Общая характеристика двигателей базовых машин

Принципиально в качестве силовых установок (СУ) базовых машин могут использоваться различные типы ДВС. Большое внимание в последнее время за рубежом уделяется разработке для БМ газотурбинных двигателей (ГТД). Однако работы по созданию таких двигателей пока ещё не вышли за рамки экспериментов и широкое применение ГТД на колёсных и гусеничных машинах является всё ещё вопросом будущего. Появившиеся в последнее десятилетие роторные двигатели при их неоспоримых преимуществах перед поршневыми двигателями в области малых мощностей, потребных для СУ базовых машин, не могут конкурировать с существующими двигателями и практически не имеют перспектив широкого применения в качестве основных СУ колёсных и гусеничных машин.

Промежуточное положение между карбюраторными двигателями и дизелями занимают двигатели с принудительным впрыском и воспламенением рабочей смеси. Эти двигатели в зависимости от организации процесса смесеобразования и конструктивных особенностей могут в той или иной степени сочетать в себе положительные свойства и карбюраторных двигателей и дизелей.

Действительно, для базовой машины (БМ), прежде всего, удобно иметь универсальный в той или иной степени по топливу двигатель. Высокая экономичность дизелей может значительно увеличить запас хода машин, а также сократить в значительной степени перевозки ГСМ, которые по опыту второй мировой войны могут составлять 60% всех перевозок. При одинаковой мощности СУ с дизелями обладают значительно более высокими тягово-динамическими качествами, имеют более высокую среднюю скорость движения и лучшие разгонные характеристики. У дизелей имеется большая возможность форсирования их методом газотурбинного наддува, позволяющего повысить мощность двигателя в отдельных случаях в два и более раз без снижения экономических показателей и без существенных конструктивных изменений при умеренных давлениях наддува.

Основные показатели подвижности базовой машины во многом определяются характеристиками СУ. СУ предназначена для преобразования химической энергии сгорания топлива в механическую, передающуюся через трансмиссию на гусеничный движитель, с помощью которого происходит перемещение машины. СУ включает в себя двигатель и системы, обеспечивающие его работу в базовой машине.

Из всех возможных типов двигателей в базовых машинах применяются только тепловые ДВС, в которых топливо сгорает непосредственно в двигателе (в рабочих цилиндрах или в специальных камерах сгорания). Преимущественное распространение имеют поршневые двигатели (ПД), а, начиная с середины 70-х годов, в ВиТ используются и газотурбинные двигатели (ГТД).

На базовых машинах ДВС обычно используются не только в качестве основных силовых установок, но и для привода вспомогательного оборудования, а также оборудования для технического обслуживания и ремонта машин и их агрегатов.

Использование двигателей на образцах ВиТ сил РСЧС имеет ряд особенностей, связанных со специфическими условиями работы военной автотранспортной техники.

Режим машины зависит от величины амплитуды и частоты колебаний нагрузки, количества включений в единицу времени, реверсивности и продолжительности непрерывной работы.

Различают четыре режима работы:

1) Лёгкий — режим, при котором отношение максимальной нагрузки к средней составляет 1: 1,1…1,3; скорость рабочих движений постоянна, нет реверсивности рабочих движений; число включений за 1 ч составляет 20 – 30, редко 50. На таких режимах работают двигатели плавающих средств, лесопильных станков др.;

2) Средний — режим, при котором отношение максимальной нагрузки к средней составляет 1: 1,5…2,5; скорость рабочих движений переменна, движения редко реверсивны; число включений за 1 ч достигает 200. К такому режиму можно отнести работу двигателей кранов, многоковшовых экскаваторов, скреперов;

3) Тяжёлый — режим, при котором отношение максимальной нагрузки к средней составляет 1: 2…3; нагрузка имеет частые и резкие пики; скорости рабочих движений меняются прерывисто, движения часто реверсивны; число включений за 1 ч достигает 1000 и более. На таких режимах работают одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, путепрокладчики и инженерные машины разграждения;

4) Очень тяжелый — режим, который носит ударный или вибрационный характер.

Целесообразность применения того или иного двигателя для работы при различных режимах нагружения определяется с помощью внешней скоростной характеристики, которая позволяет определить не только как изменяется крутящий момент Т при изменении частоты вращения n коленчатого вала, но и запас крутящего момента, определяемый коэффициентом запаса:

,

где Т _{е max} — максимальный крутящий момент, развиваемый на коленчатом валу двигателя;

Т_н — номинальный крутящий момент, развиваемый на коленчатом валу двигателя при максимальной мощности двигателя Р _{е max}.

По этой характеристике можно судить о приспособляемости двигателя, которую определяют по коэффициенту приспособляемости:

.

Основными силовыми установками для образцов БМ в настоящее время по-прежнему остаются поршневые двигатели. При этом на легковых автомобилях, легких, средних грузовых автомобилях и колесных тягачах используются обычно карбюраторные двигатели, а на тяжелых грузовых автомобилях и колесных тягачах и всех гусеничных машинах применяются исключительно дизели.

Карбюраторные двигатели базовых машин

Карбюраторный двигатель представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором поступающая в рабочий объём цилиндров горючая смесь (смесь топлива и воздуха) воспламенятся от дополнительного источника воспламенения (искры свечи зажигания).

В конструктивное исполнение входят следующие механизмы и системы:

– кривошипно-шатунный механизм;

– газораспределительный механизм;

– элементы (звенья) механических передач, обеспечивающих работу специальных систем машины;

– системы питания, смазки, охлаждения, зажигания и пуска.

Преобразование прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала обеспечивает кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из цилиндра 2, картера 1, поршня 3, шатуна 5 и коленчатого вала 6 (см. рис. 1). В головке блока цилиндров размещаются впускные и выпускные клапаны газораспределительного механизма, а также свеча зажигания 4 (в дизельном двигателе — форсунка).

Рис. 1. Принципиальная схема поршневого двигателя внутреннего сгорания: 1 — картер;
2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — свеча (форсунка); 5 — шатун; 6 — коленчатый вал

На рис. 1 показана внутренняя верхняя мёртвая точка (ВМТ). В этом положении расстояние от поршня до оси коленчатого вала наибольшее. В нижней мёртвой точке (НМТ) расстояние от поршня до оси коленчатого вала наименьшее.

Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня S, мм.

Ход поршня S и диаметр цилиндра D — основные параметры двигателя.

Характерные объёмы цилиндров:

– полный объём цилиндра V_a — объём внутренней полости цилиндра при положении поршня в НМТ;

– объём камеры сжатия (камеры сгорания) V_c — объём внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ;

– рабочий объём цилиндра V_h, л — объём, заключённый между ВМТ и НМТ.

Соответственно, рабочий объём цилиндра V_h можно определить по формулам:

; .

Сумма рабочих объёмов всех цилиндров двигателя называется литражом двигателя V _л и определяется выражением:

V _л = iV_h,

где i — число цилиндров двигателя.

Отношение полного объёма цилиндра V_a к объёму камеры сжатия (камеры сгорания) V_c называется степенью сжатия ε

.

Степень сжатия ε показывает во сколько раз изменяется объём внутренней полсти цилиндра при перемещении поршня от одной мёртвой точки до другой. Степень сжатия карбюраторных двигателей обычно находится в пределах 4 – 10 (у грузовых 6 – 6,5), а у дизелей — 14 – 17. Высокая степень сжатия у дизелей — одна из трудностей их пуска.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх последовательных процессов (тактов). Газы, участвующие в осуществлении рабочего цикла, называются рабочим телом. Рабочий цикл характеризуется изменением параметров состояния рабочего тела.

Изменение давления газов в цилиндре за цикл представляют в виде графика, называемого индикаторной диаграммой. Такую диаграмму снимают на работающем двигателе прибором-индикатором. Диаграмма изображается на мониторе компьютера за два оборота коленчатого вала. При этом поршень совершает четыре хода (по два хода от НМТ к ВМТ и наоборот). Часть рабочего цикла, соответствующая одному ходу поршня, называется тактом.

Индикаторную диаграмму строят в координатах давление P – объём V (см. рис. 2).

Рис. 2. Индикаторная диаграмма четырёхтактного двигателя: (r – a) — такт впуска;
(а – с) — такт сжатия; (c – z – b) — такт расширения (такт рабочего хода); (b – r) — такт выпуска отработавших газов

По горизонтали (по оси абсцисс) на диаграмме откладывают объём цилиндра V (или ход поршня S), а по вертикали — давление газов в цилиндре P. Горизонтальной линией на индикаторной диаграмме показано атмосферное давление.

Рассматриваемый рабочий цикл состоит из четырёх тактов:

1) такта впуска (r – a);

2) такта сжатия (а – с);

3) такта расширения (такта рабочего хода) (c – z – b);

4) такта выпуска отработавших газов (b – r).

Обеспечение хорошей и своевременной очистки камер сгорания от отработавших газов и повышения пополнения их свежим зарядом горючей смеси достигается согласованием открытия и закрытия клапанов газораспределительного механизма. Моменты открытия и закрытия клапанов газораспределительного механизма выясним, анализируя индикаторную диаграмму (см. рис. 2).

Процессы сжатия, сгорания и расширения составляют рабочую часть цикла. Она занимает два такта: сжатия и расширения (a – c – z – b). В этой части цикла тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в механическую энергию.

Процессы выпуска и впуска (b – r – a) обеспечивают смену рабочего тела в цилиндре и называются процессами газообмена. На их осуществление затрачивается часть энергии, полученной в рабочей части цикла.

Площадь рабочей части цикла индикаторной диаграммы (a – c – z – b) характеризует индикаторную мощность четырёхтактного двигателя N_i, кВт, которая определяется по формуле

,

где i — число цилиндров двигателя;

p_i — среднее индикаторное давление, кПа (МПа);

n — частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;

τ — тактность двигателя;

V_h — рабочий объём цилиндра, л;

V_л — литраж двигателя, л.

Часть индикаторной мощности расходуется на преодоление трения движущихся деталей, привода вентилятора, масляного насоса и т. д. Эту мощность называют мощностью механических потерь N _м.

Полезную мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя, называют эффективной мощностью и определяют по формуле

N_e = N_i – N _м.

Эффективная мощность — важный показатель характеристики двигателя. Её значение зависит от конструктивных особенностей и совершенства двигателя, технического состояния, от условий эксплуатации.

Среднее эффективное давление — это та часть среднего индикаторного давления, которая идёт на создание эффективной мощности.

Двигатели конструируют и изготавливают таким образом, чтобы значение N_i было наибольшим, а значение N _м — наименьшим. Однако их значения зависят от условий эксплуатации: температуры охлаждающей жидкости и частоты вращения коленчатого вала. Так со снижением температуры охлаждающей жидкости ухудшаются процессы смесеобразования, становится бόльшим теплоотвод. Это приводит к снижению индикаторной мощности. При понижении температуры увеличивается вязкость масла. Так, при снижении температуры моторных масел от 200 до 0ºC их вязкость увеличивается в 140 – 150 раз. Это приводит к увеличению мощности механических потерь N _м и, следовательно, к снижению эффективной мощности N_e.

В характеристиках двигателей указывается эффективная мощность N_e, которую они развивают при эксплуатационных температурах охлаждающей жидкости (обычно 75 – 85ºC) и частотах вращения коленчатых валов. Поэтому важным является содержать пожарную и аварийно-спасательную технику в отапливаемых гаражах и быстро разогревать двигатели до эксплуатационных температур.

Отношение эффективной мощности N_e к индикаторной N_i называется механическим коэффициентом полезного действия (КПД):

.

Величиной η_м оценивают совершенство конструкции двигателей. Его значение характеризует потери мощности в двигателе.

Важной характеристикой двигателей является расход топлива. Он характеризует экономичность двигателя и называется удельным эффективным расходом топлива:

,

где G_Т — часовой расход топлива, кг/ч.

Наряду с g_e оценочным показателем эффективной мощности двигателя является эффективный коэффициент полезного действия:

,

где Q_e — количество теплоты, преобразованное в эффективную (полезную) работу, Дж;

Q ₀ — вся теплота, выделяемая при сгорании топлива, Дж.

Дизельные двигатели по сравнению с карбюраторными более экономичны, так как у них η_e и g_e имеют лучшие значения, чем у карбюраторных двигателей. Следует учитывать и то, что дизельное топливо дешевле и безопаснее в пожарной отношении, чем бензин. Дизельные двигатели более надёжны в работе. Поэтому они всё чаще стали применяться для изготовления пожарных и аварийно-спасательных автомобилей, для изготовления автомобилей, используемых в различных сферах национальной экономики.

Достоинствами карбюраторных двигателей являются:

– меньшие габаритные размеры и вес;

– несколько лучшая самоприспосабливаемость (К _п = 1,15…1,4);

– более лёгкий пуск, особенно при низких температурах;

– меньший шум;

– простота и меньшая стоимость топливной аппаратуры;

– более простые регулировки и обслуживание.

К числу основных недостатков карбюраторных двигателей можно отнести:

– низкую экономичность;

– загрязнение воздушного бассейна вредными и ядовитыми продуктами;

– высокие требования к качеству топлива;

– низкие динамические качества при переменных режимах работы;

– зависимость работы системы питания от положения двигателя и машины;

– сравнительно более высокая пожароопасность и др.

Таблица 1. Технические характеристики карбюраторных двигателей базовых машин

Модель	ЗИЛ-131 V-образн., 8-ми цилиндр., карбюрато-рный	КамАЗ-740 V-образн., 8-ми цилиндр., карбюрато-рный	УАЗ-3741 Рядный, 4-х цилиндр., карбюрато-рный	ВАЗ-2121 Рядный, 4-х цилиндр., карбюрато-рный
Марка двигателя	ЗИЛ-131	ЗМЗ-4022	УМЗ-417	ВАЗ-2121
Диаметр цилиндра, мм
Ход поршня, мм
Рабочий объем, л	6,00	2,445	2,445	1,57
Степень сжатия	6,5	8,2	6,7	8,5
Номинальная мощность, квт (л.с.)	150 (210)	81 (110)	55,2 (75)	53,7 (73)
Максимальный крутящий момент, кгс×м	40,2			11,8

В комплекте мостостроительных средств КМС-1Э, в качестве базовой машины используется автомобиль ЗИЛ-131. Для аварийно-спасательной машины АСМ-41-02 используется автомобиль ГАЗ-27057 и для радиационно-химической машины РХМ-4-01 — автомобиль УАЗ-39621. Технические характеристики двигателей ЗИЛ-131, УМЗ-417 (УАЗ-39621) и
ЗМЗ-4022 (ГАЗ-27057) в табл. 1.

Дата добавления: 2014-01-07