Выбор типа и основных конструктивных параметров двигателя

На выбор типа двигателя решающее влияние оказывают назначение и условия эксплуатации двигателя, а также заданные уровни его экономических (эксплуатационный расход топлива) и экологических (эмиссия токсических компонентов и уровни шума и вибраций) показателей. При этом исходят из того, что дизели по сравнению с ДсИЗ обеспечивают существенно более низкие (до 40%) эксплуатационные расходы топлива, имеют меньший исходный уровень выхода токсических компонентов, менее критичны к номенклатуре используемых топлив. Их основные недостатки: большие удельная масса и габаритный объем, а также высокие уровни шума – в значительной мере нивелируются возможностью использования наддува в широком спектре эксплуатационных режимов. К достоинствам ДсИЗ следует отнести почти вдвое меньшие удельную массу и габаритный объем (по сравнению с безнаддувным дизелем). В связи с отмеченным дизели в настоящее время являются основным типом энергетической установки для грузовых автомобилей, автобусов, тракторов и дорожно-строительных машин. Двигатели с искровым зажиганием устанавливают преимущественно на легковых автомобилях, у которых достоинства связаны с их хорошими массогабаритными показателями. Вместе с тем следует отметить расширение применения дизелей и на легковых автомобилях, особенно на такси.

Требуемое сочетание заданных параметров возможно получить, варьируя значения рабочего объема двигателя iV_h номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя n_н, среднего эффективного давления р_е с учетом технических возможностей и экономической целесообразности их реализации.

Номинальная мощность двигателя при прочих равных условиях пропорциональна его рабочему объему. Однако с увеличением iV_h существенно возрастают габариты и масса конструкции, повышается расход топлива. В связи с этим за последние десятилетия определилась тенденция повышения энергетических показателей и снижения металлоемкости конструкции двигателя путем форсирования его по n_н и р_е.

Увеличение номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя приводит к пропорциональному росту номинальной мощности, но при этом соответственно увеличиваются инерционные нагрузки на элементы двигателя (~n_н²), ухудшаются экономические показатели двигателя и сокращается ресурс за счет роста скорости поршня (с_п ~ n_н), а также возрастают выбросы токсических компонентов и шумность работы. Пределы форсирования по частоте вращения дизелей ограничиваются возможностями организации эффективного протекания процессов смесеобразования и сгорания, а также допустимым уровнем инерционных нагрузок на его элементы. Вследствие этого практически для всех типов двигателей различных транспортных средств установились рациональные уровни предельных значении n_н.

Форсирование двигателя по р_е достигается главным образом применением наддува. Этот способ позволяет получить заданную N_ен при относительно невысоких n_н. Практическая возможность его использования в ДсИЗ ограничивается ухудшением при этом экономических и экологических характеристик двигателя и применяется в основном кратковременно на форсированных режимах его работы. Широкое использование наддува в дизелях объясняется благоприятным его влиянием на характер протекания процессов смесеобразования и сгорания и, как следствие этого, улучшением экономико-энергетических и экологических характеристик двигателя. Увеличение р_е при наддуве практически пропорционально степени повышения давления π_к, значение которой ограничивается в основном допустимым уровнем тепловой и механической нагруженности элементов двигателя и трудностями обеспечения заданного его ресурса.

Количество цилиндров двигателя определяется рабочим объемом двигателя и рациональными геометрическими параметрами цилиндра S и D. При выборе диаметра цилиндра учитывается его влияние на протекание рабочего процесса, механическую нагруженность и тепловое состояние деталей цилиндропоршневой группы.

Основная масса автотракторных дизелей, выпускаемых промышленностью, имеет диаметр цилиндра, находящийся в диапазоне 100... 140 мм. При меньших диаметрах цилиндра ухудшаются условия смесеобразования и сгорания из-за снижения интенсивности движения воздушного заряда, а при больших возрастают тепловые и механические нагрузки на головку цилиндра и поршень.

В ДсИЗ максимальное значение диаметра цилиндра ограничивается детонацией, вероятность возникновения которой повышается с увеличением диаметра цилиндров. Ввиду этого диаметр цилиндра ДсИЗ не превышает, как правило, 105 мм.

При выбранном диаметре цилиндра D ход поршня S определяется коэффициентом короткоходности k=S/D.

С увеличением количества цилиндров улучшается равномерность хода двигателя, облегчается пуск, уменьшается масса маховика. Вместе с тем увеличение количества цилиндров приводит к усложнению конструкции и росту затрат на обслуживание в эксплуатации двигателя.

При отмеченных выше диаметрах цилиндров на средних, большегрузных автомобилях и автобусах устанавливают преимущественно шести- и восьмицилиндровые двигатели. Для легковых автомобилей в большинстве случаев применяют четырехцилиндровые двигатели.

При определенном числе цилиндров решающее влияние на габариты, геометрический объем и уравновешенность двигателя оказывает способ их компоновки. Для автомобильных и тракторных двигателей преимущественное распространение получили компоновочные схемы с расположением цилиндров в один (линейные двигатели) или два (V-образные ДВС) ряда с различным углом у между осями цилиндров левого и правого рядов.

Среди четырех- и шестицилиндровых двигателей преобладают модели с однорядным расположением цилиндров. Двигатели, выполненные по подобной схеме, хорошо компонуются как на автомобилях с кабиной за двигателем, так и на автомобилях с кабиной над двигателем. Они имеют достаточно простую конструкцию блок-картеров и удобны для обслуживания в процессе эксплуатации.

Значительно реже применяют шестицилиндровые двигатели с V-образным расположением цилиндров. Одним из препятствий к применению таких двигателей является неравномерность чередования рабочих ходов при наиболее распространенном угле развала цилиндров 90°. Исключение составляют рассматриваемые двигатели со смещенными шатунными шейками коленчатого вала для каждой пары шатунов смежных цилиндров. При этом достигается равномерное чередование рабочих процессов отдельных цилиндров, но усложняется конструкция коленчатого вала.

В двигателях с количеством цилиндров восемь и более применяют исключительно V-образное расположение цилиндров.

Достоинством V-образных двигателей по сравнению с линейными (однорядными) той же мощности является уменьшение удельной массы двигателя, его габаритных размеров (длины и высоты) и, как следствие, повышение жесткости блок-картера и коленчатого вала.

При конструировании V-образных двигателей особое внимание уделяют выбору угла развала цилиндров γ, от значения которого зависят уравновешенность двигателя, равномерность его хода и габаритные размеры.

Одним из важных аспектов при проектировании двигателя является выбор его системы охлаждения, которая в значительной мере определяет его конструкцию и эксплуатационные свойства.

Несмотря на простоту и более высокую надежность в эксплуатации, системы воздушного охлаждения находят ограниченное применение главным образом на транспортных двигателях малой мощности из-за главного своего недостатка: невозможности эффективного обеспечения теплоотвода от головок цилиндров и поршней двигателей при их форсировании наддувом.

Поэтому с учетом сложившейся в мировой практике тенденции повышения удельных мощностных и экономических показателей двигателей за счет форсирования рабочего процесса преимущественное распространение получила система жидкостного охлаждения, которая обеспечивает стабильное тепловое состояние двигателя в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов его эксплуатации.