, для двигателей с жидкостным охлаждением характерно объединение цилиндров в единый узел, называемый блоком цилиндров, позволяющее существенно повысить жесткость корпуса ДВС. Для двигателей с воздушным охлаждением цилиндры обычно изготавливаются индивидуально, что связано с технологическими сложностями отливки наружного оребрения. В ряде случаев цилиндры блока выполняются в виде автономных элементов и называются гильзами. Для автотракторных двигателей с жидкостным охлаждением и числом цилиндров в ряду менее шести блок цилиндров и верхняя половина картера обычно выполняются в виде единой отливки, называемой блок-картером. Это наиболее предпочтительная конструкция корпуса двигателя, обеспечивающая его наибольшую жесткость. Масса корпуса в современных автотракторных двигателях составляет 25...35% массы всего двигателя. Меньшую массу по сравнению с линейными ДВС имеет корпус V-образных двигателей. Корпусные детали отливаются из чугуна и алюминиевого сплава. Коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава в два раза больше, чем чугуна, что обусловливает его значительные температурные деформации. Это необходимо учитывать при формировании зазоров в подвижных соединениях корпуса с другими деталями ДВС. Коэффициент теплопроводности алюминиевого сплава, который в три раза больше, чем чугуна, обеспечивает хороший теплоотвод от нагретых зон ДВС, а значит, более равномерное распределение температур. Требуемая прочность корпусных деталей ДВС из алюминиевого сплава достигается увеличением геометрических параметров (например, толщины) отдельных элементов. Масса корпусных деталей из алюминиевого сплава меньше по сравнению с массой чугунных деталей на 30%, а масса ДВС при использовании алюминиевых деталей в целом снижается на 12...20%. Для повышения износостойкости алюминиевого сплава предполагаются специальные технологические мероприятия. 27 Корпусные элементы ДВС с жидкостным охлаждением Блоки и картеры. Блок цилиндров состоит из боковых и торцевых стенок, межцилиндровых перемычек и верхней горизонтальной плиты, называемых водяной рубашкой, и цилиндров. Тонкостенные гильзы, отлитые совместно с водяной рубашкой, называются сухими. Съемные цилиндры, омываемые охлаждающей жидкостью, называются мокрыми гильзами. Картер состоит из перегородок коренных опор, боковых стенок, верхней горизонтальной опорной плиты и нижней привалочной плоскости, на которой фиксируется масляный поддон. Последний может быть выполнен как в виде тонкостенной конструкции, образующей емкость для сбора и размещения масла, так и в виде монолитного несущего элемента, способствующего повышению жесткости корпуса. В зависимости от восприятия элементами корпуса двигателей с жидкостным охлаждением нагрузки от газовых сил различают следующие их силовые схемы. 1. Схема с несущим блоком цилиндров (рисунок 3.1 a), в которой силы давления газов Рг воспринимаются головкой, силовыми болтами (шпильками), опорами коренных подшипников и нагружают растягивающими усилиями стенки блока цилиндров. а – с несущим блоком цилиндров; б – с несущей рубашкой; в – с несущими силовыми шпильками Рисунок 3.1 – Силовые схемы автомобильных двигателей с жидкостным охлаждением Разновидность данной силовой схемы при использовании мокрых гильз называется схемой с несущей рубашкой (рисунок 3.1 б), в которой газовые силы нагружают (растягивают) только стенки водяной рубашки. 2. Схема с несущими силовыми шпильками (рисунок 3.1 а), в которой силы газов, действуя на головку, воспринимаются длинными шпильками, крепящимися в верхней части картера. В этом случае рубашка охлаждения и мокрые гильзы, имеющие опорный бурт в нижней части, в результате предварительной затяжки шпилек находятся в сжатом состоянии, и газовые силы разгружают их. Блок-картеры, выполненные по данной схеме, могут отливаться из алюминиевого сплава в силу их меньшей нагруженности. 28 Для повышения жесткости корпусов ДВС без существенного увеличения их металлоемкости используются следующие конструктивные решения: • выполнение корпуса двигателя в виде единой отливки блока цилиндров и картера (блок-картера); • использование полноопорных коленчатых валов (рисунок 3.2 а); • оребрение перегородок коренных опор, а также усиление боковых стенок системой ребер и введение ребер между приливами для силовых болтов (шпилек) и опорами коренных подшипников (рисунок 3.2 б); а – переход от неполноопорного к полноопорному коленчатому валу; б – оребрение перегородок конечных опор и боковых стенок; в – понижение плоскости разъема картера; г – использование туннельного картера; д – введение рамной плиты или коробчатой конструкции, объединяющей крышки коренных опор Рисунок 3.2 – Основные конструктивные решения по повышению жесткости блок-картера • выполнение плоскости крепления нижней половины картера ниже плоскости разъема коренных опор, вследствие чего силы и моменты, передаваемые на корпусные элементы, воспринимаются большим объемом металла (рисунок 3.2 в); • использование туннельного картера, не имеющего разъема по коренным опорам (рисунок 3.2 г); • введение специальной горизонтальной плиты в виде рамы или детали коробчатой формы, связывающей между собой все крышки коренных опор (рисунок 3.2 д). Цилиндры. Изготовление негильзованного блока цилиндров, в котором отдельные цилиндры располагаются в единой отливке совместно с элементами водяной рубашки, обеспечивает высокую прочность и жесткость блоккартера. Такая конструкция способствует уменьшению габаритных размеров, массы и сокращению объема механической обработки. Однако при этом технологически сложно получить качественную отливку со стабильными гео- 29 метрическими параметрами, обеспечивающими высокую износостойкость и долговечность цилиндра. Кроме того, при выходе из строя одного из цилиндров требуется замена всего блока. Блоки цилиндров с мокрыми вставными и сухими гильзами в большей или меньшей степени лишены указанных недостатков. При этом упрощается технология отливки блок-картеров, становится возможным использование для них менее дорогостоящих материалов (более качественных только для гильз), уменьшается неравномерность нагрева, а следовательно, и термическое коробление гильз и блоков, уменьшаются затраты на ремонт. Сухие гильзы (рисунок 3.3 а, б) изготовляют двух видов: с верхним опорным буртом и без него. Толщина стенок таких гильз цилиндров составляет 2...4 мм. Гильзы без опорного бурта запрессовывают в блок с некоторым натягом в целях фиксации их для окончательной обработки после установки в блок и при работе двигателя. Гильзы с опорным буртом по завершении механической обработки запрессовывают в блок или устанавливают в нем по скользящей посадке с зазором 0,01...0,04 мм. Сухие гильзы также могут выполняться в виде вставки в верхней зоне цилиндра, подверженной наибольшему износу. Для повышения износостойкости сухие гильзы изготовляют из кислотоупорного высоколегированного чугуна аустенитной структуры. а – сухая без опорного бурта; б – сухая с верхним опорным буртом; в – мокрая с верхним опорным фланцем; г – мокрая с нижним опорным фланцем; д – мокрая со средним опорным фланцем Рисунок 3.3 – Основные типы гильз цилиндров Особое внимание при монтаже сухих гильз уделяют обеспечению хорошего контакта с блоком. В противном случае ухудшаются условия теплоотвода от гильзы в охлаждающую жидкость, а ее радиальная эпюра распределения температур становится более неравномерной, вызывая нежелательную дополнительную деформацию гильзы в цилиндре. Опорный фланец мокрой вставной гильзы (рисунок 3.3 в...д) может располагаться в верхней, средней или нижней ее части в кольцевых приливах блока. При этом жесткость фланца должна быть достаточной для обеспечения допустимой деформации гильзы при затяжке силовых болтов (шпилек). Более низкое расположение опорного фланца способствует улучшению охлаждения наиболее термически нагруженных верхней части гильзы и поршневых колец, что уменьшает термические деформации верхнего пояса гильзы, снижая износ и исключая задиры поверхностей трения элементов цилиндропоршневой группы, а также уменьшая расход масла. 30 Для сохранения геометрической формы во время работы гильзу фиксируют в двух опорных направляющих поясах, расположенных в верхней и нижней её частях. Для герметизации водяной рубашки в кольцевых канавках нижнего направляющего пояса гильзы устанавливают уплотнительные кольца из каучука или резины. Верхний посадочный пояс гильзы располагают таким образом, чтобы уплотняющая зона поршня при его положении в ВМТ находилась на уровне жидкости в рубашке охлаждения. Вследствие высокочастотной вибрации, вызываемой перекладкой поршня, на поверхности мокрой гильзы, омываемой охлаждающей жидкостью, происходят кавитационные процессы, приводящие к частичному или полному ее разрушению. Для уменьшения интенсивности этих процессов применяют конструктивные решения, способствующие снижению энергии перекладки: дезаксаж, уменьшение зазора, использование бочкообразности юбки поршня и т.д. Аналогичный эффект обеспечивают повышение жесткости гильзы, более плотная ее посадка в направляющие пояса, установка специального демпфирующего кольца в месте нижнего стыка гильзы и блока (рисунок 3.4). Торец гильзы должен выступать над опорной плоскостью блока на 0,05…0,15 мм, чтобы сила затяжки шпилек обеспечивала надежность газового стыка. Толщина стенок цилиндра должна быть минимальной, но обеспечивающей допустимый уровень его деформации при сборке двигателя и реализации рабочего процесса (толщина стенок мокрых чугунных гильз 5...8 мм). Выбор толщины стенки цилиндра моноблочной конструкции производится с учетом возможности его растачивания при ремонте. 1 – гильза цилиндра; 2 – блок-картер; 3 – антикавитационное кольцо; 4 – кольцо для уплотнения стыка; 5 – центрирующий пояс Рисунок 3.4 – Схема уплотнения гильзы в ее нижнем поясе Длину цилиндра устанавливают из условия обеспечения возможности свободного движения противовесов и шатуна. При этом допускается выход нижней кромки юбки поршня за пределы цилиндра при его положении в НМТ. Повышение долговечности гильз цилиндров определяется как рациональным подбором материалов гильзы, поршня и поршневых колец, так и 31 технологией их изготовления (микрогеометрией и твердостью поверхности гильзы и колец), а также стабильностью теплового состояния цилиндра (вне зависимости от режимов работы двигателя), характеристиками и качеством очистки топлива, масла и воздуха. Гильзы изготовляют из серых и малолегированных чугунов с добавками хрома, молибдена, фосфора, меди, ванадия в целях повышения износостойкости поверхности цилиндра. Снижению расхода масла на угар и повышению износостойкости поверхности цилиндра способствует создание на его рабочей поверхности маслоудерживающего рельефа с различной формой поперечного сечения (полукруглой, трапециевидной, треугольной, дугообразной) посредством накатки или хонингования. Коренные подшипники. Это один из наиболее нагруженных элементов двигателя. Для обеспечения гарантированного жидкостного трения в подшипниках коленчатого вала важно ограничить деформации элементов этого узла, а также обеспечить соосность опор вдоль двигателя. а – выступов; б – поверхностей и стяжных шпилек; в – шрифтов; г – втулок; 1 – основная силовая шпилька; 2 – фиксирующие выступы крышки; 3 – стяжная сквозная шпилька; 4 – фиксирующая плоскость; 5 – стяжной болт; 6 – установочный штифт; 7 – призонная втулка Рисунок 3.5 – Схемы крепления крышек разъемных коренных подшипников коленчатого вала с использованием Верхняя опорная часть разъемных коренных подшипников (рисунок 3.5) расположена в перегородке картера, а нижняя – выполнена в виде крышки и фиксируется болтами или шпильками 1. Для уменьшения момента, изгибающего крышку, расстояние от оси шпилек до оси коленчатого вала принимается минимально возможным. Посадка крышки по торцевым фиксирующим плоскостям 4, выфрезерованным в приливах картера, обеспечивает большую жесткость всему узлу подшипника, что особенно актуально для V-образных 32 двигателей. Для повышения жесткости и прочности картера увеличивают высоту опорных боковых плоскостей крышек и используют горизонтальные стяжные шпильки 3, связывающие крышки со стенками картера в единую систему. От возможных боковых смещений крышки фиксируют в ряде случаев специальными установочными штифтами 6 или призонными втулками 7. В алюминиевых картерах для фиксации анкерных шпилек применяются бронзовые втулки с внутренней резьбой, заливаемые в тело блок-картера. В автотракторных двигателях обычно используют подшипники скольжения, основными элементами которых являются тонкостенные вкладыши, состоящие из стальной основы и нанесенного на нее антифрикционного слоя. Вкладыши устанавливают в опорах с натягом (большим в картерах из алюминиевых сплавов). От проворачивания и осевых перемещений вкладыши фиксируют штифтами, запрессованными в картер и крышку, или отгибными «усиками», упирающимися в плоскости стыка верхней и нижней частей опоры. Масло к подшипникам коленчатого вала поступает под давлением по каналам от главной масляной магистрали. Головки цилиндров. Головка цилиндра является одним из наиболее нагруженных элементов двигателя. Она нагружается при монтаже силами предварительной затяжки Рпр, а также воспринимает и передает на силовые болты (шпильки) усилия от давления газов Рг. В ней возникают значительные напряжения и деформации от тепловой нагрузки, особенно из-за неравномерного нагрева отдельных ее элементов. В некоторых случаях (чаще в двигателях с высокофорсированным рабочим процессом) термические напряжения в головке могут намного превышать механические напряжения, в результате чего при неудачно организованном охлаждении в перемычках между клапанами могут образовываться трещины вплоть до появления прогаров. При больших термических деформациях головки может наблюдаться разгерметизация клапанов и газового стыка. Функционально головка цилиндров должна обеспечивать: • объем камеры сгорания в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ее форме способом организации рабочего процесса; • оптимальную конструкцию впускных и выпускных каналов; • надежное уплотнение газового стыка; • режим циркуляции охлаждающей жидкости, создающий наименьшую тепловую напряженность ее элементов на всех режимах работы; • рациональное размещение необходимых деталей двигателя (свеч или форсунок, опор распределительного вала и т.д.), устанавливаемых на ней. Конструкция головки цилиндров зависит от: – формы камеры сгорания (плоская, клиновая, шатровая, сферическая, вихревая, предкамера); – расположения свечи или форсунки (центральное, смещенное относительно оси цилиндра); – их ориентации относительно оси цилиндра (параллельно, наклонно); – числа и расположения клапанов (продольное, поперечное); 33 – формы (тангенциальная или винтовая) и расположения (одностороннее, двухстороннее) каналов для подвода и отвода газов. Головки выполняются в виде единой отливки для одного ряда цилиндров или индивидуально для каждого цилиндра. Индивидуальные головки цилиндров позволяют повысить эксплуатационную надежность двигателя (обеспечить более надежный газовый стык), а также облегчают монтажно-демонтажные работы при производстве, ремонте и эксплуатации ДВС. Обычно они используются в двигателях, форсированных наддувом. Ввиду высоких газовых и термических нагрузок и для обеспечения необходимой жесткости нижнюю опорную стенку головки со стороны привалочной плоскости делают достаточно массивной. При этом снижается вероятность коробления седел клапанов и повышается надежность газового стыка. Опорная стенка головок из алюминиевого сплава имеет бóльшую толщину, чем из чугуна. В головках из алюминиевого сплава свечи зажигания ввертываются в бобышки, которые со всех сторон омываются охлаждающей жидкостью. При жидкостном охлаждении для снижения теплонапряженности (уменьшения температуры в отдельных высоконагретых зонах конструкции) в головке создают системы каналов и полостей для циркуляции охлаждающей жидкости. Жидкость поступает из блока к наиболее нагретым зонам головки: к форсунке или свече, к седлу и приливам направляющей втулки выпускного клапана, к перемычкам между клапанами, к выпускным патрубкам, к вихревой камере или предкамере. Для интенсификации теплообмена в системе охлаждения головки организуют направленное движение жидкости с помощью специальных запрессованных распределительных трубок, направляющих ребер и т.д. В головках из чугуна температура поверхности камеры сгорания достигает 350 °С, перепады температур между отдельными точками доходят до 150 °С. В головках из алюминиевых сплавов, обладающих хорошей теплопроводностью, максимальные температуры несколько ниже, а перепады температур достигают 60 °С. В головке, изготовленной из алюминиевых сплавов, лучше охлаждение, а также в этом случае ниже вероятность возникновения детонации в ДсИЗ. Уплотнение газового стыка (рисунок 3.6). Для герметизации стыка между головкой цилиндра и гильзой в целях предупреждения прорыва газов и просачивания охлаждающей жидкости используют прокладки. Условиями работы уплотнения газового стыка являются высокие циклически изменяющиеся параметры рабочего тела (температура и давление) в камере сгорания и наличие химически активной среды. Уплотнения газовых стыков должны соответствовать следующим требованиям: • сохранять работоспособность в течение длительного периода эксплуатации при воздействии высоких температур и коррозионно-активных элементов; 34 • обладать достаточной пластичностью для заполнения неровностей на опорных поверхностях головки и блока цилиндров; • иметь необходимую упругость для обеспечения нераскрытия газового стыка при реализации в цилиндре рабочего процесса, а также высокую усталостную прочность. а – прокладкой и плоским торцом гильзы; б – прокладкой и выступающим буртиком верхнего торца гильзы; в – прокладкой и уплотнительным кольцом; г – уплотнительным кольцом; 1 – опорная плоскость; 2 – центрирующий пояс; 3 – прокладка; 4 – уплотнительное кольцо; 5 – резиновое кольцо уплотнения жидкостного стыка Рисунок 3.6 – Схемы уплотнения газового стыка Упругость и толщина прокладки определяются размерами неровностей стыкуемых поверхностей, жесткостями стягиваемых деталей, упругомеханическими свойствами материала прокладки. В автотракторных двигателях в основном используются прокладки следующих конструкций: цельнометаллические в виде листа из стали либо более податливые из меди или алюминия; металлические, состоящие из нескольких тонких листов (пакета); с основой в виде сетки или перфорированного листа из стали или алюминия с наполнителем из листов графитизированного термостойкого картона. Металлическая окантовка отверстия прокладки в зоне камеры сгорания позволяет защитить ее от действия газов, повысить упругие свойства, прочность и надежность. Для создания больших удельных давлений по контуру толщину прокладки в зоне окантовки несколько увеличивают, что обеспечивает ее переменную жесткость. Для уплотнения водопроводящих каналов в прокладке устанавливают резиновые кольца. Нижняя половина картера. В автомобильных двигателях этот элемент выполняет роль резервуара для масла. Изготовляется он либо штамповкой из листовой стали толщиной 1,0...1,5 мм, либо отливается из алюминиевого сплава. Для повышения жесткости на его поверхностях делают выштамповки или приваривают ребра, а по стыку с верхней половиной к картеру приваривают пластину из листовой стали. Для герметизации и снижения шумоизлучения поддон изолируют от верхней части картера с помощью специальных прокладок. Наружная поверхность литых поддонов иногда выполняется оребренной для интенсификации охлаждения масла. 35 Цилиндры и картеры ДВС с воздушным охлаждением Корпуса двигателей с воздушным охлаждением обычно представляют собой картер с установленными на нем отдельными цилиндрами. По способу фиксации цилиндров на картере различают следующие силовые схемы: • с несущими цилиндрами, в которых силы давления газов воспринимаются стенками цилиндра. В этом случае головка цилиндра, цилиндр и опорный фланец картера соединяются между собой короткими шпильками; • с несущими силовыми шпильками, в которых головка цилиндра и цилиндр фиксируются на картере с помощью длинных шпилек. Причем головка и цилиндр на неработающем двигателе в результате предварительной затяжки шпилек находятся в сжатом состоянии. Оребренные цилиндры ДВС с воздушным охлаждением изготовляются отливкой из чугуна или алюминиевых сплавов. На внутреннюю рабочую поверхность цилиндров из алюминиевых сплавов наносится специальное антикоррозионное покрытие. Для интенсификации отвода теплоты от деталей, формирующих камеру сгорания, наружную поверхность цилиндра и головки цилиндра оребряют. Размер оребренной наружной поверхности охлаждения этих деталей зависит от геометрических параметров двигателя, его компоновочного решения и степени форсированности. Обычно коэффициент оребрения – отношение площадей наружной и внутренней поверхностей – в автотракторных ДВС составляет 15...23. Доля теплоты, отводимой через систему охлаждения, приходящаяся на головку цилиндра, составляет для дизелей 45...60%, а для ДсИЗ 60...75%. В таком же соотношении находятся и площади оребрения головки и цилиндра. Оребренная часть цилиндра, составляющая 45...55% от всей его длины, начинается непосредственно от стыка с головкой и доходит до зоны расположения колец при положении поршня в НМТ. Площадь поверхности охлаждения цилиндра определяется числом и геометрическими параметрами ребер. Наиболее рациональная форма поперечного сечения ребра – трапециевидная. Стенки цилиндра с ребрами соединяются плавными переходами в виде дуг окружностей. На интенсивность теплоотвода от ребер существенно влияет шаг между ребрами. Если этот шаг недостаточен, то у основания цилиндра в промежутке между длинными ребрами образуются «мертвые» зоны и эффективная поверхность охлаждения уменьшается. Шаг между ребрами определяется технологическими возможностями при отливке цилиндра и колеблется от 8 до 3,5 мм. Высота ребер зависит от теплопроводности материала цилиндра и обычно не превышает 14...18 мм. При использовании высоких ребер в целях снижения вибрации и шумоизлучения между ними устанавливаются специальные демпфирующие элементы. Температура подогрева при прохождении воздуха между ребрами может достигать 60...70 °С, а его скорость между ребрами – 50 м/с. Головка цилиндра в двигателях с воздушным охлаждением является одним из наиболее теплонагруженных элементов, поэтому ее, как правило, из- 36 готовляют из алюминиевых сплавов, обладающих хорошей теплопроводностью, посредством отливки в металлические формы (кокиль). Предельная температура из условий прочности и надежности работы ДВС в наиболее нагретых точках в зоне межклапанной перемычки должна ограничиваться значениями 215...230 °С и лишь кратковременно она может доходить до 260 °С. При конструировании головки большое внимание уделяется обеспечению равномерности температурного поля в целях уменьшения термических деформаций и нарушения геометрических форм головки и верхней части цилиндра. При литье высота ребер охлаждения головки не превышает 50...60 мм. Герметизация газового стыка при использовании головок из алюминиевого сплава обеспечивается без применения прокладок, т.е. за счет деформации элементов стыка алюминиевой головки и чугунного цилиндра при затяжке силовых шпилек. На конструкцию корпуса ДВС с воздушным охлаждением существенное влияние оказывает расположение вентилятора. Обычно в однорядном двигателе вентилятор смещают относительно продольной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, а в V-образном – располагают непосредственно в развале, между рядами цилиндров. Организация направленного движения воздушного потока осуществляется капотом и системой дефлекторов: с их помощью производится распределение потока по отдельным цилиндрам и к наиболее нагретым зонам (выпускному каналу, камере сгорания). Надежность газового стыка Надежность газового стыка является решающим фактором, определяющим работоспособность двигателя. Поэтому необходимо производить оценку герметичности стыка и напряженного состояния болта или шпильки, стягивающих головку, прокладку и блок, при реализации рабочего процесса. Болт (шпилька) оценивается при прогретом двигателе на режиме максимального крутящего момента, когда достигается наибольшее давление в цилиндре. Надежность газового стыка оценивается на том же режиме при непрогретом двигателе. Это особенно важно для ДВС с алюминиевыми головкой и блоккартером, т.е. когда велико значение термической силы. Сила предварительной затяжки при монтаже регламентируется инструкцией завода-изготовителя. Последовательность затяжки болтов строго определенная в целях обеспечения одинаковой деформации всех элементов силовой схемы. При определении работоспособности элементов газового стыка двигателя проводится оценка его герметичности в процессе реализации рабочего процесса и напряженного состояния шпильки или болта, стягивающего головку, прокладку и блок. Основными нагрузками в элементах газового стыка являются: • сила предварительной затяжки (Рпр), возникающая при монтаже; • максимальная газовая сила (Рг) рабочего цикла; • термическая сила (Рt), образующаяся при прогреве двигателя вследствие различия коэффициентов линейного расширения стягиваемых деталей и их температур. 37 Деформация деталей газового стыка под действием силы предварительной затяжки шпильки (болта) приводит к сжатию головки, прокладки и рабочей части блока при одновременном растяжении шпильки. При реализации рабочего процесса газовая сила сжимает головку и растягивает шпильку, а деформации прокладки и блока уменьшаются, т.е. происходит разгрузка газового стыка. В результате действия газовой силы на детали силовой схемы двигателя сила на стыке уменьшается, деформации прокладки и блока уменьшаются, шпилька и головка нагружаются дополнительной силой, деформации шпильки и головки увеличиваются. При нагревании двигателя его детали удлиняются из-за различия коэффициентов линейного расширения стягиваемых деталей, в результате чего в системе возникает дополнительная термическая сила. Наиболее существенное влияние силы Рt на элементы газового стыка при изготовлении головки из алюминиевого сплава, так как отношение коэффициентов линейного расширения алюминиевого сплава и стали больше двух. Поршневая группа Поршневая группа является элементом системы кривошипно-шатунного механизма. Её эффективная работа возможна лишь при согласованном взаимодействий со всеми элементами КШМ: неподвижными – цилиндром и головкой цилиндра, подвижными – шатунной группой и группой коленчатого вала. Иногда поршневая группа рассматривается вместе с цилиндром и называется цилиндропоршневой. Элементы поршневой группы работают в тяжелых условиях (при высоких периодически повторяющихся газовых, инерционных и тепловых нагрузках). Процесс формирования поршневой группы всегда сводится к поиску компромиссов между взаимоисключающими требованиями к конструкции. В большинстве случаев надежность поршневой группы определяет надежность всего ДВС. Механические потери на трение поршневой группы составляют 45...65% суммарных потерь на трение в ДВС, причем до 50% потерь приходится на долю поршневых колец. Для поршней современных автотракторных двигателей характерны следующие эксплуатационные дефекты: • эрозионный износ и разрушение поверхностей верхней кольцевой канавки; • разрушение днища поршня в результате образования трещин на кромках камеры сгорания, а также его обгорание и прогорание; • интенсивное отложение нагара на элементах головки поршня и потеря подвижности первого компрессионного кольца; • потеря упругости и пригары колец; • наволакивание металла и задиры на элементах цилиндропоршневой группы; • износ торцевых поверхностей колец и боковых поверхностей юбки; • образование трещин в бобышках поршня. 38 Указанные дефекты приводят к ухудшению мощностных, экономических и токсических показателей работы двигателя, вплоть до выхода его из строя. Функциональное назначение, условия работы и характерные дефекты предопределяют следующие конструкторско-технологических требования к элементам поршневой группы: • надежная герметизация внутрицилиндрового пространства (утечки рабочего тела в картер не должны превышать 0,5...1,0% расхода воздуха); • предотвращение попадания чрезмерного количества масла в камеру сгорания (расход масла на угар не должен превышать 0,3...0,6% удельного эффективного расхода топлива); • уменьшение тепловосприимчивости поверхности днища поршня и обеспечение эффективного теплоотвода от днища поршня в стенки цилиндра; • достижение минимально возможной конструктивной массы при обеспечении достаточных прочности, жесткости и минимальных деформаций деталей поршневой группы; • уменьшение трения элементов поршневой группы и обеспечение их высокой износостойкости. Поршень Конструктивные параметры основных элементов поршня. Высота поршня Н (рисунок 3.7) определяется в основном высотой головки hг. При малой Н существенное влияние на характер движения поршня оказывает несоблюдение при производстве и эксплуатации необходимых размеров его, что может интенсифицировать процессы зазоров перекладки. Рисунок 3.7 – Параметры конструктивных элементов поршневой группы При выборе высоты огневого пояса h стремятся обеспечить расположение верхнего компрессионного кольца в пределах охлаждаемой части цилиндра при нахождении поршня в ВМТ. Увеличение h в целях поддержания температуры верхней канавки на уровне ниже температуры коксования масла 39 приводит к росту тепловой нагруженности и вредного объема между огневым днищем и цилиндром. Толщину днища поршня δ определяют исходя из требований обеспечения необходимого теплоотвода от элементов головки поршня. Для эффективного уплотнения в современных двигателях используется, как правило, не более двух компрессионных колец. Большее число колец обусловливает существенное возрастание потерь на трение. В автотракторных ДВС обычно используется одно маслосъемное кольцо. В поршнях дизелей, имеющих малую высоту, второе маслосъемное кольцо устанавливают в нижней части юбки. Для отвода излишков масла, снимаемых маслосъемными кольцами, в торцах канавок имеются 6...12 дренажных отверстий. Высота юбки hю должна быть достаточной для обеспечения допустимых угловых перемещений поршня относительно оси пальца в целях ограничения интенсивности его перекладки. Наименьшей интенсивности перекладки соответствует размещение пальца примерно в середине юбки поршня, а также смещение оси отверстия под палец относительно продольной оси симметрии поршня в сторону наиболее нагруженной его боковой поверхности – дезаксаж е = 2...3 мм. При этом в зоне ВМТ момент перекладки не будет совпадать с моментом резкого нарастания давления сгорания. Конструктивные мероприятия по повышению прочности и долговечности поршня. Верхняя канавка компрессионного кольца является одним из наиболее слабых элементов конструкции поршня. Она изнашивается в результате трения при перемещениях кольца внутри канавки поршня, а также вследствие эрозионного разрушения. Для уменьшения ее износа используют следующие конструктивные решения: • заливка в головку поршня из алюминиевого сплава вставки из износостойкого материала – чугуна (нирезиста) или слаболегированных сталей, обладающих повышенной жаропрочностью. Данный метод позволяет увеличить износостойкость канавки в 3–4 раза, однако при этом резко возрастает стоимость изготовления и повышается на 7...10% масса поршня; • упрочнение верхней канавки переплавом ее поверхностного слоя в целях введения легирующих элементов, повышающих ее твердость и жаропрочность. При переплавке используется композиционная проволока, состоящая из никеля, хрома и железа; • усиление верхней канавки и камеры сгорания поршня введением в его структуру керамических волокон из оксида алюминия, нитрида и карбида кремния. При этом большая износостойкость канавки обеспечиваются без увеличения массы; • эмалирование головки поршня, включая первую кольцевую канавку, что, помимо защиты от эрозии, позволяет уменьшить тепловой поток через днище, особенно в дизелях. Это существенно облегчает условия работы поршня и компрессионных колец. 40 Одной из важных проблем при конструировании поршней является необходимость ограничения температуры в зоне верхнего компрессионного кольца. При температуре поршня выше температуры коксования масла происходит закоксовывание верхней кольцевой канавки с потерей подвижности кольца. Устранить это можно применением специальных присадок для масла (до 240 °С), организацией теплоотвода от кольца в систему охлаждения и масляным охлаждением поршня. Последний способ усложняет конструкцию поршня и сокращает срок службы моторного масла. Для принудительного охлаждения поршней современных ДВС используются следующие способы: • струйное опрыскивание маслом внутренней поверхности днища поршня. Для этого масло может подводиться от коленчатого вала по каналу в стержне шатуна через калиброванное отверстие в верхней поршневой головке шатуна, обеспечивая снижение температуры днища поршня на 15...20 °С. Также масло может распыливаться через форсунку, неподвижно установленную в зоне нижней части цилиндра на корпусе двигателя, что позволяет уменьшить температуру днища на 25...30 °С; • заполнение маслом через шатун 1/3 полости в поршне. В этом случае при движении поршня происходит взбалтывание масла и увеличивается теплоотвод от его днища, что позволяет снизить температуру днища поршня на 30...40 °С. Форма днища поршня определяется типом двигателя, принятым способом смесеобразования и формой камеры сгорания. Поршни с плоским днищем наиболее распространены в ДсИЗ, а также в дизелях с разделенными камерами сгорания. Такая конструкция имеет наименьшую тепловосприимчивость и проста в изготовлении. В ДсИЗ с верхним расположением клапанов могут использоваться также поршни с выпуклым (с вытеснителем) или вогнутым днищем. В дизелях неразделенная камера сгорания располагается в головке поршня. Ее геометрические параметры строго согласуются с расположением форсунки, а также с числом и распределением по объему камеры факелов распыляемого топлива. За цикл работы двигателя температура рабочего тела, контактирующего с днищем поршня, изменяется на 2000...3000 К, что может сопровождаться образованием трещин, особенно на кромках камеры сгорания, являющихся концентраторами термических напряжений. Для предотвращения образования трещин используются следующие методы: • устранение концентраторов термических напряжений удалением карманов под клапаны и округлением кромок камеры сгорания; • оплавление поверхностного слоя кромок камеры сгорания лазером; • твердое анодирование кромок и поверхности днища поршня материалами с повышенным содержанием меди в поверхностном слое, в 3–4 раза замедляющее образование термоусталостных трещин. 41 Для дизелей, форсированных наддувом, применяются поршни с элементами, упрочняющими полость камеры сгорания (экранами и вставками из металлов, композиционных материалов), и поршни с зонным армированием кромок камеры сгорания (10...20% всего объема) керамическими волокнами. Это в 2–3 раза повышает прочность элементов днища поршня. Для увеличения термопрочности используются составные поршни, головку (днище) которых изготовляют из стали, чугуна или керамики. Однако это примерно на 30% увеличивает массу поршня. Бобышки являются наиболее нагруженными элементами поршня. Под действием сил давления газов нарушается параллельность опорных поверхностей бобышек и поршневого пальца, поэтому у внутренних кромок их отверстий под палец возникают значительные концентрации напряжений. В результате могут образоваться трещины на опорных поверхностях. Для повышения несущей способности бобышек, за счет снижения контактных давлений, используют: • выравнивание удельных давлений по периметру опорных поверхностей в целях улучшения условий смазывания сопряжений в различных фазах рабочего цикла, для чего внутренние торцы бобышек выполняют со скосом вниз, сочетающимся с верхней головкой шатуна трапециевидной формы; • профилирование формы наружной поверхности пальца таким образом, чтобы при нагружении она согласовывалась с линией его прогиба на участке контакта с внутренней кромкой бобышки; • выполнение наружных кромок отверстий бобышек скругленными; • дробеструйную обработку или раскатку роликом отверстия под палец. Материалы и технология изготовления поршней. Для изготовления поршней автотракторных ДВС в основном используются алюминиевые сплавы, реже серый или ковкий чугун, а также композиционные материалы. Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что обеспечивает малую массу поршня и, следовательно, малые инерционные нагрузки на КШМ. Хорошая теплопроводность данных материалов позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. Малые значения коэффициента трения в парах с чугунными или стальными гильзами обеспечивают меньшие внутренние потери. Однако у данных материалов есть серьезные недостатки: невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, меньшая износостойкость и сравнительно большая стоимость. При изготовлении поршней используются два вида силуминов: эвтектические, содержащие 11...14% кремния, и заэвтектические, содержащие 17...25% кремния. Увеличение содержания кремния в сплаве приводит к уменьшению коэффициента линейного расширения и повышению термо-износостойкости, однако при этом ухудшаются его литейные качества и растет стоимость производства. Для улучшения свойств силуминов в них вводят различные легирующие добавки. Например, добавка до 6% меди повышает усталостную прочность и 42 теплопроводность силуминов, улучшает их литейные качества, а также уменьшает стоимость производства. Однако при этом несколько снижается износостойкость поршня. Использование в качестве легирующих добавок натрия, азота и фосфора повышает износостойкость сплава, а никель, хром и магний повышают его жаропрочность и твердость конструкции. Заготовки поршней из алюминиевых сплавов получают отливкой в кокиль или горячей штамповкой. После механической обработки заготовки подвергаются термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для предупреждения коробления при эксплуатации. Чугун в качестве материала для поршней по сравнению с алюминиевым сплавом обладает более высокими твердостью, износостойкостью, жаропрочностью и имеет одинаковый коэффициент линейного расширения с материалом гильзы. Последнее позволяет существенно уменьшить и стабилизировать по режимам работы зазоры в сочленении юбка поршня – цилиндр. Основной недостаток чугуна – это большая плотность, не позволяющая использовать его для поршней высокооборотных автомобильных двигателей. Плотность чугуна можно уменьшить включением в его структуру шаровидного графита, что позволяет отливать элементы поршня существенно меньшей толщины. В настоящее время ведется активная работа по разработке способов использования для изготовления поршней керамических материалов, которые наилучшим образом отвечают требованиям, предъявляемым к материалам поршневой группы. Они имеют малую плотность при высоких прочности, термостойкости, износостойкости, низкой теплопроводности и требуемом коэффициенте линейного расширения. Одним из таких способов является изготовление деталей поршня из композиционных материалов. Матрицей (основой) в таких материалах являются металлы (алюминий, магний) или полимеры. В качестве наполнителя для металлов используются керамические и металлические порошки или волокна пористых материалов, а для полимеров – волокна углерода, стекла, оксида алюминия, порошков металлов или керамики. Композиционные материалы обладают малой плотностью, высокими антифрикционными свойствами и применяются для изготовления элементов с небольшими тепловыми нагрузками, например юбки поршня. Использование керамики для изготовления поршней сдерживается ее хрупкостью, низкой прочностью на изгиб, склонностью к образованию трещин и усталости, а также высокой стоимостью. Поршневой палец Ключевая проблема при конструировании поршневого пальца сводится к обеспечению высокой усталостной прочности, жесткости и износостойкости при минимальных массе и затратах на производство. В автомобильных ДВС используются пальцы трубчатой формы. Учитывая условия работы поршневого пальца, необходимо обеспечить правильное сочетание его высокой усталостной прочности и износостойкости наружной поверхности. Это достигается выбором соответствующего ма- 43 териала для изготовления пальца, а также использованием термохимических (закалка токами высокой частоты, цементация) и технологических (шлифование, полирование) методов поверхностного упрочнения. Пальцы ДсИЗ изготовляют из среднеуглеродистых сталей. Их наружная поверхность закаливается токами высокой частоты на глубину 1,0...1,5 мм для получения необходимой твердости. Для изготовления пальцев дизелей и ДсИЗ, работающих при больших механических нагрузках, используются легированные стали, цементируемые на глубину 1,0...1,7 мм. Дополнительная цементация и азотирование пальца по внутренней поверхности позволяют повысить его усталостную прочность. Поршневые кольца Компрессионные кольца. Кроме выполнения основной своей функции они обеспечивают также отвод основной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра. Конструкции наиболее распространенных в автотракторных ДВС компрессионных колец приведены на рисунке 3.8. а – прямоугольные; б – коническое; в – бочкообразное; г, д – прямоугольные с конической выточкой; е, ж – трапециевидные соответственно симметричные и несимметричные; з – скребковые; и – торсионное с обратным закручиванием Рисунок 3.8 – Формы поперечных сечений наиболее распространенных компрессионных колец Кольца с прямоугольным поперечным сечением (рисунок 3.8 а) просты в изготовлении и имеют большую площадь контакта по рабочей поверхности со стенкой цилиндра, что способствует хорошему теплоотводу от головки поршня в систему охлаждения. Их недостатком является трудность приработки рабочей поверхности к зеркалу цилиндра. 44 Кольца с конической рабочей поверхностью (минутные), т.е. с углом наклона рабочей поверхности к зеркалу цилиндра 15...30' (рисунок 3.8 б) вследствие повышенного давления на рабочей кромке быстро прирабатываются, приобретая все качества колец с прямоугольным сечением. Однако производство таких колец более сложное. Бочкообразная рабочая поверхность кольца (симметричная или асимметричная) обеспечивает оптимальное распределение масла по ходу поршня, исключает кромочный контакт кольца с цилиндром и, следовательно, разрыв масляной пленки при перекладке поршня (рисунок 3.8 в). Такое кольцо быстро и хорошо прирабатывается к зеркалу цилиндра. Достоинства и недостатки колец с сочетанием прямоугольного и конического сечения вытачки в значительной мере объединены в конструкции скручивающихся (торсионных) колец (рисунок 3.8 г, д). В рабочем состоянии такое кольцо скручивается за счет большей деформации в верхней зоне сечения, и его рабочая поверхность контактирует с зеркалом, как и в коническом кольце. Это способствует быстрой его приработке. Однако такие кольца плохо контактируют со стенками канавки, что затрудняет теплообмен через них между головкой поршня и стенкой цилиндра. Кольца с поперечным сечением в виде двухсторонней или односторонней трапеции и с прямоугольной или бочкообразной рабочей поверхностью хорошо противостоят пригоранию даже при повышенных температурах в зоне канавки (рисунок 3.8 е, ж). Осевое и радиальное движения поршня при перекладке приводят к изменению зазора между торцевыми поверхностями кольца и канавкой поршня, что вызывает разрушение нагара в нем. Кольца с сечением в виде односторонней трапеции вследствие их несимметричности обладают всеми свойствами торсионных колец. Скребковые кольца имеют конический скос в виде проточек нижней части рабочей поверхности, который приводит к уменьшению ее площади и, следовательно, к увеличению радиального давления кольца на зеркало цилиндра (рисунок 3.8 з). Такое кольцо, оставаясь компрессионным, может частично выполнять функцию маслосъемного. Торсионным с обратным закручиванием (рисунок 3.8 и) иногда выполняется нижнее компрессионное кольцо из-за его расположения ослабляющей проточки в нижней части его сечения и одновременного наклона рабочей поверхности. При скручивании такого кольца в рабочем положении обеспечивается контакт с цилиндром по нижней кромке. По функциональным качествам оно близко к скребковому кольцу. Лабиринтное уплотнение компрессионных колец обладает насосным действием, т.е. способствует перекачке масла из зазора в камеру сгорания. Маслосъемные кольца. Эти кольца обеспечивают регулирование режима смазывания, т.е. их конструкция должна обеспечивать хороший съем со стенок излишков масла, а также распределение его в виде пленки постоянной толщины по зеркалу цилиндра. Конструкции наиболее распространенных в автотракторных ДВС маслосъемных колец приведены на рисунке 3.9. 45 а – коробчатого типа без расширителя; б – коробчатого типа с витым пружинным расширителем; в – в виде двух скребковых колец; г – коробчатого типа с радиальным расширителем; д – с радиальным и осевым расширителями; е – с тангенциальным расширителем Рисунок 3.9 – Основные конструктивные решения маслосъемных колец Чугунные монолитные кольца с витым цилиндрическим пружинным расширителем браслетного типа характеризуются высокой гибкостью и обеспечивают равномерное распределение давления по высоте (рисунок 3.9 б). Внутренняя поверхность такого кольца выполняется в виде полуокружности или V-образной формы. В первом случае пружина быстрее прирабатывается, однако может закрывать часть площади дренажных окон. Кольца этого типа используются практически во всех автомобильных дизелях и примерно в трети конструкций ДсИЗ. Система из двух колец скребкового типа (рисунок 3.9 в), устанавливаемых в одну канавку (верхнее кольцо при этом имеет дренажные прорези), характеризуется независимой работой этих колец, что улучшает их функционирование при движении поршня с некоторым перекосом. Качественное выполнение функций поршневой группой достигается не только конструкцией отдельных колец, но и правильным подбором их комплекта. Обычно верхнее компрессионное кольцо берется с прямоугольным сечением и бочкообразной рабочей поверхностью, а нижнее – скребковое, торсионное или коническое. В высокофорсированных дизелях сложно обеспечить температуру в зоне канавки первого компрессионного кольца ниже температуры коксования масла. Поэтому в качестве верхнего компрессионного кольца в них используется кольцо с сечением в виде двухсторонней трапеции (до 75% моделей), а в качестве нижнего – кольцо с прямоугольным сечением (до 40% моделей), скребковое (до 35%) или с сечением в виде двухсторонней трапеции (до 25%). В процессе эксплуатации кольцо теряет свою упругость по окружности неравномерно. В первую очередь, это происходит в зоне замка из-за его локального отжига. Кольцо здесь плохо контактирует с холодной стенкой цилиндра, и процесс отжига с потерей упругости резко ускоряется. Поэтому эпюра давления кольца по его периметру на зеркало цилиндра также неравномерная (рисунок 3.10). Большие удельные давления характерны для зоны 46 замка, что снижает потерю упругости кольца и увеличивает период его эксплуатации. 1 – грушевидная; 2 – овальная; 3 – среднего радиального давления Рисунок 3.10 – Эпюры радиальных давлений кольца на зеркало цилиндра по окружности Форма замка компрессионного кольца может быть прямоугольной, косой и ступенчатой. Наиболее прост в изготовлении замок прямоугольной формы, но эта форма обеспечивает наихудшие газоуплотняющие свойства из всех перечисленных форм. В качестве материала для поршневых колец в основном применяется специальный серый высокопрочный чугун, обладающий высокими стабильными показателями прочности и упругости при рабочей температуре в течение всего срока службы кольца, высокой износостойкостью в условиях граничного трения, высокими антифрикционными свойствами, а также достаточно быстро и эффективно прирабатывающийся к поверхности цилиндра. Используемые в качестве легирующих добавок хром, никель, молибден и вольфрам способствуют повышению термостойкости чугуна до 340 °С. Технология изготовления поршневых колец должна обеспечивать форму кольца в свободном состоянии, создающую необходимую эпюру давлений в его рабочем состоянии. Современные кольца отливаются индивидуально с минимальными припусками на механическую обработку и затем обрабатываются по копиру. После закалки и отпуска в них вырезают замок. Окончательное шлифование поверхностей кольца производится после напыления износостойкого материала. Витые кольца и расширители маслосъемных колец изготовляются из стальной полированной ленты. Для улучшения прирабатываемости, увеличения износостойкости и защиты от коррозии на рабочую поверхность кольца наносят специальные покрытия из пористого хрома и молибдена наплавкой или напылением в плазменной струе, а также используют лужение или фосфатирование рабочих поверхностей всех компрессионных колец, кроме первого. 47 Шатунная группа В состав шатунной группы входят шатун со съемной крышкой кривошипной головки, шатунные вкладыши, шатунные болты (шпильки) и элементы фиксации болтов (рисунок 3.11). Шатун состоит из поршневой (верхней) головки, стержня, кривошипной головки со съемной крышкой и шатунных подшипников скольжения. Условия работы шатунной группы характеризуются интенсивными знакопеременными нагрузками от газовых и инерционных сил и повышенными температурами. Исходя из условий работы, к шатунной группе предъявляются следующие требования: • высокая жесткость, обеспечивающая надежную работу тонкостенных вкладышей и шатунных болтов; • минимальные габаритные размеры и масса; • высокая усталостная прочность за счет уменьшения факторов концентрации напряжений конструкции; • возможность прохождения головки через цилиндр при монтаже (непременное условие для двигателей с блок-картерами). 1 – поршневая головка; 2 – бронзовая втулка; 3 – стержень; 4 – шатунный болт; 5 – кривошипная головка; 6 – центрирующий поясок; 7 – верхний вкладыш; 8 – нижний вкладыш; 9 – усики, фиксирующие вкладыш от перемещения Рисунок 3.11 – Конструкция одинарного шатуна (а) и переходы к опорным плоскостям головок шпилек, болтов, гаек (б) Шатуны для ДсИЗ изготовляются из сталей 45, 45Г2, 40Г, 40Х, 40ХН, 40Р, а для дизелей используются высокопрочные легированные стали 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, 40Х2Н2МА, 40ХНЗА, 40Х2МА. Шатуны изготовляют ковкой в штампах, а затем подвергают механической и термической обработкам. Для повышения усталостной прочности 48 производится дробеструйная обработка шатуна, а иногда и полировка. В ДсИЗ в качестве материала шатуна возможно также применение чугуна ковкого перлитного или высокопрочного с шаровидным графитом. Для литых шатунов могут использоваться высокопрочные титановые сплавы или композитные материалы. В автотракторных ДВС наибольшее распространение получили одинарные шатуны. В V-образных двигателях кривошипные головки шатунов двух противолежащих цилиндров располагаются последовательно на одной шатунной шейке. Это приводит к смещению рядов цилиндров вдоль оси двигателя. Поршневая головка шатуна имеет геометрическую форму и размеры, определяемые типом ее соединения с плавающим или защемленным поршневым пальцем (рисунок 3.12). Фиксация защемленных пальцев в неразрезной поршневой головке производится с помощью гарантированного температурного натяга (20...40 мкм) при сборке. Плавающий палец устанавливается в тонкостенную бронзовую втулку толщиной 0,8...2,5 мм в верхней головке шатуна. Вверху поршневой головки обычно имеется прилив 1 для подгонки шатуна по массе и расположению центра масс (рисунок 3.12 а). 1 – прилив; 2 – распылитель Рисунок 3.12 – Конструкции поршневых головок шатунов двигателей с искровым зажиганием (а...в), дизелей (г...е) и методы их упрочнения (ж...к) В ДВС сила давления газов может значительно превышать силы инерции, что при равенстве верхней и нижней площадей опорных поверхностей головки приводит к тому, что толщина масляного слоя между пальцем и нижней поверхностью втулки становится меньше, чем между пальцем и верхней опорной поверхностью. Для выравнивания толщины масляного слоя 49 уменьшают верхнюю опорную поверхность фрезерованием углубления в ее средней части (рисунок 3.12 в) или выполняют торцевые поверхности наклонными (рисунок 3.12 г). Для накопления и подвода масла к поршневому пальцу в верхней (менее нагруженной) части поршневой головки выполняют отверстия различной формы (рисунок 3.12 б, в). В форсированных дизелях смазывание поршневого пальца осуществляют под давлением с помощью масла, поступающего через канал в стержне шатуна (рисунок 3.12 д, е). При этом возможна организация струйного охлаждения днища поршня через распылитель 2 на поршневой головке (рисунок 3.12 е). Наиболее опасным сечением поршневой головки является место ее перехода в стержень (см. точку А на рисунке 3.11), которое определяется углом заделки шатуна φз. Поэтому для упрочнения поршневой головки: • увеличивают радиус ρ перехода от стержня шатуна к головке (рисунок 3.12 ж) или толщину стержня до диаметра поршневой головки (рисунок 3.12 и); • создают прилив металла в зоне перехода (рисунок 3.12 з); • располагают ось отверстия под палец эксцентрично относительно оси головки (см. рисунок 3.12 ж); • создают арочную форму в верхней части стержня шатуна (см. рисунок 3.12 ж) для снижения концентрации напряжений в зоне под поршневой головкой; • выполняют третью полку вдоль продольной оси стержня (см. рисунок 3.12 м); • располагают полки шатуна в плоскости его качания для устранения консольности поршневой головки по продольной оси пальца (рисунок 3.12 к). Стержень шатуна имеет обычно двутавровое сечение, симметричное относительно продольной оси кривошипной головки, что обеспечивает его высокую жесткость при небольшой массе. Для подвода масла от кривошипной головки к поршневой в стержне формируют специальный канал. Кривошипная головка шатуна автотракторных двигателей выполняется разъемной. Наиболее распространены шатуны с прямым разъемом, плоскость которого перпендикулярна оси шатуна. Однако при большом диаметре шатунной шейки, что характерно для форсированных ДВС, разъем выполняется косым под углом φ = 30, 45 или 60° к продольной оси стержня шатуна (рисунок 3.13). В этом случае сила инерции Ри, растягивающая шатунные болты, уменьшается, но возникают боковые силы и Для предотвращения смещений крышки, которые могут возникать от этих сил, применяются треугольные шлицы (рисунок 3.13 а), буртики (рисунок 3.13 б) или фиксирующие штифты (рисунок 3.13 в). Использование шлицев снижает жесткость конструкции, усложняет технологию изготовления и повышает ее стоимость. Чаще крышку крепят к шатуну болтами, ввернутыми в верхнюю часть головки. 50 Рисунок 3.13 – Конструкция кривошипной головки шатуна с косым разъемом и фиксацией треугольными шлицами (а), буртиками (б) и штифтами (в) В последнее время в целях повышения надежности работы разъемное соединение между крышкой и верхней частью головки создается технологически методом разлома. Для уменьшения концентрации напряжений в кривошипной головке переходы к опорным плоскостям головок шпилек, болтов, гаек выполняются большим радиусом r (см. рисунок 3.12 б) или с поднутрением по радиусу r1. Снижение габаритных размеров и массы кривошипной головки достигается расположением шатунных болтов (шпилек) как можно ближе к оси шейки. Шатунные подшипники скольжения, работающие в условиях высоких знакопеременных механических нагрузок и повышенных температур, представляют собой разъемные тонкостенные вкладыши, установленные в кривошипную головку шатуна. Для предотвращения проворачивания и осевого перемещения вкладышей у одной из кромок вкладыша отгибают фиксирующий выступ (усик), который входит в пазовую канавку кривошипной головки шатуна. Вкладыши являются многослойной конструкцией, состоящей из стальной основы и антифрикционного слоя (биметаллические) или промежуточного полудочного и антифрикционного слоев (три металлические). Общая толщина вкладышей для ДсИЗ составляет 1,3...2,0 мм при толщине антифрикционного слоя 0,2...0,4 мм, а для дизелей – 2,5...3,0 мм при толщине антифрикционного слоя 0,3...0,7 мм. Антифрикционный слой подвержен коррозионномеханическому и абразивному изнашиванию, а также усталостным разрушениям, поэтому в моторное масло вводятся специальные присадки, предохраняющие вкладыши от разрушения. В качестве антифрикционных материалов применяются свинцовооловянистые, алюминиевые высокооловянистые сплавы и свинцовистая бронза. При повышенных нагрузках на подшипники используется алюминиевый высокооловянистый сплав. Вкладыши подшипников дизелей, работаю- 51 щих с особо высокими нагрузками, выполняются с антифрикционным слоем из свинцовистой бронзы, которая, однако, сравнительно плохо прирабатывается и подвержена коррозии из-за кислотных соединений, накапливающихся в масле. Для ускорения прирабатываемости вкладышей поверхность антифрикционного слоя покрывают тонкой (толщиной 0,015...0,04 мм) пленкой сплава свинца с оловом или свинца с кадмием. Осевой зазор, которому соответствует возможное перемещение шатуна вдоль шатунной шейки, не должен превышать 0,2...0,3 мм. Шатунные болты нагружаются силами предварительной затяжки и силами инерции. Для повышения усталостной прочности болта при его повторнопеременном изгибе, возникающем при деформации головки в зоне стыка, применяют следующие конструктивные решения: – повышают жесткость кривошипной головки; – выполняют плавные переходы от тонкой части болта к головке, центрирующим пояскам и резьбе; – уменьшают опорные поверхности головок болтов; – применяют самоустанавливающие сферические поверхности контакта головки болта и шатуна; – выполняют резьбу с мелким шагом, увеличивают радиус и закругления по впадине резьбы. Напряжения в болте, возникающие при затяжке, разгружаются посредством обратного поворота гайки на небольшой угол. При прямом разъеме шатуна болты обычно выполняют функцию фиксации положения крышки относительно шатуна с помощью специального центрирующего пояска 6 (см. рисунок 3.12). Болты (шпильки) изготовляют из хромистых и хромоникель-молибденовых сталей ЗОХ, 35Х, 40Х, 45Х, 40ХНМА штамповкой с последующей накаткой резьбы и термической обработкой (закалкой и высоким отпуском). Для предотвращения проворачивания головки болтов делают с вертикальным срезом, а в теле шатуна фрезеруют вертикальный уступ (см. рисунок 3.13 а). Иногда в головке болта выполняют фиксирующие выступы. Гайки шатунных болтов (шпилек) обычно самоконтрящиеся (обжатые по граням). Для обеспечения работоспособности болтов необходимо: • создавать требуемую силу их предварительной затяжки, которая обеспечит нераскрытие стыка и образование на его поверхностях наклепа; • не допускать монтажной перетяжки болтов, которая может вызвать текучесть материала и дальнейшее ослабление затяжки; • создавать достаточную жесткость кривошипной головки и параллельность опорных поверхностей болта и гайки в целях недопущения напряжений изгиба болта (шпильки). Группа коленчатого вала Функциональное назначение коленчатого вала – преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение эле- 52 ментов трансмиссии. В состав группы коленчатого вала входят коленчатый вал, элементы фиксации вала от осевых смещений, коренные подшипники и маховик. Конструктивно коленчатый вал представляет собой совокупность кривошипов, схема размещения которых определяется необходимостью обеспечения в целесообразном сочетании таких качеств конструкции двигателя, как равномерное чередование рабочих ходов, а также его внешней и внутренней уравновешенности. Чередование рабочих ходов в цилиндрах называется порядком работы двигателей. Для определенного расположения кривошипов, обеспечивающего равномерное по углу поворота вала чередование рабочих ходов, существует несколько порядков работы. Предпочтение в этом случае, как правило, отдается тому порядку работы, который обеспечивает более равномерное распределение нагрузок по длине вала. По технологии производства различают следующие коленчатые валы (рисунок 3.14): • цельные, изготовляемые ковкой в штампах из углеродистых или легированных сталей в виде единых поковок (кованые валы) либо отливок из высокопрочных или ковких чугунов (литые валы). • составные (разборные), собираемые из отдельных элементов непосредственно в корпусе двигателя. Главным достоинством кованых стальных валов является высокая прочность при повторно-переменных изгибах, что обусловливает область их применения в высокофорсированных двигателях с высоким уровнем нагрузок элементов КШМ газовыми силами. Литые чугунные валы уступают кованым по прочности на изгиб, но превосходят их по следующим показателям: • возможность придания элементам вала оптимальных конструктивных форм, позволяющих уменьшить материалоемкость конструкции; • меньшие припуски и сокращенный объем механической обработки; • большая износостойкость трущихся элементов вала; • меньшая чувствительность конструкции вала к концентраторам напряжений. Разборные коленчатые валы применяются в основном в двигателях с туннельным картером и при использовании в конструкции двигателя в качестве коренных подшипников качения. Условия работы коленчатого вала, т.е. высокие нагрузки повторнопеременными газовыми и инерционными силами в сочетании с интенсивным эффектом износа, сопровождающим работу подшипников вала, определяют характерный цикл его термической обработки. Этот цикл включает в себя закалку с высоким отпуском для обеспечения высокой усталостной прочности и последующую закалку поверхности шеек токами высокой частоты на глубину 3...5 мм. 53 Рисунок 3.14 – Конструктивные схемы кованых (а), литых (б) и составных (в) коленчатых валов На рисунке 3.15 б показана типичная конструкция кривошипа литого коленчатого вала, на рисунке 3.15 а – схема кривошипов линейных и V-образных двигателей, а на рисунке 3.15 б – схема кривошипов с автономными шатунными шейками, развернутыми относительно друг друга на угол δ в целях обеспечения равномерного чередования рабочих ходов. Для конструкции элементов кривошипа характерны следующие особенности: • шатунные шейки изготовляются с разгрузочными полостями, позволяющими уменьшить их массу и, следовательно, снизить приведенную массу кривошипа и материалоемкость конструкции вала. Разгрузочная полость используется также для дополнительной центробежной очистки масла, применяемого для смазывания шатунного подшипника; 54 Рисунок 3.15 – Конструктивные схемы кривошипов линейного и V-образного двигателей (а) и V-образного двигателя со смещенными шатунными шейками (б) а – с подачей масла на поверхность через запрессованную трубку; б – с подачей масла из зоны минимума касательных напряжений; 1 – резьбовая заглушка; 2 – разгрузочная полость; ε – эксцентриситет Рисунок 3.16 – Конструкции разгрузочной полости шатунных шеек 55 • разгрузочные полости выполняются с эксцентриситетом ε (рисунок 3.16) или бочкообразной формы, что способствует увеличению площади опорного сечения и упрочению зоны перехода шатунная шейка – щека; • в сопряжении шеек вала со щеками для уменьшения концентрации изгибных напряжений предусматриваются галтельные переходы (рисунок 3.17). При этом для увеличения опорной длины подшипника используются трехрадиусные галтели и переходы с поднутрением в шейку или щеку; а – трехрадиусной галтелью; б – с поднутрением в шейку; в – с поднутрением в щеку Рисунок 3.17 – Конструкции переходов в зоне сопряжения шейки со щекой коленчатого вала • в целях упрочнения галтели обкатываются роликом, при этом ликвидируются микротрещины, образующиеся при закалке токами высокой частоты и нагартовке материала в зоне перехода; • для уменьшения концентрации напряжений в месте выхода маслоподводящего канала на поверхность шейки его кромки скругляются и обжимаются шариком. Щеки валов автотракторных двигателей (рисунок 3.18) имеют прямоугольную или овальную форму. В целях уменьшения массы вала малонагруженные элементы щек срезаются (скругляются). Наибольшее распространение получили овальные щеки, обеспечивающие наиболее рациональное распределение материала при необходимой прочности и минимальной металлоемкости конструкции. а – прямоугольная; б – овальная Рисунок 3.18 – Формы щек коленчатого вала автотракторного двигателя Противовесы выполняются либо как единое целое с валом, либо как автономные элементы, фиксируемые на продолжении щек с помощью болтов, блокируемых от ослабления затяжки сваркой. 56 Фиксация вала от осевых смещений относительно картера чаще всего осуществляется упорными полукольцами (рисунок 3.19 а), изготовляемыми из бронзы, биметалла (сталь + антифрикционная заливка) или металлокерамики, которые удерживаются от проворачивания штифтами. В ряде конструкций для этих целей используются борта подшипниковых вкладышей (рисунок 3.19 б), на которые наносится антифрикционная заливка. а – упорными полукольцами; б – подшипниковыми вкладышами с буртиками Рисунок 3.19 – Схемы фиксации коленчатого вала от осевых смещений На переднем носке и хвостовике коленчатого вала предусматривается система уплотнений для предотвращения утечек масла из масляного поддона. Основу подшипников скольжения коленчатого вала составляют тонкостенные разрезные вкладыши (рисунок 3.20), представляющие собой изогнутую в полукольцо стальную ленту толщиной δст= 1,3...3,6 мм (большие значения для дизелей), на внутреннюю поверхность которой наносится антифрикционный металлический слой. Рисунок 3.20 – Конструкция тонкостенного разрезного подшипникового вкладыша коленчатого вала В современных конструкциях для этих целей применяются сплавы на алюминиевой основе (АСМ, АО-20 или АМО-1-20, АО-6), а для тяжелонагруженных подшипников – свинцовистая бронза (БрС30). 57 Толщина антифрикционного слоя δаф составляет 0,2...0,7 мм. Толщина слоя медно-никелевой подложки триметаллических вкладышей δмн = 0,10...0,25 мм. Рабочая поверхность вкладышей с заливкой из свинцовистой бронзы покрывается защитно-приработочным электролитическим слоем из сплава олова со свинцом (или индия со свинцом) толщиной δспл = 0,015...0,04 мм. Для обеспечения лучшего прилегания к постели на наружную поверхность некоторых конструкций вкладышей наносится электролитический слой меди толщиной δм = 0,025...0,05 мм, а сами вкладыши устанавливаются в расточки картера и крышки с натягом до 0,1 мм. От проворачивания и осевых смещений вкладыши фиксируются отгибными усиками. Коленчатый вал относится к одним из наиболее динамически нагруженных элементов двигателя. Поломки коленчатых валов носят обычно усталостный характер и вызываются циклически изменяющимися нормальными и касательными напряжениями в элементах. Оценку их работоспособности при проектировании двигателя проводят по коэффициентам запаса прочности, рассчитываемым с учетом переменности действующих на них силовых факторов. Коленчатый вал представляет собой многоопорную статически неопределимую конструкцию. Однако, как свидетельствует опыт двигателестроения, нет необходимости выполнять расчет вала с учетом его статической неопределимости. Практически приемлемые результаты обеспечивает расчет с использованием более простой разрезной схемы. Расчетная разрезная схема кривошипа приведена на рисунке 3.21. Рисунок 3.21 – Расчетная разрезная схема кривошипа коленчатого вала В основе такой схематизации заложена следующая система допущений: • коленчатый вал представляется совокупностью кривошипов, между которыми отсутствует какая-либо силовая связь кроме передачи с кривошипа на кривошип крутящего момента; 58 • в расчет принимается один из кривошипов, который полагается свободно лежащим на опорах и содержит наиболее нагруженный его элемент (щеку, шейку); • отсутствие вращения кривошипа имитируется системой приложенных к геометрическим центрам соответствующих элементов суммарных сил К и Т, центробежных сил (Кш.к – сила от вращения массы шатуна, приведенная к кривошипу, Кш.ш – сила от вращения шатунной шейки, Кщ – сила от вращения щеки) и реакций опор RK и RТ соответственно в плоскостях сил К и Т; • все элементы в пролете кривошипа полагаются абсолютно жесткими. Оценка напряженно-деформированного состояния деталей коленчатого вала проводится в режиме номинальной мощности. Оценочными параметрами напряженно-деформированного состояния для отдельных элементов вала являются: • коренные шейки – коэффициент запаса прочности от повторнопеременного кручения пτ; • шатунные шейки – коэффициент суммарного запаса прочности п∑ от совместного действия повторно-переменных кручения и изгиба в плоскостях сил К и Т; • щеки – коэффициент суммарного запаса прочности п∑ от совместного действия повторно-переменных кручения, изгиба в плоскостях сил К и Т и сжатия-растяжения в плоскости кривошипа. Под действием на отдельных кривошипах, переменных по времени, моментов происходят знакопеременные периодические относительные угловые смещения элементов коленчатого вала, называемые крутильными колебаниями. При этом в конструкции вала возникают дополнительные повторнопеременные касательные напряжения, в ряде случаев существенно влияющие на его работоспособность. По определению крутильные колебания относятся к категории вынужденных колебаний, наиболее опасным режимом, которых является резонанс, имеющий место при совпадении одной из частот собственных колебаний вала с одной из гармоник возбуждающих моментов. Частота вращения, при которой наблюдается это явление, называется критической, т.е. она опасна для прочности вала. Для устранения негативных последствий резонансных крутильных колебаний наиболее целесообразно изменить упруго-массовые характеристики крутильной системы вала в основном за счет увеличения его крутильной жесткости. Если конструктивно такое изменение невыполнимо, то на переднем носке коленчатого вала, где амплитуда колебаний наибольшая, устанавливают специальные гасители колебаний, рассеивающие колебательную энергию и снижающие амплитуды относительных угловых смещений его элементов до безопасных для конструкции пределов. 59 Вопросы для повторения и самоконтроля 1. По каким признакам классифицируются автомобильные двигатели? 2. Перечислить основные понятия и определения. 3. В каких единицах измеряется мощность двигателя? 4. Перечислить системы и механизмы двигателя. 5. Перечислить такты двигателя. 6. Какие нагрузки воздействуют на элементы двигателя в процессе работы? 7. Перечислить расчетные режимы работы двигателя. 8. В каких условия работает корпус ДВС? 9. Какие требования предъявляются к корпусу ДВС? 10. Какие конструктивные решения используются для повышения жесткости корпусов ДВС без существенного увеличения их металлоемкости? 11. Что такое «мокрая» и «сухая» гильзы? 12. Что должна, функционально, обеспечивать головка цилиндров? 13. От чего зависит конструкция головки цилиндров? 14. Каким требованиям должны соответствовать уплотнения газовых стыков? 15. Как различаются силовые схемы по способу фиксации цилиндров на картере? 16. Что является основными нагрузками в элементах газового стыка? 17. Перечислить конструкторско-технологические требования к элементам поршневой группы? 18. Какие конструктивные мероприятия применяют для повышения прочности и долговечности поршня? 19. Способы для принудительного охлаждения поршней современных ДВС. 20. Какие конструктивные мероприятия применяют для повышения несущей способности бобышек? 21. Тенденции развития конструкции поршневых колец. 22. Какие требования предъявляются, исходя из условий работы, к шатунной группе? 23. Перечислить конструктивные мероприятия применяемые для упрочнения поршневой головки. 24. Конструктивные решения для повышения усталостной прочности болта. 25. Какие коленчатые валы различают по технологии производства? 26. Преимущества кованых валов перед литыми. 27. Что является оценочными параметрами напряженно-деформированного состояния для отдельных элементов вала? 60 Лекция № 4 МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ План 1. Требования предъявляемые к МГР, конструктивные схемы. 2. Назначение, условия работы, материал и особенности конструкции. 3. Основные подходы к конструированию МГР. 4. Перспективы развития МГР. 1 Требования предъявляемые к МГР, конструктивные схемы ГРМ управляет процессами газообмена (наполнение цилиндра свежим зарядом и его очистку от отработавших газов). При этом необходимо обеспечить максимально возможную мощность ДВС и наилучшую экономичность при приемлемых параметрах токсичности на каждом режиме работы. Это решается выполнением следующих требований: • максимальное наполнение цилиндра свежим зарядом и возможно полная его очистка от отработавших газов; • минимально возможные габаритные размеры и масса механизма, а также необходимая жесткость; • минимальные затраты энергии на привод; • высокая надежность и долговечность всех элементов механизма; • простота конструкции и приемлемая стоимость изготовления; • минимально возможные износы контактирующих поверхностей подвижных элементов; • минимальные массы подвижных деталей, уменьшающие инерционные нагрузки. В идеале для газообмена необходим П-образный закон открытия проходного сечения: мгновенное открытие, выстой и последующее мгновенное закрытие. Однако при этом должны возникнуть бесконечно большие ускорения подвижных элементов запирающего устройства и, следовательно, силы инерции. Существующие МГР не способны обеспечить такой закон газообмена из-за постепенного изменения площади проходного сечения по углу поворота коленчатого вала. Клапанные МГР широко применяются в современных четырехтактных автотракторных ДВС в силу простоты конструкции, малой стоимости изготовления и ремонта, хорошего уплотнения камеры сгорания и надежности работы. Схему МГР определяют следующие взаимосвязанные факторы: 61 • выбранный способ организации рабочего процесса, что обусловливает форму и расположение камеры сгорания; • принятое число клапанов на один цилиндр (два и более); • место расположения распределительных валов (в блок-картере или в головке цилиндра) и их число на ряд цилиндров (один или два). Форма камеры сгорания и конструктивная схема МГР должны быть согласованы. Верхнее расположение клапана в головке цилиндров является основным вариантом, реализуемым в современных МГР. Преимуществами верхнего расположения клапанов являются: • компактная форма камеры сгорания с малой удельной поверхностью охлаждения (Fк.с/Vк.с)», что способствует снижению тепловых потерь в систему охлаждения (уменьшению Qохл) и повышению экономичности работы ДВС (увеличению ηi); • отсутствие резких поворотов потока в каналах газообмена, что уменьшает гидравлические потери на впуске и выпуске, улучшает наполнение цилиндров свежим зарядом (ηV увеличивается на 2...3%) и очистку их от отработавших газов (снижается γ); • значительно сокращенный путь пламени в камере сгорания от свечи до наиболее удаленных объемов рабочей смеси (улучшаются детонационные характеристики камеры), что обеспечивает возможности повышения степени сжатия (ε). Основным недостатком верхнеклапанной схемы является сложность организации привода клапанов. Конструктивная схема МГР включает в себя привод распределительного вала, распределительный вал, привод клапанного узла, клапанный узел. Конструкция привода клапанного узла определяется расположением распределительного вала (валов): верхнее – в головке цилиндров, нижнее – в блок-картере. При нижнем расположении РВ (рисунок 4.1 а) привод клапанного узла от кулачка РВ производится через толкатель, штангу и коромысло. Большое число элементов привода приводит к росту массы подвижных элементов и, следовательно, к повышению сил инерции. Невысокая жесткость привода обусловливает упругие деформации штанги, что искажает заданный закон движения клапана. Конструкция МГР с нижним расположением РВ предпочтительна для тихоходных и V-образных ДВС. Для быстроходных двигателей автомобилей применяют МГР с верхним расположением РВ. Один РВ при верхнем расположении используется для привода одного клапанного узла непосредственно кулачками вала через направляющий стакан, перемещающийся в стойке (рисунок 4.1 б, 4.2 а), через одноплечий рычаг (рисунок 4.1, в; 4.2 б...г), через коромысла (рисунок 4.1 г), а двух узлов – через коромысла или траверсу (рисунок 4.1 д; 4.2 д...ж). При двух РВ на ряд цилиндров клапаны приводятся непосредственно через направляющие стака- 62 ны (рисунок 4.1 е, ж). В последней схеме свечу или форсунку удобно располагать в центре камеры сгорания. Аналогично для многоклапанных механизмов здесь возможен привод непосредственно от кулачков или попарный с помощью продольной траверсы (рисунок 4.1 г) и реже с помощью вильчатых рычагов (рисунок 4.2 з). а – нижнее; б...д – верхнее одного РВ; е, ж – верхнее двух РВ; 1 – распределительный вал; 2 – толкатель; 3 – штанга; 4 – коромысло; 5 – пружина; 6 – направляющая втулка; 7 – направляющий стакан; 8 – стойка; 9 – рычаг; 10 – траверса Рисунок 4.1 – Расположение распределительных валов 63 а – непосредственного; б...г – через рычаги; д...ж – с помощью коромысла; з – вильчатыми рычагами; 7 – направляющий стакан; 2 – стойка; 3 – регулировочный болт; 4 – винт; 5 – шарик; 6 – канал Рисунок 4.2 – Конструкции приводов клапанного узла Распределительный вал приводится во вращение от КВ различными способами в зависимости от компоновки МГР (рисунок 4.3). При нижнем расположении РВ устанавливается у линейных ДВС сбоку в картере, а у V-образных – в развале блока цилиндров и приводится шестернями от КВ. Достоинствами такого расположения РВ являются: простота конструкции и компактность привода, а недостатками – сравнительно большая масса движущихся элементов МГР и меньшая жесткость привода клапанного узла из-за наличия длинной податливой штанги, что может вследствие колебаний привода изменить требуемый закон подъема клапана. Поэтому эта схема используется в ДВС с относительно невысокой номинальной частотой вращения. Для снижения шума при работе двигателя зубья шестерен привода РВ выполняются косыми или из текстолита. При этом возможны следующие варианты передачи момента от КВ к РВ: 1. Цилиндрическими шестернями (рисунок 4.3 а). При этом большое число шестерен вызывает рост массы двигателя. 2. С помощью системы промежуточных валов с коническими или винтовыми шестернями (рисунок 4.3 б). Такая передача надежна в работе, обеспечивает возможность компенсации температурных деформаций блока и головки. Однако она конструктивно сложна, металлоемка и требует тщательной регулировки в зацеплении шестерен. Применение этой передачи ограничено: используется в мощных дизелях для тяжелых армейских машин. 3. С помощью цепи (рисунок 4.3 в). Зубчатые цепи бесшумны, но они достаточно дорогие в производстве. Одно- и двухрядные втулочнороликовые цепи, получившие большее распространение, дешевле и менее подвержены износу, но для них обязательны натяжные устройства и специальные ограничители поперечных колебаний – успокоители. Преимуществами цепного привода являются сравнительно малая шумность работы, простота конструкции и меньшая масса по сравнению с шестеренным приводом. Его недостатки: высокая стоимость цепи, износ и вытяжка цепи в процессе эксплуатации, вибрация цепи при пульсирующих нагрузках, а также ее износ и вытяжка в процессе эксплуатации. 4. С помощью зубчатого ремня. В современных быстроходных ДВС широкое распространение получили МГР, в которых вместо цепи используется зубчатый ремень (рисунок 4.3 г), изготовляемый из синтетических материалов и армированный стекловолокнистым или проволочным кордом. Сход такого ремня с цилиндрических зубчатых шкивов и натяжного ролика предотвращается буртиками. Ременный привод обладает всеми достоинствами цепного, но при этом не требует установки успокоителя из-за меньшей по 64 сравнению с цепью массы ремня. С гашением колебаний ремня справляется натяжитель. Преимущество ремней: не требуют смазывания, поэтому их размещают вне картерной плоскости и защищают легким литым, штампованным или пластмассовым кожухом. Они также достаточно долговечны, обладают устойчивостью регулировок, имеют невысокую стоимость и низкий уровень шума. а – цилиндрическими шестернями; б – системой промежуточных валов с коническими и винтовыми шестернями; в – цепью; г – зубчатым ремнем; 1 – коленчатый вал; 2 – распределительный вал; 3 – промежуточные валы, шестерни; 4 – башмак натяжителя; 5 –натяжитель цепи; 6 – цепь; 7 – успокоитель цепи; 8 – масляный насос; 9 – жидкостный насос; 10 – натяжной ролик;11 – зубчатый ремень (детали поз. 1...3, 8, 9 – шкивы, звездочки, шестерни – для краткости названы наименованиями соответствующих валов) Рисунок 4.3 – Варианты передачи момента от КВ к верхним распределительным валам клапанов В последнее десятилетие наметился решительный переход от двухклапанного МГР, состоящего из одного впускного и одного выпускного клапанов на цилиндр, к многоклапанному с 3...5 клапанами на цилиндр (рисунок 4.3). 65 Двухклапанный механизм наиболее простой. В таком механизме относительно оси двигателя клапаны могут располагаться продольно и поперечно (косо). Возможности улучшения наполнения цилиндров за счет увеличения диаметров головок клапанов в нем ограничены. Многоклапанные МГР позволяют получить более высокий коэффициент наполнения ηV за счет увеличения общего проходного сечения трактов. При этом уменьшаются габаритные размеры и масса подвижных элементов МГР и, следовательно, силы инерции. Однако повышаются стоимость изготовления, сложность механизма и снижается надежность функционирования. Рисунок 4.4 – Схемы расположения двух (а), трех (б) и четырех (в) клапанов на один цилиндр 66 67 2 Назначение, условия работы, материал и особенности конструкции элементов МГР Распределительный вал. Распределительный вал обеспечивает управление клапанами с помощью расположенных на нем кулачков непосредственно или через промежуточные элементы (толкатель, штангу, коромысло). В процессе работы распределительный вал испытывает действие: • интенсивных повторно-переменных нагрузок (изгиба, скручивания под действием сил упругости клапанных пружин, инерции и давления газов в цилиндре), причем наибольшая сила передается от выпускного клапана в начальный период его открытия; • высоких скоростей поверхностей опорных шеек и кулачков относительно сопряженных элементов (подшипника, толкателя) при больших значениях удельных давлений между ними; • высоких контактных напряжений в сопряжении кулачок-толкатель. К РВ предъявляются следующие требования: высокие жесткость и усталостная прочность, износостойкость кулачков и шеек. Жесткость вала обеспечивается выбором соответствующего материала и числом опорных шеек. Конструктивная форма РВ определяется: • числом и расположением на нем кулачков, а также их профилем; • числом и конструкцией опорных шеек; • способом фиксации от осевых перемещений; • схемой подачи масла к опорным шейкам и кулачкам; • приводом РВ; • наличием привода от него к вспомогательным агрегатам. Число и расположение кулачков на распределительном валу зависят от: – числа клапанов МГР; – схемы привода клапанов; – тактности двигателя; – расположения цилиндров (рядные или V-образные ДВС); – порядка работы цилиндров и принятых фаз газораспределения. Изготовляются РВ из малоуглеродистых или среднеуглеродистых сталей и подвергаются термохимической обработке: в первом случае цементации, а во втором – поверхностной закалке токами высокой частоты на глубину 2...6 мм до твердости НRС 50...60. Кулачки и опорные шейки шлифуются и полируются. Для облегчения РВ иногда изготовляют составным: на трубчатую конструкцию устанавливают опоры и кулачки, а затем для их соединения с валом ее подвергают деформации изнутри. РВ вращается в опорах – подшипниках скольжения. Число опорных шеек, выбираемое из условия обеспечения достаточной изгибной жесткости пролетов РВ, обычно равно числу коренных опор коленчатого вала. Кон- 68 струкция опорных шеек определяется местом расположения РВ и конструкцией опор. Фиксация РВ от осевых перемещений при нижнем расположении обеспечивается двумя способами: либо упорным фланцем 1, причем требуемый зазор Δ = 0,1...0,2 мм создается дистанционной шайбой 2, установленной между шестерней и шейкой опоры РВ (рисунок 4.5 а), либо буртиком подшипника с одной стороны и регулировочным болтом или пружинным упором с другой (рисунок 4.5 б). При верхнем расположении РВ и разъемных подшипниках фиксация от осевых перемещений обеспечивается упорными буртиками, ограничивающими перемещение относительно торцов стоек опор РВ (рисунок 4.5 в). Подвод масла к трущимся элементам РВ производится из главной масляной магистрали по каналам к каждой опоре или через внутреннюю полость в РВ и систему поперечных сверлений в его опорных шейках и кулачках, а также через ось коромысла. а – бронзовым упорным фланцем; б – буртиком подшипника и регулировочным болтом; в – буртиками; 7 – фланец; 2 – шайба; 3 – болт; 4 – подшипник; 5 – буртик Рисунок 4.5 – Способы фиксации распределительного вала от осевых перемещений Толкатели. Обеспечивают передачу движения от кулачков РВ. Различают толкатели грибковые с плоской или сферической опорной поверхностью, цилиндрические со сферической или роликовой опорной поверхностью и рычажные выпуклые или роликовые. Изготовляют толкатели из сталей и чугуна. Опорную поверхность чугунных толкателей отбеливают. Боковые и внутренние поверхности толкателей из малоуглеродистых сталей цементируют и закаливают, а из среднеуглеродистых – закаливают токами высокой частоты. 69 Опорную поверхность стальных закаленных толкателей наплавляют легированным отбеленным чугуном (см. рисунок 4.6 а, г). Для обеспечения равномерного износа опорной поверхности толкателя и компенсации возможных перекосов между головкой толкателя и кулачком создают вращение толкателя либо посредством смещения его продольной оси относительно оси симметрии кулачка на значение е (рисунок 4.6 а), либо за счет выполнения его опоры сферической, а кулачка коническим с углом наклона образующей к оси вала 7... 15'. Смазывание толкателей обычно осуществляется разбрызгиванием масла, стекающего по штанге. Для обеспечения подвижного контакта со штангой в толкателе формируется сферическое гнездо с радиусом r1, который на 0,2...0,3 мм больше радиуса сферической головки штанги r2. а – грибковый со сферической опорной поверхностью; б – рычажный выпуклый; в – рычажный роликовый; г – гидравлический; 1 – корпус толкателя; 2 – упор; 3 – внутренний подвижный стакан; 4 – запорный клапан; 5 – возвратная пружина Рисунок 4.6 – Конструкции толкателей Гидравлические толкатели (рисунок 4.6 г) позволяют отказаться от создания теплового зазора в МГР. В такой конструкции штанга привода клапана упирается в упор 2 стакана 3, расположенного внутри корпуса 1 толкателя. Плунжер постоянно прижат пружиной 5 к штанге. Его внутренняя полость сообщается с масляной магистралью, и при открытом запорном пластинчатом клапане 4 давление в ней равно давлению в масляной магистрали. В 70 начале подъема толкателя давление под плунжером резко увеличивается, что вызывает закрытие клапана, а усилие передается на штангу, коромысло и клапан. Такие толкатели надежно работают только на чистых маслах с пологими вязкотемпературными характеристиками. Штанга. Представляет собой стержень трубчатого сечения, изготовляемый из малоуглеродистой стали или алюминиевого сплава. В верхний и нижний концы штанги из алюминиевого сплава запрессовывают стальные наконечники с опорными поверхностями (см. рисунок 4.6 а, в). Нижний наконечник штанги имеет сферическую поверхность, а верхний – в зависимости от конструкции коромысла сферическую головку или сферическое гнездо. Опорные поверхности наконечников термически обрабатывают, шлифуют и полируют. Иногда через штангу подается масло от толкателя к коромыслу (см. рисунок 4.6 в), для чего в наконечниках выполняются отверстия. Коромысла. Изготовляются одноплечими (см. рисунок 4.2 б...г), двуплечими (см. рисунок 4.2 д...ж) или вильчатыми (см. рисунок 4.2 з). Одноплечие коромысла (рычаги) приводятся в движение от РВ и контактируют с ним по плоским (см. рисунок 4.2 б) или сферическим (см. рисунок 4.2 в, г) рабочим поверхностям. Такие коромысла устанавливаются на общей неподвижной оси (см. рисунок 4.2 б) или на индивидуальных опорах (см. рисунок 4.2 в, г) и фиксируются на сферической опоре специальной пружиной. Двуплечие коромысла устанавливаются на общей стальной неподвижной оси трубчатого сечения, полость которой используется для подвода смазочного материала. Подшипниками для коромысел служат втулки из оловянистой бронзы. Перемещения коромысел на оси ограничены распорными цилиндрическими пружинами, установленными между ними. Коромысла штампуют из сталей, а их опорные поверхности подвергают термообработке. Для регулировки зазоров в коромысло со стороны штанги ввертывают регулировочный болт (см. рисунок 4.2 д). Коромысла облегченного типа штампуют из листовой стали. Они качаются около сферической или полусферической опоры, закрепленной на индивидуальной стойке в головке блока цилиндров (см. рисунок 4.2 ж). При цилиндрической поверхности носка поворот коромысла приводит к его проскальзыванию по торцу стержня клапана. Возникающая при этом сила трения вызывает износ торца и изгиб стержня. Для уменьшения этой силы геометрические размеры коромысла выбирают таким образом, чтобы центр сферической головки наконечника перемещался по дуге, расположенной симметрично относительно плоскости, проведенной через ось качания коромысла перпендикулярно оси клапана. Для этого в плечо коромысла ввертывают винт, в сферическое гнездо которого завальцовывают шарик со срезанным сегментом (см. рисунок 4.2 е). В современных ДВС для уменьшения внутренних потерь энергии в ко- 71 ромысле используется подшипник качения. Смазочный материал к рабочим поверхностям одноплечих рычагов и коромысел (поверхностям контакта штанг и коромысел, толкателей и рычагов, рычагов и клапанов) при их расположении на общей оси подводится по каналам в них из внутренней полости оси. В конструкциях с одноплечими рычагами на индивидуальных опорах масло поступает через отверстия в кулачках РВ. В некоторых конструкциях масло подводится от толкателя к коромыслу через отверстия в штанге. В штампованном коромысле (см. рисунок 4.2 ж) масло подводится к его рабочим поверхностям из масляного канала в блоке и по осевому и радиальному отверстиям в стойке. Возможен вариант смазывания рабочих поверхностей коромысла разбрызгиванием. Клапанный узел. Этот узел включает в себя клапан, пружину(ы), элементы крепления клапана и пружины (тарелки, сухарики), направляющую втулку, седло клапана, механизм поворота клапана, уплотнительную маслозащитную манжету. (В ряде случаев седло и поворотный механизм могут отсутствовать). Клапанный узел должен отвечать следующим требованиям: • обеспечивать наибольшее наполнение цилиндра и его герметизацию; • иметь минимально возможную массу, достаточные прочность, жесткость и минимально возможную деформацию элементов; • иметь малую тепловосприимчивость поверхности головки клапана; • обеспечивать эффективный теплоотвод (особенно для выпускного клапана), иметь высокую износостойкость в сопряжениях клапан – втулка и клапан – седло и высокую коррозионную V стойкость в сопряжении клапан – седло. Условия работы клапанного узла: • воздействие переменных нагрузок от инерционных и газовых сил, а также тепловых нагрузок. При этом наиболее ответственным является сопряжение клапан – седло (высокие температуры и ударные воздействия при посадке клапана); • неравномерный нагрев отдельных зон некоторых деталей; • высокие скорости перемещения в подвижном сопряжении клапан – втулка при ограниченном смазывании; • попадание масла в цилиндр через зазор в сопряжении клапан – втулка на такте впуска, что обусловлено перепадом давлений между объемами под клапанной крышкой и во впускном трубопроводе; • наличие в отработавших газах агрессивных компонентов в виде соединений серы, свинца и других элементов, которые при высокой температуре создают благоприятные условия для интенсивного коррозионного износа; • высокие скорости движения газовых потоков, которые могут вызывать ускоренный эрозионный износ. Клапаны. Предназначены для впуска свежего заряда и выпуска отработавших га- 72 зов в соответствии с принятыми фазами газораспределения, а также герметизацию камеры сгорания в процессе сжатия и расширения. Клапан состоит из головки и стержня. Головка обеспечивает герметизацию канала при закрытом клапане, а стержень служит направляющим элементом при движении клапана. Надежная работа клапанов обеспечивается следующими конструктивными и технологическими мероприятиями: • правильный выбор материалов клапана, седла и направляющей втулки; • повышение жаропрочности и износостойкости клапанов; • подбор конструктивных параметров и форм деталей, обеспечивающих наименьший приток теплоты от отработавших газов и интенсивный теплоотвод; • применение механизмов поворота клапанов. а...г – клапаны; д, е – детали крепления тарелки клапана; ж...л – седла клапанов; 7 – пружинное стопорное кольцо; 2 – направляющая втулка; 3 – сухарики; 4 – опорная тарелка; 5 – втулка; 6 – колпачок; 7 – пружина Рисунок 4.7 – Элементы клапанного узла Выпускные клапаны воспринимают большие тепловые нагрузки, чем 73 впускные. Температура головок впускных клапанов достигает 300...420 оС, а для их изготовления применяют легированные стали. Температура головок выпускных клапанов в ДсИЗ может достигать 800...850 °С, а в дизелях – 500...600 °С, поэтому их изготовляют из дорогостоящих жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, содержащих хром, кремний, никель и молибден. От формы головки зависят условия обтекания клапана газами, его масса и стоимость изготовления. Головка клапана может быть плоской (рисунок 4.7 а, г), выпуклой (рисунок 4.7 б) и тюльпанообразной (рисунок 4.7 в). Клапан с плоской головкой наиболее прост в изготовлении, и поэтому получил преимущественное применение. Впускные клапаны могут иметь как плоскую, так и вогнутую (тюльпанообразную) форму головки. Последняя форма широко применяется в быстроходных форсированных двигателях. Переход от стержня к головке такого клапана выполняется по кривой большого радиуса, что улучшает обтекание клапана газовым потоком при наполнении цилиндра, обеспечивая снижение гидравлических потерь при поступлении свежего заряда в цилиндр и уменьшение массы клапана. Однако при этом повышаются тепловосприимчивость головки и трудоемкость ее изготовления. Для выпускных клапанов характерны плоская и выпуклая (сферическая) формы головки, обеспечивающие улучшение обтекания клапана со стороны цилиндра при выпуске отработавших газов и повышение жесткости головки, однако при этом увеличивается ее масса и растет тепловосприимчивость. Переход от стержня к головке такого клапана выполняется по кривой большого радиуса в целях увеличения жесткости головки, предотвращения коробления фаски при нагреве клапана и уменьшения гидравлических потерь. Головка впускных клапанов переходит к стержню под углом 12...15°, что создает хорошие условия их обтекания, а выпускных – под углом 20...25°. Коническая фаска головки обеспечивает герметизацию камеры сгорания. Угол фаски αф выпускных клапанов составляет 45°, а впускных – 30о и 45°. При фиксированном максимальном подъеме клапана угол фаски, равный 30°, позволяет обеспечить бóльшую площадь проходного сечения, чем αф = 45°. Однако при этом повышаются гидравлические потери, создаваемые клапаном. Для обеспечения надежного контакта между клапаном и седлом по наружной кромке фаски головки клапана, а также для их быстрой притирки угол фаски выполняется на 0,5...1° меньше угла фаски седла. Ниже фаски головка обычно имеет цилиндрический поясок, который предохраняет ее кромки от обгорания, сохраняет диаметр клапана при перешлифовке уплотняющей фаски, обеспечивает жесткость головки. Повышения долговечности выпускных клапанов добиваются комбинированием различных материалов, нанесением на фаску головки клапана (см. рисунок 4.7 г) и торец стержня (см. рисунок 4.7 б) сплава стеллит или нихром, интенсифицированием охлаждения головки (см. рисунок 4.7 г) и принудительным проворачиванием клапана (см. рисунок 4.7 е). Для снижения 74 стоимости клапана из жаростойкого материала выполняют только его головку, а стержень изготовляют из стали, соединяя их диффузионной сваркой. Тепловой поток от рабочего тела в камере сгорания воспринимается головкой клапана (особенно выпускного) и передается через стержень в направляющую втулку. Организация интенсивного охлаждения указанных деталей предполагает подвод охлаждающей жидкости к этим наиболее нагретым зонам, увеличение диаметра стержня клапана и длины его направляющей втулки, а также перенос теплоты от головки к стержню за счет взбалтывания при движении жидкого натрия в стержне клапана. Для этого полость в клапане заполняют на 50...60% солями натрия, температура плавления которого 97 °С (см. рисунок 4.7 г). Горячие газы нагревают тарелку клапана и заполняющий ее внутреннюю полость натрий. При открытии клапана нагретый натрий перемещается относительно стержня, перенося теплоту от головки к стержню и далее в направляющую втулку. При посадке клапана на седло натрий снова перемещается к тарелке, воспринимая часть теплоты от ее стенок. Таким образом, при движениях клапана интенсифицируется передача теплоты от головки к стержню. Элементы крепления клапана и пружины в автотракторных ДВС представлены опорной тарелкой 4 и двумя разрезными сухариками 3 с углом конуса 10...15° (см. рисунок 4.7 д). В верхней части стержня клапана делают специальные выточки: цилиндрическую с галтелями (см. рисунок 4.7 а) с одним или двумя поясками (см. рисунок 4.7 в) или коническую. При непосредственном приводе клапанного узла от РВ в ряде случаев между ними устанавливается направляющий стакан, в верхней части которого в целях компенсации зазоров могут располагаться специальные шайбы или гидрокомпенсатор. Механизм поворота клапана используется для увеличения надежности работы фасок в сопряжении головка клапана – седло. Этот механизм, обеспечивающий поворот клапана относительно седла в процессе работы, конструируется в виде обоймы, на которую опирается пружина или дополнительная коническая втулка, располагаемая в тарелке. Обойма вращается за счет перекатывания шариков в наклонных углублениях вследствие изменения сил, вызывающих перемещение клапана. Втулка 5 (см. рисунок 4.7 е) нижним торцом опирается на днище тарелки 4 по небольшой площади. Клапанная пружина предназначена для удерживания клапана в закрытом положении. Пружина работает в условиях резко изменяющихся динамических нагрузок. Цилиндрические пружины в МГР современных двигателей применяются в основном с постоянным шагом и углом подъема витка 8...12°. Для уменьшения склонности к возникновению резонанса их делают с переменным шагом или коническими. Материалом для изготовления пружин является проволока из пружинной стали диаметром 3...6 мм. Пружина подвергается закалке и среднему отпуску. Концевые витки пружин шлифуются для получения плоской кольцевой опорной поверхности. Для повышения усталостной прочности пружины обдуваются стальной дробью, а для защиты от коррозии их оксидируют, 75 оцинковывают или кадмируют. При установке пружины должны надежно центрироваться с обоих торцов. Использование двух пружин в клапанном узле позволяет уменьшить его габаритные размеры и повысить долговечность пружин. Для предотвращения попадания витков одной пружины между витками другой пружины при поломке они должны иметь противоположные направления навивки или различные углы навивки. Направляющая втулка обеспечивает перемещение клапана и отвод теплоты от его стержня (см. рисунок 4.7 а...г). Для фиксации в головке цилиндров ее выполняют с выточкой под пружинное стопорное кольцо 1 (см. рисунок 4.7 а) с заплечиками (см. рисунок 4.7 б, в) или с наружным конусом. Втулка клапана работает в паре со стержнем и должна обладать высокой износостойкостью в условиях повышенных температур и при недостаточном смазывании. Выбор того или иного материала для втулки всегда определяется материалом стержня клапана в целях обеспечения долговечности деталей. Следовательно, произвольная замена материалов в этой паре при ремонте может существенно сократить их ресурс. Втулку изготовляют из антифрикционных серых чугунов, бронзы или спекаемой хромистой либо хромоникелевой керамики, которую сульфидируют и графитизируют в масле. Такая керамика имеет повышенные износостойкость и антифрикционные свойства, обусловленные пористой структурой, позволяющей хорошо удерживать смазочный материал, однако при этом ее теплопроводность ниже теплопроводности бронзы и чугуна. Применение бронзовых втулок обеспечивает интенсивный отвод теплоты от стержней выпускных клапанов и более надежную работу стержня в условиях недостаточности смазывания, чем при использовании чугунных втулок, вследствие малой склонности этой пары к задирам и заеданиям. Для предотвращения перемещения в корпусе головки цилиндра направляющие втулки устанавливаются с натягом, значение которого зависит от коэффициентов линейного расширения материалов втулки и головки. При этом обеспечивается отвод теплоты от стержня клапана в головку цилиндра. Втулки с заплечиками удобны при запрессовке, позволяют центрировать клапанную пружину, но они более сложные в изготовлении, чем втулки с выточкой под пружинное стопорное кольцо. Для улучшения отвода теплоты зазор между втулкой и стержнем должен быть минимально допустимым для обеспечения работы без заедания. Глубокая посадка направляющей втулки впускного клапана не применяется, поскольку при этом увеличивается сопротивление на впуске. Герметизация камеры сгорания для предотвращения попадания масла при создании разрежения между ней и клапанной крышкой обеспечивается колпачками (манжетами) 6 (см. рисунок 4.7 е) из маслобензостойкой резины. Седла клапана предназначены для повышения долговечности зоны их контакта с головкой цилиндра и крепятся в последней (см. рисунок 4.7 ж...л). Работают седла в условиях, аналогичных условиям работы головок клапанов (ударные нагрузки, высокая температура и агрессивная среда), что обуслови- 76 ло целесообразность их установки не только в головках из алюминиевого сплава, но и в головках из чугуна. Для изготовления седла применяются специальные легированные чугуны или жаростойкие сплавы. Иногда на рабочую поверхность седла выпускного клапана наносится слой тугоплавкого материала. В последнее время появились специальные спеченые порошковые материалы. В целях получения хорошего уплотнения поясок седла шириной около 2 мм изготовляется с переменным углом (см. рисунок 4.7 ж). Наружная поверхность седла может иметь цилиндрическую (см. рисунок 4.7 к) или коническую (см. рисунок 4.7 и) форму. Седла крепятся запрессовкой с натягом и расческой головки (см. рисунок 4.7 к). 3 Основные подходы к конструированию МГР Обеспечение гидродинамической эффективности МГР Диаметры горловин клапанов выбираются максимально допустимыми из условия возможности их размещения в головке цилиндра. Суммарная площадь впускных и выпускных горловин составляет от 25...40% площади поршня Fп для двухклапанных МГР до 65% Fп для трех- и четырехклапанных. Наилучшие показатели двигателя обеспечиваются при совокупной площади горловин впускных клапанов на 30...45% больше площади выпускных клапанов. Оценка правильности выбора геометрии проходных сечений при газообмене проводится из условия неразрывности потока в них при следующих допущениях: рабочее тело несжимаемо, а поршень с площадью Fп движется с постоянной средней скоростью сп. Достаточность площади проходных сечений горловин одноименных клапанов iкл с проходным сечением горловины каждого клапана ƒг (считая, что клапаны в ней отсутствуют) проверяется по первой условной скорости потока газа υ'= спFп(iклƒг). В автотракторных двигателях значения υ' впускной горловины составляют 50...80 м/с, выпускной – 70...100 м/с, а в многоклапанных МГР – 35 и 50 м/с соответственно. Многоклапанные МГР обеспечивают снижение уровня гидравлических потерь в системе газообмена и, следовательно, увеличение массового наполнения цилиндра. Синтез профилей кулачков Исходными параметрами для синтеза кулачков любого профиля (рисунок 4.8) являются: максимальная высота подъема клапана h клmax; фазы газораспределения (углы опережения открытия φоп.вп, φоп.вып и запаздывания закрытия φзап.вп, φзап.вып впускного и выпускного клапанов); тепловой зазор h0; передаточное отношение плеч коромысла iк = L k /L T . На основании этих параметров определяются: • угол действия кулачка φ0 = 2(φоп + 180 + φзап)/τ; • максимальная высота подъема толкателя hTmах = hkл mах/ik; 77 • тепловой зазор со стороны толкателя h0т = h0/iк; • частота вращения кулачка ωк = 2ωном/τ. Для корректировки профиля на возможную температурную деформацию деталей ГРМ радиус окружности затылка кулачка r К . a – выпуклый; б – тангенциальный; в – вогнутый Рисунок 4.8 – Профили кулачков 4 Перспективы развития МГР В современных ДВС механизмы газораспределения все в большей степени обеспечивают формирование внешней скоростной характеристики и оперативное управление работой двигателя, как при оптимизации наполнения цилиндров, так и при регулировании его мощности на нагрузочных режимах. Это достигается использованием в конструкции МГР устройств управления фазами газораспределения и регулирования высоты подъема клапанов. Работы по совершенствованию МГР ведутся в направлении повышения эффективности управления процессами газообмена и ДВС посредством: • увеличения проходных сечений впускных и выпускных каналов за счет увеличения числа клапанов с двух до трех-четырех и более на цилиндр. При этом с уменьшением dкл увеличивается жесткость головки клапана, улучшается ее охлаждение, снижается инерционная нагрузка на детали МГР, однако усложняется механизм привода клапанных узлов. В настоящее время наибольшее распространение получили МГР с тремя и четырьмя клапанами на цилиндр, но в публикациях имеются сведения и о семи клапанах на один цилиндр. Однако увеличение числа клапанов не нашло дальнейшего развития из-за усложнения их привода, роста объема технического обслуживания и увеличения стоимости производства и эксплуатации таких МГР. Следует отметить также, что увеличение числа клапанов, как правило, не приводит к пропорциональному росту совокупной площади проходных сечений горловин одноименных клапанов; 78 • изменения наполнения цилиндров за счет управления фазами газораспределения и высотой подъема клапанов в соответствии с режимом работы ДВС; • перехода от механического привода клапанов к гидравлическому или электромагнитному. Традиционные конструкции МГР с постоянными фазами газораспределения и высотой подъема клапанов обеспечивают высокие значения крутящего момента в ограниченной области частот вращения коленчатого вала. Для преодоления этого обстоятельства ряд современных ДВС имеют специальные устройства, регулирующие фазы газораспределения и высоту подъема клапанов по командам электронного блока управления двигателем (ЭБУ), обеспечивающего получение желаемых характеристик двигателя. Устройства ступенчатого регулирования фаз газораспределения впускных клапанов являются конструктивно наиболее простыми. а – общий вид и конструкция; б, в – соответственно схемы минимального и максимального перекрытия клапанов; 1 – роликовая цепь привода кулачкового вала; 2 – ведущая звездочка привода кулачкового вала; 3 – ведомая шестерня; 4 – возвратная пружина; 5 – опора кулачкового вала; 6 – кулачковый вал; 7 – канал подвода масла из системы смазывания двигателя; 8 – канал подвода масла в полость 10; 9 – втулка кулачкового вала с наружными прямоугольными шлицами; 11 – дренажное отверстие;12 – исполнительный соленоид; 13 – управляющий плунжер; 14 – фланец; 15 – перекрытие клапанов; 16 – продолжительность фазы выпуска; 17 – продолжительность фазы впуска Рисунок 4.9 – Устройство ступенчатого регулирования угла опережения Рассмотрим одно из таких устройств (рисунок 4.9), обеспечивающих из- 79 менение ФГР для двух фиксированных положений: минимального и максимального перекрытия клапанов за счет поворота кулачкового вала с помощью винтовой пары внутреннего зацепления, связывающей с ним ведущую звездочку привода. Изменение углового положения вала осуществляется при смещении ведомой шестерни по шлицам втулки кулачкового вала результирующей силой от действия возвратной пружины и давления масла, подаваемого по каналу 7 через канал 8 в полость 10. Управление устройством, обеспечивающим перестановку плунжера, производится по команде ЭБУ с помощью исполнительного соленоида. Если соленоид втянут, чему соответствует крайнее левое положение управляющего плунжера, то обеспечивается минимальное перекрытие клапанов, а если соленоид максимально выдвинут, – максимальное. Устройства бесступенчатого (непрерывного) регулирования фаз газораспределения впускных клапанов обеспечивают большие возможности формирования характеристик ДВС. Рассмотрим наиболее распространенные из них. Схема гидромеханического устройства непрерывного изменения ФГР впускных клапанов приведена на рисунке 4.10. 1 – кулачковый распределительный вал выпускных клапанов; 2 – роликовая цепь привода впускного распределительного вала; 3 – впускной распределительный вал; 4 – гидравлический натяжитель; 5 – направляющая натяжителя Рисунок 4.10 – Принципиальные схемы гидромеханического устройства непрерывного регулирования фаз газораспределения впускных клапанов при максимальном (а) и минимальном (б) перекрытии клапанов Привод РВ 1, управляющего работой выпускных клапанов, осуществляется двухрядной роликовой цепью от коленчатого вала, а привод РВ 3, управляющего работой впускных клапанов, производится от РВ 7 с помощью цепной передачи 2. Для изменения ФГР впускных клапанов одна из ветвей схемы увеличивается, а другая – уменьшается с помощью гидравлического натяжителя 4 за счет его перемещения вверх-вниз в неподвижной направляющей 5. В результате происходит изменение относительного углового поло- 80 жения впускного кулачкового вала. Гидромеханическое устройство взаимного изменения углового положения валов приводов впускных и выпускных клапанов приведено на рисунке 4.11. Исполнительный механизм такого устройства расположен на конце впускного распределительного вала, приводимого от выпускного распределительного вала. Ротор с лопатками закреплен неподвижно на впускном распределительном валу, а корпус устройства – на звездочке привода этого вала. По сигналу от ЭБУ масло из системы смазывания двигателя по каналам в распределительном валу подается в пространство между лопастями ротора и корпусом устройства. В результате РВ поворачивается на угол, заданный регулятором, после чего вал фиксируется гидроуправляемым стопорным пальцем до поступления очередной команды. а – общий вид; б, в – соответственно положение раннего и позднего открытий впускного клапана; 1 – крышка устройства; 2 – стопорный палец; 3 – ротор с лопатками; 4 – распределительный вал впускных клапанов; 5 – звездочка привода вала 4; 6 – корпус устройства Рисунок 4.11 – Гидромеханическое устройство взаимного изменения углового положения впускных и выпускных клапанов Устройства, комплексно регулирующие фазы газораспределения и высоту подъема клапанов, более сложные. Рассмотрим некоторые из них. 81 Устройство Valvetronic (рисунок 4.12) обеспечивает с помощью ЭБУ двигателя управление наполнением цилиндров свежим зарядом путем изменения высоты подъема клапана, который получает команды от электронного «акселератора», положение которого задает водитель. Дроссельная заслонка в таком двигателе отсутствует. а – клапаны закрыты; б – клапаны полностью открыты; в – формирование промежуточных значений фаз и высоты подъема клапанов; 1 – впускной распределительный вал; 2 – кулачок впускного клапана; 3 – промежуточный рычаг; 4 – эксцентриковый вал; 5 – эксцентрик; 6 – пружина; 7 – ролик промежуточного рычага; 8 – профилированный подпятник промежуточного рычага3; 9 – роликовый рычаг привода впускного клапана; 10 – впускной клапан; 11 – гидрокомпенсатор Рисунок 4.12 – Устройство Valvetronic изменения высоты подъема впускных клапанов по углу поворота коленчатого вала Данное устройство состоит из распределительного впускного вала и дополнительного вала с эксцентриком. В зависимости от положения эксцентрика, промежуточного рычага и впускного кулачка клапаны могут быть закрыты (рисунок 4.12 а), полностью открыты (рисунок 4.12 б), а также могут формироваться промежуточные значения фаз и высоты подъема клапанов 82 (рисунок 4.12 в). Постоянную кинематическую связь между подвижными элементами устройства обеспечивает пружина 6. Положение эксцентрика изменяется шаговым электродвигателем, управляемым ЭБУ двигателя. Гидромеханическое устройство управления временем открытия и высотой подъема клапанов (рисунок 4.13) для привода двух впускных клапанов (7, 8) цилиндра имеет три коромысла (1...3) и три разных кулачка (4...6). Наибольшую высоту подъема клапана (100%) обеспечивает кулачок 5. Кулачок 5обеспечивает около 75% высоты подъема клапана, а кулачок 6 – около 5%. Кулачки 6 и 4 взаимодействуют с коромыслами 1 и 3, которые соответственно приводят в действие впускные клапаны 8 и 7. Коромыслам соответствуют гидравлические каналы 10 и 12, в которых перемещаются поршниблокираторы 9 и 11. При этом кулачок 5 взаимодействует только с коромыслом 2, непосредственно не связанным с клапанами. а…в – при низких, средних и высоких частотах вращения коленчатого вала; г – высоты открытия впускных клапанов в соответствующих режимах; д – изменение подъема впускных клапанов в соответствующих режимах; 1…3 – коромысла; 4…6 – кулачки; 7, 8 – впускные клапаны; 9, 11 – блокираторы коромысел; 10, 12 – гидравлические клапаны блокираторов; 13 – кулачковый вал Рисунок 4.13 – Гидромеханическое устройство управления временем открытия и высотой подъема клапанов 83 Перемещение поршней-блокираторов за счет давления масла, перераспределяемого по каналам 10 и 12 электронно-управляемым золотником в соответствии с режимом работы ДВС, позволяет по разному «включать» отдельные клапаны. При низких частотах вращения коленчатого вала (рисунок 4.13 а) блокираторы устанавливаются таким образом, чтобы коромысла 1 и 3 работали независимо друг от друга. Тогда клапан 8 поднимается на высоту, составляющую около 5% от максимальной высоты его подъема, а клапан 7 – на 75%. При средних частотах вращения коленчатого вала (рисунок 4.13 б) коромысла 1 и 3 блокируются поршнем 9, и оба клапана управляются кулачком 4, поднимаясь на одинаковую высоту, составляющую около 75% от hклmax. При высоких частотах вращения коленчатого вала (рисунок 4.13 в) коромысла 1 и 2 дополнительно блокируются поршнем 11. При этом все три коромысла объединяются в единый блок, а клапаны 7 и 8 управляются кулачком 5, обеспечивающим их подъем на максимальную высоту. На рисунке 4.13 г, д представлены схематично высоты подъема клапанов и законы движения клапанов на различных режимах работы двигателя. Гидромеханическое устройство привода впускных клапанов с «запирающим» валом (рисунок 4.14) обеспечивает возможность бесступенчатого изменения высоты подъема клапана. а – схема, соответствующая минимальному открытию впускного клапана; б – схема, соответствующая максимальному открытию впускного клапана; 1 – впускной распределительный вал; 2 – суппорт с роликом; 3 – «запирающий» вал; 4 – коромысло впускных клапанов; 5 – впускной клапан 84 Рисунок 4.14 – Гидромеханическое устройство привода впускных клапанов с «запирающим» валом Здесь на верхней плоскости коромысла привода впускного клапана 5 устанавливается суппорт 2, ролик которого связан с кулачками впускного распределительного вала 1 и дополнительного «запирающего» вала 3. Положение суппорта задается с помощью гидравлической системы, определяя уровень его взаимодействия с каждым из кулачков. Исполнительное устройство электромеханического привода клапанов (рисунок 4.15) позволяет индивидуально изменять высоту подъема каждого клапана и регулировать фазы его открытия и закрытия, обеспечивая оптимизацию управления двигателем на всех режимах его работы. В этом случае отпадает необходимость в кулачковых валах, дроссельных заслонках и их приводах, что значительно снижает массу двигателя, а также на 90% снижаются общие потери на трение в системе газораспределения. Однако при этом усложняется система управления клапанами, т.е. требуется дополнить электронный блок управления двигателя блоком управления клапанами, а также необходим более мощный источник электроэнергии (более 12 В). 1 – клапан; 2 – пружина клапана; 3 – шток клапана; 4 – нижний электромагнит; 5 – воздушный зазор; 6 – якорь штока клапана; 7 – верхний электромагнит; 8 – пружина штока клапана и якоря; 9 – датчик положения штока клапана Рисунок 4.15 – Исполнительное устройство электромеханического привода клапанов Движением клапана 1 управляют электромагниты 4 и 7, осуществляю- 85 щие его перестановку по команде блока управления. При выключенных электромагнитах две встречно действующие пружины 2 и 8 с одинаковыми характеристиками удерживают якорь 6 в нейтральном положении (в центре воздушного зазора 5). Электромагниты осуществляют фиксацию якоря в крайних положениях (клапан закрыт или полностью открыт), а также совместно с пружинами управляют законом изменения его подъема. Вопросы для повторения и самоконтроля 1. Соблюдением каких требований можно обеспечить максимально возможную мощность ДВС и наилучшую экономичность при приемлемых параметрах токсичности на каждом режиме работы? 2. Какие взаимосвязанные факторы определяют схему МГР? 3. Какие преимущества верхнего расположения клапанов? 4. Виды приводов РВ? 5.Какие воздействия испытывает РВ в процессе работы? 6. Перечислить требования предъявляемые к РВ. 7. Какими параметрами определяется конструктивная форма РВ? 8. От чего зависят число и расположение кулачков на РВ? 9. Назначение деталей ГРМ. 10. Каким требованиям должен соответствовать клапанный узел? 11. Перечислить условия работы клапанного узла. 12. Какими конструктивными и технологическими мероприятиями обеспечивается надежная работа клапанов? 13. Перечислить формы головки клапана и дать им характеристику. 14. Оценить правильность выбора геометрии проходных сечений. 15. Посредством каких мероприятий ведутся работы по совершенствованию МГР в направлении повышения эффективности управления процессами газообмена? 16. Какое назначение и работа устройства ступенчатого регулирования фаз газораспределения впускных клапанов? 17. Какое назначение и работа устройства бесступенчатого (непрерывного) регулирования фаз газораспределения впускных клапанов? 18. Назначение и работа гидромеханического устройства взаимного изменения углового положения валов приводов впускных и выпускных клапанов. 19. Назначение и работа устройства, комплексно регулирующего фазы газораспределения и высоту подъема клапанов. 20. Назначение и работа гидромеханического устройства управления временем открытия и высотой подъема клапанов. 21. Назначение и работа гидромеханического устройства привода впускных клапанов с «запирающим» валом. 22. Назначение и работа исполнительного устройства электромеханического привода клапанов. 86 Лекция № 5 СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ План 1. Назначение и конструктивные схемы систем охлаждения. 2. Охлаждающие жидкости. 3. Регулирование производительности системы жидкостного охлаждения. 4. Вентиляторы. Радиаторы. Жидкостные насосы. 5. Воздушная система охлаждения. 6. Сравнительный анализ жидкостной и воздушной систем охлаждения. 7. Неисправности систем охлаждения. 8. Предпусковой подогрев двигателя. 1 Назначение и конструктивные схемы систем охлаждения Система охлаждения предназначена для обеспечения требуемого теплового состояния деталей двигателя посредством принудительного отвода теплоты от них. В автомобильных двигателях получили распространение циркуляционные двухконтурные системы охлаждения, в которых теплоту от нагретых зон деталей двигателя забирает промежуточный теплоноситель – охлаждающая жидкость (ОЖ), циркулирующая по замкнутому контуру, и передает ее в теплообменнике – радиаторе – воздуху, проходящему по воздушному контуру. Конструкция жидкостной системы охлаждения во многом определяется принятым способом организации циркуляции жидкости. По этому признаку различают системы охлаждения с принудительной циркуляцией жидкости и смешанные, включающие в себя принудительную и термосифонную системы. Система с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости в настоящее время является одной из основных систем, применяемых в автотракторных двигателях. Принудительная циркуляция промежуточного теплоносителя по всему контуру осуществляется в ней жидкостным насосом (рисунок 5.1 а ОЖ подводится через нижний пояс цилиндров). Системы с принудительной и смешанной циркуляцией жидкости (см. рисунки 5.1 и 5.2) помимо радиатора и жидкостного насоса оснащаются термостатом, являющимся элементом регулирования их производительности 87 по жидкостному контуру. Термостат представляет собой позиционный регулятор расхода охлаждающей жидкости через теплообменник (радиатор). При достижении заданной температуры на выходе из рубашки охлаждения он перекрывает доступ жидкости в радиатор, ступенчато изменяя при этом производительность системы. 1 – радиатор; 2 – паровоздушная трубка; 3 – термостат; 4 – расширительный бачок; 5 – пробка расширительного бачка; 6 – рубашка блока цилиндров; 7 – жидкостный насос; 8 – вентилятор; 9 – обводная магистраль Рисунок 5.1 – Принципиальная схема циркуляционной жидкостной системы охлаждения Одноклапанные термостаты (см. рисунок 5.2 а) в настоящее время практически не применяются. а – с подводом жидкости в верхний пояс рубашки охлаждения цилиндров; б – с подводом жидкости в полость головки блока; в – двухполостная; 1 – радиатор; 2 – жидкостный насос; 3 – одноклапанный термостат; 4 – рубашка охлаждения двигателя; 5 – вентилятор; 6 – обводная магистраль; 7 – двухклапанный термостат; 8 – основной клапан термостата; 88 9 – дополнительный клапан термостата; 10 – распределительная труба; 11 – верхняя полость охлаждения цилиндров; 12 – нижняя полость охлаждения цилиндров; 13 – перегородка; 14 – канал для подвода теплоносителя Рисунок 5.2 – Схемы смешанных систем жидкостного охлаждения Для повышения кавитационной устойчивости системы при регулировании ее производительности используются двухклапанные термостаты (см. рисунок 5.2 б), которые в сочетании с обводной магистралью ограничивают разрежение на входе в насос при закрытом доступе жидкости в радиатор. В этом случае нагретая жидкость из рубашки охлаждения поступает или в радиатор через основной клапан термостата, или непосредственно во всасывающую магистраль насоса через дополнительный клапан и обводную магистраль. Тем не менее, организация малого контура циркуляции охлаждающей жидкости (при закрытом основном клапане) не устраняет возможность кавитационного срыва из-за существенного уровня гидравлических потерь в дополнительном клапане термостата и обводной (байпасной) трубки. Повышенной кавитационной устойчивостью обладают закрытые системы охлаждения (см. рисунок 5.1), жидкостный контур которых в определенном диапазоне давлений в нем изолирован от атмосферы. Связь с окружающим пространством в таких системах осуществляется через паровоздушную крышку расширительного бачка (рисунок 5.3), которая содержит впускной (воздушный) и выпускной (паровой) клапаны. Рисунок 5.3 – Крышка расширительного бачка с открытым выпускным (а) и открытым впускным (б) клапанами Производительность закрытых систем охлаждения (в силу повышения температурного напора между теплоносителями) и кавитационная устойчивость тем выше, чем больше давление, на которое настроен паровой клапан. Это давление, лимитируемое прочностью элементов системы (в основном радиатора), без опасности закипания жидкости, температура которой может достигать 103...113 °С, для автотракторных двигателей составляет 0,135... 0,15 МПа. Воздушный клапан срабатывает при падении давления в системе (в случае остановки двигателя) на 0,01...0,013 МПа. 89 Охлаждающие жидкости при нагревании увеличиваются в объеме, что диктует необходимость наличия в системе резервного компенсационного объема. Для этих целей используется расширительный бачок (см. рисунок 5.1), который устанавливается в самой высокой точке жидкостного контура с выходом во всасывающую магистраль насоса и выполняет функции конденсатора, стабилизатора уровня жидкости в рубашке охлаждения и деаэратора (отделителя воздуха, газов и пара от охлаждающей жидкости), а также является элементом, ограничивающим разрежение на входе в насос и тем самым повышающим кавитационную устойчивость системы. Расширительный бачок изготовляется из пластмассы. Для определения уровня охлаждающей жидкости может использоваться электронный датчик. Обычно при общем объеме бачка 10…25% емкости системы охлаждения объем паровоздушного пространства составляет 5...7%. Удельный объем системы охлаждения двигателей для легковых автомобилей составляет 0,18...0,24 л/кВт, а для грузовых – 0,25...0,34 л/кВт. 2 Охлаждающие жидкости Они должны удовлетворять следующим требованиям: – низкая температура замерзания и высокая температура кипения; – пожаро- и взрывобезопасность; – малая вязкость; – малая вспениваемость; – низкая коррозионная активность; – высокие теплоемкость и теплопроводность; – высокие санитарно-гигиенические характеристики (токсичность, биоразлагаемость); – инертность к резиновым шлангам и уплотнениям; – приемлемые экономические показатели (минимальная стоимость, низкие затраты на эксплуатацию и утилизацию); – химическая стабильность при эксплуатации и хранении; – удовлетворительные смазывающие свойства для обеспечения надежной работы подшипников жидкостного насоса. В значительной степени перечисленным требованиям отвечает вода. Она имеет целый ряд положительных качеств: доступность, высокую теплоемкость, пожаробезопасность, нетоксичность и т.п. (таблица 5.1). Однако она склонна к накипеобразованию (что ухудшает теплоотвод), имеет низкую температуру кипения и высокую температуру замерзания. Отложение накипи способствует появлению трещин в металле из-за неравномерного его расширения, связанного с ухудшением охлаждения, и увеличению коррозии. При замерзании вода расширяется примерно на 10%, а образующийся лед воздействует на стенки системы охлаждения с давлением свыше 250 МПа, что вызывает разрушение головки двигателя, блока и радиатора. Применение воды в системе охлаждения современных двигателей даже 90 летом следует рассматривать как вынужденный шаг в случае утечки жидкости из системы, работоспособность которой сразу не удается восстановить, или при отсутствии специальных низкотемпературных охлаждающих жидкостей. Таблица 5.1 – Сравнительная характеристика физико-химических свойств воды и этиленгликоля Показатель Вода Молярная масса, кг/моль 18,01 3 Плотность при 20 °С, кг/м 998,2 Температура замерзания, °С Температура кипения при 0,1 МПА, °С 100 Теплоёмкость при 20 °С, кДж/(кг·К) 4,184 Вязкость при 20 °С, сСт 1,0 Состав по массе, % Этиленгликоль, не менее – Вода, не более 100 Присадки – Концентрат этиленгликоля 62,07 1113 –12 197,7 2,422 19…20 94 5 6…8 Таблица 5.2 – Основные характеристики отечественных антифризов Показатель Антифриз (ГОСТ 159–52) 65 Концентрат АМ А-40М А-65М Светло-желтый Голубой Голубой Красноватый 40 Цвет ТОСОЛ (ТУ 6-02-751–78) Плотность при 20°С, 1067…1072 1085…1090 1120…1140 1075…1085 1085…1095 кг/м3 Температура за–40 –65 –120 –40 –65 мерзания, ° С Температура кипе100 100 170 108 115 ния, °С, не ниже Состав по массе, % Этиленгли52 64 96 58…66 60…64 ленгли- 91 коль, не менее Вода, не более Присадки 47 35 3 44 35 3,5…4,5 4,0…4,5 6,0…70 3,0…3,5 3,5…4,0 Антифриз (дословный перевод – против замерзания) наиболее полно и эффективно исправляет недостатки воды. Это понятие собирательное, обозначающее любые низкозамерзающие жидкости, применяемые для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, работающих при температурах ниже 0 °С (таблица 5.2). В основе современных антифризов лежат водные растворы двухатомных спиртов: этиленгликоля (синоним моноэтиленгликоль) и пропиленгликоля (синоним монопропиленгликоль). Этиленгликоль (ЭГ) – бесцветная вязкая жидкость с плотностью 1112... 1113 кг/м3 при 20 °С, с температурой начала кипения около 198 °С и температурой замерзания –12...–13 °С. Ядовит и может проникать в организм через кожу. Химическая формула НОСН2–СН2ОН. Пропиленгликоль (ПГ) по своим свойствам аналогичен ЭГ, однако он нетоксичен и значительно дороже. При низких температурах его вязкость выше (прокачиваемость хуже), чем у ЭГ. В силу этих причин в системах охлаждения двигателей он редко применяется. Химическая формула НОСН2– СНОНСН3. Водные растворы ЭГ и ПГ агрессивны к материалам деталей системы охлаждения, и использовать их без соответствующего «пакета» присадок не рекомендуется. В этот «пакет» входят антикоррозионные, стабилизирующие, антипенные, флуоресцентные и ряд других присадок, общее число которых может приближаться к 40. Поскольку этиленгликолевые антифризы чрезвычайно ядовиты, их окрашивают в цвета, неестественные для живой природы (сам этиленгликоль бесцветен). В Германии составы имеют темно-зеленый цвет, в Италии – красный и т.п. Все началось с автоВАЗа. Был нужен новый качественный антифриз для наших новых «Жигулей». В Государственном Союзном НИИ органической химии и технологии 3 года шла работа по созданию новой рецептуры охлаждающей жидкости. Целых три года химики творили, изобретали, анализировали, проверяли, огорчались неудачам и радовались успехам. Наконец, сотрудниками отдела «ТОС» («ТОС» – сокращенно – технология органического синтеза) была разработана новая рецептура и технология охлаждающей жидкости. После длительных проверок и перепроверок дома были проведены расширенные испытания в Турине. И – «Ура!», наш антифриз не уступает итальянскому «Парафлю» и рекомендован для использования в «Жигулях»! 92 Теперь этот антифриз все мы знаем как ТОСОЛ. Слово «ТОСОЛ» придумал один из авторов этого антифриза – В.Н. Кирьян. Оно образовано из: «ТОС» – название отдела, где работали создатели рецептуры, и «ОЛ» – по химической номенклатуре веществ это окончание показывает, что речь идет о спирте (этиленгликоль – это двухосновный спирт). Для примера: «этанОЛ» – этиловый спирт, «этан-1,2-диОЛ» – этиленгликоль. Необходимо добавить, что с того времени многие технологические жидкости, разработанные в отделе «ТОС» для различных отраслей нашей промышленности, стали называться «ТОСОЛ». Например, была создана замечательная закалочная жидкость, которая до сих пор используется на КамАЗе – «ТОСОЛ-К», или негорючая гидравлическая жидкость «ТОСОЛ-НГЖ», или смазочно-охлаждающая жидкость «ТОСОЛ-ОИЗ», которые еще «живут» на ВАЗе, и др. Так что, по большому счету, «ТОСОЛ» – это нечто большее, чем просто автомобильный антифриз. Вот они, наши первые «тосолыдики», получившие Авторское свидетельство на изобретение антифриза: О.Н. Дымент, В.Н. Кирьян, А.В. Борисов, В.А. Гончаров, Ю.В. Тихонов, Н.П. Маслова, Е.Б.Чижов. Справедливости ради нужно добавить еще две фамилии, не вошедшие в список авторов, так как подключились к разработке антифриза уже на заключительном этапе, но способствующие доведению этой работы, так сказать, «до ума»: М.П. Шаталов и И.Г. Садовникова. Для одних из них первый «ТОСОЛ» так и остался первым и единственным, для других – это целый перечень разработанных жидкостей типа «ТОСОЛ», который не закончился и по сей день. В настоящее время широко известны следующие марки отечественных антифризов: ТОСОЛ АМ (ОЖ-К), ТОСОЛ А-40М (ОЖ-40), ТОСОЛ А-65М (ОЖ-65). Здесь буквы означают: А – автомобильный; М – модифицированный, АМ и К – концентрат, а цифры указывают температуру кристаллизации ТОСОЛа. ТОСОЛ АМ окрашивается в голубой цвет. Этот же цвет имеет и наиболее распространенная марка ТОСОЛ-А40М. Красноватый оттенок характерен для марки ТОСОЛ А-65М. Требования к ОЖ в России устанавливает ГОСТ 28084–89 «Жидкости охлаждающие низкозамерзающие. Технические условия». Жидкости зарубежного производства регламентируются стандартами АSТМ и SАЕ, которые определяют свойства концентратов и готовых антифризов (на основе ЭГ и ПГ), а также условия их эксплуатации. Например, нормы АSТМ D 4985 и АSТМ D 5345 предназначены для двигателей внедорожной техники и больших грузовиков, нормы АSТМ D 4656 и АSТМ 03306 – для двигателей малых грузовиков и легковых автомобилей. Кроме общих стандартов многие изготовители зарубежной техники применяют свои ТУ. Хорошо известна система нормативов G концерна Volkswagen: G11 – для легковых автомобилей и легких грузовиков (присадки неорганические, допустимо наличие силикатов, срок службы 2...3 года, цвет голубой); 93 G12 – для тяжелой техники и новой автотехники (присадки органические, содержащие карбоксилатные соединения, без силикатов, срок службы – около 5 лет, цвет красный или желтый). Отсутствие силикатов имеет важное значение при использовании ОЖ в двигателях тяжелой техники. При высоких температурах силикаты могут переходить в желеобразные отложения, забивающие узкие каналы системы охлаждения. Технология получения антифризов представляет собой процесс смешивания этиленгликоля (пропиленгликоля) в различных пропорциях с дистиллированной водой с последующим добавлением «пакета» присадок. Различные концентрации раствора позволяют получить температуру начала кристаллизации от 0 до –75 °С. Многие антифризы выпускаются в виде концентрата, содержащего почти 100% этиленгликоля (или пропиленгликоля) и воды не более 5% с добавлением «пакета» специальных присадок. Для того чтобы получить антифризы с более низкой температурой кристаллизации, концентрат разбавляют дистиллированной водой в соответствующих пропорциях. Ресурс ОЖ прямо зависит от ее качества и пробега автомобиля. В процессе эксплуатации жидкость стареет, концентрация присадок снижается, теплопередача уменьшается, склонность к пенообразованию увеличивается и детали системы охлаждения интенсивно корродируют. Срок замены антифриза предписывает производитель техники или изготовитель антифриза. Обычно срок работоспособности ОЖ с силикатной группой присадок составляет 2...3 года или 60...100 тыс. км пробега, а с карбоксилитной группой присадок – 4...5 лет или около 150 тыс. км пробега. Срок хранения качественного ТОСОЛа составляет 3...4 года. Различные условия эксплуатации иногда диктуют необходимость внеплановой замены антифриза. В этом случае хорошим показателем состояния ТОСОЛа является его цвет. Изменение цвета от голубого до зеленого сигнализирует о начале коррозионных процессов, а от зеленого до рыже-бурого – об интенсивной коррозии. Если ТОСОЛ обесцвечен, значит, в системе охлаждения двигателя имеется значительная коррозия. Ускоренному старению и внеплановой замене ОЖ может способствовать попадание в систему охлаждения отработавших газов, признаками чего являются: • образование желеобразной массы на внутренней поверхности расширительного бачка; • при морозе до –15 °С – кашицеобразный ТОСОЛ и появление осадка в расширительном бачке; • частая работа электровентилятора. Уровень антифриза в системе охлаждения может упасть из-за испарения воды или утечки ОЖ. Испарение воды происходит при перегреве двигателя или повышенной температуре окружающей среды. В этом случае следует долить дистиллированную воду. В случае утечки ОЖ необходимо доливать ТОСОЛ. Какой компонент следует добавлять, можно определить по плотности ОЖ. 94 Смешивание различных антифризов не рекомендуется, так как присадки в них могут оказаться несовместимыми друг с другом и выпасть в осадок или образовать нежелательные коррозионно-активные соединения. При переходе с одного вида антифриза на другой жидкостный тракт системы охлаждения следует тщательно промыть. 3 Регулирование производительности системы жидкостного охлаждения Регулирование количества теплоты, отводимой от двигателя в окружающее пространство в единицу времени, осуществляется изменением массового расхода теплоносителей в жидкостном (горячем) и воздушном (холодном) контурах радиатора – теплообменика. Базовым при этом является регулирование производительности по жидкостному контуру, выполняемое с помощью автоматически действующего термостата, включаемого в циркуляционный контур, регулирующего расход жидкости через радиатор и совмещающего при этом измерительные и исполнительные функции. В зависимости от степени открытия клапанов термостата, определяемой термочувствительным элементом, изменяется соотношение потоков охлаждающей жидкости, поступающей во всасывающую магистраль жидкостного насоса через радиатор охлаждения и через обводную магистраль. По конструкции термочувствительного элемента различают термостаты с жидким (рисунок 5.4) и твердым (рисунок 5.5) наполнителем. Термостат с жидким наполнителем (см. рисунок 5.4) имеет сильфон, заполненный легкокипящей жидкостью (1:3 по объему этиловый спирт и дистиллированная вода). 1 – сильфон; 2, 6 – герметизирующие прокладки; 3 – корпус термостата; 4 – перепускной клапан; 5 – окна перепускного клапана; 7 – основной клапан; 8 – отверстие для выхода воздуха при заполнении системы охлаждающей жидкостью; 9 – кронштейн крепления нижней части сильфона к корпусу; 10 – направляющая штока основного клапана; 11 – шток основного клапана; 12 – выходной патрубок 95 Рисунок 5.4 – Термостат с жидким наполнителем Такие термостаты имеют ограниченный ресурс вследствие образования микроскопических усталостных трещин в стенках сильфона и потери им герметичности. Этого недостатка в значительной мере лишен термостат с твердым наполнителем (см. рисунок 5.5), который состоит из капсулы, заполненной термоактивной массой (обычно смеси церезина с медными опилками). 1 – нижняя рамка термостата; 2 – верхняя рамка термостата; 3 – регулировочный винт; 4 – шток; 5 – резиновый буфер – мембрана; 6 – седло основного клапана; 7 – основной клапан; 6 – пружина основного клапана; 9 – капсула с активной массой; 10 – направляющее кольцевое отверстие; 11 – перепускной клапан; 12 – фиксирующее кольцо перепускного клапана; 13 – пружина перепускного клапана;14 – седло перепускного клапана Рисунок 5.5 – Термостат с твердым наполнителем К числу достоинств термостата с твердым наполнителем относится его способность развивать большие усилия для перемещения рабочих органов, вследствие чего он также нашел широкое применение в системах воздушного охлаждения, устройствах отключения вентиляторов и т.д. Достижимая точность стабилизации температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя ограничивается тепловой инерционностью его термочувствительного элемента. Для сокращения времени перестановки клапанов в термочувствительный элемент термостата с твердым наполнителем монтируется электронагревательный элемент – резистор. Фактическая температура охлаждающей жидкости регистрируется при этом автономным датчиком, по сигналу которого на резистор подается электрический ток, интен- 96 сивно разогревающий термочувствительный элемент термостата. Общим недостатком регулирования производительности систем жидкостного охлаждения с помощью термостатов является то, что в качестве управляющего параметра здесь используется температура охлаждающей жидкости. Исследования показали, что для достижения максимальной эффективности работы двигателя целесообразно поддерживать на оптимальном уровне не температуру охлаждающей жидкости на входе в двигатель, а температуру его высоконагретых деталей (например, цилиндра и головки). Эффекта стабилизации их теплового состояния, не изменяя принципа термостатического регулирования, можно достичь, варьируя температуру охлаждающей жидкости, поддерживаемую термостатом, по режимам работы двигателя. Программируемый термостат (рисунок 5.6) позволяет целенаправленно влиять на температуру охлаждающей жидкости, увеличивая ее значения на частичных нагрузках. Программируемый термостат регулирует температуру в определенном поле рабочих характеристик двигателя. Для реализации оптимального теплового состояния двигателя электронный блок управления подает на термоэлемент напряжение, и термостат открывается при более низких температурах охлаждающей жидкости. Диапазон регулирования температур от 85 °С (номинальный режим работы) до 110 °С (частичные нагрузки). Для формирования управляющего воздействия электронный блок управления анализирует показания датчиков нагрузки двигателя, частоты вращения коленчатого вала, скорости движения автомобиля, температуры окружающей среды, температуры охлаждающей жидкости. В ДВС для регулирования производительности системы жидкостного охлаждения используется второй канал управления – регулирование теплового состояния двигателя изменением расхода охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор. Регулирование массовой скорости воздуха реализуется посредством изменения либо производительности вентилятора, либо аэродинамического сопротивления воздушного тракта. Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта изменяется дросселированием воздушного потока с помощью жалюзи, которые выполняются в виде набора вертикальных или горизонтальных пластин-створок из оцинкованного железа. Управляются жалюзи вручную или автоматически с помощью термостатических устройств в зависимости от температуры охлаждающей жидкости в радиаторе. Эффективность регулирования производительности системы охлаждения такими устройствами невысока, так как расход воздуха недостаточно снижается даже при полностью закрытых створках, а затраты мощности на привод вентилятора при этом возрастают. Изменение производительности вентилятора может осуществляться приводом его непосредственно от коленчатого вала: – клиновым ремнем от шкива, установленного на его носке; – шестеренной передачей; – шлицевым соединением. 97 Чтобы при этом привод не испытывал больших перегрузок при резких изменениях режимов работы, устанавливают фрикционные, гидравлические или упругие муфты. Основным недостатком такого привода является постоянная работа вентилятора независимо от температурного состояния двигателя, что требует значительных затрат мощности на его привод – порядка 3...6%. 1 – рабочий поршень; 2 – твердый наполнитель; 3 – регулирующий элемент; 4 – интегральный корпус; 5 – электрический разъем; 6 – термоэлемент; 7 – седло основного клапана; 8 – основной клапан; 9 – пружина основного клапана; 10 – опора пружины основного клапана; 11 – пружина перепускного клапана; 12 – перепускной клапан; 13 – седло перепускного клапана Рисунок 5.6 – Программируемый термостат с твердым наполнителем Для устранения этого недостатка в привод вентиляторов вводятся промежуточные элементы, которые регулируют его производительность: • фрикционные муфты с электромагнитным управлением. При включенном питании в обмотках электромагнита ведущий диск притягивается к фрикционному вкладышу ступицы вентилятора; 98 • фрикционные муфты с пневмоприводом (двигатель автобуса «Икарус»). Контакт ведущей (имеющей фрикционную накладку) и ведомой муфт осуществляется сжатым воздухом; • электромагнитные муфты. Фланец с установленными на нем лопастями и электромагнитом, вмонтированным в ведущую ступицу, притягивается к ней по прямоугольным шлицам; • термостатически управляемые муфты. Полость между ведущими и ведомыми элементами муфты заполняется ферромагнитной смесью. При подаче тока на обмотки электромагнита частицы порошка сцепляются друг с другом и образуют между собой жесткую связь, способную передавать большой крутящий момент; • вискомуфты. Плавно регулируют производительность вентилятора. При достижении определенной температуры специальная силиконовая жидкость (имеющая способность изменять вязкость в зависимости от температуры и хранящаяся в отдельной емкости) заполняет рабочие полости муфты и обеспечивает вращение вентилятора; • гидромуфты. Обеспечивают контакт ведущих и ведомых элементов с помощью картерного масла, которое заполняет рабочие полости муфты. Гидромуфты используются и на некоторых двигателях воздушного охлаждения; • автономные электродвигатели. Находят все большее применение, но на двигателях большегрузных автомобилей или внедорожной техники они не используются, так как необходимая мощность на привод их вентиляторов составляет 10...12 кВт. Управление работой приводов вентиляторов различных конструкций осуществляется по сигналам термореле – датчика температуры охлаждающей жидкости, установленного в радиаторе. 4 Вентиляторы. Радиаторы. Жидкостные насосы В системах жидкостного охлаждения преимущественное распространение получили осевые вентиляторы с числом лопастей от четырех до восьми и диаметром Dв = 300...670 мм. Подбор вентилятора осуществляется согласованием его характеристик (напора и подачи) с потребной производительностью и потерей напора в воздушной сети Δрс. При сравнительно высоких значениях Δрс = 600...800 Па рабочие колеса осевых вентиляторов устанавливают в направляющих кожухах. При наличии кожуха расстояние от вентилятора до радиатора может составлять 80...100 мм, а при его отсутствии – не более 10...15 мм. Окружная скорость вентиляторов достигает 80...125 м/с. Вентиляторы могут выполняться клепаными или литыми (рисунок 5.7). Вентиляторы со штампованными лопастями создают напор около 500...700 Па и имеют невысокий КПД, равный 0,2...0,4. Литые вентиляторы выполняют из полимерных материалов или алюминиевых сплавов с профилированными (кручеными) лопастями. Угол закрутки лопастей относительно 99 направления потока изменяется от основания к вершине от 95 до 30°. КПД таких вентиляторов может составлять 0,55...0,65. Для уменьшения шума лопасти компонуются на ступице с переменным шагом. Ширина лопастей в среднем равна 30...70 мм. В отдельных случаях (для двигателей большегрузных автомобилей) она достигает 88...100 мм. а – клепаный; б – литой Рисунок 5.7 – Осевые вентиляторы Конструкция радиаторов реализуется по следующим компоновочным схемам: с вертикальным, горизонтальным и наклонным расположением бачка. Наибольшее распространение получили радиаторы с естественным (вертикальным) направлением потока охлаждающей жидкости. Как правило, они устанавливаются перед двигателем, однако при больших размерах могут располагаться и в другом месте (например, сбоку двигателя). Конструкции радиаторов независимо от их компоновки принципиально одинаковые. В настоящее время в двигателях автомобилей и тракторов наиболее широко используются трубчато-пластинчатые и трубчато-ленточные конструкции радиаторов (рисунок 5.8). Рисунок 5.8 – Охлаждающие решетки трубчато-пластинчатого (а) 100 и трубчато-ленточного (б) радиаторов При изготовлении охлаждающих решеток трубчато-пластинчатых радиаторов используются трубки (шовные или цельнотянутые), изготовляемые из алюминиевого сплава или латунной ленты толщиной до 0,15 мм. Пластины оребрения радиаторов выполняются плоскими или волнистыми из того же материала, что и трубки. В трубчато-ленточных конструкциях ленту изготовляют из меди толщиной 0,05...0,10 мм. В трубчато-пластинчатых радиаторах охлаждающие трубки могут располагаться по отношению к потоку охлаждающего воздуха в ряд, в шахматном порядке и в шахматном порядке под углом (рисунок 8.3). В конструкциях таких радиаторов наибольшее применение нашли плоские пластины или пластины с отогнутыми просечками (турбулизаторами), которые образуют узкие и короткие воздушные каналы, расположенные под углом к потоку охлаждающего воздуха. а – рядное расположение трубок; б – шахматное расположение трубок; в – расположение трубок под углом к воздушному потоку; г – охлаждающая пластина с отогнутыми просечками Рисунок 5.9 – Элементы охлаждающих решеток трубчато-пластинчатых радиаторов В трубчато-ленточных радиаторах (рисунок 5.10) охлаждающие трубки практически не отличаются по своей конструкции от трубок, применяемых в трубчато-пластинчатых радиаторах, но располагаются они только в ряд. Для увеличения турбулизации воздушного потока на лентах выполняют либо фигурную выштамповку, либо отогнутые просечки. На качества радиаторов (стоимость и тепловую эффективность) значительно влияют технология их изготовления и применяемые материалы. Использование в конструкции медносодержащих материалов, соединенных пайкой, обеспечивает высокие теплотехнические свойства радиаторов при значительной их стоимости. В современных автомобилях охлаждающие ре- 101 шетки радиаторов, как правило, изготовляются из алюминиевых сплавов, а бачки – из полиамида, усиленного стекловолокном. Такие радиаторы выполняются паяными либо сборными и имеют в 3–4 раза меньшую стоимость, но при этом несколько худшую тепловую эффективность. а – охлаждающая решетка; б – охлаждающая лента с фигурной выштамповкой; 1 – охлаждающая лента; 2 – жидкостная охлаждающая трубка Рисунок 5.10 – Элементы трубчато-ленточного радиатора Для оценки конструкции радиатора используются три группы показателей: 1. Общие данные по охлаждающей решетке радиатора: площадь фронтальной поверхности Fфр = НВ (где Н – высота; В – ширина), глубина l и общая площадь поверхности охлаждения Fохл. 2. Геометрические размеры элементов поверхности охлаждения: размеры и форма жидкостных каналов Fж, их расположение, шаг по фронту и глубине радиатора, форма и шаг пластин оребрения, толщина стенок каналов и т.д. 3. Оценочные параметры или коэффициенты, каждый из которых характеризует то или иное качество или компоновочную особенность конструкции: • компактность поверхности охлаждения, оцениваемая коэффициентом объемной компактности φ = Fохл / Vохл, м2/м3, где Vохл – геометрический объем радиатора; • конструктивная структура поверхности охлаждения, определяемая коэффициентом оребрения ξoр = Fохл / Fж, т.е. отношением поверхности охлаждения, омываемой охлаждающим воздухом, к поверхности охлаждения, омываемой охлаждающей жидкостью. Площади охлаждающих поверхностей радиаторов Fохл ориентировочно должны составлять на 1 кВт мощности двигателей грузовых автомобилей 0,2...0,4 м2, а легковых – 0,14...0,2 м2. Глубина l автомобильных радиаторов 102 составляет 60...130 мм. Площади фронтальных поверхностей охлаждающих решеток для всех типов радиаторов Fфр= 0,2...0,6 м2. Коэффициент компактности трубчато-пластинчатых радиаторов в зависимости от конструкции охлаждающей решетки составляет 440...850 м2/м3, а коэффициент оребрения ξoр = 2,5...5,4. Для трубчато-ленточных радиаторов характерны более высокие значения как коэффициента компактности φ = 1 100...1200 м2/м3, так и коэффициента оребренияξoр = 5...11,5. Жидкостные насосы обеспечивают циркуляцию ОЖ в системе охлаждения. Наибольшее распространение получили консольные одноколесные центробежные насосы с полуоткрытой крыльчаткой (рисунок 5.11), имеющие 6...8 спиральных (рисунок 5.12 а) или (реже) радиальных лопаток (рисунок 5.12 б). Схематичное изображение такого насоса приведено на рисунке 5.13. Охлаждающая жидкость входит в центральный патрубок 7, а затем получает вращательное движение от лопаток 3 рабочего колеса 2 и отбрасывается центробежными силами к периферии. В окружающем рабочее колесо диффузоре 4 в виде улитки кинетическая энергия жидкости преобразуется в потенциальную, повышая давление. В рубашку двигателя ОЖ попадает через отвод 5. В V-образных двигателях иногда предусматриваются два отвода из насоса в целях получения более равномерного распределения потоков охлаждающей жидкости по блокам. 1 – болт; 2 – вентилятор; 3 – шкив; 4 – ступица вентилятора; 5 – подшипник шариковый двухрядный; 6 – винт стопорный; 7 – дренажное отверстие; 8 – крышка; 9 – уплотнитель; 10 – вал; 11 – крыльчатка; 12 – корпус; 103 13 – приемное отверстие шланга отопителя;14 – приемный патрубок; 15 – прокладка; 16 – канавка; 17 – кольцо; 18 – втулка дистанционная; 19 – шайба пружинная; А – полость насоса Рисунок 5.11 – Жидкостный насос двигателя а – спиральные (загнутые против вращения); б – радиальные; β – угол между касательной к лопатке и лопаткой (угол установки лопаток на выходе) Рисунок 5.12 – Лопатки рабочего колеса жидкостного насоса 1 – входной патрубок; 2 – рабочее колесо; 3 – спиральная лопатка; 4 – диффузор; 5 – отвод Рисунок 5.13 – Схема центробежного жидкостного насоса Уплотнитель (рисунок 5.14), герметизирующий подшипниковый узел, состоит из корпуса 1, резиновой уплотнительной манжеты 2, разжимной пружины 3 и графитового кольца 4. Неподвижное графитовое кольцо уплотнителя усилием пружины, находящейся в резиновой манжете, постоянно прижимается к вращающемуся торцу крыльчатки. Просочившаяся через уплотнитель жидкость отводится по дренажному отверстию 7 (см. рисунок 5.11). Основными характеристиками насоса являются: подача Gнас, кг/с; напор Δpнас, МПа; потребляемая мощность Hнас, гидравлический КПД ηr. Напор, со- 104 здаваемый насосом со спиральными лопатками, равен 0,05...0,20 МПа. 1 – корпус; 2 – резиновая уплотнительная манжета; 3 – разжимная пружина; 4 – графитовое кольцо Рисунок 5.14 – Уплотнитель жидкостного насоса Мощность, затрачиваемая на привод, составляет 0,5...1,0% от номинальной мощности двигателя. Гидравлический КПД насоса находится в пределах 0,6...0,7. В случае применения радиальных лопаток возрастают напор и подача, но увеличивается потребляемая мощность и снижается гидравлический КПД. Для различных конструкций насосов механический КПД ηм = 0,8...0,9, а объемный – ηо = 0,8...0,9. 5 Воздушная система охлаждения В подавляющем большинстве автотракторных двигателей воздушного охлаждения применяется система с принудительным нагнетанием воздуха в межреберные каналы головок и цилиндров. При этом расход воздуха регулируется дефлектирующими элементами (рисунок 5.15). Для обеспечения высоких скоростей циркуляции воздуха применяются высокоэффективные осевые вентиляторы с большим числом профилированных лопаток. Полный напор, развиваемый такими вентиляторами, достигает 1000...2400 Па. Форма и размеры охлаждающих ребер должны обеспечивать требуемую теплоотдачу при минимальном аэродинамическом сопротивлении, что необходимо для снижения мощности, затрачиваемой на привод вентилятора. Чаще всего используются трапециевидные ребра, которые более удобны в производстве и имеют высокую тепловую эффективность. Основными парамет- 105 рами оребрения являются: число ребер, средняя высота ребра, шаг оребрения, средняя толщина ребра, средняя ширина межреберного канала и диаметр цилиндра у основания ребер. а – рядном; б – V-образном; 1 – дефлекторы; 2 – масляный радиатор Рисунок 5.15 – Схемы циркуляции охлаждающего воздуха в двигателях воздушного охлаждения Толщина ребер у основания примерно в 1,5 раза больше, чем у их вершины. Средняя температура у оснований ребер цилиндра из чугуна 130...170 °С; у оснований ребер головки из чугуна – 170...220 °С, а из алюминиевого сплава – 160...200 °С. Температура внутренних поверхностей цилиндра должна быть не ниже 130...140 °С. Расчет системы воздушного охлаждения сводится к определению: • количества теплоты, отводимой от одного цилиндра; • потребного количества охлаждающего воздуха, необходимого для отвода теплоты от одного цилиндра; • количества воздуха, необходимого для охлаждения всего двигателя; • поверхности охлаждения и коэффициента оребрения. 6 Сравнительный анализ жидкостной и воздушной систем охлаждения Достоинства жидкостной системы охлаждения: • меньшие монтажные зазоры между зеркалом цилиндра и поршнем, снижающие интенсивность холодных стуков; • эффективное охлаждение деталей двигателя при любой тепловой 106 нагрузке, определяемое высокой теплопроводностью охлаждающей жидкости; • равномерное охлаждение деталей двигателя; • возможность применения блок-картеров, повышающих жесткость конструкции двигателя; • стабильное тепловое состояние двигателя на любых режимах его работы; • возможность использования охлаждающей жидкости для обогрева кабин и салонов транспортных средств; • меньшая шумность работающего двигателя; • меньшая склонность к детонации ДсИЗ; • возможность регулирования температуры охлаждающей жидкости в воздушном и жидкостном трактах. Недостатки систем жидкостного охлаждения: • высокая трудоемкость эксплуатации, связанная с необходимостью проведения регламентных работ по контролю уровня охлаждающей жидкости, очистки и промывки рубашки системы охлаждения и радиатора, устранения подтекания охлаждающей жидкости; • необходимость наличия специальной охлаждающей жидкости; • возникновение кавитационных явлений, разрушающих гильзы цилиндров; • потребность в дорогостоящих цветных металлах; • большие габаритные размеры моторного отсека из-за наличия жидкостного радиатора. Достоинства воздушной системы охлаждения: • простота конструкции; • быстрый прогрев двигателя после запуска; • меньшая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды из-за высоких температур цилиндров и головок двигателя; • простота обслуживания и низкая стоимость; • меньшие затраты мощности (в 1,5–1,8 раза) на функционирование системы. Недостатки воздушной системы охлаждения: • ограниченные возможности регулирования производительности; • меньшая жесткость корпуса двигателя из-за невозможности применения блочных конструкций цилиндров; • большие градиенты температур в элементах корпуса, приводящие к появлению зон локального перегрева и термическому короблению; • большие межцилиндровые расстояния из-за необходимости размещения охлаждающих ребер; • меньшие среднее эффективное давление и литровая мощность вследствие снижения коэффициента наполнения; • повышенная шумность работающего двигателя; • переохлаждение двигателя при низких температурах воздуха, сильном встречном ветре и движении транспортного средства накатом, особенно на 107 длинных горных спусках. 7 Неисправности систем охлаждения При эксплуатации автомобиля следует периодически контролировать состояние агрегатов системы охлаждения в целях выявления возможных неисправностей: перегрева двигателя, его переохлаждения, утечки ОЖ, повышенного шума работающего жидкостного насоса, возникновения электролиза в ОЖ. Причинами перегрева двигателя являются: утечка ОЖ, заклинивание термостата в закрытом состоянии клапана, обрыв, пробуксовка или слабое натяжение ремня вентилятора, неисправности узлов регулирования производительности вентилятора, выход из строя датчика электропривода вентилятора, неправильная установка угла опережения зажигания, неисправности крышки радиатора или расширительного бачка, движение автомобиля с малой скоростью и большой нагрузкой на двигатель, неисправности приборов контроля за тепловым состоянием системы охлаждения. В результате перегрева двигателя ухудшаются его мощностные, экономические и экологические показатели. Возможные последствия длительного перегрева: прогар прокладки головки блока цилиндров, деформация плоскости головки, прогар стенок головки и цилиндра, образование трещин в стенках камеры сгорания и цилиндра, деформация и задиры поршней и колец. Переохлаждение двигателя может возникнуть из-за излишне высокой производительности системы охлаждения, зависания клапана термостата в открытом состоянии, заедания привода жалюзи в открытом состоянии и пренебрежения мерами утепления двигателя при эксплуатации транспортного средства в зимнее время. К последствиям переохлаждения двигателя следует отнести: возрастание механических потерь, ухудшение процессов смесеобразования и сгорания, увеличение зазоров в подвижных соединениях, ухудшение экологических показателей двигателя и значительные износы деталей КШМ. К неисправностям жидкостного насоса следует отнести подтекание ОЖ через неплотности в уплотнениях, разрушение лопаток или рабочего колеса, износ или недостаточное смазывание подшипников. Электролиз – реакция разложения химических веществ при прохождении через них электрического тока, возникающая в алюминиевых радиаторах с установленными в них термовыключателями (находящимися под напряжением). Признаки электролиза: засорение трубок радиатора, появление белого налета около его негерметичных мест, отложения зеленоватого цвета возле температурного датчика. Для диагностики системы охлаждения применяются следующие приборы: • рефрактометр для определения плотности ОЖ; 108 • комплект для проверки герметичности систем охлаждения грузовых автомобилей и автобусов; • набор для проверки герметичности систем охлаждения двигателей; • тестер утечек СО2 через систему охлаждения; • тестер оценки герметичности систем охлаждения; • инфракрасные неконтактные термометры; • установки для замены ОЖ и диагностики систем охлаждения; • различные тестеры диагностики систем охлаждения, в состав которых входят манометры на давление до 2,5 бар и наборы адаптеров для подсоединения к системам охлаждения двигателей различных автомобилей. 8 Предпусковой подогрев двигателя Безгаражное хранение автомобилей в зимний период может быть групповым (как правило, в условиях автотранспортного предприятия) или индивидуальным. Способ хранения автомобилей определяет его тепловую подготовку перед запуском двигателя. Предпусковой подогрев при групповом хранении осуществляется водой или паром, горячим воздухом (воздухообогревом), электроподогревателями и газовыми горелками. Водо- и пароподогрев осуществляется с помощью водогрейных и паровых котлов низкого давления. Воздухообогрев требует наличия калориферов, воздуховодов, соединительных рукавов для подогрева и подачи воздуха к автомобильным агрегатам. Электроподогрев предусматривает преобразование электрической энергии в тепловую нагревательными элементами, которые могут устанавливаться в патрубках системы охлаждения двигателя. Инфракрасный газовый обогрев осуществляется с помощью горелок, которые могут работать как на природном газе, так и на пропане. Автономные подогреватели, являющиеся неотъемлемой частью автомобиля, подразделяются на электрические подогреватели, требующие источника напряжения 220 В в местах стоянки автомобиля, и подогреватели, устанавливаемые на автомобиль и интегрируемые с системой охлаждения двигателя. К ним относятся подогреватели «Планар», «Теплостар», «ThermoCall», «Телестарт» и др. Рубашка таких подогревателей, заполненная ОЖ, получает теплоту от сгорания топлива в камерах их сгорания. Управлять работой подогревателя можно вручную или в автоматическом режиме, запрограммировав циклы его работы минитаймером. Отдельную группу представляют собой химические средства (аэрозоли), гарантирующие запуск двигателя при низких температурах. 109 Вопросы для повторения и самоконтроля 1. Каково устройство смешанной системы охлаждения жидкости? 2. Назначение термостата. 3. Каким требованиям должны удовлетворять ОЖ? 4. Что такое ТОСОЛ? 5. Что такое антифриз? 6. Преимущества программируемого термостата? 7. За счёт чего может осуществляться изменение производительности вентилятора? 8. Что является признаками попадания в систему охлаждения отработанных газов? 9. Что способствует ускоренному старению и внеплановой замене ОЖ? 10. Какие элементы регулируют производительность вентиляторов? 11. Какие бывают вентиляторы? 12. Какие показатели используют для оценки конструкции радиатора? 13. Какие достоинства имеет жидкостная система охлаждения? 14. Какие достоинства имеет воздушная система охлаждения? 15. Что является причинами перегрева двигателя? 16. Какие применяются приборы для диагностики системы охлаждения? 110 Лекция № 6 СИСТЕМА СМАЗЫВАНИЯ План 1. Назначение и классификация систем смазывания. 2. Фильтрация и очистка масла. 3. Элементы системы смазывания. 4. Охлаждение масла. 5. Вентиляция картера. 6. Моторные масла. 7. Обслуживание систем смазывания. 1 Назначение и классификация систем смазывания Одним из основных факторов, обеспечивающих надежную работу двигателя, является непрерывная циркуляция масла через зазоры трущихся поверхностей. При этом масло уменьшает износ, снижает потери на трение, герметизирует детали (например, поршень и гильзу цилиндра), отводит образующуюся при трении теплоту, защищает металлические поверхности от коррозии и вымывает из зазоров продукты износа. Помимо основного назначения – поддерживать жидкостное трение – масло используется как рабочее тело для гидромуфт привода вентиляторов, в гидравлических толкателях, гидрокомпенсаторах, для сервомоторов систем регулирования и автоматизации, в гидравлических устройствах изменения фаз газораспределения, а в форсированных двигателях – и для охлаждения поршней. Способы подачи масла к узлам трения. В различных двигателях в зависимости от их типа, тепловой напряженности и мощности применяются следующие виды смазывания: циркуляционное, разбрызгиванием, комбинированное. При циркуляционном смазывании масло под давлением по каналам масляной магистрали подводится, в первую очередь, к коренным и шатунным подшипникам. Масло может подводиться к каждому коренному подшипнику, от которого затем через сверления в щеках и шейках вала будет поступать к шатунным подшипникам. Масло также может подводиться во 111 внутреннюю полость вала и по каналам в шейках подаваться к коренным и шатунным подшипникам. Такой вид смазывания называют принудительным. Далее масло под давлением может поступать к подшипникам кулачкового вала, поршневым пальцам, днищу поршня, гидрокомпенсаторам, гидротолкателям, коромыслам. Иногда при нижнем расположении кулачкового вала масло к коромыслам подается через полую штангу. При смазывании разбрызгиванием масло к трущимся поверхностям в виде капель и масляного тумана поступает вследствие его разбрызгивания кривошипами и кривошипными головками шатунов, выхода из зазоров пар трения или форсунок-разбрызгивателей. Комбинированное смазывание предполагает использование первых двух видов. Схемы систем смазывания. В зависимости от того, где находится основное количество масла, различают системы с мокрым и сухимкартером. На рисунке 6.1 представлена принципиальная схема системы смазывания с мокрым картером. 1, 3 – фильтры тонкой и грубой очистки; 2 – перепускной клапан; 4 – манометр; 5 – подшипники распределительного вала; 6 – толкатель; 7 – полая штанга; 8 – дренажные отверстия в поршне; 9 – распылитель; 10 – сверление в одной из стоек коромысла; 11, 14 – сверления в коромыслах; 12 – полость в оси коромысла; 13 – сетчатый фильтр; 15 – сверление в стержне шатуна;16 – канал в кривошипной головке шатуна; 17 – шатунные подшипники; 18 – маслоизмерительный стержень; 19 – указатель температу- 112 ры масла; 20 – подшипники коренных опор; 21 – масляный картер; 22 – термосопротивление; 23 – маслоприемник; 24 – сверления в блоке; 25 – главная масляная магистраль; 26 – сливная пробка; 27 – предохранительный клапан; 28 – редукционный клапан; 29 – насос радиаторной секции; 30 – масляный насос; 31 – краник включения радиатора; 32 – радиатор; 33 – предохранительный клапан фильтра тонкой очистки Рисунок 6.1 – Принципиальная схема системы смазывания с мокрым картером Системы с сухим картером (рисунок 6.2) применяются в машинах высокой проходимости, дорожных машинах и тракторах, условия работы которых связаны с изменением пространственного положения двигателя. В таких системах устанавливаются, как правило, один нагнетающий и два откачивающих насоса. Масло хранится во внешней емкости. Масло для охлаждения поршней в форсированных двигателях поступает по нескольким типовым схемам: из неподвижных распылителей, установленных в нижней части цилиндра (рисунок 6.3); по сверлению в стержне шатуна к его поршневой головке и затем через распылитель, установленный в головке, к днищу поршня; по сверлению в стержне шатуна, через поршневой палец в полость охлаждения, выполненную в днище поршня. 1 – маслоналивная горловина с сапуном; 2 – масляный бак; 3 – нагнетающий насос; 4, 5 – приемные каналы масла; 6 –откачивающие насосы Рисунок 6.2 – Схема системы смазывания с сухим картером 1 – главная масляная магистраль; 2 – неподвижная форсунка; 3 – масляная полость в поршне Рисунок 6.3 – Схема принудительного охлаждения днища поршня Для получения полости в днище поршня его выполняют съемным либо 113 заливают в него трубку или специальную вставку. При запуске двигателя для уменьшения пусковых износов необходимо обеспечить максимально быстрое заполнение масляных магистралей. Для этого масляные каналы, соединенные с главной масляной магистралью, выполняют с перепадом уровней, предотвращающим отток масла. В приемную трубу насоса устанавливают простейшие автоматические клапаны. Осуществляют смазывание кулачков верхнего распределительного вала из расположенной под ним ванночки. В мощных дизелях обеспечивается предварительный подогрев масляных фильтров и работа масляного насоса (от отдельного электромотора) для создания давления в масляной системе перед запуском двигателя. Образование несущего масляного слоя. В существующих двигателях внутреннего сгорания преобладает трение скольжения, которое можно подразделить на сухое, жидкостное, граничное, полужидкостное и полусухое. Например, в паре выпускной клапан–направляющая втулка вероятно полусухое трение, а в паре поршневой палец–бобышки поршня–граничное или полужидкостное. Потери на трение и износ поверхностей минимальны при жидкостном трении, поэтому конструктивные формы сопряженных деталей и система подвода к ним масла должны способствовать образованию именно этого вида трения. а – положение неподвижной шейки во вкладыше; б – распределение гидродинамического давления в масляном клине Рисунок 6.4 – Схема образования масляного клина в зазоре цилиндрический подшипник–шейка коленчатого вала В подшипниках коленчатого вала допускается только жидкостное трение. При вращении коленчатого вала масло вовлекается во вращательное движение. Благодаря маслянистости скорость частиц масла, находящихся в непосредственном контакте с шейкой вала, будет равна его окружной скоро- 114 сти, а скорость на поверхности вкладышей будет равна нулю. Промежуточные слои вовлекаются во вращение за счет вязкости масла. При этом создается поток масла, в котором под шейками увеличивается давление и они приподнимаются (рисунок 6.4). Давление с правой стороны зазора выше, чем с левой, что заставляет шейку вала передвигаться влево. Попадая в постепенно уменьшающийся объем зазора, масло из подшипника стремится вытекать по всем направлениям. Этому препятствует вязкость масла – силы внутреннего трения, которые преодолеваются только при увеличении давления. В результате в клиновидной части масляного зазора развивается гидродинамическое давление, увеличивающееся по мере сужения масляного зазора. Минимальная толщина масляного слоя составляет 4...5 мкм. Суммарное давление в нем, направленное вверх, уравновешивается внешней нагрузкой Р, а суммарные давления слева и справа уравновешивают друг друга. Давление под шейкой вала может достигать значительных значений: от 12 МПа и выше. Протяженность несущего масляного клина составляет 90...120°. Между валом и отверстием, образованным вкладышами, зазор должен составлять от 0,03 до 0,08 мм. Увеличение этого зазора влечет за собой падение давления и ухудшение охлаждения подшипника, а его уменьшение вызывает соприкосновение и задир поверхностей. Поток масла между шейкой и вкладышами равномерно создается масляным насосом, нарушения в работе которого могут привести к серьезной аварии. При номинальных частотах вращения коленчатого вала давление в системе смазывания двигателей на легком топливе должно составлять 0,3...0,5 МПа, а в дизелях 0,4...0,7 МПа. Недопустимо минимальное давление под нагрузкой менее 0,10...0,15 МПа (верхняя граница для дизелей). 2 Фильтрация и очистка масла Для очистки и фильтрации масла используются системы, состоящие из нескольких фильтров, сепараторов (центрифуг), отстойников и т. п. Металлические частицы из масляного картера удаляются специальным магнитным фильтром, расположенным в сливной пробке, который может служить хорошим индикатором состояния металлических деталей двигателя. Фильтр маслоприемника – это вторая ступень очистки масла. Сетка на входе в маслоприемник отфильтровывает частицы размером более 0,7 мм. Основная фильтрация масла производится в масляных фильтрах, а очистка – в центрифугах. В валах с полыми шатунными шейками масло дополнительно очищается (центрифугируется) от загрязнений, которые откладываются в полостях шеек со стороны, противоположной оси вращения (рисунок 6.5). В этом случае масло к вкладышам подводится из свободной от отложений зоны через запрессованную трубку 7. 115 1 – запрессованная трубка Рисунок 6.5 – Схема центрифугирования масла в полых шейках Виды загрязнений смазочного масла. Загрязняющие примеси принято подразделять на две основные группы: органические и неорганические. Органические примеси в основном состоят из продуктов неполного сгорания топлива, соединений серы и продуктов ее взаимодействия с водяными парами, а также из продуктов термического разложения, окисления и полимеризации масла и топлива. Неорганические примеси – это пыль, продукты износа, отработавшие присадки, технологические загрязнения. В дизелях загрязнению масла способствует сажа. Она подавляет свойства некоторых присадок и усиливает выпадение шлаковых отложений, что приводит к износу форсунок, клапанов и блокировке фильтров. Поэтому для дизелей масло выпускается со специальным пакетом присадок. В условиях эксплуатации абразивный износ двигателя превалирует и зависит от состояния воздушных и масляных фильтров, при неудовлетворительном состоянии которых за короткий срок образуется абразивная паста, выводящая двигатель из строя. Схемы фильтрации масла. Характерные особенности систем смазывания имеют любые модели двигателей. 116 1 – маслоприемник; 2 – масляный насос; 3 – главная масляная магистраль; 4 – полнопоточный фильтр; 5 – перепускной клапан; 6 – поддон для масла; 7 – частичнопоточный фильтр Рисунок 6.6 – Полнопоточная (а) и комбинированная (б) схемы очистки масла При одинаковом количестве масла в картере и близких рабочих давлениях параметры масляных каналов, производительность насоса, объем циркулирующего в единицу времени масла могут значительно отличаться. Фильтрация масла тесно связана с его бесперебойной подачей, поэтому фильтр нельзя рассматривать только как элемент очистки масла в отрыве от всей системы смазывания двигателя. Выбор фильтрующих элементов следует производить только по каталогам в соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей. Для фильтрации масла в смазочной системе двигателя используются две основные схемы: • полнопоточная, имеющая один фильтр, через который прокачивается все масло, нагнетаемое насосом (рисунок 6.6 а); • комбинированная, включающая в себя кроме полнопоточного фильтра частичнопоточный или в некоторых случаях центрифугу (рисунок 6.6 б). Давление в масляной системе, регулируемое перепускным клапаном, создает насос, который срабатывает при запуске холодного двигателя или чрезмерно густом масле. 3 Элементы системы смазывания В состав смазочной системы двигателей входят мокрый или сухой поддон для масла, маслоприемники, масляные насосы, масляные фильтры, охладители масла и элементы вентиляции картера. Маслоприемники располагают в наиболее глубокой части поддона и снабжают защитной сеткой. По конструкции маслоприемники подразделяются на неподвижные и плавающие, способные изменять свое положение в зависимости от уровня масла в поддоне. Маслоприемники выполняются с резиновым дефлектором или фланцевым креплением приемной трубки, служащими для компенсации возможных деформаций поддона. В ряде случаев маслоприемник может являться одновременно крышкой масляного насоса. Масляные насосы непрерывно питают маслом главную масляную магистраль. В случае падения давления масла работу двигателя следует немедленно прекратить. В настоящее время достаточно широко распространены насосы шестеренного типа наружного (рисунок 6.7 а) и внутреннего (рисунок 6.7 б) зацепления. Основным преимуществом последних является компактность, обусловленная уменьшением высоты шестерен в 2–3 раза по сравнению с первыми за счет увеличения числа зубьев, частоты вращения и окружной скорости. Шестеренные насосы переносят масло во впадинах между зубьями и 117 корпусом. В зарубежных моделях двигателей часто применяются насосы роторного типа (рисунок 6.7 в), функционирующие по иному принципу. В них происходит заполнение полостей А и Б из полости всасывания и выдавливание масла из полости В в нагнетательную полость. Применяемое здесь зацепление обеспечивает непрерывность контакта всех зубьев наружного и внутреннего роторов. В зависимости от типа двигателя в системе смазывания могут использоваться односекционные, двухсекционные и трехсекционные масляные насосы. Последние предназначены для двигателей большой мощности с сухим картером. а, б – шестеренных соответственно с наружным и внутренним зацеплением; 7 – корпус; 2 – наружная (ведомая) шестерня; 3 – ведущий вал; 4 – внутренняя (ведущая) шестерня; 5 – серпообразный выступ; в – роторного типа с циклоидальным зацеплением; 7 – ведущий ротор; 2 – ведомый ротор; 3 – корпус; 4 – приводной вал; 5 – полость всасывания; 6 – полость нагнетания; О1, О2 – центры окружностей соответственно ведущих и ведомых шестерен (роторов); аω – межцентровое расстояние Рисунок 6.7 – Схемы масляных насосов Масляные насосы в большинстве случаев устанавливаются внутри картера. Их привод осуществляется от носка коленчатого вала цилиндрическими шестернями с помощью дополнительных валиков, приводимых самостоятельными шестернями, или реже от распределительного вала. Роликовые цепи и зубчатые ремни используются для привода насоса в случае его установки снаружи картера. Привод насоса с внутренним зацеплением шестерен и роторов осуществляется непосредственно от коленчатого вала. Масляные фильтры подразделяются на две группы в соответствии со 118 способом устранения загрязнений масла: • барьерные, в которых в качестве фильтрующего элемента используются пористые материалы; • энергетические, в которых загрязняющие частицы отделяются от масла в поле центробежных сил. Фильтры первой группы в зависимости от конструкции корпуса подразделяются на неразборные и разборные со сменным фильтрующим элементом. Фильтры второй группы (центрифуги) различают по способу привода ротора: с механическим приводом, с реактивным сопловым приводом, с бессопловым приводом. Материалом фильтрующих элементов в основном является изготовленная специальным способом бумага (картон), имеющая высокие пористость, прочность и пропитанная маслобензостойкими смолами. Тонкостенная «штора» из такой фильтровальной бумаги укладывается в виде многолучевой звезды. Иногда для увеличения рабочей поверхности фильтрующего элемента применяются другие виды укладки: шевронная, спирально-складчатая и др. В качестве дополнительного фильтрующего материала может использоваться вставка из специальной пластмассы или целлюлозных волокон. а – двухсекционного; 1 – ведущий вал; 2 – верхняя секция; 3 – ведущая шестерня верхней секции; 4 – ведущая шестерня нижней секции; 5 – нижняя секция; 6, 10 – оси ведомых шестерен; 7 – ведомая шестерня нижней секции; 8 – перегородка между секциями; 9 – ведомая шестерня верхней секции; б – односекционного; 1 – ведущий вал насоса; 2 – корпус; 3 – ось ведомой шестерни; 4 – ведомая шестерня; 5 – ведущая шестерня; 6 – крышка; 7 – болт; 8 – пружина редукционного клапана; 9, 12 – патрубки 119 маслоприемника;10 – опорная шайба; 11 – редукционный клапан; 13 – фильтрующая сетка Рисунок 6.8 – Конструкции масляных насосов Применение синтетических моторных масел с высоким содержанием азота приводит к постепенному разрушению бумажного слоя, поэтому в настоящее время разработаны фильтровальные элементы из волокнистого материала на основе полиэстера. Фильтрующие элементы объемного типа, изготовленные из хлопчатобумажных, синтетических и искусственных волокон и отличающиеся высокими грязеемкостью и эффективностью очистки масла, применяются реже, так как имеют повышенное гидравлическое сопротивление. 1 – пробка сливного отверстия; 2 – корпус; 3 – центральный стержень; 4 – сменный фильтрующий элемент; 5 – датчик указателя давления масла; 6 – пружина перепускного клапана; 7 – перепускной клапан; 8 – пружина крышки корпуса; 9 – крышка корпуса; 10 – болт крепления крышки; 11, 15 – резиновые прокладки; 12 – штуцер подвода загрязненного масла; 13 – гофрированная лента из пористого картона; 14 – внутренние отверстия каркаса; 16 – датчик лампы аварийного давления масла; – загрязненное масло; – отфильтрованное масло Рисунок 6.9 – Конструкция разборного полнопоточного масляного фильтра Разборные фильтры со сменным фильтрующим элементом (рисунок 120 6.9) по сравнению с неразборными имеют большие габаритные размеры и менее удобны в обслуживании. Однако расположение перепускного клапана вне фильтра (предотвращающее смывание грязи с поверхности фильтра в масляную систему) и более простая технология утилизации обусловливают применение разборных фильтров рядом ведущих зарубежных и отечественных фирм. Очищенное масло в разборном фильтре через отверстия 14 каркаса и центрального стержня 3 поступает в главную масляную магистраль. Неразборные фильтры (рисунок 6.10) наиболее распространены в связи с их компактностью, удобством замены и низкой стоимостью. Загрязненное масло поступает в радиальное отверстие 10, а очищенное – из центральной полости 6 через отверстие в штуцере в главную масляную магистраль. В неразборных фильтрах в общем случае могут быть размещены три клапана. Перепускной клапан служит для перепуска масла мимо фильтрующего элемента при его засорении. Давление срабатывания этого клапана в различных моделях двигателей составляет 0,055...0,26 МПа. Противодренажный клапан предотвращает слив масла из фильтра и масляных магистралей в картер при остановке двигателя. Этот клапан представляет собой подпружиненный резиновый диск, закрывающий изнутри входные отверстия в корпусе фильтра. Противосливной (обратный) клапан – не позволяет маслу выливаться из корпуса фильтра при его замене. 1 – основной бумажный фильтрующий элемент; 2 – дополнительный фильтрующий элемент из специальной пластмассы; 3 – штампованный стальной корпус; 4 – перепускной клапан; 5 – пружина перепускного клапана; 6 – центральная полость фильтра; 7 – кольцевая полость фильтра; 8 – противодренажный клапан; 9 – резьбовое отверстие для крепления фильтра на двигателе; 10 – радиальное отверстие для подвода масла в фильтр; 11 – уплотняющее резиновое кольцо Рисунок 6.10 – Конструкция неразборного полнопоточного масляного фильтра 121 Наличие или отсутствие указанных клапанов в фильтре зависит от конструкции двигателя. Противодренажный и противосливной клапаны не устанавливаются в случае расположения фильтра входным отверстием вверх. Перепускной клапан может быть установлен вне фильтра в масляной магистрали. В системе смазывания турбокомпрессора предусматривается отдельный фильтр. Центрифуги, устанавливаемые на некоторых зарубежных и отечественных двигателях, включаются в систему смазывания последовательно или параллельно. Очистка в центрифугах производится за счет центробежных сил, которые отбрасывают загрязняющие примеси в масле к стенкам вращающегося ротора. 1 – фиксирующая гайка; 2 – храповик; 3 – центральный штуцер; 4 – маслоотражатель; 5 – крышка; б – корпус центрифуги; 7 – передняя опора коленчатого вала; 8 – канал вдоль носка коленчатого вала Рисунок 6.11 – Конструкция центрифуги с механическим приводом К недостаткам центрифуг относится неудовлетворительная очистка масла при непрогретом двигателе, т.е. при малой скорости вращения ротора. Центрифуга с механическим приводом устанавливается на шпонке на носке коленчатого вала двигателе и небольшой мощности (рисунок 6.11). Загрязненное масло по каналам передней опоры и вдоль носка коленчатого вала поступает в корпус центрифуги. При этом загрязняющие частицы отбрасываются и оседают на внутренних стенках крышки и корпуса центрифуги, а очищенное масло через центральный штуцер подается в главную масляную магистраль. В центрифуге с реактивным сопловым приводом (рисунок 6.12) за- 122 грязненное масло, проходя под давлением по каналам входа и подвода, заполняет объем ротора. Затем оно проходит по жиклерным трубкам и с большой скоростью вытекает через жиклеры в полость для очищенного масла, откуда стекает в картер двигателя. При истечении масла из жиклеров создается момент, который приводит к вращению колпака ротора вместе с маслом и его очистке. 1 – крышка ротора; 2 – металлическая сетка; 3, 7 – втулки ротора; 4 – колпак ротора; 5 – ротор; 6 – жиклерная трубка; 8 – упорный шарикоподшипник; 9 – канал подвода загрязненного масла; 10 – выход очищенного масла; 11 – вход загрязненного масла; 12 – полость для очищенного масла Рисунок 6.12 – Конструкция центрифуги с реактивным сопловым приводом В центрифуге с бессопловым приводом для вращения колпака ротора используется принцип гидравлической турбины. В этом случае масло, поступающее в ротор центрифуги под давлением, направляется на лопатки установленной в нем турбинки, создавая крутящий момент. Частота вращения роторов центрифуги достигает значений 6000...8000 -1 мин , обеспечивая высокую степень очистки масла. Размер пропускаемых частиц не превышает 0,5...0,1 мкм. 4 Охлаждение масла В двигателях небольшой мощности осуществляется за счет естественной теплоотдачи с поверхности поддона, обдуваемого встречным воздухом при движении машины. При этом применяются литые оребренные или гофрированные штампованные поддоны. 123 Двигатели автомобилей, работающие в тяжелых дорожных условиях или с продолжительными максимальными нагрузками, снабжаются масляными радиаторами. Различают радиаторы воздушно-масляные (рисунок 6.13 а), обдуваемые встречным потоком воздуха или потоком, создаваемым вентилятором, и жидкостно-масляные (рисунок 6.13 б) с теплоотдачей в систему охлаждения двигателя. Воздушно-масляные радиаторы имеют трубчато-пластинчатую конструкцию или выполняются из оребренных трубок. Устанавливают их перед радиатором системы охлаждения двигателя или в потоке воздуха, создаваемого вентилятором, в двигателях воздушного охлаждения. Жидкостно-масляные радиаторы омываются охлаждающей жидкостью, циркулирующей в системе охлаждения двигателя, и могут иметь трубчатую или пластинчатую конструкцию. Основными преимуществами жидкостно-масляных радиаторов являются: меньшие масса и объем, поскольку теплоотдача от стенок к жидкости гораздо выше, чем теплоотдача в воздух; быстрый прогрев масла после запуска двигателя; поддержание стабильного температурного режима. К недостаткам воздушно-масляных радиаторов следует отнести необходимость установки перепускного клапана для предотвращения разрушения охлаждающей решетки при холодном масле (пружина клапана регулируется на перепад давлений 0,15...0,2 МПа) и загрязнение охлаждающей решетки. 1, 5 – масляные патрубки; 2, 4 – накопительные камеры; 3 – оребренные трубки; 6 – жидкостная рубашка охлаждения; 7 – теплообменные элементы; 8, 9 – соответственно входной и выходной патрубки 124 системы жидкостного охлаждения Рисунок 6.13 – Схемы воздушно-масляного (а) и жидкостно-масляного (б) радиаторов для охлаждения масла Включение радиатора в систему смазывания может осуществляться по одной из следующих схем: • последовательно в масляную магистраль; • параллельно главной масляной магистрали с подачей масла от основной секции масляного насоса; • параллельно главной масляной магистрали с подачей масла от дополнительной секции масляного насоса. Наиболее распространена последняя схема, так как в этом случае масляный радиатор не снижает давление в главной масляной магистрали. В системах с сухим картером радиаторы включаются последовательно в магистраль, по которой масло откачивается во внешнюю емкость. В последних моделях зарубежных двигателей легковых автомобилей устанавливается небольшой жидкостно-масляный радиатор, скомпонованный с масляным фильтром. 5 Вентиляция картера Это процесс удаления картерных газов, выполняемый системой вентиляции картера. Картерные газы содержат пары топлива, оксиды углерода, серы, азота, продукты частичного окисления углеводородов топлива, пары воды и активно воздействуют на смазочное масло, в результате чего оно теряет свои свойства (стареет). Система вентиляции поддерживает в картере давление, близкое к атмосферному, что предупреждает выдавливание масла через сальниковые уплотнения. Стабильность свойств масла значительно повышается, если картер продувается небольшим количеством свежего воздуха. Существует два типа систем вентиляции: вытяжные (без продувки воздухом) и приточно-вытяжные (с продувкой воздухом). В современных двигателях применяется только закрытая система вентиляции, в которой картерные газы направляются в цилиндры двигателя для дожигания. В дизелях основным элементом вентиляции является клапан системы отсоса картерных газов, открывающийся под воздействием разрежения во впускном коллекторе. В режимах высоких частот вращения коленчатого вала этот клапан полностью открыт и обеспечивает максимальный поток картерных газов во впускной коллектор, а в режимах, близких к холостому ходу, он прикрывается. В двигателях с распределенным впрыскиванием топлива отсос картерных газов осуществляется по двум контурам в дроссельный узел. Причем первый большой контур работает при открытом дросселе, а второй – в режиме холостого хода. В этом случае картерные газы отводятся в задроссельное пространство по каналу с диаметром отверстия около 1,5 мм. 125 Одна из ранних схем принудительной вентиляции картера предусматривала отсос газов через вытяжной шланг, маслоотделитель, воздухоочиститель, карбюратор и впускной трубопровод. Количество картерных газов регулируется золотником, связанным с осью дроссельных заслонок. При работе двигателя в режимах, близких к холостому ходу, картерные газы отсасываются в небольшом количестве через калиброванное отверстие золотника и направляются в смесительную камеру карбюратора. При открытии дроссельных заслонок поворачивается и золотник, увеличивая проходное сечение и направляя картерные газы в значительном количестве непосредственно на вход карбюратора. В различных модификациях эта схема работает во всех конструкциях двигателей, снабженных карбюраторами. 6 Моторные масла К маслам, применяемым в автотракторных двигателях, предъявляются следующие эксплуатационные требования: – возможно более низкая температура застывания; – пологая вязкостно-температурная характеристика; – необходимая степень физической и химической стабильности; – минимальное коррозионное воздействие на металлы; – отсутствие механических примесей и воды; – высокая экологическая чистота; Моторное масло состоит из базового масла и присадок. По способу производства различают следующие базовые масла: • минеральные, получаемые при перегонке нефти. Благодаря относительной простоте производства они дешевые и наиболее распространенные; • синтетические, получаемые органическим синтезом и превосходящие минеральные по совокупности эксплуатационных свойств, т.е. они менее вязкие при низких температурах, обеспечивают необходимый уровень вязкости в условиях высоких температур, обладают высокими моющими свойствами; • полусинтетические, представляющие собой смесь высококачественного минерального базового масла и синтетических базовых компонентов. Присадки составляют до 20% объема масла. В основном это химические (минеральные и синтетические) продукты, растворимые в базовых маслах и предназначенные для улучшения различных их эксплуатационных характеристик. В моторных маслах в основном используются следующие группы присадок: • моюще-диспергирующие, обеспечивающие необходимую чистоту деталей двигателя и поддерживающие продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии; • вязкостно-температурные, улучшающие характеристики масел; • антиокислительные, повышающие физико-химическую стабильность 126 масла; • противокоррозионные, снижающие химическую агрессивность масла; • противопенные, предотвращающие вспенивание масла при его циркуляции в системе смазывания; • противоизносные; • многофункциональные, улучшающие одновременно несколько эксплуатационных характеристик масел. Наиболее важными из множества показателей, характеризующих конкретный сорт масла, являются класс вязкости по ГОСТу или SАЕ, определяющий сезон и климатические условия эксплуатации, и группа качества, определяющая уровень (совокупность) его эксплуатационных свойств по ГОСТу, АРI или АСЕА и устанавливающая пригодность данного масла для использования в двигателях с данным уровнем форсированности. Вязкость – это важнейшая характеристика масла, определяющая температурные пределы его работоспособности. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамическая вязкость – это количественная характеристика сопротивления масла смещению одного слоя относительно другого. Измеряется в паскаль-секундах (Па·с) или пуазах (П). Кинематическая вязкость – это отношение динамической вязкости к плотности масла. Определяется в миллиметрах квадратных на секунду (мм2/c) или сантистоксах (сСт). Вязкостные свойства являются основным признаком классификации моторных масел. Вязкостно-температурные свойства масла классифицируются по системе SАЕ (Sosiety of Automotive Engineers). Цифры, указанные после аббревиатуры SАЕ, определяют класс вязкости масла. Буквой W (Winter) маркируются зимние сорта масел. Стандарт SАЕ предусматривает шесть зимних классов вязкости – 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W, характеризующих возможность пуска холодного двигателя и достаточную прокачиваемость масла соответственно при температурах от -30 до 5 °С. В марках летних сортов буквы в обозначении нет. Они распределяются по классам в следующем порядке: 20, 30, 40, 50 и 60 с повышением вязкости при температуре 100 °С от 8 до 16 сСт. Из-за неудобства использования сезонных масел повсеместно применяются всесезонные сорта, в маркировке которых сначала следует зимний показатель, и через дефис или знак дроби (а иногда без них) – летний. Например: SАЕ 15W-40; SАЕ 5W/50; SАЕ 10W30. Вторым обязательным признаком классификации масел по совокупности эксплуатационных свойств является группа качества. Одной из основных международных квалификационных систем по этому признаку является система АРI (American Petroleum Institute). Принадлежность масла к определенной группе качества в системе АРI устанавливается рядом классификационных испытаний в двигателях или на специальных моторных установках. 127 Классификация АРI подразделяет моторные масла на две категории: S – для бензиновых двигателей; С – для дизелей. Обозначение группы качества масла складывается из буквы, обозначающей его категорию, и буквы, обозначающей уровень эксплуатационных свойств. Чем ближе к началу латинского алфавита вторая буква обозначения, тем ниже свойства данного масла. В системе АРI имеется девять групп качества масел для бензиновых двигателей – SА, SВ, SС, SD, SЕ, SF, SG, SН, SI и десять групп для дизелей – СА, СВ, СС, СD, СЕ, СF-4, СG-4 и СDII, СF-2 (для двухтактных двигателей). Для универсальных масел используется двойное обозначение, например SF/СС, СF-4/SН, причем на первом месте ставят обозначение типа двигателя, для которого в основном предназначено это масло. Европейская классификация АСЕА (Ассоциация европейских производителей автомобилей) базируется на единых требованиях к моторным маслам, согласованных ведущими европейскими фирмами. Классификация по АСЕА включает в себя три группы качества: А, В, Е. Каждая группа, в свою очередь, подразделяется на категории, обозначаемые арабскими цифрами. Чем выше цифра после буквы, тем лучше характеристики масла. Отечественные масла классифицируются в соответствии с ГОСТ 17479.1–85. Признаки классификации такие же, как в международных системах: необходимая вязкость масла при t = 100°Си t = –18 °С, а также группа качества. По этой классификации все масла подразделяются на пять групп качества по областям применения: А – нефорсированные двигатели; Б – малофорсированные двигатели; В – среднефорсированные двигатели; Г – высокофорсированные двигатели; Д – высокофорсированные двигатели с тяжелыми условиями работы. Каждая марка масла включает в себя буквенное и цифровое обозначение. Буква М означает, что масло моторное. Цифра после буквы М характеризует вязкость в сантистоксах при температуре 100 °С. В дроби цифра в числителе характеризует вязкость масла при температуре –18 °С, а в знаменателе – вязкость при 100 °С. Буква «з» в индексе обозначает, что масло загущенное, т.е. содержит загущающие присадки. Индексом 1 маркируются масла для двигателей с искровым зажиганием, а индексом 2 – для дизелей. Если индекс отсутствует, это означает, что масло предназначено для обеих категорий двигателей. В скобках в обозначении могут указываться дополнительные индексы, характеризующие специальные свойства, состав или назначение масла. Для ориентировочного выбора группы масла для двигателей с искровым зажиганием при ε = 6,5...7,5 и п = 3000...4000 мин-1 можно рекомендовать масла группы Б1, а при ε = 8... 10 и п = 5000...6000 мин-1 – масла группы Г1. Для дизелей используется условный показатель напряженности работы масла в двигателе 128 где – часовой расход топлива, кг/ч; – эффективная мощность двигателя, кВт; – суммарная площадь рабочих поверхностей зеркала цилиндра, днища поршня, головки цилиндра; i – число цилиндров; – емкость системы смазывания, кг; п – частота вращения коленчатого вала, мин-1; = 1,0 – для безнаддувных двигателей; = 1,3 – для двигателей с наддувом; = 1,0 – для двигателей жидкостного охлаждения; = 1,7 – для двигателей воздушного охлаждения. Для транспортных дизелей при показателеА ≤ 150 рекомендуются масла группы Б2, при А = 197...223 – масла группы Б2, при А = 358...648 – масла группы Г2. По вязкостно-температурным свойствам для газовых двигателей рекомендуется применять масла классов SАЕ 10W-40 и SАЕ 15W-40. Примерное соответствие классов вязкости и групп по назначению и эксплуатационным свойствам, изложенным в ГОСТ 17479.1-85, SАЕ и АРI. В таблицах 8.2 и 8.3 указаны не идентичные характеристики, а только ориентировочное их соответствие. Данные таблиц позволяют по стандартной марке отечественного масла выбрать его зарубежный аналог или, зная характеристики импортного масла, по характеристикам SАЕ и АРI найти его ближайший отечественный аналог. Классы вязкости SАЕ в большинстве случаев имеют более широкие диапазоны кинематической вязкости при 100 °С, чем классы вязкости по ГОСТ 17479.1-85. По этой причине одному классу SАЕ могут соответствовать два смежных класса по ГОСТ 17479.1-85. 7 Обслуживание систем смазывания Техническое обслуживание системы смазывания заключается в систематической проверке уровня масла в картере и его качества, смене масляных фильтров и промывке ротора центробежных очистителей, смене отработавшего масла и устранении появившихся в системе неисправностей. Уровень масла в картере необходимо проверять перед выездом на автомобиле, а также в пути при поездках на дальние расстояния. Загрязненность масла определяется: индикатором загрязнения масла, визуально по цвету и прозрачности его на маслоизмерительном щупе, по цвету масляного пятна на фильтровальной бумаге. К эксплуатационным неисправностям системы смазывания относятся: • пониженное давление масла (основная неисправность); 129 • повышенное давление масла; • отсутствие давления масла (работа двигателя невозможна); • присутствие охлаждающей жидкости в системе; • повышенный расход масла. Слив масла можно осуществить двумя способами: через сливную пробку, установленную в поддоне картера, или вакуумной установкой через отверстие масляного щупа. Для обеспечения первого способа необходимы передвижные баки емкостью 65, 80, 90 л и тележки с поддонами, перемещающиеся на роликах вдоль смотровой канавы. Вакуумный отбор масла осуществляется универсальной передвижной установкой, включающей в себя резервуар с устройством для откачивания масла, манометр и набор гибких и прямых адаптеров (щупов), позволяющих работать с любым автомобилем. Вакуумные установки обеспечивают визуальный контроль степени загрязненности и объема сливаемого масла. Универсальные установки для слива и отбора масла включают в себя и сливную емкость, и систему вакуумного отбора. Раздача масла осуществляется специальными мобильными и стационарными пневматическими установками. Стационарные пневматические установки снабжены специальным поддоном для емкости с маслом, пневматическим насосом (или насосами), автоматической катушкой со шлангом и масло-раздаточным пистолетом с электронным счетчиком. Разделенные стационарные установки предусматривают наличие на рабочих постах только катушки со шлангами и масло-раздаточных пистолетов с электронными счетчиками. При этом емкости с маслом и погруженными в них насосами устанавливаются в маслохранилище. Комбинированные установки позволяют отбирать отработавшее масло и производить раздачу свежего масла. При замене неразборного масляного фильтра следует: • протереть чистой салфеткой посадочную поверхность на блоке двигателя; • смазать чистым маслом уплотнительное кольцо нового фильтра, чтобы при его закручивании не повредить уплотнитель; • завернуть фильтр от руки. 130 Вопросы для повторения и самоконтроля 1. Каково назначение системы смазывания? 2. Перечислить способы подачи масла к узлам трения. 3. Какие бывают схемы систем смазывания? 4. Какие бывают виды загрязнений смазочного масла? 5. Перечислить схемы фильтрации масла. 6. Перечислить элементы системы смазывания. 7. Каково назначение элементов системы смазывания? 8. Сравнительный анализ конструкций фильтров. 9. Какие клапаны могут быть размещены в неразборных фильтрах? 10. Характеристика центрифуг. 11. Какими основными преимуществами обладают жидкостно-масляные радиаторы? 12. Что следует отнести к недостаткам воздушно-масляных радиаторов? 13. Перечислить способы включение радиатора в систему смазывания. 14. Какие существуют типы систем вентиляции? 15. Какие эксплуатационные требования предъявляются к маслам? 16. Какие бывают масла по способу производства? 17. Какие группы присадок используются в моторных маслах? 18. Какие показатели наиболее важны из множества, характеризующих конкретный сорт масла? 19. Дать определение динамической и кинематической вязкости. 20. Перечислите эксплуатационные неисправностям системы смазывания? 131 Лекция № 7 СИСТЕМА ПИТАНИЯ План 1. Системы топливоподачи двигателей с искровым зажиганием. 2. Карбюраторные системы. 3. Аккумуляторные топливные системы высокого давления. 1 Системы топливоподачи двигателей с искровым зажиганием Наивыгоднейшая характеристика смеси Топливные системы ДВС осуществляют хранение запаса топлива и дозированную его подачу в цилиндры в определенной фазе цикла, способствуя качественному смесеобразованию на всех режимах. Системы топливоподачи ДсИЗ работают как в бензиновых, так и в газовых двигателях. Наибольшая мощность ДсИЗ обеспечивается при использовании обогащенных смесей (αм < 1,0) и полностью открытой дроссельной заслонке. Наилучшая экономичность на частичных нагрузках достигается, когда α = αэк. Чем больше при данной частоте вращения нагрузка и соответственно больше разрежение в диффузоре Δрд, тем большее значение имеют αм и αэк. Аналогичное изменение αм и αэк имеет место, если при постоянном положении дроссельной заслонки увеличивать частоту вращения и Δрд. При работе двигателя на частичных нагрузках, когда при данной частоте вращения Δрд < Δрдmax целесообразно изменение состава смеси αэк по кривой 1, показанной на рисунке 7.1. 1 – экономичный; 2 – мощностной Рисунок 7.1 – Наивыгоднейшие составы смеси 132 При полном открытии дроссельной заслонки от двигателя требуется наибольшая мощность, поэтому состав смеси должен определяться точкой С на кривой 2. Итак, наивыгоднейшую характеристику дозирования смеси при данной частоте вращения на рисунке 7.1 отображает линия АВС. Рассматриваемые характеристики при разных частотах вращения не совпадают, поскольку при Δрд = const с ростом п и при соответствующем прикрытии дроссельной заслонки смесь необходимо обогащать. Управление составом смеси в соответствии с кривой 1 или 2 обеспечивает получение наилучших энергетических или экономических показателей. Для обеспечения нормируемых экологических показателей при управлении составом смеси в современных ДсИЗ требуется отступление от значений α м или αэк. Системы впрыскивания бензина К основным преимуществам применения систем впрыскивания бензина относятся: • раздельное дозирование воздуха и топлива, в результате чего одной и той же подаче воздуха может соответствовать разная подача бензина; • точное дозирование топлива на всех эксплуатационных режимах; • хорошая приспособленность к диагностике; • улучшение экономических, мощностных и экологических показателей двигателя. Системы впрыскивания бензина (рисунок 7.2) можно классифицировать по трем признакам. а – распределенный; б – центральный; в – непосредственный; 1 – подвод топлива; 2 – подвод воздуха; 3 – дроссельная заслонка; 4 – впускной трубопровод; 5 – коллектор подвода топлива к форсункам; 6 – форсунка; 7 – головка цилиндров Рисунок 7.2 – Схемы систем впрыскивания бензина Во-первых, бензин может впрыскиваться во впускной трубопровод (ри- 133 сунок 7.2 а, б) или непосредственно в цилиндр (рисунок 7.2 в). Во-вторых, впрыскивание может быть распределенным (см. рисунок 7.2 а), т.е. в этом случае форсунка впрыскивает бензин в зону впускных клапанов каждого цилиндра, и центральным, когда впрыскивание реализуется единственной форсункой (см. рисунок 7.2 б), установленной на участке до разветвления впускного трубопровода (т.е. на месте карбюратора). В-третьих, распределенное впрыскивание может быть фазированным, при котором каждая форсунка производит впрыскивание в строго определенный момент времени, согласованный с открытием впускных клапанов цилиндра (предпочтительный метод). При нефазированном впрыскивании в зону впускных клапанов подача топлива осуществляется одновременно всеми форсунками или группами из нескольких форсунок. Для некоторого выравнивания условий смесеобразования в разных цилиндрах иногда цикловая подача топлива при нефазированном впрыскивании разделяется на две части, которые впрыскиваются с интервалом 360° ПКВ. Система распределенного впрыскивания Система распределенного впрыскивания обеспечивает подачу топлива в зону впускных клапанов электромагнитными форсунками. Главным командным параметром для программного электронного управления цикловой подачей топлива служит цикловой расход воздуха, определяемый на основании сигналов измерителя массового расхода воздуха и датчика частоты вращения коленчатого вала. При распределенном впрыскивании (рисунок 7.3) бензин из бака 1 всасывается электрическим бензонасосом 2, а затем через фильтр тонкой очистки 3 нагнетается в магистраль 12, в которой регулятором 11 поддерживается постоянный перепад давлений на входе и выходе топлива из форсунок 15. Фильтр 3, являющийся основным, должен обеспечить высокую очистку топлива. Избыток топлива от регулятора 11 возвращается обратно в бак. Из нагнетательной магистрали 12 топливо подводится к индивидуальным электромагнитным форсункам 15, подающим его в зону впускных клапанов. В двигателях с двумя впускными клапанами на цилиндр форсунка впрыскивает бензин на перемычку между клапанами. Воздух поступает в цилиндры через измеритель расхода 6 и впускной трубопровод 10. Количество воздуха регулируется дроссельной заслонкой. Электронная система управления дозированием топлива питается от аккумуляторной батареи 8 и включается в цепь при замыкании контактов в замке зажигания 7. Сигналы измерителя расхода воздуха 6 и распределителя зажигания (датчика частоты вращения вала 13) обрабатываются электронным блоком управления 4, который в соответствии с заложенной в него программой выдает электрические импульсы, управляющие открытием клапанов форсунок и имеющие определенную продолжительность на каждом режиме работы двигателя. Системы с согласованным (фазированным) впрыскиванием выравнивают условия смесеобразования в различных цилиндрах. 134 Так как регулятор 11 поддерживает с высокой точностью постоянное избыточное давление топлива (200...400 кПа) относительно давления воздуха во впускном трубопроводе, то цикловая подача топлива форсункой 15 однозначно зависит от времени, в течение которого открыт ее клапан. 1 – топливный бак; 2 – насос; 3 – фильтр; 4 – электронный блок управления; 5 – датчик положения дроссельной заслонки; 6 – измеритель расхода воздуха; 7 – замок зажигания; 8 – аккумуляторная батарея; 9 – регулятор дополнительной подачи воздуха; 10 – впускной трубопровод; 11 – регулятор давления топлива; 12 – топливная магистраль; 13 – датчик частоты вращения коленчатого вала; 14 – датчик температуры; 15 – электромагнитная форсунка; 16 – кислородный датчик (λ-зонд) Рисунок 7.3 – Схема системы распределенного впрыскивания бензина Длительность впрыскивания корректируется блоком управления в зависимости от температуры охлаждающей жидкости (датчик 14). Обогащение смеси на режимах полной мощности и разгона обеспечивается по сигналам датчика 5, соединенного механически с осью дроссельной заслонки. В этом датчике предусмотрена также контактная пара, подающая сигнал для отключения топливоподачи на режимах принудительного холостого хода. Отключение подачи происходит при закрытой дроссельной заслонке, когда частота вращения вала превышает примерно 1500 мин-1. Вновь подача включается при частоте вращения менее 900 мин-1. Отключение подачи топлива корректируется в зависимости от температурного режима двигателя. Чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу с заданной частотой вращения, предусмотрено автоматическое регулирование 135 количества поступающего в двигатель воздуха в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. На холостом ходу непрогретого двигателя дроссельная заслонка закрыта, а воздух поступает через верхний и нижний байпасные каналы. По мере прогрева двигателя, начиная с температуры охлаждающей жидкости 50...70 °С, регулятор 9 прекращает дополнительную подачу воздуха. После этого воздух поступает только через верхний байпас, сечение которого можно изменить винтом для регулировки частоты вращения вала на холостом ходу. Система может работать по сигналам λ-зонда 16, обеспечивая поддержание стехиометрического состава смеси. Большое значение для безотказной работы регулятора давления 11 и форсунки 15 имеет качественная фильтрация топлива. Измерение расхода воздуха осуществляется термоанемометром с высокой надежностью и позволяет поддерживать постоянным состав смеси при изменении плотности воздуха. Чувствительный элемент из платиновой проволоки толщиной 70 мкм, расположенный по поперечному сечению впускного трубопровода, включен в цепь моста сопротивлений. Проволока подогревается электрическим током до постоянной температуры 150 °С. При этом, чем больше расход воздуха, тем сильнее теплосъем с проволоки и больше ток подогрева. Сила тока, пропорциональная расходу воздуха, непрерывно измеряется мостовой схемой, определяя этот расход. После остановки двигателя нить термоанемометра по команде блока управления кратковременно разогревается до повышенной температуры в целях выполнения очищения (выжигания) от загрязнений, которые могут искажать сигнал о расходе воздуха. Помимо проволочного для термоанемометра применяется также пленочный чувствительный элемент. Электромагнитная форсунка. Точность дозирования и равномерность топливоподачи по цилиндрам во многом зависят от качества форсунок. Схема электромагнитной форсунки показана на рисунке 7.4 а. Топливо подводится к корпусу 7 форсунки по шлангу через фильтр 9. Этот фильтр улавливает случайно попавшие в магистраль частицы. В корпусе форсунки размещены клапан 4 с распыливающим наконечником 5 (штифтом) и быстродействующий электромагнит 2, концы обмотки которого выведены наружу через изолированные от корпуса контакты 8. Когда электромагнит обесточен, клапан пружиной 6 прижимается к седлу и открывается примерно на 0,1 мм, когда на контакты форсунки подается управляющий электрический импульс, т.е. магнит 7 втягивает клапан 4, объединенный со штифтом 5. Перемещение клапана ограничивается дистанционным кольцом 3. Клапан открывается и закрывается не одновременно с началом и окончанием поступления управляющего импульса, а с некоторым запаздыванием. Время срабатывания (запаздывания открытия) и время отпускания (запаздывания закрытия) клапана зависят не от длительности управляющего импульса, а от конструкции форсунки, т.е. от конструкции и материала магнитопровода, массы подвижных 136 деталей и т.п. Чем короче время отпускания клапана, тем выше быстродействие форсунки и меньше погрешность дозирования топлива. Разброс цикловых подач одного комплекта форсунок может достигать ± 4,0% на малых подачах и ± 1,5% – на больших. 1 – корпус; 2 – быстродействующий электромагнит; 3 – дистанционное кольцо; 4 – клапан; 5 – штифт; 6 – пружина; 7 – магнит; 8 – контакты; 9 – фильтр Рисунок 7.4 – Электромагнитная форсунка со штифтовым распылителем (а) и форсунка с дополнительным воздушным распылителем (б) При установке форсунки во впускном трубопроводе, т.е. на большом расстоянии от клапана, угол факела топлива равен 15...25°, а при установке форсунки в головке блока цилиндров вблизи клапана – 25...45°. Иногда для улучшения распыливания бензина на режимах малых нагрузок, когда скорость воздуха около форсунки и цикловая подача топлива невелики, применяются форсунки с дополнительным воздушным распылителем (рисунок 7.4 б). В этом случае к специальному штуцеру подводится воздух, который отбирается из впускной системы до дроссельной заслонки, где разрежение невелико. Этот воздух с высокой скоростью поступает к области штифта клапана форсунки и, взаимодействуя с подаваемым форсункой бензином, улучшает распыливание. Чем меньше нагрузка, т.е. больше разрежение потока воздуха около штифта, тем больше скорость воздуха и тоньше 137 распыливание бензина. Топливный насос. Давление бензина в системе обеспечивает насос с электроприводом (рисунок 7.5). Этот насос и электромотор размещаются в едином герметичном корпусе 1 и погружаются в бензин, находящийся в топливном баке. Так решается проблема отвода теплоты, выделяющейся в электромоторе, снижается шум от работы насоса и гарантируется подача бензина на его вход. Топливный насос может располагаться и вне топливного бака. Давление бензина увеличивается в роликовом или шестеренчатом насосе 3, который приводится в действие от электродвигателя 4 и защищается от перегрузки предохранительным клапаном 2. Насос включается и выключается вместе с системой зажигания. 1 – корпус; 2 – предохранительный клапан; 3 – насос; 4 – электродвигатель; 5 – обратный клапан Рисунок 7.5 – Топливный насос с электроприводом Электрический привод позволяет создавать давление в системе при неработающем ДВС, а обратный клапан 5 сохраняет в системе остаточное давление после выключения насоса. Это обеспечивает надежный пуск двигателя в условиях высокой температуры окружающей среды. Постоянство перепада давлений между входным и выходным сечениями электромагнитной форсунки имеет принципиальное значение для точности дозирования бензина. Регулятор перепада давлений топлива, показанный на рисунке 7.6, через штуцер 6 сообщается с впускным трубопроводом, а через штуцеры 1 и 8 к форсункам подводится и отводится бензин. Мембрана и клапан дросселируют топливо в зазоре между запирающим элементом и седлом клапана, сливая лишнее топливо через штуцер 10 сливной магистрали. Регулятор с мембранным чувствительным элементом обеспечивает требуемый перепад давлений топлива с погрешностью ± (1...2)%. 138 К основным преимуществам распределенного впрыскивания относятся: • короткий путь струи бензина от форсунки до цилиндра, что способствует уменьшению количества топливной пленки и улучшению разгона автомобиля; • повышение коэффициента наполнения вследствие отсутствия подогрева впускного трубопровода, снижения гидравлического сопротивления впускного тракта из-за отсутствия карбюратора и использования хороших возможностей для применения динамического наддува; • увеличение степени сжатия на 0,5...1,5 единицы вследствие отсутствия подогрева впускного трубопровода и испарения бензина, главным образом, в цилиндре; • хорошее сочетание с системами наддува. Распределенное впрыскивание уступает карбюраторному по стоимости, сложности устройства и простоте обслуживания при эксплуатации. 1 – входной штуцер; 2 – полость избыточного давления; 3 – пружина; 4 – наддиафрагменная полость; 5 – винт регулировки натяжения пружины; 6 – штуцер для сообщения полости 4 с впускным трубопроводом; 7 – мембрана; 8 – штуцер подвода топлива к форсункам; 9 – клапан; 10 – штуцер сливной магистрали Рисунок 7.6 – Регулятор перепада давлений топлива Системы распределенного впрыскивания применяются на большинстве новых ДсИЗ. Система центрального впрыскивания Схема системы центрального впрыскивания показана на рисунке 7.7. Из 139 топливного бака с помощью электробензонасоса 8 через фильтр 7 под давлением 100...150 кПа, минуя регулятор перепада давлений 6, бензин поступает в электромагнитную форсунку 2. Управление форсункой реализует электронный блок 3, в который поступают сигналы измерителя расхода воздуха 7, датчика положения и скорости открытия дроссельной заслонки 5, а также датчика температуры охлаждающей жидкости 9. Питание блока управления осуществляется от аккумуляторной батареи 4. Конструктивно форсунка 7 (рисунок 7.8) объединена с регулятором перепада давлений 5, дроссельной заслонкой 8 и регулятором холостого хода 2 в единый узел. К распылителю топливо подводится по каналу 3, а из регулятора давления топливо отводится по каналу 4. Подача топлива форсункой осуществляется под давлением 100...150 кПа, а частота впрыскивания связана с частотой вращения коленчатого вала. Оптимизация дозирования топлива при центральном впрыскивании решается такими же методами, как и в системах распределенного впрыскивания, поэтому совершенство дозирования топлива при центральном впрыскивании существенно выше, чем при карбюрации. 1 – измеритель расхода воздуха; 2 – форсунка; 3 – блок управления; 4 – аккумуляторная батарея; 5 – датчик положения и скорости открывания дроссельной заслонки; 6 – регулятор перепада давлений топлива; 7 – топливный фильтр; 8 – топливный насос; 9 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 10 – регулятор перепуска воздуха Рисунок 7.7 – Схема системы центрального впрыскивания бензина 140 1 – канал холостого хода; 2 – регулятор холостого хода; 3 – подводящий топливный канал; 4 – канал отвода топлива от регулятора давления; 5 – регулятор перепада давлений топлива; 6 – штекер электропитания форсунки; 7 – форсунка; 8 – дроссельная заслонка Рисунок 7.8 – Расположение форсунки в системе центрального впрыскивания Системы центрального впрыскивания проще, надежнее и дешевле систем распределенного впрыскивания, поэтому они находят применение, главным образом, на более дешевых автомобилях. Вместе с тем системы центрального впрыскивания не могут обеспечить тех показателей, которые позволяет получить распределенное впрыскивание, что объясняется в основном образованием пленки топлива на стенках впускного трубопровода и более высокой неравномерностью состава смеси по цилиндрам. Работа двигателя в режиме разгона при использовании рассматриваемой системы ухудшается из-за значительного расстояния между форсункой и впускными клапанами. Также сложнее организовать динамический наддув, поскольку гидравлическое сопротивление впускной системы увеличивается из-за размещения в ней форсунки относительно больших размеров. Система непосредственного впрыскивания бензина в цилиндр По классификации, системы впрыскивания бензина в цилиндр обеспечивают внутреннее смесеобразование. Эти системы уже применяются на ряде моделей двигателей и, по мнению специалистов, являются перспективными. Системы впрыскивания бензина в цилиндры двигателей, работающих только на гомогенной смеси, и двигателей, в которых при малых и средних 141 нагрузках используется расслоение заряда и для которых, следовательно, требуется малосернистый бензин, принципиальных отличий не имеют. Схема системы впрыскивания бензина в цилиндр показана на рисунке 7.9. В топливном баке 13 находится насос низкого давления с электрическим приводом, который через фильтр 14 подает бензин к плунжерному насосу высокого давления 7. Из этого насоса бензин попадает в аккумулятор 4 с точно регулируемым давлением (5...13 МПа). Регулирование давления в аккумуляторе осуществляется посредством регулятора 2, который управляется электронным блоком 11 по сигналу датчика давления 3 и перепускает часть топлива на вход насоса высокого давления 1. 1 – топливный насос высокого давления; 2 – регулятор давления; 3 – датчик давления; 4 – топливный аккумулятор; 5 – форсунки; 6 – дроссельная заслонка; 7 – каталитический нейтрализатор; 8 – импульсы управления сервоприводом; 9 – сигналы датчиков; 10 – плата управления топливоподачей; 11 – блок управления; 12 – линия управления насосом низкого давления; 13 – топливный бак и насос низкого давления;14 – топливный фильтр Рисунок 7.9 – Схема системы непосредственного впрыскивания бензина Из аккумулятора 4 топливо подводится к электромагнитным форсункам 5, управляемым специальной платой 10. Изменение цикловой подачи бензина обеспечивается, как и при распределенном впрыскивании во впускную систему, управляющими импульсами различной длительности, подаваемыми синхронно к каждой форсунке. В двигателях, работающих на гомогенной смеси, впрыскивание на всех 142 рабочих режимах начинается через 5...10° ПКВ после ВМТ на такте впуска. Если же при малых нагрузках используются расслоенные заряды, то при работе на средних и полных нагрузках, когда расслоение заряда не используется, впрыскивание также начинается через 5...10° ПКВ после ВМТ. При малых нагрузках впрыскивание начинается на такте сжатия 1 и на холостом ходу и составляет всего 15...20° ПКВ до ВМТ В целях предотвращения детонации, получения полурасслоенного заряда или ускорения прогрева нейтрализатора цикловая подача топлива может осуществляться за два впрыскивания с 1 интервалом 180...320° ПКВ. Главными командными параметрами для электронного управления цикловой подачей топлива в двигателях с гомогенным зарядом служат сигналы о расходе воздуха и частоте вращения, а в двигателях с расслоенным зарядом – сигналы о положении педали управления, нагрузке и частоте вращения коленчатого вала. Помимо организации управления топливоподачей система для двигателей с расслоением заряда отличается от системы распределенного впрыскивания изменением момента начала впрыскивания в широком диапазоне (250...300° ПКВ), значительно большим давлением впрыскивания (до 13 МПа) и использованием на ряде режимов двустадийного впрыскивания. Недостатками системы непосредственного впрыскивания бензина по сравнению с распределенным впрыскиванием являются высокая стоимость вследствие работы при существенно больших давлениях и тяжелые температурные условия для форсунки. Кроме того, двигатели с расслоением заряда имеют сложную систему управления, требуют применения специальных нейтрализаторов DЕNОХ и бензинов с очень низким содержанием серы (не более 30 млн-1). В рассматриваемой системе топливный насос высокого давления плунжерного типа с автоматическими клапанами имеет одну или несколько секций (рисунок 7.10). Причем при меньшем их числе возрастают пульсации давления в аккумуляторе, а при большем – увеличивается стоимость. Насос работает следующим образом. Движение от кулачка 5 через ролик передается плунжеру 6, преодолевая усилие сильной пружины 3. Мембрана 4 предотвращает утечку топлива в механизм привода насоса. Топливо, просочившееся между корпусом насоса и плунжером, отводится по каналу 8. К плунжеру топливо поступает из канала 7 через автоматический пластинчатый клапан 2, а в аккумулятор нагнетается по каналу 9. Максимальная мощность, затрачиваемая на привод насоса для двигателя с iVh = 2200 см3, равна 250 Вт. 143 1 – канал входа топлива; 2 – автоматические клапаны; 3, 7 – пружины; 4 – мембрана; 5 – кулачок; 6 – плунжер; 8 – канал отвода топлива; 9 – канал подвода топлива к аккумулятору Рисунок 7.10 – Схема секции топливного насоса высокого давления 1– соленоид; 2 – завихритель; 3 – игла распылителя Рисунок 7.11 – Форсунка высокого давления 144 1 – соленоид; 2 – питание обмотки соленоида; 3 – клапан Рисунок 7.12 – Регулятор давления Электромагнитная форсунка – это один из самых ответственных узлов системы топливоподачи (рисунок 7.11). Форсунка должна обеспечивать требуемую точность дозирования при относительно высоких давлениях топлива и частоте впрыскиваний. Работой форсунки управляет электронный блок. Форсунки для двигателей с расслоением заряда чаще всего выполняются с вихревым распылителем и дают полую коническую струю. Температура распылителя на прогретом двигателе не превышает 110...120 °С. В двигателях, работающих без расслоения заряда (на гомогенной смеси), иногда используются форсунки с щелевым распылителем, дающие веерообразную струю, которая хорошо согласуется с формой камеры сгорания. Регулятор давления, представляющий собой электромагнитный клапан (рисунок 7.12), осуществляет управление давлением топлива в аккумуляторе топливной системы. Соленоид 7 изменяет давление перепуска топлива из аккумулятора на вход насоса высокого давления. Поддержание заданного давления достигается посредством открывания и закрывания шарикового клапана 3. Питание обмотки соленоида 2 изменяется по командам блока управления, это обеспечивает изменение давления топлива в аккумуляторе. 2 Карбюраторные системы Схема карбюраторной системы, показанная на рисунок 7.13, включает в себя топливный бак 12 с заливной горловиной 13 и крышкой 14. Датчик 15 с указателем 16 уровня позволяет контролировать количество бензина в баке. По топливопроводу 9 через фильтр тонкой очистки 7 и с помощью насоса 6 по топливопроводу 5 бензин подается в карбюратор 2. Чтобы в топливопроводах 9 и 5 не образовывались паровые пробки, производительность насоса 6 больше необходимой для двигателя, поэтому излишек топлива по магистрали перепуска 18 постоянно сливается обратно в бак и температура в топливопроводах снижается. Воздух поступает в карбюратор через воздухоочиститель 1. 145 1 – воздухоочиститель; 2 – карбюратор; 3 – впускной трубопровод; 4 – выпускной трубопровод; 5 – нагнетательный топливопровод; 6 – топливный насос; 7 – фильтр тонкой очистки топлива; 8 – приемная труба; 9 – топливопровод; 10 – глушитель; 11 – трубопровод системы впуска; 12 – топливный бак; 13 – заливная горловина; 14 – крышка заливной горловины; 15 – датчик уровня топлива; 16 – указатель уровня топлива; 17 – магистраль перепуска топлива; 18 – штуцер перепуска топлива Рисунок 7.13 – Схема системы питания карбюраторного двигателя Топливовоздушная смесь из карбюратора подается к цилиндрам по впускному трубопроводу 3. Наиболее важным узлом системы является карбюратор, к которому предъявляются следующие основные требования: точное дозирование топлива, обеспечивающее получение необходимых экономических и мощностных показателей двигателя на всех режимах его работы при допустимой токсичности отработавших газов; возможность быстрого и плавного изменения режима работы двигателя; надежный и быстрый запуск двигателя; тонкое распыливание топлива. Карбюраторные системы сохранились лишь в двигателях устаревших конструкций. Ведущие фирмы мира в новых моделях двигателей таких систем не применяют. 3 Аккумуляторные топливные системы высокого давления Серийный выпуск АТС, позволяющей управлять не только цикловой подачей и УОВ, но и давлением, а также формой характеристики впрыскивания, впервые был осуществлен в 1997 г. на основе совместно разработанной фирмами Bosch и Fiat системы типа Common Rail. Широкое распространение АТС такого типа стало возможным благодаря созданию исполнительных устройств с высокими энергетическими и частотными показателями, т. е. 146 быстродействующих клапанов и других механизмов с электромагнитным приводом, а также с пьезоэлектрическим приводом, имеющим некоторые преимущества перед электромагнитным. Схема АТС высокого давления с электронным управлением типа Common Rail с электромагнитным приводом управляющего клапана приведена на рисунке 7.14. В этой системе топливо из бака 1 через фильтр 2 подается топливоподкачивающим насосом 3 под давлением 0,5... 0,8 М Па в топливный насос высокого давления 4, объединенный с регулятором давления 5. По топливопроводам высокого давления 7 топливо подается в аккумулятор 8 и затем в электрогидравлические форсунки (ЭГФ) 9, которые осуществляют впрыскивание топлива в цилиндры дизеля. Магистраль топливопроводов 6 низкого давления не только соединяет бак с ТНВД, но и обеспечивает слив топлива в бак из регулятора давления 5 и из форсунки 9. Магистраль высокого давления (см. поз. 4, 5, 7, 8, 9) представляет собой систему, позволяющую с помощью электронного управления регулировать расход топлива, УОВ, давление топлива в аккумуляторе 8 и форсунках 9 и, следовательно, давление впрыскивания топлива в пределах от 40 до 160 МПа и более, а также формировать характеристику впрыскивания. 1 – топливный бак; 2 – фильтр; 3 – топливоподкачивающий насос; 4 – ТНВД; 5 – регулятор давления; 6 – топливопроводы низкого давления; 7 – топливопроводы высокого давления; 8 – аккумулятор; 9 – электрогидравлическая форсунка; 10 – датчики; 11 – блок управления Рисунок 7.14 – Схема аккумуляторной топливной системы высокого давления Система управления АТС включает в себя микропроцессорный блок управления 11, который на основании информации, получаемой от датчиков 10, управляет исполнительными устройствами – электромагнитными клапанами, 147 расположенными в ТНВД на впуске и выпуске каждой секции, в регуляторе давления и электрогидравлических форсунках. Комплекс датчиков включает в себя: датчик давления в аккумуляторе, датчики частоты и положения коленчатого вала, датчик положения педали акселератора. Кроме того, в этот комплекс могут входить датчики давления воздуха, температуры воздуха, температуры топлива и другие датчики, позволяющие включить систему управления АТС в комплексную систему микропроцессорного управления ДВС. В АТС типа Common Rail используются ТНВД трех конструктивных схем: • топливный насос с звездообразным расположением трех секций, приводимых от общего эксцентрикового вала; • двухплунжерный рядный насос с приводом от эксцентрикового вала; • роторный насос распределительного типа. Применение эксцентрикового вала вместо кулачкового обеспечивает равномерность нагружения приводного вала и существенное (в несколько раз) снижение максимального момента на приводе ТНВД. Управление производительностью ТНВД и давлением топлива в аккумуляторе обеспечивается посредством перепуска части топлива на слив после ТНВД и отключением одной из секций. Наиболее рациональным способом регулирования является дросселирование на впуске, позволяющее снизить затраты мощности на привод ТНВД и уменьшить нагрев топлива. Электрогидравлическая форсунка показана на рисунке 7.15 а. При выключенном электромагните 12 управляющего ЭМК пружина 9 прижимает якорь 7 к шарику 8, закрывая слив топлива из камеры гидроуправления. В этом случае топливо, поступившее через вход от аккумулятора, находится под давлением, равным давлению в аккумуляторе, и в распылителе (действует снизу на иглу 2), ив камере гидроуправления (действует сверху на поршень 5). Поскольку площадь поршня 5 больше площади иглы 2, на которую действует давление топлива, игла 2 прижата к седлу и закрывает проходное сечение распылителя. При подаче электрического управляющего импульса на электромагнит 12 якорь с шариком 8 поднимаются, открывая проходное сечение ЭМК, и топливо через жиклер слива сливается через вертикальный канал (над пружиной 9) и топливопроводы низкого давления в топливный бак. Поскольку проходное сечение жиклера наполнения существенно меньше проходного сечения жиклера слива, давление в камере гидроуправления падает. При этом игла под действием давления аккумулятора, преодолевая силу от давления топлива, действующего сверху на поршень, и силу пружины 4, поднимается и происходит впрыскивание топлива. При прекращении электрического управляющего импульса проходное сечение управляющего ЭМК закрывается, в камере гидроуправления давление топлива растет, игла вновь садится в седло и впрыскивание топлива прекращается. При неработающем дизеле, когда дав- 148 ление топлива в аккумуляторе незначительно, игла 2 прижимается к седлу в основном пружиной 4. 1 – распиливающее отверстие; 2 – игла; 3 – распылитель; 4 – пружина управляющего электромагнитного клапана; 5 – поршень; 6 – втулка поршня мультипликатора; 7 – жиклер камеры гидроуправления; 8 – шарик управляющего клапана; 9 – пружина клапана; 10 – шток; 11 – якорь электромагнитного клапана; 12 – электромагнит Рисунок 7.15 – Электрогидравлическая форсунка при открытом (а) и закрытом (б) положениях электромагнитного клапана Таким образом, длительность впрыскивания определяется временем подачи на ЭМК управляющего импульса, а цикловая подача – продолжительностью управляющего импульса и давлением в аккумуляторе. Высокие энергетические и частотные показатели ЭМК электрогидравлической форсунки и сочетание тщательно подобранных ее конструктивных параметров позволяют управлять характеристикой впрыскивания топлива. Например, осуществлять предвпрыскивание топлива для снижения выбросов NO* и уровня шума, дополнительное (после основного) впрыскивание в целях обеспечения работы восстановительного нейтрализатора и многократное впрыскивание, позволяющее обеспечить снижение выброса частиц. Возможно также индивидуальное адаптивное регулирование подачи топлива по цилиндрам в соответствии с их текущим техническим состоянием. Перечисленные возможности гибкого управления процессом впрыскивания топлива обеспечивают перспективы самого широкого применения АТС высокого давления в автомобильных дизелях. 149 Электрогидравлическая форсунка с пьезоэлектрическим приводом управляющего клапана работает в целом по тому же принципу, что рассмотренная ранее ЭГФ. Пьезоэлектрический привод является потенциально более перспективным по сравнению с электромагнитным, поскольку обеспечивает более высокое быстродействие ЭГФ, лучшую межцикловую стабильность цикловых подач (особенно малых при осуществлении предварительных и дополнительных после основного впрыскиваний топлива) и меньший нагрев привода управляющего клапана. К недостаткам рассмотренных АТС следует отнести необходимость более надежных уплотнений магистрали высокого давления, поскольку они в отличие от ТС непосредственного действия находятся под постоянным воздействием высокого давления топлива. Вопросы для повторения и самоконтроля 1. При каком составе смеси обеспечивается наибольшая мощность ДсИЗ? 2. При каком составе смеси достигается наилучшая экономичность на частичных нагрузках? 3. К основным преимуществам применения систем впрыскивания бензина относятся? 4. Расскажите об устройстве и работе системы распределенного впрыскивания. 5. Расскажите об основных преимуществах распределенного впрыскивания? 6. Расскажите об устройстве и работе системы центрального впрыскивания. 7. Расскажите об устройстве и работе системы непосредственного впрыскивания бензина в цилиндр. 8. Что является главными командными параметрами для электронного управления цикловой подачей топлива в двигателях с гомогенным зарядом? 9. Расскажите об устройстве и работе карбюраторной системы питания. 10. Расскажите об устройстве и работе аккумуляторной топливной системы высокого давления. 11. Какие три конструктивные схемы ТНВД используются в АТС типа Common Rail? 150 Лекция № 8 СИСТЕМЫ ГАЗООБМЕНА План 1. Система впуска. 2. Система выпуска. 3. Системы наддува. 1 Система впуска Система впуска предназначена для подвода воздуха к цилиндрам ДВС, его фильтрации, глушения шума впуска, регулирования нагрузки двигателей с искровым зажиганием и при необходимости для регулирования скорости движения воздушного заряда. Для двигателей с наддувом в системе впуска также могут устанавливаться турбокомпрессор (ТКР) или приводной нагнетатель (ПН) и охладитель наддувочного воздуха (ОНВ). На рисунке 8.1 представлена схема системы впуска-выпуска дизеля с ТКР, ОНВ, системой рециркуляции ОГ(ЕGR), нейтрализатором и фильтром частиц. 1 – воздушный фильтр; 2 – расходомер воздуха; 3 – клапан перепуска газа в обход турбины; 4 – турбина ТКР; 5 – датчик температуры ОГ; 6 – фильтр частиц; 7 – датчик перепада давлений; 8 – каталитический нейтрализатор; 9 – датчик О2; 10 – компрессор ТКР; 11 – электромагнитный клапан + охладитель; 12 – датчик давления наддувочного воздуха; 13 – охладитель наддувочного воздуха; 14 – датчик температуры наддувочного воздуха; 15 – воздушная заслонка Рисунок 8.1 – Система газообмена дизеля легкового автомобиля 151 В современных двигателях с искровым зажиганием могут использоваться впускные системы с регулируемой длиной впускного тракта (рисунке 8.2), позволяющие повысить на 5...7% коэффициент наполнения за счет использования колебаний давления воздуха во впускной системе. Поворот цилиндрического подвижного патрубка 2 впускной системы, к которому воздух подводится по его оси, позволяет плавно регулировать длину впускного тракта от максимальной (при малых частотах вращения) до минимальной (при больших частотах вращения). а – при положении подвижного элемента системы, соответствующем низкой частоте вращения; б – при положении подвижного элемента системы, соответствующем высокой частоте вращения; 1 – поток от воздушного фильтра; 2 – цилиндрический патрубок; 3 – корпус впускного трубопровода Рисунок 8.2 – Система плавного регулирования длины впускного тракта Воздухоочистители должны обеспечивать максимальное качество очистки воздуха при минимально возможном гидравлическом сопротивлении, что необходимо для повышения наполнения цилиндров и снижения потерь энергии на газообмен. По нормативам гидравлическое сопротивление воздухоочистителя не должно превышать 350...500 мм вод.ст. Поскольку запыленность воздуха заметно снижается с высотой (увеличение высоты установки воздухозаборника на 0,7 м уменьшает запыленность воздуха почти в восемь раз), на современных грузовиках и внедорожниках применяются выносные системы воздухозабора с размещением в них фильтрующих элементов. Часто воздухозаборник размещается над кабиной грузовых автомобилей, что позволяет забирать воздух с высоты 2,0...2,5 м. В легковых автомобилях воздух забирается из верхней части моторного отделения. Эффективность очистки воздуха от пыли оценивается коэффициентом пропуска пыли ε, который характеризует относительное количество пыли, пропущенное воздухоочистителем, и определяется по формуле ε = (М3/М1) 100, где 152 М1 и М3, – соответственно массы пыли поступающей и пропущенной воздухоочистителем. В современных автомобильных двигателях используются инерционно-центробежные, пористые (картонные) и комбинированные воздухоочистители. Инерционные фильтры применяются в качестве первой ступени предварительной очистки воздуха. Их принцип работы заключается в том, что запыленный воздух, проходя через специально направленные решетки в корпусе фильтра, резко изменяет свое направление движения, в результате чего пылевые частицы выделяются из потока и оседают в бункере. Такой воздухоочиститель имеет коэффициент пропуска пыли порядка 16% и гидравлическое сопротивление до 120 мм вод.ст. Принцип работы центробежного очистителя (циклона) основан на действии центробежной силы, которая при закручивании входящего потока воздуха отделяет частицы пыли от воздуха. Коэффициент пропуска центробежного очистителя составляет 40...60%, а гидравлическое сопротивление 50...100 мм вод.ст. Эффективность центробежного очистителя, как и инерционного, зависит от режима работы двигателя, возрастая с увеличением скорости воздушного потока. Эффективность очистки воздуха воздухоочистителями со сменными картонными фильтрующими элементами не зависит от режима работы двигателя и в 10–30 раз превышает аналогичный показатель инерционноцентробежных воздухоочистителей. Недостаток таких систем заключается в резком повышении гидравлического сопротивления при значительном забивании фильтрующих элементов пылью и необходимости их периодической замены. Наибольшее распространение в дизелях грузовых автомобилей получили двухступенчатые комбинированные очистители: с инерционно-центробежным очистителем в первой ступени и картонным фильтрующим элементом во второй. В двигателях легковых автомобилей применяются в основном очистители с картонными фильтрующими элементами. 2 Система выпуска Система выпуска предназначена для отвода отработавших газов, снижения шума процесса выпуска, уменьшения токсичности ОГ и подвода газа к турбине ТКР (см. рисунок 8.30). В этой системе также могут размещаться моторный тормоз, искрогаситель и другие устройства. Система шумоглушения выпуска включает в себя два-три отдельных глушителя в легковых автомобилях и один моноблочный глушитель в грузовых. Наличие каталитических нейтрализаторов и фильтров частиц также улучшает шумозаглушающие свойства всей системы. При конструировании системы шумоглушения необходимо стремиться получить минимальное гидравлическое сопротивление ее элементов для снижения потерь мощности и 153 обеспечения требуемой экономичности двигателя. Глушители как выпуска, так и впуска по принципу действия подразделяются на активные и реактивные. В активных глушителях (рисунок 8.3) звуковая энергия превращается в теплоту при прохождении волны через сопротивление: сетки, перфорированные листы, звукопоглощающие материалы. При этом эффективность глушителя с перфорированными листами выше, чем глушителя с звукопоглощающим материалом, однако первый глушитель имеет большее сопротивление. В реактивных глушителях (рисунок 8.4), представляющих собой расширительную камеру или ряд резонансных камер, амплитуда колебаний газа снижается вследствие расширения потока газа. Реактивные глушители эффективно заглушают низкочастотный шум, а активные – высокочастотный. Часто используется комбинация двух типов глушителей. а – с перфорированным корпусом; б – с звукопоглощающим материалом Рисунок 8.3 – Схемы активных глушителей а – с расширительной камерой; б – с резонансными камерами Рисунок 8.4 – Схемы реактивных глушителей В легковых автомобилях высокого класса применяются полуактивные системы глушения шума с заслонками или клапанами, изменяющими активную длину выпускной трубы, что позволяет согласовывать заглушающие свойства системы с режимом работы двигателя. Так, система шумоглушения с большой длиной выпускной трубы более эффективна при малых частотах вращения двигателя, а с малой длиной – при высоких. Каталитический нейтрализатор состоит из металлического корпуса, изготовленного из жаропрочной стали толщиной порядка 1,5 мм, в котором находится носитель в виде керамического монолита, металлической фольги 154 или гранул, покрытый активным каталитическим слоем. В настоящее время наиболее часто применяются носители из термостойкой керамики. Керамический монолит, изготовляемый методом экструзии (выдавливания), пронизан каналами с квадратным поперечным сечением (100 и более на 1 см2). Для увеличения площади активной поверхности носитель покрывается пористым слоем гамма-оксида алюминия, поверх которого наносится слой катализатора. Для повышения эффективности нейтрализатора при пуске холодного двигателя и повышения стойкости к воздействию свинца и серы, содержащихся в топливе, катализаторы изготовляются из драгоценных металлов (платины, палладия, родия). На один нейтрализатор расходуется 1,5...3,0 г благородного металла. На платине протекают окислительные процессы, а родий способствует восстановлению азота из его оксидов. В последних конструкциях нейтрализаторов часто используется палладий, так как он в четыре раза дешевле платины и более эффективно снижает выбросы некоторых токсичных компонентов. В качестве носителей начинают широко использоваться жаропрочные аустенитные стали в виде свернутой в рулон гофрированной фольги толщиной 0,04...0,05 мм. Сначала металлические носители использовались лишь в предварительных (стартовых) нейтрализаторах, однако теперь они применяются и в основных нейтрализаторах. Гофрированная фольга обеспечивает быстрый прогрев катализатора до рабочих температур, высокую прочность, стойкость к высоким (до 1300 °С) температурам и переменным тепловым нагрузкам, малое гидравлическое сопротивление. Её недостатком является относительно высокая стоимость. Поскольку каталитический нейтрализатор начинает эффективно работать при достаточно высоких температурах (около 400 °С), очень большое внимание уделяется ускорению его прогрева. Нейтрализатор стремятся расположить как можно ближе к выпускному коллектору, а также устанавливают предварительные (стартовые) нейтрализаторы небольших размеров, расположенные непосредственно на выходе из выпускного коллектора. Применяются меры по снижению потерь теплоты ОГ по пути к нейтрализатору, в частности теплоизолируется часть выпускной системы от выпускных клапанов до нейтрализатора, а для снижения затрат теплоты на прогрев толстых чугунных стенок выпускных коллекторов последние изготовляют тонкостенными двухслойными с воздушной прослойкой между стенками. Также используется электрический подогрев нейтрализатора или подогрев за счет сжигания топлива перед нейтрализатором, для чего применяются топливная форсунка и подвод дополнительного воздуха. Устанавливаемые на современных ДсИЗ трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы всегда имеют кислородный датчик на входе, необходимый для поддержания состава смеси, близкого к стехиометрическому. Современные нормы токсичности, начиная с EURO 4, требуют установки в ДсИЗ второго кислородного датчика на выходе из нейтрализатора, анализирующего состав ОГ, повышающего точность регулирования состава смеси, а также позволяющего определить ухудшение работы нейтрализатора и преду- 155 предить об этом водителя. В современных дизелях легковых автомобилей применяются двухкомпонентные каталитические нейтрализаторы, снижающие выбросы СО и СН, которые, как правило, устанавливаются совместно с фильтром частиц. В дизелях современных грузовиков для снижения выбросов NOx часто устанавливают селективные нейтрализаторы (типа SСR). Фильтры частиц (ФЧ) применяются для снижения выбросов частиц дизелей, главным образом, легковых автомобилей. Фильтрация частиц происходит в пористой керамической структуре (рисунок 8.5), имеющей большое количество параллельных ячеек с сечением, близким к квадратному. Соседние каналы перекрыты керамическими заглушками в шахматном порядке, поэтому, чтобы выйти из фильтра, отработавшие газы проникают через пористые стенки в соседние каналы, и это приводит к оседанию частиц в порах стенок. 1 – вход ОГ; 2 – корпус; 3 – керамическая заглушка; 4 – керамическая матрица – ячейки; 5 – выход отработавших газов Рисунок 8.5 – Конструкция фильтра частиц Поскольку частицы накапливаются в ФЧ, рано или поздно происходит закупорка его каналов, что вызывает повышение расхода топлива, снижение динамических качеств автомобиля и может привести к разрушению фильтра. Следовательно, требуется периодическая регенерация фильтра, т. е. сжигание накопившихся в нем загрязнений. Для сжигания частиц необходимы температура порядка 550...600 °С и избыточный кислород, что возможно при работе двигателя с нагрузкой, близкой к максимальной, в течение нескольких десятков минут. Для современного легкового автомобиля указанные условия соответствуют длительному движению со скоростью свыше 180 км/ч, что практически невозможно реализовать, поэтому требуется проводить принудительную регенерацию, т.е. искусственно повышать температуру ОГ до значения, достаточного для сжигания частиц. Принудительная регенерация осуществляется увеличением температуры ОГ на входе в ФЧ посредством впрыскивания в цилиндры дополнительной порции топлива в процессе расширения (через 20...120° ПКВ после впрыска основной дозы топлива) и ряда других мер (подогрева воздуха на впуске, регулирования наддува и др.). Для облегчения проведения регенерации и уменьшения температуры в корпусе ФЧ в топливо добавляют присадку, содержащую церин, которая 156 снижает температуру сгорания частиц примерно до 450 °С. Компьютер управления двигателем принимает решение о начале регенерации на основе показаний датчика перепада давлений, установленного между входом и выходом ФЧ. По мере забивания фильтра этот перепад возрастает. Регенерация ФЧ происходит автоматически и никак не сказывается на поведении автомобиля. Пробег между двумя регенерациями сильно зависит от условий движения автомобиля и для лучших конструкций ФЧ составляет порядка 2000 км при движении по автостраде и 300 км при езде по городу. 3 Системы наддува Система наддува обеспечивает повышение мощности двигателя за счет увеличения плотности воздуха на входе в цилиндры, что позволяет эффективно сжигать большее количество топлива. В автомобильных ДВС применяются системы газотурбинного наддува с использованием турбокомпрессоров (ТКР) или механического наддува с использованием приводных нагнетателей (ПН). В ТКР воздух сжимается компрессором, приводимым турбиной, а турбина вращается потоком отработавших газов (см. рисунок 8.30). Приводной нагнетатель сжимает воздух за счет привода шкивом от коленчатого вала двигателя. Турбокомпрессоры. ТКР автомобильных ДВС (рисунок 8.6) обычно имеют колеса с наружным диаметром 35...90 мм, подшипники скольжения, центробежные компрессоры и радиально-осевые турбины, обеспечивающие достаточно высокий КПД при малых диаметрах колес. Колеса компрессоров изготовляются из алюминиевого сплава, а колеса турбин – из высоколегированного чугуна, поскольку последние должны выдерживать высокие температуры. 1 – вход воздуха; 2 – корпус компрессора; 3 – колесо компрессора; 4 – выход воздуха, сжатого в компрессоре; 5 – подвод масла; 6 – корпус турбины; 7 – колесо турбины; 8 – выход ОГ после турбины; 9 – корпус подшипников; 10 – вход ОГ из двигателя; 11 – вал ротора; 12 – отвод масла Рисунок 8.6 – Схема нерегулируемого турбокомпрессора Отработавшие газы поступают в спиральный корпус турбины, имеющий один или два суживающихся направляющих канала, где их скорость увеличивается, а оттуда – на лопатки колеса турбины, вызывая его вращение. Ко- 157 лесо турбины передает вращение колесу компрессора, с которым оно связано валом ротора. Вращающийся узел ТКР, объединяющий колеса компрессора и турбины с валом, называется ротором ТКР. Воздух через впускной патрубок компрессора поступает на вход в колесо компрессора, где под действием центробежных сил его скорость резко увеличивается, и выходит из колеса в диффузор, где его скорость уменьшается, а давление возрастает. Далее воздух поступает в спиральный сборник корпуса компрессора, откуда направляется в двигатель. Для автомобильных ТКР степень повышения давления воздуха πк, равная рк/р1, доходит до 3,5 (рк – давление надувочного воздуха; р1 – давление воздуха на входе в компрессор). Максимальный адиабатный КПД ηк.ад, существенно снижающийся с уменьшением наружных диаметров колес компрессора и турбины, находится в диапазоне значений 0,78...0,55 при изменении наружных диаметров колес в пределах 0,09...0,05 м. Максимальная частота вращения ротора пр ограничивается максимальными окружными скоростями на наружном диаметре колес компрессора ик и турбины ит. Для обеспечения прочности колес ТКР значения ик и ит не должны превышать 350...400 м/с. Так, для ТКР дизеля автомобиля КамАЗ, имеющего наружные диаметры колеса компрессора 0,074 м и турбины 0,076 м, максимальная частота вращения ротора пр = 90000 мин-1. Приводные нагнетатели. В роторно-шестеренчатом ПН типа «Рутс» (рисунок 8.7) два связанных шестеренками ротора в форме восьмерок вращаются в разные стороны. Роторы, поочередно подходя своими верхними краями к верхним кромкам корпуса, захватывают объем V свежего заряда, имеющего атмосферное давление р0, и, практически не изменяя давления, выталкивают его в выходную камеру, где находится заряд с повышенным давлением рк. В момент сообщения объема Vс выходной камерой находящийся в ней заряд под давлением рк врывается в объем V, что вызывает аэродинамический шум. Для обеспечения соответствующего уплотнения зазор между роторами, а также между роторами и стенками корпуса должен быть минимальным. Тем не менее, при больших давлениях наддува, соответствующих высоким частотам вращения, утечки становятся заметными, что уменьшает степень повышения давления и КПД нагнетателя, поэтому максимальная степень повышения давления в таком нагнетателе составляет 1,6...1,7. Рисунок 8.7 – Схема приводного нагнетателя типа «Руте» 158 Сравнительная характеристика турбокомпрессора и приводного нагнетателя. ТКР значительно шире применяется для наддува автомобильных ДВС, чем ПН, так как обеспечивает более высокое давление наддува, лучшую экономичность, меньший уровень шума, а также имеет меньшие массу и габаритные размеры. Меньшая экономичность двигателя при использовании ПН определяется тем, что в отличие от ТКР, приводимого энергией отработавших газов, ПН для своего привода отбирает мощность от коленчатого вала. Отбираемая мощность не уменьшается при снижении нагрузки двигателя, что делает применение ПН особенно невыгодным при малых нагрузках. В то же время ПН, будучи жестко связан с коленчатым валом, обеспечивает более высокое давление наддува на малых частотах вращения и не имеет свойственной ТКР «турбоямы» – задержки раскрутки ротора при резком увеличении нагрузки двигателя. Все это обеспечивает лучшую динамику автомобилей с ПН, особенно на начальном участке разгона. Поэтому ПН, отключаемые на малых нагрузках и больших частотах вращения, все чаще применяют в бензиновых двигателях дорогих легковых автомобилей, для которых важна динамика разгона, а некоторое ухудшение экономичности, связанное с наличием ПН, не имеет большого значения (например, Меrсеdes). Только ПН на всех режимах работы двигателя обеспечивает давление на впуске большее, чем на выпуске, что необходимо для осуществления продувки двухтактных ДВС, поэтому для наддува двухтактных дизелей обязательно применяется ПН. Иногда в этих дизелях применяется двухступенчатая система наддува, в которой имеется и ПН, и ТКР. Охладители наддувочного воздуха (ОНВ). При сжатии воздуха в компрессоре его температура возрастает тем больше, чем выше давление наддува и ниже КПД компрессора. Для автомобильных двигателей повышение температуры в компрессоре обычно составляет 40...180 °С. Промежуточное охлаждение воздуха после компрессора в ОНВ увеличивает массовое наполнение цилиндров за счет увеличения плотности воздуха, что повышает мощность и экономичность двигателя, а также снижает температуру его деталей и газов перед турбиной. В автомобильных ДВС в настоящее время применяются воздуховоздушные и жидкостно-воздушные ОНВ. В воздухо-воздушном ОНВ наддувочный воздух охлаждается за счет обдува ОНВ потоком встречного воздуха при движении автомобиля и потоком, создаваемым вентилятором. В жидкостно-воздушном ОНВ обычно используется жидкость из системы охлаждения двигателя. Реже применяются более сложные жидкостновоздушные ОНВ с использованием жидкости из автономного контура охлаждения. Теплообмен горячего воздуха с охлаждающей жидкостью происходит интенсивнее, чем с охлаждающим воздухом, поэтому жидкостно-воздушный ОНВ более компактен, чем воздухо-воздушный, и обеспечивает стабильную температуру наддувочного воздуха независимо от температуры окружающей 159 среды. Воздухо-воздушный ОНВ обеспечивает более глубокое охлаждение, так как температура атмосферного воздуха ниже температуры жидкости из системы охлаждения. Поэтому воздухо-воздушный ОНВ используют при невысоких степенях форсирования наддувом и при наличии встречного потока воздуха, т.е. в двигателях легковых автомобилей и магистральных грузовиков. Жидкостно-воздушные ОНВ в основном устанавливаются на автомобилях высокой проходимости, тягачах и специальных автомобилях (карьерных самосвалах, аэродромной технике и т.д.). Степень снижения температуры наддувочного воздуха оценивается коэффициентом эффективности ОНВ , где – соответственно температуры воздуха на выходе из компрессора и ОНВ; Тохл – температура охлаждающего агента (воздуха или охлаждающей жидкости). Совершенство ОНВ также оценивается значением потерь давления на преодоление гидравлических сопротивлений Δрохл, которое должно быть минимальным. Современные автомобильные ОНВ имеют на номинальном режиме максимальное значение Еохл = 07...0,9 и Δрохл = 0,002...0,004 МПа. Системы регулирования наддува При увеличении частоты вращения двигателя давление наддува повышается в степени 1,3...1,5, что связано с различием гидравлических характеристик поршневых (двигатель) и лопаточных (ТКР) машин. Поэтому ТКР можно идеально настроить только на один режим работы двигателя, при котором он будет обеспечивать заданное давление наддува и работать с наибольшим КПД. Обычно такому режиму соответствует точка внешней скоростной характеристики, расположенная между режимами максимального крутящего момента двигателя и номинальной мощности. При отклонении от режима настройки в сторону снижения частоты вращения двигателя давление наддува будет падать по отношению к оптимальному, а при повышении частоты вращения – увеличиваться. И в том, и в другом случае ухудшаются мощностные и экономические показатели двигателя. При снижении давления наддува на малых частотах вращения двигателя для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха α и предотвращения выбросов сажи дизелями приходится уменьшать цикловую подачу топлива, что приводит к снижению крутящего момента и динамических качеств автомобиля. При увеличении давления наддува на высоких частотах вращения возрастают потери на трение и газообмен, что приводит к снижению мощности и экономичности двигателя, а также повышению механических нагрузок и тепловой напряженности деталей. Указанные проблемы обостряются с расширением диапазона частот вращения двигателя, поэтому для решения этих проблем в быстроходных двигателях легковых автомобилей применяются различные способы регулирования наддува. Перепуск ОГ в обход турбины. Это наиболее простой способ регулирования наддува, который давно применяется в быстроходных дизелях и бензиновых двигателях с турбонаддувом (рисунок 8.8). В такой схеме на входе в турбину устанавливается клапан перепуска ОГ, который при открытии 160 направляет часть газа, минуя турбину, в выпускную систему. При этом ТКР настраивается таким образом, чтобы обеспечивать высокое давление наддува при малых и средних частотах вращения дизеля, а при высокой частоте вращения дальнейший рост давления ограничивается открытием перепускного клапана. Компьютер управления двигателем регулирует открытие клапана, обеспечивая оптимальное давление наддува на каждом режиме работы. Недостатком этой системы является снижение экономичности дизеля при открытом перепускном клапане, так как в этом случае теряется часть энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха в компрессоре ТКР. 1 – электромагнитный клапан; 2 – вакуумный насос; 3 – вакуумная камера; 4 – ТКР; 5 – клапан перепуска ОГ; 6 – вход ОГ из двигателя; 7 – выход сжатого воздуха; 8 – турбина; 9 – компрессор Рисунок 8.8 – Схема ТКР с регулированием перепуска газа в обход турбины а – при закрытом положении лопаток, обеспечивающем минимальное проходное сечение и максимальную скорость входа газа на колесо турбины; б – при открытом положении лопаток, обеспечивающем максимальное проходное сечение и минимальную скорость входа газа на колесо турбины; 1 – колесо турбины; 2 – поворотное кольцо; 3 – поворотная лопатка; 4 – приводной рычажок; 5 – пневматический регулятор; 6 – поток отработавших газов Рисунок 8.9 – Схема ТКР с поворотными лопатками в корпусе турбины 161 Поворотные лопатки на входе в турбину. У ТКР с поворотными лопатками в корпусе турбины при малой частоте вращения двигателя (рисунок 8.9 а) лопатки повернуты на максимальный угол, что обеспечивает минимальное проходное сечение на входе ОГ в колесо турбины. При этом скорость газа на входе в колесо увеличивается, повышая частоту вращения ротора ТКР и соответственно давление наддува. При большой частоте вращения двигателя (рисунок 8.9 б) поворотные лопатки повернуты на минимальный угол, обеспечивая максимальное проходное сечение на входе ОГ в колесо турбины. В этом случае скорость газа на входе в колесо турбины уменьшается, предотвращая повышение давления наддува. Также снижается противодавление на выпуске из цилиндров, что приводит к снижению работы выталкивания, а следовательно, к повышению мощности и экономичности дизеля. Применению данного способа регулирования в малоразмерных ТКР препятствует значительное снижение КПД турбины вследствие увеличения относительного сопротивления, создаваемого лопатками на пути движения потока газа, и относительных потерь, связанных с утечками через зазоры между лопатками и стенками корпуса турбины, а также сложность обеспечения работоспособности поворотных лопаток в условиях отложения сажи. ТКР с таким способом регулирования применяются в двигателях легковых автомобилей с относительно большим рабочим объемом (обычно больше 2 л). а – при открытии только одного канала, подводящего ОГ, в корпусе турбины; б – при открытии двух каналов, подводящих ОГ, в корпусе турбины; 1 – колесо турбины; 2 – первый канал в корпусе турбины; 3 – второй канал в корпусе турбины; 4 – скользящая втулка; 5 – перепускной канал; 6 – привод скользящей втулки Рисунок 8.10 – Схема ТКР со скользящей втулкой в сопловом на турбины Скользящая втулка в сопловом направляющем аппарате турбины. На рисунке 8.10 представлен ТКР с горизонтально перемещающейся скользящей втулкой, которая может перекрывать один из двух расположенных в корпусе турбины каналов, подводящих ОГ к ее колесу, что изменяет проходное сечение и соответственно скорость входа газа на лопатки колеса турби- 162 ны. Если открыт только один канал, проходное сечение на пути движения потока газа минимальное, а скорость газа максимальная, и давление наддува повышается. Если же открыты оба канала, проходное сечение на пути движения потока газа максимальное, скорость газа минимальная, давление наддува уменьшается, и противодавление на выпуске из цилиндров снижается. Существенным достоинством данного способа регулирования является возможность его применения в ТКР с самым маленьким диаметром колес, что позволяет использовать его в двигателях с малым рабочим объемом. Вопросы для повторения и самоконтроля 1. Каково назначение системы впуска? 2. Какие используются воздухоочистители в современных автомобильных двигателях? 3. Каково назначение системы выпуска? 4. Каково назначение системы шумоглушения выпуска? 5. Для чего нужен каталитический нейтрализатор? 6. Какова роль фильтров частиц? 7. Какие системы газотурбинного наддува применяются в автомобильных ДВС? 8. Какие ОНВ применяются в автомобильных ДВС в настоящее время? 163 Лекция № 9 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ План 1. Применение в ДВС перспективных топлив. 2. Нетрадиционные силовые установки автомобилей. 1 Применение в ДВС перспективных топлив Общие положения Разведанных запасов нефти при существующем уровне ее потребления (в прямом виде и в виде топлив, полученных ее переработкой) по оценкам различных экспертов может хватить на 40...60 лет. Поэтому поиск топлив не нефтяного происхождения, которые успешно заменили бы традиционные топлива (бензин и дизельное топливо), – это задача мирового масштаба. В настоящее время во всех развитых странах осуществляется поиск путей обеспечения топливом автомобильного транспорта в ближайшем будущем с наименьшими затратами и с максимальным эффектом. В качестве возобновляемых перспективных топлив сегодня рассматриваются растительные топлива, получаемые из рапса, сои, подсолнечника. К таким топливам можно также отнести спирты (этиловый и метиловый), метиловый эфир рапсового масла и диметилэфир, которые получают переработкой биомассы. Возобновляемые топлива особенно привлекательны для стран с благоприятными условиями выращивания биомассы. В России разведанные запасы нефти по данным ОПЕК составляют около 6%, а природного газа (ПГ) – около 32% мировых запасов. По тепловому эквиваленту запасы природного газа более чем в 5 раз превышают запасы нефти. Поэтому для России на ближайшие десятилетия наиболее актуально применение в качестве перспективного топлива природного газа. Определенные перспективы имеет также применение в качестве топлива для ДВС сжиженного пропан-бутанового газа, основными преимуществами которого перед природным газом являются существенно меньшие масса и стоимость баллонов для его хранения на борту автомобиля. Связано это с тем, что в большинстве случаев природный газ хранится в сжатом виде при давлении 20 МПа, а сжиженный пропан-бутановый – при давлении 1,6 МПа. Хранение ПГ на борту автомобиля возможно и в сжиженном виде, однако конструкция емкостей для него в этом случае сложна и стоимость их вследствие необходимости содержания жидкого ПГ при очень низкой температуре (–172 °С) высока. Дальнейший анализ применимости ряда перспективных топлив для автомобильных двигателей проведем, базируясь на сведениях, 164 Таблица 9.1 – Содержание продуктов сгорания при использовании ряда перспективных топлив для автомобильных ДВС приведенных в таблице 9.1 Значения теплоты сгорания (Ни) ряда топлив различаются в существенно большей степени, чем значения удельной теплоты сгорания стехиометрических смесей топлив с воздухом (Ни/lо). Так, максимальное отличие Ни для различных топлив от среднего значения составляет 70%, а максимальное отличие значений Ни/lо при α = 1 от среднего значения применительно к внутреннему смесеобразованию составляет лишь 18%. Это связано, прежде всего, с наличием в ряде топлив кислорода, принимающего участие в реакциях окисления, благодаря чему у метанола, этанола, диметил-эфира меньше стехиометрическое количество воздуха (lо). Другая причина заключается в увеличении отношения Ни/lо результате повышенного содержания в этих топли- 165 вах водорода, имеющего большую теплоту сгорания по сравнению с углеродом. Наименьшую температуру самовоспламенения и наибольшее цетановое число имеет диметилэфир, а наибольшая температура самовоспламенения и наибольшее октановое число характерны для природного газа. Следовательно, диметилэфир целесообразно применять в дизелях, а природный газ – в ДсИЗ. Это положение справедливо и в отношении низкоцетановых топлив (спиртов и пропан-бутановых фракций), так как их использование в дизелях требует усложнения конструкции двигателя. Применение всех топлив при дизельной степени сжатия и качественном регулировании обеспечивает наиболее высокую эксплуатационную экономичность. Для природного газа характерен достаточно узкий диапазон взрывоопасности. Отношение максимального взрывоопасного содержания этого топлива в воздухе к минимальному равно трем. Для всех остальных топлив, в том числе для пропан-бутановых смесей, это отношение больше. Природный газ имеет минимальные значения кажущейся молярной массы и плотности р (меньшие, чем у воздуха). Из таблицы 9.1 следует, что наибольшее содержание трехатомных газов характерно для отработавших газов двигателей, работающих на метаноле, этаноле и диметилэфире. Большее содержание трехатомных газов увеличивает теплоемкость продуктов сгорания и может оказать отрицательное влияние на экономичность и эффективность двигателя. При сгорании водорода диоксид углерода (СО2) не образуется. Минимальное содержание СО2 обеспечивается также при сгорании природного газа. В продуктах сгорания природного газа по сравнению с дизельным топливом содержание СО2 меньше почти на 28%, что является одним из важных его положительных качеств. Однако это преимущество можно реализовать, если газовый двигатель будет иметь экономичность не ниже, чем у дизеля. Применение топлив растительного происхождения К топливам растительного происхождения относятся рапсовое, соевое, пальмовое, подсолнечное масла и их эфиры. Рассмотрим в качестве примера применение метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). В странах с умеренным климатом с 1 га рапса получают 1000 кг метилового эфира. Метиловый эфир рапсового масла имеет удельную теплоту сгорания топлива меньшую, чем дизельное топливо, из-за содержания в нем кислорода. Однако из-за участия последнего в реакциях окисления удельная теплота сгорания смеси МЭРМ с воздухом близка к удельной теплоте сгорания дизельного топлива. По другим моторным свойствам (цетановое число, плотность, кинематическая вязкость) МЭРМ и дизельное топливо также близки. Существенно различается фракционный состав МЭРМ и дизельного топлива: в МЭРМ содержатся в основном тяжелые фракции, выкипающие при температуре 330...354 °С. 166 Содержание трехатомных газов и водяного пара в отработавших газах МЭРМ лишь незначительно выше, чем у дизельного топлива. При использовании МЭРМ и оптимальной организации процессов смесеобразования и тепловыделения можно получить показатели, не уступающие показателям, получаемым при применении дизельного топлива. Несколько хуже при использовании МЭРМ пусковые качества дизеля при запуске из холодного состояния, особенно при отрицательных температурах, из-за высоких температур выкипания фракций. По этой же причине больше отложения на деталях. Применение спиртов При использовании метанола в дизелях ввиду низкого его цетанового числа следует применить средства для обеспечения воспламенения. Доля трехатомных компонентов в ОГ и теплота парообразования при использовании метанола выше, чем при использовании традиционных топлив, что может отрицательно влиять на показатели ДВС, однако в этом случае выше теоретический коэффициент молярного изменения, что, напротив, может влиять на показатели ДВС положительно. Различие значений рi и ηi, не превышает 2%. В случае организации достаточно близких по длительности и характеру процессов тепловыделения индикаторные показатели ДВС при использовании метанола и дизельного топлива могут быть практически одинаковыми. Этому способствует меньшее поверхностное натяжение и большая испаряемость метанола по сравнению с дизельным топливом. При внешнем смесеобразовании в ДсИЗ, учитывая большую теплоту парообразования метанола, применяют управляемый испаритель, в котором используется, как правило, теплота жидкости, охлаждающей двигатель. В цилиндры поступает газообразная смесь, воспламеняемая от искры. Так как молекулярная масса метанола примерно в 3,5 раза меньше, чем бензина, то коэффициент наполнения двигателя воздухом при применении метанола несколько ниже, что можно компенсировать повышением степени сжатия, учитывая высокое октановое число метанола. В ряде стран в ДсИЗ применяются смеси бензина и метанола (этанола), обеспечивающие не только повышение энергетических ресурсов, но и позволяющие повысить степень сжатия ДВС благодаря ее более высокому октановому числу смеси. В результате повышается экономичность двигателя. Применение спиртов, в частности метанола, в дизелях требует специальных мер для обеспечения воспламенения топлива, имеющего цетановое число 3...5. Воспламенение обеспечивается либо с помощью запальной порции дизельного топлива, либо с помощью искры. В первом случае может применяться топливная система, состоящая из двух насосов, подающих оба топлива в цилиндр через форсунку специальной конструкции. Насос для подачи метанола должен иметь большую производи- 167 тельность для подачи больших объемных порций топлива, имеющего низкую теплоту сгорания. Эмульсия из двух топлив приготовляется непосредственно в форсунке или топливопроводе с остаточными свободными объемами. Метанол практически не растворяется в дизельном топливе, а получение стабилизированных эмульсий требует применения в достаточно больших количествах дорогостоящих эмульгаторов. Запальная порция дизельного топлива может подаваться также из аккумулятора через управляемый клапан. Для воспламенения от искры используются специальные свечи, которые при подходе поршня к ВМТ входят в его проточку. Смесеобразование в этом случае пристеночное. Образующаяся в пристеночной зоне смесь направленным движением заряда перемещается к свече, создающей искру. При этом применяются многоискровые системы зажигания. Создаваемый достаточно мощный энергетический очаг способствует сгоранию всей образующейся и подводимой вихрем к очагу смеси. Метанол, обладая малым цетановым числом, т.е. малой склонностью к объемному самовоспламенению, в то же время склонен к калильному зажиганию. Калильная свеча выступает в камеру сгорания. На нее направляется одна из впрыскиваемых в камеру сгорания струй. Топливовоздушная смесь воспламеняется от раскаленной поверхности спирали, вызывая последующее воспламенение всей смеси, подводимой к зоне воспламенения вихревым движением заряда. После определенного периода работы напряжение на калильной свече, особенно при высоких нагрузках, снимается, так как она остается раскаленной благодаря теплопереносу к ней от горящей смеси. Недостаточная вязкость метанола требует добавления в него небольших количеств касторового масла (1...2% по массе) в целях избежания повышенных износов деталей топливной системы. Также в топливной системе двигателя, работающего на метаноле, из-за опасности электролитической коррозии нельзя применять определенные сочетания металлов. Повышенная упругость паров метанола может быть причиной кавитационных износов. Поэтому рекомендуется увеличение давления подкачки до 0,4...0,5 МПа и применение дополнительных электроприводных подкачивающих насосов, расположенных вблизи топливных баков. В случае если картеры для масла двигателя и насоса соединены между собой, необходимо применение мер для предотвращения образования взрывоопасной смеси в картере. Указанные меры, естественно, удорожают двигатель. Нельзя не отметить и токсичность метанола, которая требует соблюдения определенной осторожности при его применении. Токсичность этанола меньше, поэтому его применение в двигателях более целесообразно. К преимуществам спиртов, кроме получения из возобновляемых источников, относятся: • существенное (на порядок и более) снижение выбросов твердых частиц при использовании спирта для впрыскивания в цилиндр, даже в случае применения топливных систем, обеспечивающих невысокие давления впрыски- 168 вания. Связано это с содержанием в спиртах кислорода, малыми вязкостью и поверхностным натяжением, а также с их высокой испаряемостью; • малые отложения на деталях, а следовательно, повышение надежности работы дизеля особенно при высокой степени наддува, поскольку топливо состоит из одного химического соединения и обладает высокой испаряемостью. Этому же способствуют и меньшие температуры заряда вследствие больших затрат теплоты на испарение топлива и большего содержания трехатомных газов в продуктах сгорания. Применение диметилэфира Диметилэфир может рассматриваться как топливо, позволяющее решить следующие проблемы, возникающие при работе дизеля: • исключить дымление благодаря высокому содержанию кислорода в топливе и отсутствию связи углерод–углерод; • существенно снизить выбросы NОх благодаря высокому цетановому числу топлива и короткой задержке воспламенения; • снизить шумоизлучение от процесса сгорания благодаря меньшей скорости нарастания давления в цилиндре при сгорании; • обеспечить хорошие пусковые свойства благодаря высокому цетановому числу и более интенсивному испарению распыленного ДМЭ в цилиндре. При использовании ДМЭ сохраняются следующие известные преимущества дизелей: • высокая экономичность, особенно при непосредственном впрыскивании; • воспламенение от сжатия, являющееся наиболее надежным способом возбуждения горения; • качественное регулирование; • высокие надежность и долговечность, которые при работе на ДМЭ могут повыситься вследствие меньшего попадания в смазочное масло сажи. Отметим, что низкая температура кипения ДМЭ обеспечивает исключительно малые отложения на деталях КС. Малая токсичность дизелей без наддува при работе на ДМЭ может продлить период их экономически целесообразного применения на транспорте. Благодаря низкой температуре кипения при использовании ДМЭ можно обеспечить высокие скорости смешения, не прибегая к значительным давлениям впрыскивания. Содержание кислорода в топливе и отсутствие сажеобразования обеспечивают большую надежность перепуска отработавших газов на впуск дизеля. Высокое давление насыщенных паров (при 20 °С составляющее 0,5 МПа) и низкая температура кипения требуют применения для хранения ДМЭ баллонов, аналогичных используемым при работе двигателей на сжиженном пропанбутановом газе. Безопасность ДМЭ для окружающей среды и здоровья людей подтвер- 169 ждается многолетним его использованием в парфюмерной промышленности. Одной из перспективных топливных систем для впрыскивания ДМЭ является аккумуляторная система с электрогидравлическими форсунками. 1 – топливный бак; 2 – регуляторы давления; 3 – холодильники; 4 – электрогидравлическая форсунка; 5 – аккумулятор; 6 – ТНВД; 7 – фильтр; 8 – подкачивающий топливный насос Рисунок 9.1 – Схема топливной системы двигателя, работающего на диметилэфире На рисунке 9.1 показана упрощенная схема замкнутой системы подачи ДМЭ, которая не соединяется с атмосферой из-за низкой температуры его кипения. В условиях окружающей среды ДМЭ является газом, который тяжелее воздуха. Возможные утечки ДМЭ из топливной системы приводят к необходимости усиления мер противопожарной безопасности при гаражном хранении, техническом обслуживании и ремонте автомобилей. Применение природного газа При использовании природного газа в бензиновых двигателях для легковых автомобилей наиболее часто применяется вариант, обеспечивающий возможность работы двигателя попеременно на бензине и ПГ в зависимости от используемого режима и доступности того или другого топлива. Такой двигатель называют би-топливным. Это решение имеет ряд бесспорных достоинств, однако в этом случае не используются в полной мере преимущества высокого 0Ч природного газа. При внешнем смесеобразовании в газовом двигателе (ГД) без наддува возможно снижение мощности более чем на 10%, что определяется: • уменьшением подачи в цилиндры воздуха вследствие заметно большего парциального объема природного газа по сравнению с парциальным объемом бензина, даже если предположить полное испарение бензина до поступления в цилиндр. Поступление воздуха в цилиндр ГД по сравнению с бензиновым двигателем с внешним смесеобразованием на номинальном режиме меньше примерно на 11%; 170 • несколько меньшим отношением Ни/1о; • несколько меньшим значением индикаторного КПД вследствие большего содержания в продуктах сгорания водяного пара, обладающего высокой теплоемкостью; • снижением механического КПД вследствие меньшего значения среднего индикаторного давления. При внутреннем смесеобразовании в газовом двигателе и отказе от битопливной системы питания, используя более высокую степень сжатия либо наддув, можно избежать снижения мощности. При наддуве для радикального снижения выбросов оксидов азота применяются бедные смеси. Применение в легковых автомобилях бензиновых двигателей с трехкомпонентными нейтрализаторами обеспечивает резкое уменьшение токсичных выбросов. При этом токсичные выбросы грузовых автомобилей и автобусов, оснащенных дизелями, являются проблемой, особенно в больших городах. Замена дизелей на двигатели, питаемые ПГ, может способствовать улучшению экологической обстановки и для этого возможны следующие варианты: • замена дизеля специально сконструированным газовым двигателем с количественным регулированием и искровым зажиганием; • перевод (конвертация) дизеля на питание ПГ с соответствующей доработкой и использованием количественного регулирования и искрового зажигания; • разработка двигателя двойного топлива (газодизеля), в котором природный газ поступает либо в смеси с воздухом через впускную систему, либо впрыскивается в цилиндр газовой форсункой. При этом впрыскиваемая в цилиндр запальная порция дизельного топлива (ДТ) самовоспламеняется и является источником воспламенения газовоздушной смеси. В газодизеле при использовании топливных систем непосредственного действия запальная порция достаточно большая (до 15% всей теплоты, вводимой в цикл), так как стабильная подача в этом случае меньших порций хорошо распыленного топлива невозможна, и это не обеспечивает надежного воспламенения бедных газовоздушных смесей. Обычный газодизель работает на ДТ при холостом ходе и малых нагрузках. Нередко оказывается необходимым применение смешанного регулирования. В эксплуатации при использовании топливных систем непосредственного действия удается заместить природным газом не более 40...60% ДТ. По большинству показателей газодизели уступают чисто газовым двигателям. В последние годы разрабатываются газодизели, в которых запальная порция топлива подается аккумуляторной топливной системой с электрогидравлическими форсунками. В этом случае удается стабильно впрыскивать небольшие порции тонко распыленного топлива (3...4 мм3). В результате замещение дизельного топлива ПГ достигает 94...95%. Следует отметить, что применение газодизелей рационально в регионах с ненадежным снабжением ПГ, поскольку газодизель может работать как дизель. При использовании газодизеля меньше емкость и масса газовых балло- 171 нов. При применении аккумуляторной топливной системы с ЭГФ выше экономичность по сравнению с ГД, имеющими принудительное зажигание и количественное регулирование. Также достигается меньший выброс твердых частиц, чем в базовом дизеле. Однако проблемой является обеспечение низких выбросов углеводородов, особенно метана. Пока в мире использование газовых двигателей невелико. При малых масштабах их производства экономически оправдано не создание оригинальных конструкций, а конвертация базовых жидкотопливных двигателей в газовые с обеспечением их максимальной унификации. При конвертации дизеля без наддува в чисто газовый двигатель с искровым зажиганием и количественным регулированием, т.е. при полной замене дизельного топлива газовым, существенно меньшими оказываются выбросы вредных веществ с отработавшими газами и шумоизлучение двигателей. В образцах ГД уже достигнуты нормы выбросов, установленные в Европе на 2010 год. О предпочтительности такой конвертации дизеля свидетельствуют следующие ГД, созданные ведущими фирмами мира: • стехиометрический двигатель (α ≈ 1,0); • двигатель с наддувом, работающий на бедных смесях (α = 1,5...1,6). При простейшем способе конвертации дизеля в ГД без наддува с центральной эжекционной подачей газа необходимы небольшие доработки поршней в целях снижения степени сжатия с 16...18 до 11...14 и изменение отверстий под форсунку в головке цилиндров для установки свечей зажигания, а также установка распределителя зажигания вместо топливного насоса и простейшего смесителя с дроссельной заслонкой. В случае использования микропроцессорного зажигания нет необходимости в приводе распределителя, но следует установить спецдиск для управления моментом подачи искры и ряд датчиков. Учитывая высокую степень сжатия ГД, целесообразно использовать индивидуальные катушки зажигания на каждый цилиндр, устанавливаемые вблизи свечей зажигания и соединяемые с ними короткими проводами для высокого напряжения или же непосредственно на свечах зажигания. Улучшение работы газового двигателя обеспечивает центральная подача газа под давлением через клапан с регулируемым сечением или через серию управляемых электромагнитных клапанов с различными проходными сечениями. При непрерывной центральной подаче газа наиболее просто достигаются равномерная подача газа по цилиндрам и при малом различии значений коэффициента наполнения в разных цилиндрах равномерная подача смеси по качеству и количеству. Центральная подача газа обеспечивает большее время для образования гомогенной газовоздушной смеси. Однако при изменении внешней нагрузки и дозы подаваемого топлива возникает определенная задержка поступления смеси в цилиндры. Распределенная подача газа по впускным патрубкам обеспечивает лучшие динамические свойства работы двигателя и по мере включения в тесты, используемые для проверки выполнения норм по токсичности на переходных и неустановившихся режимах, 172 может стать целесообразной. В последние годы идет разработка ГД с внутренним смесеобразованием и качественным регулированием, не уступающих дизелям по экономичности. В этом случае воспламенение может обеспечиваться, например свечами накаливания. На рисунке 9.2 приведена эжекционная схема питания V-образного двигателя, в которой имеются экономайзер с механическим приводом и два управляемых микропроцессором клапана. При холостом ходе клапан 3 используется для перепуска смеси, минуя прикрытую дроссельную заслонку, а клапан 10 обеспечивает необходимый состав смеси. 1 – двигатель; 2 – клапан с электромагнитным приводом; 3, 10 – клапаны с электроприводом; 4 – смеситель; 5 – дроссельная заслонка; 6 – воздушный фильтр; 7 – газовая заслонка; 8 – редуктор низкого давления; 9 – экономайзер Рисунок 9.2 – Эжекционная схема питания V-образного двигателя Система обеспечивает поддержание частоты вращения холостого хода при начальном нагружении двигателя, так как при включении отопления, кондиционера или гидромуфты может происходить резкое ее снижение. Развитием данной схемы является использование λ-зонда и соответствующей системы управления для обеспечения на режимах полной нагрузки и холостого хода состава смеси, близкого к стехиометрическому. При этом в двигателе без наддува выполняются нормы ограничения токсичности даже несколько выше Евро III. На рисунке 9.3 приведена схема системы управления ГД с распределенной подачей газа. Эта схема не обеспечивает существенного повышения равномерности распределения смеси по цилиндрам, как в бензиновых двигателях. При недостаточно точном изготовлении клапанов и непостоянном по времени давлении перед ними в ГД распределенная подача газа может привести к более неравномерной работе цилиндров по сравнению с центральной непрерывной подачей газа. Разработка быстродействующих газовых электромагнитных клапанов с высокой точностью дозирования представляет со- 173 бой сложную, но выполнимую задачу. Существенному снижению концентраций вредных выбросов с ОГ газовых двигателей способствует использование нейтрализаторов без опасения за надежность их работы (вследствие отсутствия отложений сажи). При этом если приняты меры, предотвращающие излишнее попадание масла в камеру сгорания, то отработавшие газы имеют минимальное удельное содержание частиц. Рисунок 9.3 – Схема системы управления газовым двигателем с распределенной подачей газа Природный газ в сравнении с дизельным топливом имеет несколько более низкое значение теплоты сгорания топливовоздушной смеси. При подаче газа через впускную систему заметно меньше наполнение цилиндров воздухом, особенно в случае использования эжекционной системы питания. В ГД также ниже степень сжатия и индикаторный КПД. По указанным причинам для получения в двигателе без наддува тех же выходных параметров (Nеном, Мкmах), что и в дизеле, при переходе на питание газом приходится существенно снижать коэффициент избытка воздуха. Это является причиной повышенных выбросов оксидов азота. На эксплуатационную экономичность ГД оказывает влияние количественное регулирование. Различие эксплуатационных расходов топлива газового двигателя и дизеля не превышает, как правило, 15...20%, а газового двигателя и газодизеля – 5...10%. С учетом более низкой стоимости ПГ становится очевидным преимущество ГД по затратам на топливо. Меньшая скорость нарастания давления при сгорании газа вызывает снижение шума двигателя. Также увеличивается срок службы и снижается расход смазочного масла, так как в метановоздушной смеси отсутствуют жидкие компоненты, которые при попадании на стенки цилиндра разжижают масляную пленку. Недостатком ГД по сравнению с газовоздушным является необходи- 174 мость использования баллонов для газа большей вместимости. Также ниже пробег автомобиля или автобуса с газовым двигателем и тем более с газодизельным по сравнению с пробегом машин с дизелем. Осколочная взрывоопасность емкостей для хранения ПГ устраняется применением композитных баллонов и существенно уменьшается при хранении ПГ в адсорбированном виде, так как в этом случае давление в емкости составляет 3,5 МПа. Как уже отмечалось, для сохранения мощности и момента при конвертации дизеля без наддува в газовый двигатель без наддува необходимо существенно снизить коэффициент избытка воздуха на режимах при полностью открытой дроссельной заслонке. В этом случае, даже если на всех остальных режимах газовый двигатель работает на бедных смесях, достижение норм ограничения токсичности Евро III, действующих в Европе с 2000 г., оказывается затруднительным. Возможны следующие пути обеспечения выполнения этих норм: • существенное обеднение смеси в газовой версии (до α = 1,5...1,6), что неприемлемо, так как в этом случае резко падают Nеном, Мкmах; • подача во впускной патрубок под давлением мелкодисперсной воды в количестве 5% количества свежей смеси. Однако для климатических условий России (особенно при безгаражном хранении машины) это также неприемлемо ввиду технических трудностей обеспечения незамерзания и подачи воды; • рециркуляция ОГ (даже охлаждаемая), приемлемая на режимах полных нагрузок только при использовании наддува; • работа газового двигателя на стехиометрической смеси (α = 1) и применение трехкомпонентного нейтрализатора. Однако при этом может оказаться недопустимо высокой тепловая напряженность деталей двигателя. 1 – специальный диск; 2 – датчик частоты вращения; 3 – датчик температуры; 4 – дроссельная заслонка; 5 – датчик положения дроссельной заслонки; 6 – датчик температуры во впускном коллекторе; 7 – датчик давления 175 во впускном коллекторе; 8 – датчик фазы; 9 – термопара; 10 – датчик давления ОГ перед турбиной ТКР; 11 – нейтрализатор; 12 – заслонка для управления перепуском выпускных газов;13 – датчик положения газового клапана; 14 – шаговый двигатель газового клапана; 15 – газовый клапан золотникового типа; 16 – датчик температуры газа; 17 – датчик давления газа; 18 – газовый клапан холостого хода; 19 – регулятор байпасного канала Рисунок 9.4 – Схема двигателя с наддувом Конвертация дизелей на питание природным газом с реализацией работы двигателя на бедных смесях с наддувом и промежуточным охлаждением является наиболее целесообразной. Причем для сохранения на всех скоростных режимах по внешней характеристике α = 1,5...1,6 и обеспечения запаса крутящего момента необходимо применять регулируемый наддув (даже при небольшом диапазоне частот вращения, например 1000...2200 мин -1, как в дизелях автомобиля КамАЗ). При этом следует подбирать турбины с существенно меньшим, чем в базовом дизеле, минимальным сечением канала подвода газов к колесу турбин, что обеспечивает необходимые значения максимального момента при малых частотах вращения. При п > пм открывается клапан перепуска газов в обход турбины или применяются другие способы регулирования турбин. На рисунке 9.4 приведена схема V-образного газового двигателя с двумя ТКР и одним охладителем наддувочного воздуха, на котором установлены датчики системы автоматического управления двигателем. В этом случае применена центральная подача газа под давлением через клапан с регулируемым проходным сечением, а также используется нейтрализатор со специально подобранным катализатором для обеспечения окисления метана в соответствии с нормами ограничения токсичности Евро IV и Евро V. Возможно в двигателе с наддувом и применение центральной эжекционной подачи газа перед компрессорами. Применение водорода Водород в ДВС используется в газообразном состоянии, так как его хранение в жидком виде сопряжено с существенными техническими трудностями ввиду низкой температуры кипения (–252,88 °С). Применение водорода в двигателях с искровым зажиганием возможно как в чистом виде, так и в качестве присадки в смесях с бензином. При использовании в качестве присадки к бензину водород в силу высокого коэффициента диффузии заметно повышает антидетонационную способность двигателя. При оптимальном изменении доли добавляемого к бензину водорода обеспечивается качественное регулирование двигателя. Это в принципе возможно и при использовании водородо-воздушных смесей в чистом виде, так как водород обеспечивает широкие пределы воспламенения смеси. Уже при нормальных условиях верхний предел воспламенения соответствует α = 0,15, а нижний – α = 10. При повышении температу- 176 ры пределы воспламенения расширяются, а от давления они зависят мало. Тем не менее применение водорода в чистом виде нецелесообразно, так как чрезмерно велики скорости распространения пламени, особенно при использовании смесей, близких к стехиометрическим. Это определяет высокие скорости нарастания давления в цилиндре, высокие значения максимальных давлений и температур заряда, а следовательно, повышенные механические и тепловые нагрузки на детали. Замечено также, что в случае применения стехиометрических водородовоздушных смесей детонация отсутствует лишь при сравнительно малых значениях степени сжатия. Кроме того, из-за малой энергии воспламенения (0,02 МДж вместо 0,25 МДж у бензина) при работе на водородовоздушных смесях может происходить преждевременное воспламенение смеси от горячих поверхностей и тлеющих частиц нагара. В случае же применения бензоводородовоздушных смесей с постепенным повышением доли водорода по мере уменьшения нагрузки преимущества применения водорода удается реализовать без заметных нежелательных последствий при достаточно высоких степенях сжатия. При такой организации управления на режиме холостого хода двигатель работает на водороде с α = 5...6. Преимущества применения водорода сводятся к следующему: • сырье, необходимое для получения водорода, имеется практически в неограниченных количествах; • повышение экономичности двигателя, прежде всего, благодаря применению качественного регулирования и обеспечению более полного и своевременного горения. При использовании низкооктановых топлив с оптимальной добавкой водорода повышение экономичности возможно вследствие увеличения степени сжатия; • полное исключение выбросов основного парникового газа – диоксида углерода и существенное снижение токсичности за счет уменьшения выбросов продуктов неполного окисления. При работе на бедных смесях малыми оказываются и выбросы оксидов азота. Водород обладает высокой теплотой сгорания (Ни = 120 МДж/кг). Велико стехиометрическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг водорода. На показатели двигателя может оказать влияние водяной пар – продукт сгорания водорода, теплоемкость которого имеет высокие значения. Радикальным способом увеличения мощности двигателя, работающего на водороде, является переход на внутреннее смесеобразование, обеспечивающее существенное увеличение количества воздуха, поступающего в цилиндр. При использовании водорода и бензина наиболее целесообразно по мере уменьшения нагрузки увеличивать долю теплоты, вносимой в цилиндр с водородом, обеспечивая качественное регулирование, и переходить на холостом ходе на питание двигателя водородом. Хранение водорода на борту автомобиля может быть организовано в металлогидридах (например, лантанникелевых и железоплатиновых). 177 Следует отметить, что стоимость производства водорода с использованием известных технологий все еще высока, однако внимание к его использованию на транспорте не ослабевает. Водород, по мнению большинства экспертов, является наиболее приемлемым энергоносителем для электрохимических преобразователей (топливных элементов), которые по прогнозам могут потеснить на автомобилях двигатели внутреннего сгорания. 2 Нетрадиционные силовые установки автомобилей Основные пути совершенствования автомобильных ДВС Основные особенности развития рабочих процессов современных автомобильных ДВС связаны, в первую очередь, с совершенствованием: • систем газообмена (увеличение числа клапанов на цилиндр, использование переменных фаз и высоты подъема клапанов; расширение применения наддува, ставшего обязательным для новых дизелей; отключение цилиндров); • систем топливоподачи (увеличение давления впрыскивания дизельного топлива; впрыскивание бензина, включая впрыскивание непосредственно в цилиндр; многоразовое впрыскивание топлива); • устройств снижения токсичности (нейтрализаторы, фильтры, рециркуляция ОГ и др.). Особо необходимо отметить, что внедрение большинства из этих решений стало возможным благодаря использованию электронных систем управления, которые, в частности, отличаются высоким быстродействием и способностью осуществлять управление по сложным законам, что очень важно для автомобильных ДВС. Развитие и совершенствование автомобильных ДВС по многим отмеченным направлениям, безусловно, продолжится. Однако потенциал такого развития в существенной степени уже исчерпан. В то же время в последние годы приоритетное значение приобрели проблемы существенного улучшения экономических и экологических показателей ДВС. Эти задачи вытекают из ситуации, связанной с глобальным характером топливного, энергетического и экологического кризисов, к которым пришла наша цивилизация. Расширение топливных ресурсов за счет использования (наряду с традиционными углеводородными топливами – бензином, дизельным топливом и газом) перспективных топлив рассмотрено ранее. Что же касается необходимости значительного улучшения экономических и экологических показателей ДВС, то здесь следует отметить всевозрастающее требование снижения выбросов в атмосферу диоксида углерода (СО2), влияющих на потепление климата на нашей планете (создание парникового эффекта). Решение этой задачи требует значительного уменьшения потребления углеводородных топлив автомобильными ДВС. Например, по решению Еврокомиссии, в странах Европы к 2012 г. эти выбросы необходимо снизить до 120 г/км (в 178 2006 г. они в среднем для всех легковых автомобилей составляли162 г/км). Это означает, что расход топлива новым легковым автомобилем в среднем не должен превышать 5,2 л на 100 км. Достигнуть такого результата эволюционными путями совершенствования ДВС, работающих на углеводородных топливах, очень трудно, поэтому много внимания уделяется разработке нетрадиционных силовых установок для автомобилей. Комбинированные энергетические установки Комбинированные энергетические установки (КЭУ), которые также называют гибридными, включают в себя два источника энергии: ДВС и электрогенератор, потоки энергии, от которых имеют сложную функциональную связь. Применение КЭУ по сравнению с ДВС обеспечивает ряд новых качеств автомобилю: • работу ДВС меньшей мощности в узком диапазоне наиболее экономичных режимов, а в идеале – в самом экономичном режиме; • на неэкономичных режимах холостого хода и в начале разгона ДВС на трансмиссию не работает, что улучшает экономические и экологические показатели автомобиля; • возможность рекуперации энергии при торможении на принудительном холостом ходу и при спусках автомобиля с направлением ее в аккумулятор, что при выключенном ДВС уменьшает расход топлива и выбросы токсичных газов; • улучшение динамических качеств автомобиля из-за высокого крутящего момента электрического привода на малых скоростных режимах. Современные КЭУ, выполняемые по разным схемам, состоят из ДВС, электрического генератора, обратимой электромашины, аккумулятора, электродвигателя, электропреобразователей, высоковольтных кабелей, трансмиссии и системы управления. Сложность конкретной схемы КЭУ определяет степень «гибридизации». К основным схемам КЭУ обычно относят последовательную и параллельную. Последовательная схема (рисунок 9.5). ДВС 1 не имеет механической связи с колесами, а приводит в действие электрогенератор 2, который отдает вырабатываемую им энергию аккумулятору 4. Всю энергию, необходимую для движения, трансмиссия автомобиля получает от обратимой электромашины 3, работающей в этом случае в моторном режиме. Если поток энергии от ДВС к аккумулятору меньше, чем требуется автомобилю, этот недостаток энергии компенсируется аккумулятором (разрядом), а если поток энергии от ДВС избыточен, происходит подзарядка аккумулятора. При торможении автомобиля обратимая электромашина 3работает в генераторном режиме и энергия торможения направляется в аккумулятор, т.е. осуществляется ее рекуперация (до 50% энергии торможения). Таким образом, в рассмотренной схеме происходит последовательное преобразование сначала механической энергии ДВС в электрическую, а за- 179 тем электрической энергии в механическую, что сопровождается значительными потерями. Основной недостаток этой схемы заключается в необходимости наличия в ее составе электрической системы (аккумулятора, обратимой электромашины и электропреобразователя) максимальной мощности, необходимой для автомобиля, что обусловливает её большие массу, габаритные размеры и стоимость. 1 – поршневой двигатель; 2 – электрогенератор; 3 – обратимая электромашина; 4 – аккумулятор Рисунок 9.5 – Последовательная схема комбинированной энергетической установки К преимуществам последовательной схемы относятся работа ДВС в режиме, характеризуемом максимальной экономичностью и соответственно наименьшими выбросами СО2, а также относительно простая система управления. Параллельная схема (рисунок 9.6). В КЭУ, работающей по параллельной схеме, энергия ДВС 1 передается трансмиссии, а если эта энергия превышает требуемую для движения автомобиля, то ее избыток направляется в обратимую электромашину 3, которая заряжает аккумулятор 5. Если энергии ДВС недостаточно, то аккумулятор питает обратимую электромашину, работающую в моторном режиме, и трансмиссия дополнительно получает недостающий момент. Параллельная схема в отличие от последовательной не содержит генератор, однако в ней имеются разъединительная муфта (сцепление) 2 и коробка передач 4. Аккумулятор в этой схеме служит буферным источником энергии. Так как здесь энергия ДВС передается трансмиссии, мощность электрической системы КЭУ в этом случае меньше, чем в последовательной схеме. Следовательно, массогабаритные и стоимостные характеристики КЭУ с параллельной схемой лучше, чем с последовательной. 180 1 – поршневой двигатель; 2 – разъединительная муфта; 3 – обратимая электромашина; 4 – коробка передач; 5 – аккумулятор Рисунок 9.6 – Параллельная схема комбинированной энергетической установки Поскольку доля компонентов электрической системы в составе КЭУ по массе, габаритным размерам и стоимости значительна, параллельная схема получила преимущественное применение. Кроме того, электромашина 3 в этой схеме на моторном режиме может работать как стартер. Недостатками параллельной схемы являются: работа ДВС на режимах менее экономичных, чем в последовательной схеме; наличие в трансмиссии устройства для суммирования энергетических потоков ДВС и электрической системы; сложность системы управления и контроля работы КЭУ. В одном из вариантов параллельной схемы КЭУ применяется трансмиссия с постоянно изменяющимся передаточным отношением, в которой ДВС подсоединен к водилу, генератор – к солнечной шестерне, а электромотор к коронной шестерне планетарной передачи (автомобиль Тоyоtа Рrius). Этот вариант обеспечивает работу ДВС на постоянном режиме минимального расхода топлива, но отличается усложненной трансмиссией вследствие наличия планетарной передачи. К 2008 году мировая автопромышленность уже произвела около 1 млн автомобилей с КЭУ, что свидетельствует о большом интересе к этим установкам, переживающим период своего интенсивного развития. Эксплуатация автомобилей с КЭУ показала, что по топливной экономичности и уменьшению выбросов СО2 они на 25...60% превосходят автомобили с ДВС (особенно в условиях интенсивного городского движения). Разрабатываются различные варианты параллельной и последовательной схем КЭУ и их комбинаций. В основном в них используются ДсИЗ. Если разница в выбросах СО2 традиционными автомобилями с ДсИЗ и с дизелем около 25%, то автомобиль с КЭУ на базе ДсИЗ имеет выбросы СО2 только на 181 8...10% больше, чем с КЭУ на базе дизеля. Этому способствует минимизация времени работы на неэкономичных режимах малых нагрузок и использование в ДсИЗ цикла Аткинсона, что позволяет при неполных нагрузках уменьшить насосные потери и обеспечивает работу со степенью расширения большей, чем действительная степень сжатия. Поэтому степень расширения, равная степени сжатия, для ДсИЗ в составе КЭУ уже достигла значения 12,5. В то же время дизель тяжелее и дороже, чем ДсИЗ, а для КЭУ это имеет большое значение. Возможности повышения эффективности КЭУ за счет улучшения показателей ДВС, следует лишь добавить, что экономичность и экологические показатели двигателя в составе КЭУ практически могут достигать оптимальных значений на каждом из режимов, поскольку он работает в узком их диапазоне. Проблемы совершенствования компонентов электрической системы КЭУ имеют первостепенное значение, так как ее масса, габаритные размеры и стоимость пока еще очень велики. Особенно сложной и важной задачей является усовершенствование аккумуляторной батареи, стоимость которой может доходить до 50% стоимости всей электрической системы. По этой причине ее мощность приходится ограничивать, что при параллельной схеме КЭУ обусловливает использование ДВС большей мощности, а следовательно, снижение эффективности установки. Напряжение тока батареи (до 288 В) определило использование электропреобразователей, позволяющих электромашинам работать с током большего напряжения, а значит, иметь лучшие массогабаритные показатели. Следовательно, дальнейший прогресс разработки КЭУ во многом будет определяться успехами в совершенствовании аккумуляторных батарей. Большое значение имеет решение проблемы безопасности. Поскольку максимальное напряжение в электрической системе КЭУ составляет 300...600 В, требуются, в частности, специальные решения по общей компоновке автомобиля. Примером одного из усовершенствований электросистемы КЭУ является внедрение устройства для зарядки аккумулятора, подключаемого на стоянке к электросети, что при не очень большом суточном пробеге превращает автомобиль в электромобиль, т.е. в этих условиях вообще исключается (или сильно сокращается) работа ДВС. Использование этого мероприятия особенно эффективно в регионах, где цена электроэнергии ниже, чем углеводородного топлива. Таким образом, эксплуатация серийных автомобилей с КЭУ показала возможность значительного (до 60%) сокращения потребления углеводородов и выбросов СО2. В настоящее время идет активный поиск путей совершенствования КЭУ на базе ДВС и наиболее полного использования их большого потенциала. На более отдаленную перспективу предусматривается создание автомобильных КЭУ с топливными элементами (по последовательной схеме), работающими на водороде, масса и стоимость которых пока еще в несколько раз больше, чем ДВС. 182 Силовые установки на топливных элементах Принцип работы топливного элемента известен давно, и фактически он обратен принципу электролиза. На рисунке 9.7 представлена схема топливного элемента (ТЭ) с полимерной электролитной мембраной (Polуmer Electrolyte Membrane Fuel Cell – РЕМFС, или РЕМ), наиболее подходящего для силовой установки автомобиля. Элемент РЕМ имеет очень высокую удельную мощность и КПД до 40%. Его рабочая температура 80 °С достаточно низка, и ею можно легко управлять. Топливный элемент типа РЕМ состоит из двух пластин: анода и катода, разделенных твердым полимерным электролитом, называемым полимерной мембраной. Каждая пластина покрыта платиновым катализатором. Катализатор на аноде вызывает распад молекул подводимого в качестве топлива водорода на свободные электроны и протоны (положительно заряженные ионы водорода). Свободные электроны перемещаются в виде электрического тока по внешней цепи и могут совершать работу (приводить в движение электродвигатель). Протоны проникают через твердый электролит на катод, где под воздействием катализатора объединяются с кислородом, содержащимся в воздухе, и электронами из внешней цепи, образуя воду и выделяя некоторое количество теплоты. Рисунок 9.7 – Схема топливного элемента Преимущества автомобилей, работающих на ТЭ, с позиций экологии бесспорны. В этом случае электрическая энергия производится без образования каких-либо токсичных веществ, а количество водорода, используемого в качестве топлива, неограниченно, хотя он находится только в связанной форме, например в составе воды. Данная технология позволяет экономить природные ресурсы и радикально снижать выбросы СО2. При этом значительно улучшаются акустические характеристики автомобилей, исключается механический износ в процессе образования электрического тока в батарее ТЭ, улучшаются компоновочные возможности автомобиля (поскольку узлы силовой установки могут быть рассредоточены по различным частям кузова), повышаются комфорт и удобство управления вследствие отсутствия коробки передач, а также решается проблема питания многочисленных электрических и электронных систем автомобиля (возникающая в ситуациях, когда автомо- 183 биль стоит с неработающим двигателем). КПД современных топливных элементов уже сегодня выше, чем КПД дизеля, и, что особенно важно, их максимальный КПД достигается в области малых нагрузок. Главными недостатками автомобилей, работающих на ТЭ, до последнего времени были значительные размеры и масса силовой установки (включая систему для хранения или производства водорода на борту), а также высокая стоимость, примерно в десять раз превышающая стоимость аналогичного автомобиля с ДВС. Кроме того, массовому производству автомобилей на ТЭ препятствует отсутствие сети станций по заправке водородом. Однако в последние годы в результате вложения огромных интеллектуальных и финансовых ресурсов в совершенствование силовых установок на ТЭ их массогабаритные показатели и стоимость стремительно снижаются. Если в 1995 году удельная мощность установки на ТЭ составляла около 1 кВт на литр занимаемого объема, а удельная стоимость порядка 5000 $ на 1 кВт, то к 2005 г. эти цифры составили соответственно порядка 1,6 кВт/л и 50 $/кВт. Разумеется, низкая стоимость возможна только при массовом производстве автомобилей на ТЭ. Для обеспечения хранения сжиженного водорода на борту автомобиля, работающего на топливных элементах, предполагается использовать сверхглубокое охлаждение водорода до температуры –252,6 °С. Также наряду с хранением водорода в виде газа в герметичных баллонах в качестве перспективной альтернативы рассматриваются другие методы: нанохранение – метод, при котором атомы водорода прилипают к поверхности трубчатых стекловолокон микроскопических размеров; использование принципа металлгидрида, при котором водород хранится в пустотах между частицами прессованного порошка металлического сплава, как в губке. Перспективным является применение для транспортировки водорода борогидрида натрия NаВH4. Этот материал нетоксичен, негорюч, невзрывоопасен, однако пока он является наименее исследованным сырьем для производства водорода. Сухой порошок NаВН4 требует значительно меньше места на борту автомобиля по сравнению со сжатым водородом. Он может растворяться в воде и храниться в легком пластиковом баке при атмосферных температуре и давлении. Водород в этом случае вырабатывается с помощью катализатора по мере необходимости. Пока это наименее исследованный метод, и главной технической проблемой здесь является управление реакцией выделения водорода. Также требуется совершенно новая инфраструктура для транспортировки, заправки, слива отработанной суспензии и её возврата на специальные заводы, где она снова будет насыщаться водородом. Поскольку создание широкой инфраструктуры станций по заправке водородом требует длительного времени, хорошим промежуточным решением может быть преобразование топлива на борту автомобиля – риформинг. Процесс риформинга заключается в «освобождении» водорода из энергоносителя: топливо подается из бака в устройство, называемое риформером, где оно преобразуется в газ, содержащий водород. В это же время в риформер вводятся воздух и вода. Каталитический сжигатель конвертирует газы, выхо- 184 дящие из риформера, в воду и небольшое количество СО2. В качестве топлив, пригодных для риформинга, рассматриваются бензин, дизельное топливо, метанол, природный газ. Бензин больше других подходит для этой цели, так как в отличие от дизельного топлива не содержит в своем составе серы, а для его заправки может быть использована существующая инфраструктура заправочных станций. Поскольку в данном методе используются жидкие или газообразные углеводороды, то при этом также выделяются токсичные газы. Тем не менее их выбросы значительно меньше, чем выбросы ДВС, использующих бензин или дизельное топливо, так как в этом случае отсутствуют NОх, SO2 и сажа, а СО2 выделяется ограниченно. В качестве примера использования ТЭ можно привести пятиместный минивэн Hydro en 1, разработанный компаниями Ореl и GМ. Его энергетическая установка представляет собой батарею топливных элементов, состоящую из 200 индивидуальных ячеек, имеет габаритные размеры всего 590 × 270 × 500 мм, что делает силовую установку практически такой же компактной, как классический поршневой ДВС. Долговременная мощность установки составляет 80 кВт, а пиковая – 120 кВт. Сжиженный водород хранится в баке из коррозионно-стойкой стали, имеющем длину 1 м и диаметр 400 мм и содержащем 75 л водорода, что обеспечивает пробег автомобиля 400 км. Масса такого автомобиля на 150 кг превышает массу прототипа с бензиновым двигателем. Поскольку двигатели автомобилей часто работают в условиях резко переменных режимов, ТЭ лучше использовать в составе комбинированной энергетической установки, имеющей батарею ТЭ и аккумулятор. Аккумулятор в этом случае выполняет роль «буфера», подавая к тяговому электродвигателю дополнительную энергию при резком увеличении нагрузки и поглощая энергию ТЭ при резком ее сбросе. Если совершенствование топливных элементов и конструкции автомобилей, в которых они используются, будет продолжаться прогнозируемыми темпами, а планы по строительству станций по заправке водородом будут выполнены, то можно ожидать к 2020 году создание в развитых странах условий для массового перехода на использование в автомобилях топливных элементов. Вопросы для повторения и самоконтроля 1. Перечислить существующие вам известны, кроме получения из автомобильного топлива. 2. Какие преимущества спиртов вам известны, кроме получения из возобновляемых источников? 3. Какие проблемы, возникающие при работе дизеля, может решить диметилэфир как топливо? 4. Какие преимущества дизеля сохраняются при использовании ДМЭ? 5. При внешнем смесеобразовании в газовом двигателе (ГД) без наддува возможно снижение мощности более чем на 10%, что определяется? 185 6. Каково устройство эжекционной схемы питания V-образного двигателя? 7. Каковы преимущества применения водорода? 8. Основные пути совершенствования автомобильных ДВС. 9. Что такое комбинированные энергетические установки (КЭУ)? 10. Какие бывают основные схемы КЭУ? 11. Применение КЭУ по сравнению с ДВС обеспечивает ряд новых качеств автомобилю? 12. Основной недостаток последовательной схемы? 13. Какие преимущества последовательной схемы? 14. Какие преимущества параллельной схемы? 15. Каковы недостатки параллельной схемы? 16. Принцип работы силовой установки на топливных элементах. 17. В чём заключается процесс риформинга? 186 Литература 1. Шатров, М.Г. Автомобильные двигатели: учебник для студентов вузов / М.Г. Шатров, К.А. Морозов, И.В. Алексеев и др.; под ред. М.Г.Шатрова. Москва: Издательский центр «Академия», 2010. – 464 с. 2. Богатырёв, А.В. Автомобили / А.В. Богатырёв, Ю.К. ЕсеновскийЛашков, М.Л. Насоновский, В.А, Чернышев. Под ред. А.В. Богатырева. – Москва: КолосС, 2004. – 496 с. 3. Кравченко, В.А. Двигатели иностранных фирм: учебное пособие /, Н.В. Сергеев, В.П. Шоколов. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2011. – 250 с. 4. Гудцов, В.Н. Современный легковой автомобиль. Экология. Экономичность. Электроника. Эргономика (Тенденции и перспективы развития): учебное пособие / В.Н. Гудцов. – Москва: КНОРУС, 2012. – 448 с. 5. Гуревич, А.М. Тракторы и автомобили / А.М.Гуревич, Е.М.Сорокин. – 5-е изд., стереотипное. Москва: Издательство Альянс, 2011. – 479 с. 6. Сергеев, Н.В. Устройство, монтаж, техническое обслуживание и ремонт газобаллонного оборудования транспортно-технологических машин: учебное пособие / Н.В. Сергеев, С.А. Тарасьянц, В.П. Шоколов, В.Н. Щиров – Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ, 2015. – 347 с. Базы данных, информационно-справочные, поисковые системы и другие Интернет-ресурсы: 1. http://amastercar.ru/articles/engine_ustroistvo.shtml, 2. http://www.avtotut.ru/ustroistvoavto/dvs/aboutdvs/, 3. http://ru.wikipedia.org/. 4. http://mon.gov.ru 5. http://www.edu.ru 6. http://www.window.edu.ru/window/unilib 7. http://lib.mami.ru/ebooks/ – Библиотека МГТУ «МАМИ» 8. http://lib.madi.ru/fel/ 9. http://www.kamaz.net 10. http://www.cat.com. 11. http://www.deere.ru. 12. http://www.claas.com 187 Сергеев Николай Викторович кандидат технических наук, доцент Силовые агрегаты КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Учебное пособие Издаётся в авторской редакции Подписано в печать 25.05.2015 г. Формат 60×84/16. Усл. п. л. 10,8. Тираж 300 экз. Заказ № 200. РО и ОП Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде 347740, г. Зерноград, Ростовской области, ул. Советская, 15.