Предпосылки к выбору двигателя с учетом эксплуатационно-технических показателей мощности, типа системы охлаждения

 

Подбор двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу, для решения которой до настоящего времени нет научно основанных рекомендаций.

Объясняется это большим разнообразием транспортных средств, широким диапазоном условий эксплуатации и специфических требований к конкретному транспортному средству.

Если ограничится автомобильной техникой, том подбирая двигатель, необходимо

решить следующие вопросы: - тип двигателя, - его максимальная мощность, - частота

вращения коленчатого вала, - тип системы охлаждения, - эксплуатационно-техческие показатели: экономичность, токсичность, виброакустические характеристики, пусковые качества, обеспечение условий зимней эксплуатации и надежность.

Рекомендуя двигатель на транспортное средство, конструктор значительной мере задает его свойства (топливную экономичность, динамические качества, надежность и | др.), а также предопределяет известную эксплуатационную инфраструктуру и, главное, } определяет исходные данные для проектирования и организации перевозочного процесса, т. е. того самого процесса во время которого созданы двигатель, транспортное средство и вся инфраструктура.

Обеспечение перевозочного процесса (или другой функции, например у дорожно-строительных машин, сельскохозяйственной техники) в городе, регионе, в стране в целом возможно вполне определенным парком машин, каждая из которых будет укомплектована обоснованно выбранным двигателем внутреннего сгорания.

Установленный двигатель на транспортном средстве и сформированный парк

машин будут определять воздействие на окружающую среду. Другими словами, выбор

типа двигателя для наземной мобильной машины — это не только задача техническая или

экономическая, но и экологическая.

Представление о структуре парка машин в нашей стране на начало 90-х годов дает рисунок 55, а. Отметим, что находящиеся в эксплуатации автомобили выбрасывают ежегодно 20...27 млн. т СО, 2...2,5 млн. т С_ХН_У, 6...9 млн. т NO_X, до 100 тыс. т соединений

 

серы, до 100 тыс. т сажи, 13 тыс. т тяжелых металлов, 200......230 млн. т СО2 и 3,1-10

МДж теплоты. Для сравнения в США: СО — 61 млн. т, С_ХН_У — 6,4 млн. т, NO_X — 6,6 млн. т, серы — 0,4 млн. т.

Таким образом, оценка экологических качеств ПДВС дает возможность более обоснованно осуществлять выбор двигателя для транспортного средства.

В настоящее время выбор стал значительно шире и многообразнее, так как на внутреннем рынке появилось большое количество зарубежной техники.

 

 

Рисунок 55. Структура парка АТС в бывшем СССР (на начало 70-х годов (а) и выбросы нормируемых вредных веществ автомобильным транспортом в атмосферу (б))

 

При выборе типа двигателя следует руководствоваться практикой мирового автомобильного двигателестроения. Так, в общем автомобильном парке ФРГ удельный вес дизельных автомобилей во второй половине 80-х годов составлял примерно 16%. При этом в парке грузовых, автомобилей — 61%, в автобусном — 98%, в легковом — 7%. В Японии 14% автомобильного парка используют дизели. Распределены они так: парк грузовых автомобилей — 28%, автобусов — 88%, легковых — около 4%.

В США дизелязация несколько отстает: доля дизельных автомобилей в грузовом парке составляет 4%, в автобусном — 15%, в легковом — 1%. Приведенное распределение сохранится, по-видимому, и в будущем, так как на легковых автомобилях будут применяться двигатели с искровым зажиганием, а на автобусах и грузовых — дизели.

Мощность двигателя конкретного транспортного средства 'зависит от многих факторов: - режимов эксплуатации, - климатических условий, - заданной максимальной скорости движения, - обеспечения необходимых приемистости и приспособляемости и др.

Превалируют в эксплуатаци и является неустановившемся режимом работы двигателя, он составляет 93...97% в условиях интенсивного городского движения, 90...95% при движении по грунтовым (Дорогам, 30...35% всего времени движения автомобиля на загородных магистралях. Используемая мощность двигателя составляет °13...78% номинальной. Работа на неустановившихся режимах приводит к росту расхода топлива на 5...7% и увеличивает износ двигателя в среднем в 1,2...2 раза.

В плане нашего курса рассмотрим два несколько упрощенных подхода к решению данного вопроса.

1. Мощность двигателя (кВт), обеспечивающую максимальную скорость движения, можно определить из следующего выражения:

где V_amax — максимальная скорость автомобиля, м/с; т_а — масса автомобиля; <р — коэффициент суммарного сопротивления дороги.

Приближенно можно принять: для легковых автомобилей ^ = (0,01...0,5)-10"⁶К_а²_тахдля грузовых автомобилей q> = (0,015...0,2)-10^F_a²_max; К_в — коэффициент обтекаемости, Н с²/м⁴; F — лобовая площадь, м²;

К_В F

Легковые автомобили 0,2...0,3 1,5...2,0

Грузовые 0,5...0,7 3,0...6,5

Автобусы 0,35...0,45 3,0...7,5

 

 

— коэффициент учета силы инерции приведенных вращающихся ' масс; для его определения можно пользоваться следующим выражением: 8 = 1,04 + 0,04/^, где i_K — передаточное число коробки передач; j_a — ускорение автомобиля, которое можно принимать равным 0,2...0,3 м/с²; rj_T =0,85...0,9—КПД трансмиссии.

2. Для ориентировочной оценки необходимой максимальной мощности двигателя для различных видов автомобильной техники можно воспользоваться статистическими данными по удельным мощностям двигателя (кВт/т):

В таблице приведены данные по N_уд и другим показателям ряда отечественных

автомобилей

На основании данных таблице можно принимать удельные мощности, кВт/т: 40...45— для Легковых автомобилей; 9...10 — для грузовых, 10...12 — для автобусов.

Зная полную массу, можно определить и необходимую максимальную мощность двигателя. Частота вращения коленчатого вала обусловлена специфическими требованиями к каждому типу I двигателя и должна учитываться при расчете передаточных чисел коробки передач и главной передачи.

Тип охлаждения двигателя. В практике мирового автомобильного двигателестроения применяется как жидкостное, так и воздушное охлаждение. Сравнительная оценка обоих видов дана выше.

Но, решая этот вопрос применительно к конкретному транспортному средству, необходимо руководствоваться условиями эксплуатации, в которых, вероятно, придется работать двигателю; традициями, установившимися в данной области техники; возможностью обеспечения хороших пусковых качеств при низких, отрицательных температурах и т. д

Таблица 2.

Марка автомобиля	Полная масса, кг	Максимальная скорость, км/ч	Максимальная мощность двигателя, кВт	Контрольный расход топлива, л/100 км	Удельная мощность, кВт/т
		Легковые
ГАЗ-3102			77,2	8,5/80	41,28
ЗИЛ-4104			237,8	22,0/80	51,10
		Грузовые
ЗИЛ-130			110,3	29,0/50	10,47
КамАЗ-5320			154,4	26,0/60	10,10
		Автобусы
ПАЗ-3201			84,6	25,4/30	11,80
ЛАЗ-4202			132,4	19,0/40	9,90
ЛиАЗ-677М			132,4	39,0/40	9,40

 

При использовании жидкостного охлаждения необходимо выпускать автомобили в двух видах исполнения: «северном» и «южном». Очевидно, что при эксплуатации в диапазоне температур +30...-60°С (Якутия) размеры поверхности охлаждения радиатора, подача вентилятора и водяного насоса должны быть меньшими, чем при эксплуатации в диапазоне температур+45...+10°С (Ташкент).

 

 

Так, например, у автомобиля КамАЗ поверхность охлаждения радиатора будет примерно на 25% меньше, если производить расчет на t₀ = ЗО°С (в настоящее время

расчеты ведут на +45°С). На машинах «южного» исполнения не требуется устройства, облегчающего запуск двигателя при низких температурах.

Эти обстоятельства позволят снизить затраты мощности на систему охлаждения и затраты дефицитных, материалов, что в конечном итоге приведет к значительному экономическому эффекту.

Эксплуатационно-технические показатели (топливная экономичность). Данный показатель является чрезвычайно важным при решении вопроса о двигателе для автомобиля. Если подходить к решению этого вопроса только с точки зрения экономичности, то следовало бы во всех случаях применять дизели, так как они экономичнее двигателей с искровым зажиганием в среднем на 25...30%. Но, как указывалось выше, применение дизелей пока ограничено грузовым транспортом и автобусами в силу специфических требований к двигателям легковых автомобилей. Но независимо от типа необходимо использовать двигатели с такими параметрами, которые обеспечивали бы конкретному транспортному средству минимальный расход топлива при максимальной производительности. Оценочным показателем топливной экономичности является расход топлива [г/(кВт • ч)]

где G_T — часовой расход топлива, кг/ч.

На уменьшение g_e направлены исследования в области совершенствования

рабочих процессов двигателей, где к настоящему времени достигнуты значительные успехи.

Но данный показатель в значительной степени зависит от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. По этой причине он не может быть объективным показателем для сравнения и оценки двигателей различных машин. Более правильно отражает экономичность расход топлива, отнесенный к совершенной работе, т. е. л/100 т-км.

В соответствии с этим по ГОСТ 20306—85 топливная экономичность оценивается следующими показателями: - контрольный расход топлива (КРТ); - расход топлива в магистральном ездовом цикле на дороге (РТМЦ); - расход топлива в городском ездовом цикле на дороге (РТГЦД); - расход топлива в городском цикле на стенде (РТГЦ).

 

З начения KPT отечественных автомобилей приведены в таблица. Как видно из этой таблицы, КРТ определяют при определенной скорости движения, различной для разных видов автомобильной техники. КРТ позволяет косвенно оценить техническое состояние автомобиля и сравнить уровень топливной экономичности аналогов.

Остальные показатели экономичности используют для оценки средних расходов в типизированных характерных условиях движения.

К сожалению, при выборе двигателя нет полной информации по всем показателям, в лучшем случае имеются только данные по g_e на номинальном режиме или g_emin по внешней скоростной характеристике двигателя и иногда КРТ. Как показывает опыт, расход топлива (л/100 т-км) зависит от V_h и от N_уд, поэтому, обосновывая необходимую

мощность для транспортного средства, следует учитывать указанные зависимости и не завышать N_у..

Токсичность. При подборе двигателя необходимо, чтобы он в полной мере удовлетворял требованиям законодательных ограничений (предельных норм) на выброс токсичных веществ. Эти нормы и метод определения по содержанию оксида углерода регламентированы ГОСТ 17.2.2.03-77 для бензиновых двигателей, а для автомобильных дизелей — ГОСТ 21393-75 по дымности отработавших газов и ОСТ 37.001.234—81 по выбросам СО, СНя NO_X, [г/(кВт-ч)]:

 

оксида углерода СО не более 7,0;

углеводородов СН не более 2,4;

окислов азота NO_X не более 13,5;

 

 

Контрольные вопросы:

1. Какие факторы учитываются при выборе типа двигателя на стадии проектирования?

2. Каким фактором определяется выбор числа и расположения цилиндров?

3. Чем ограничивается максимальное значение в ПД с искровым зажиганием?

4. Чем ограничивается максимальное значение в ПД с самовоспламенением?

5. В чем состоят преимущества и недостатки ПД с разными отношениями ?

6. Какие факторы учитываются при выборе мощности двигателя?

7.

Лекция 12.

Требования к двигателям и их системам с учетом условий эксплуатации.

Введение

Для создания высокопро­изводительной, экономичной в эксплуатации и экологически чистой транспортной, дорожно-строительной и сельскохозяйственной тех­ники автотракторные двигатели должны обеспечивать:

● высокую надежность в разнообразных эксплуатационных условиях;

●необходимую мощность при малой массе и габаритах, наибольшую топливную экономичность на всех режимах работы;

●нормативные шумность и вибрацию двигателя, а также дымность и токсич­ность отработавших газов;

●хорошие пусковые качества;

●легкость управления и автоматизацию работы;

●простоту технического обслуживания и ремонта;

●минимум эксплуатационных затрат труда и материалов.

Одним из главных эксплуатационных требований является обеспечение надежности двигателя, поскольку с надежностью напрямую связаны расходы на поддержание работоспособности двигателя в эксплуатации и расходы, вызванные простоем машины из-за отказов двигателя.

 

1. Основные показатели и условия эксплуатации поршневых двигателей.

2. Эксплуатационные требования к двигателю.

3. Требования к системам охлаждения, смазки, топливоподачи.