Общие предпосылки к выбору типа двигателя и его компоновки

 

При проектировании двигателя в большинстве случаев считаются заданными его назначение, условия работы, потребная мощность и соответствующая ей частота вращения коленчатого вала. При выборе на стадии проектирования типа двигателя учитывают как тенденции развития двигателестроения и автомобильного транспорта в целом, так и социально-экономические аспекты, в первую очередь связанные с вопросами экономии сырьевых и энергетических ресурсов, охраны окружающей среды, безопасности эксплуатации, надежности и т. д. С учетом этих факторов основной энергетической установкой для грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности, автобусов, тракторов и дорожно-строительных машин является дизельный двигатель. Двигатели с искровым зажиганием устанавливают преимущественно на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности (до 2,5 т).

Следующим этапом при проектировании двигателя является выбор его системы охлаждения, которая в значительной мере определяет конструкцию и эксплуатационные качества двигателя.

После определения типа двигателя и системы охлаждения с учетом его назначения и условий работы на основе статистических данных для двигателей аналогичного типа устанавливают ориентировочные значения литровой мощности N_л и среднего эффективного давления р_е проектируемого двигателя и тем самым оценивают уровень его форсированности. Значения N_л и р_е впоследствии уточняют с помощью теплового расчета рабочего, цикла.

Далее приступают к выбору основных конструктивных параметров: количества и. расположения цилиндров, отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S/D), отношения радиуса кривошипа к длине шатуна ( ).

Количество и расположение цилиндров двигателя определяются местом установки двигателя на транспортном средстве, габаритными размерами подкапотного пространства, мощностью двигателя, размерами цилиндра, уравновешенностью сил инерции

вращающихся и поступательно движущихся масс и моментов от них, степенью равномерности крутящего момента.

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

При данном рабочем объеме двигателя количество цилиндров выбирают с учетом диаметра цилиндра, на размеры которого влияют организация рабочего процесса, механическая загруженность и тепловое состояние деталей поршневой 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 тепловое и механические нагрузки на головку цилиндра и поршень.

В двигателях с искровым зажиганием максимальное значение диаметра цилиндра ограничивается детонацией, вероятность которой повышается с увеличением расстояния от электродов свечи до наиболее удаленных объемов топливовоздушной смеси. Ввиду этого диаметр цилиндра двигателей с искровым зажиганием не превышает 105 мм.

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.

По расположению цилиндров автомобильные и тракторные двигатели разделяют на однорядные и V-образные.

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, которая увеличивает неравномерность крутящего момента, вызывает больший размах цикла напряжений б элементах коленчатого вала, повышает нагрузки на упругие элементы подвесок, приводит к росту вибраций двигателя, требует установки маховика с увеличенным маховым моментом. 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 F-образное расположение цилиндров.

Достоинством V-образных двигателей по сравнению с 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 у, от значения которого зависят уравновешенность двигателя, равномерность его хода и габаритные размеры. Наибольшее распространение получили углы развала у = 60, 90, 120, 180°.

 

2.Выбор отношения хода поршня к диаметру цилиндра и радиуса кривошипа к длине шатуна.

 

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра является одним из основных параметров, определяющих габаритные размеры и массу двигателя. Этот параметр связан непосредственно со скоростью поршня и мощностью двигателя. В настоящее время многие автомобильные двигатели делаются короткоходными, имеющими отношение S/D = 0,75 + 1,0.

Рассмотрим преимущества и недостатки двигателей с разными отношениями S/D, но с одинаковым числом оборотов коленчатого вала. С ростом отношения S/D увеличивается высота двигателя и его масса. При этом жесткость коленчатого вала уменьшается, вследствие чего создаются более благоприятные условия для возникновения резонанса крутильных колебаний. При увеличении отношения S/D возрастает ход поршня S, а следовательно, и средняя скорость поршня, что обусловливает повышение инерционной нагрузки на детали, ухудшение наполнения цилиндров и большую работу трения, т. е. меньшую износостойкость деталей двигателя.

К преимуществам короткоходных двигателей следует отнести следующее: 1) увеличение числа оборотов при форсировке двигателя без повышения средней скорости поршня; 2) повышение срока службы деталей поршневой группы при работе с умеренными средними скоростями поршня (для двигателей легковых автомобилей v_n =10,0^-16,0 м/сек, а для двигателей грузовых автомобилей v_n = 7,0 н-13,0 м/сек); 3)

увеличение перекрытия шатунных и коренных шеек, что повышает прочность и жесткость коленчатого вала; 4) повышение коэффициента наполнения цилиндров двигателя благодаря меньшим скоростям впуска, прямо пропорциональных скорости поршня; 5) уменьшение габаритных размеров двигателя в направлении оси цилиндров; 6) понижение тепловых потерь в охлаждающую среду.

Однако с уменьшением отношения S/D увеличивается длина двигателя и его

масса. При этом затрудняется прохождение противовесов коленчатого вала под кромкой поршня при его положении в н. м. т.

Малые отношения S/D целесообразно применять в К-образных двигателях, так как при этом уменьшается их длина и ширина, особенно при большом угле между осями цилиндров. По этой же причине двигатели с противолежащими цилиндрами также целесообразно делать короткоходными.

В современных автомобильных двигателях отношение S/D изменяется в пределах 0,75-1,2, причем высокооборотные двигатели и двигатели, работающие с большой нагрузкой, должны иметь отношение S/D, близкое к низшему пределу.

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна Л - R/L выбирают на основании следующих соображений.

Малые значения , желательны для понижения давления поршня на стенку цилиндра, а также для уменьшения второй и более высоких гармоник сил инерции поступательно движущихся масс, что имеет большое значение для уравновешивания двигателя. Однако малым значениям соответствует большая длина шатуна L, а следовательно, большие габаритные размеры и масса двигателя. С целью уменьшения габаритных размеров и массы двигателя выбирают большие значения .

Для современных автомобильных двигателей ; быстроходных

двигателях применяют более длинные шатуны, чем в тихоходных. При конструировании двигателей необходимо учитывать, что стержни шатунов при максимальном отклонении их от оси цилиндров и нижние головки шатунов в положении, близком к в. т. м., не

 

 

должны задевать за выступающие в картер стенки цилиндров. Поэтому увеличивают длину шатунов или, если это допускает конструкция, делают вырезы в блоке цилиндров.