Конструкций и перспектива развития поршневых двигателей

Художественное конструирование

Рассмотрим этапы художественного моделирования [7].

Эстетические качества машин определяются с первых стадий проектирования, когда формируется скелет изделия. Они определяются целесообразностью форм, рациональностью и соответствием форм функциональному назначению и эстетическому восприятию изделия. Аэродинамические формы воздушных лайнеров вселяют в нас уверенность в быстроте, скорости и надежности полета. Формы джипа говорят о мощности, проходимости этого внедорожника. Внешний вид роторов турбин свидетельствует о их мощности. Таким образом, формы изделия определяются удобством его использования по назначению и техническим совершенством его функциональных свойств. Это единство требований лежит в основе выбора компоновки изделия и форм его элементов.

При этом особую роль играет впечатление устойчивости, композиционного равновесия, распределения нагрузок относительно центра тяжести изделия и его опор. Это приводит к симметрии конструкции, опирающейся как минимум на три точки опоры. Примеры: автомобиль, самолет, поезд.

Двигатель тоже симметричен относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, и имеет четыре точки опоры. Его агрегаты также стремятся равномерно распределить относительно этой плоскости симметрии.

Формирование симметричных изделий тесно связано с физическим равновесием частей, обеспечением жесткости и надлежащего функционирования узлов, а также зрительного уравновешивания.

Симметрия способствует выделению главного в композиции, определяет направленность движения масс, линий к центру или к плоскости симметрии. Целостность ансамбля элементов изделия зависит от соотношений размеров и рекомендуется от 1:1 до 2:1. Имеются специальные ряды чисел (ГОСТ 8031-56) гармоничных пропорциональных отношений размеров. Обеспечение удобства пользования изделия требует соизмерения с человеком, его руками и другими частями тела. Кнопки, шкалы приборов, рукоятки управления, фары, люки, дверцы зависят от масштабности изделия и соизмеряются с размерами тела человека.

Соотношение размеров изделия и его пульта управления определяются эргономикой, т.е.расходом энергии человека на операцию управления. Кроме физической нагрузки, человек испытывает еще психическую нагрузку, которая зависит не только от взаимоположения узлов, но и от цветовой гаммы.

Обычно это темные органы управления на светлом фоне панели, а на белом фоне становятся предельно контрастными и раздражают.

Контрастные отношения цветов могут придать форме изделия динамичность, зрительный эффект движения. Отсутствие нюансировки формы делает ее грубой, негармоничной.

Окраска станков в зелено-голубой цвет привела к увеличению производительности и освещенности рабочих мест на 10 %. Красный цвет утомляет и понижает слуховую чувствительность.

В помещении, окрашенном в оранжевый цвет, кажется теплее, чем в помещении сине-зеленого цвета. Белый потолок, находясь выше поля зрения человека, не вызывает ослепления и отражает много света и т.п.

Итак, при окраске двигателя и его агрегатов и их размещении нужно обеспечивать удобство пользования и привлекательность внешнего вида.

Анализ конструкций и перспектива развития поршневых

двигателей

Развитие автомобильных и тракторных двигателей, как и двигателестроение в целом, происходит в направлении улучшения экологических характеристик – снижения токсичности, уровня шума, вибрации, улучшения эксплуатационной экономичности по топливу и маслу, расширения использования ассортимента топлив, повышения моторесурса и надежности, уменьшения удельной материалоемкости и трудовых затрат на техническое обслуживание и эксплуатацию.

Для легковых автомобилей основным типом является ДВС с принудительным воспламенением. Суммарный рабочий объем составляет 1…4,5л, частота вращения достигает 7000 мин^-1, литровая мощность 50…75 кВт/л; удельная масса 1…2,5 кг/кВт, удельный расход топлива 235…300 г/(кВт×ч), степень сжатия 9…10,5. Обычно это четырехтактные, с числом цилиндров i=3…6 у рядных и i=8 у V-образных двигателей. Классически это четырехцилиндровый ДВС с рядным расположением цилиндров. Например, ДВС Заволжского моторного завода четырехтактный, рядный, четырехцилиндровый с рабочим объемом цилиндра 2,3 л (рис. 24.1). Он имеет четырехклапанное распределение с двумя верхними распределительными валами, центральным расположением свечи зажигания и комплексной микропроцессорной системой управления впрыска топлива и зажигания. Это обеспечивает высокие технико-экономические показатели. Чугунный блок-картер имеет высокую жесткость.

Применение наклонного расположения цилиндров позволяет уменьшить высоту двигателя и обеспечить свободный доступ ко всем деталям и вспомогательным агрегатам, требующим периодического технического обслуживания и регулировки.

Генератор и электромотор для предотвращения нагрева устанавливают со стороны, противоположной размещению выхлопных патрубков. Подача топлива осуществляется с помощью системы распределенного многоточечного впрыска, реже применяют центральный впрыск. Форма камеры сгорания – и клиновая, и полусферическая, и шатровая и др. Для снижения размеров и массы применяют турбонаддув. Двигатели V-образной схемы имеют угол развала цилиндров 90°, что упрощает уравновешивание. Применение алюминиевых сплавов, композиционных и порошковых материалов и керамики снижают массу ДВС и стоимость изготовления.

Однако двигатели с принудительным воспламенением не отвечают в полной мере эксплуатационной экономичности и токсичности газов. В городских условиях, при частых пусках, на переходных режимах они имеют низкую экономичность и высокую токсичность, при полной нагрузке КПД h_е = 30…32 %, а при частичных нагрузках h_е = 5…15 %.

Для современных автомобилей требуется ограничение расхода топлива до 5 л на 100 км пробега и в будущем до 3,5 л при ужесточении выбросов CO₂.

Достижения этих целей позволяет применение четырехклапанной головки цилиндров с двумя впускными клапанами, фиксацией, организацией многостадийного впрыска топлива, повышением энергии электрического разряда при центральном расположении свечи зажигания, обеспечением переменного давления впрыска, управляемым рассеиванием заряда и работы на бедных смесях, повышением степени рециркуляции, установкой более совершенных нейтрализаторов.

Кроме того, наметилась тенденция к повышению степени сжатия e с установлением датчиков вибрации контроля детонации в головке цилиндров. Увеличение e на две-три единицы снижает расход топлива на 8…10 %, что особенно эффективно на режимах частичной нагрузки. Применяют также автоматическое изменение хода поршня, что приводит к оптимизации степени сжатия на любом режиме и снижению токсичности. В некоторых случаях применяют отключение части цилиндров, что особенно эффективно для V-образных двигателей.

При переходе на сжиженный или сжатый газ в двигателе изменяется только система топливоподачи. Газовые двигатели лучше запускаются при низкой температуре, имеют более однородную горючую смесь, меньшие отложения на свечах и стенках камеры сгорания, снижается токсичность выбросов, особенно на пусковых и переходных режимах. Но для компенсации потери мощности, вследствие разной теплоты сгорания топлив, необходимо повышать степень сжатия до 11…13. Кроме того, увеличивается масса автомобиля из-за установки газовых баллонов и дополнительного оборудования.

Ведутся большие исследования по применению альтернативных топлив растительного происхождения и водорода. Широкие пределы воспламеняемости водородо-воздушной смеси (a=0, 14…10) позволяют при принудительном воспламенении осуществить качественное регулирование и высокую экономичность.

В последнее время намечен переход на дизельные двигатели для легковых автомобилей, этому способствует их более высокая экономичность до 38 % в условиях городского движения и до 15 % в средних дорожных условиях. Большинство фирм для удешевления производства создают дизели на базе существующих двигателей, унифицируя основные детали. Это в основном четырехцилиндровые четырехтактные рядные двигатели. Блоки цилиндров литые чугунные с рабочими цилиндрами, выполненными в блоке, головку блока выполняют из алюминиевого сплава.

Камеры сгорания выполняют в основном с непосредственным впрыском (однополостные), они отмечаются улучшением экономичности по сравнению с дизелями с разделенными камерами.

В топливной аппаратуре, кроме насосов высокого давления распределительного типа, используют аккумуляторную систему типа Common-Rocil, а также насос-форсунки. Применение турбонаддува компенсирует снижение мощности дизеля по сравнению с исходным двигателем с принудительным воспламенением того же рабочего объема. При этом стремятся уменьшить диаметр ротора, сохранив расход за счет увеличения частоты вращения, что улучшает приемистость дизеля. Таким образом, дизель с наддувом имеет такие же характеристики и удельные показатели по массе и размерам, что и ДсИЗ, а также меньший расход топлива и токсичность отработанных газов.

Главной тенденцией развития грузовых и автотракторных двигателей, в основном дизелей, является улучшение их экономических показателей, экономичности, увеличение срока службы, повышение удельных показателей при высокой надежности.

Заканчивается переход отечественного дизелестроения на выпуск двигателей с токсичностью по нормам Евро-3 и начато изготовление двигателей по нормам Евро-4.

В последнее время развивается унификация двигателей и создание их семейств, что повышает рентабельность производства и расширяет их применение. Это достигается в основном изменением числа цилиндров (рабочего объема). Новая тенденция повышения мощности – форсирование давления P_eза счет применения турбонаддува с промежуточным охлаждением. Расширяется использование автомобильных двигателей для строительно-дорожных машин и оборонной техники, а также двойного применения. В последнее время возникло направление создания когенерационных установок, когда двигатель используется как автономный узел для выработки электрической и тепловой энергии.

Двигатели грузовых автомобилей разделяют на двигатели для автомобилей малой грузоподъемности, средней и тяжелой, при этом рабочий объем цилиндров V_л соответственно равен 0,7; 1,0 и 2,0 л.

Требование низкой токсичности отработанных газов остается важнейшим для всех видов двигателей. Это требование приводит к снижению экономичности, т.к. при повышении температуры горения увеличивается выброс в атмосферу окислов азота и CO₂, поэтому наблюдается рост максимального давления цикла (в перспективе до 20МПа). Это повышает требования к подшипникам коленчатого вала и к газовому стыку, а также к прочности деталей цилиндропоршневой группы. Снижение токсичности требует также применения четырехклапанной головки цилиндров, перепуска отработанных газов с их охлаждением, установки систем турбонаддува с промежуточным охлаждением, непосредственным разделением впрыска с управляемым законом топливоподачи и контролем расхода масла на угар.

Наиболее востребованы в количественном отношении дизели мощностью 70…140 кВт и iV_п=2,2…3,4 л в рядном исполнении. Они предназначены для легковых автомобилей класса Е, внедорожников, малой грузоподъемности, грузовых автомобилей, микроавтобусов, тракторов, катеров, яхт, военной и другой техники.

В 2006 г. впервые были созданы автомобили BMW Hydrogen 7, работающие на водороде, которые поступили в эксплуатацию в 2007 г., но в связи с отсутствием развитой системы заправок водородом этот двигатель может работать на бензине с возможностью переключения с одного вида топлива на другой.

Таким образом, дальнейшее развитие автомобилестроения имеет большие перспективы.