Навигация

Главная » Мануалы

1 2 3 4 ... 19

внутреннее сгорание

Машиностроение является ведущей отраслью советской нромышленности. Постоянное совершенствование машин, находяшихся в производстве, и создание новых, высокопроизводительных машин - непреложный закон развития машиностроения, так как механизация всех производственных процессов есть техническая база повышения производительности труда.

Развитие народного хозяйства СССР происходит на основе пятилетних планов, содержащих как директивные указания о направлении развития отдельных отраслей, так и конкретные показатели, определяющие объем производства каждой отрасли. Плановое начало, положенное в основу развития народного хозяйства, охватывает все области промышленного и сельскохозяйственного производства и строительства, в том числе и научно-исследовательскую и конструкторскую работу, и предопределяет техническую политику развития отдельных отраслей, их взаимосвязь и кооперирование.

Общим принципом советской технической политики является наиболее рациональное использование естественных ресурсов при максимальной производительности труда. При этом рост производительности труда достигается путем механизации, электрификации и автоматизации производственных процессов.

Таким образом, советская техника предопределяет создание новых все более производительных маш^ин при обязательном условии дальнейшего облегчения человеческого труда.

Отличительная особенность советского машиностроения заключается в его прогрессивном характере, использовании новых принципов, причем стимулы для развития исходят не только из требований производств, в которых применяются выпускаемые машины, но и возникают в самом процессе машиностроения, так как создание новых машин определяет развитие технологии, улучшение которой, в свою очередь, позволяет создавать еще более совершенные машины.

Второй отличительной особенностью советского машиностроения, как и всех областей советского производства, является коллективный метод разработки новых конструкций. Такой метод не только не умаляет значения творчества главного конструктора, но еще более увеличивает роль последнего как организатора и руководителя коллектива. В то же время именно коллективная работа на основе творческой критики и самокритики позволяет дать в короткие сроки действительно полноценные решения сложнейших проблем, которые выдвигаются перед машиностроением.

Директивами XIX съезда и решениями пленумов ЦК КПСС предусмотрен значительный рост производства двигателей разных типов. Применение двигателей внутреннего сгорания во всех областях народного хозяйства и в самых различных условиях способствует разнообразию конструктивных форм и масштабов их производства. В соответствии с этими особенностями двигателестроения весьма различны и применяемые мате-



риалы и технология производства двигателей. Однако только наиболее простые и тяжелые тихоходные стационарные и судовые двигатели, выпускаемые относительно малыми сериями, выполняются в основном в пределах 3-го класса точности с применением рядовых материалов. В крупносерийном производстве, особенно двигателей специального назначения, применяют качественные материалы с обработкой ряда деталей даже по 1-му классу точности. Массовое производство транспортных быстроходных двигателей также требует высокой культуры производства (не ниже 2-го класса точности).

Общие направления развития двигателестроения - повышение быстроходности, увеличение напряженности, связанное со снижением веса, особо отмеченного в директивах XIX съезда КПСС, - естественно выдвигают все более высокие требования как к качеству материалов, так и к технологии производства, что является стимулом их дальнейшего улучшения.

Таким образом, интенсивно развивающееся двигателестроение относится к группе производств машин высокой точности, что и определяет прогрессивный характер данной отрасли.

Исходным материалом для проектирования новой машины служит проектное задание, содержащее технические требования, которым должны удовлетворять основные показатели работы новой хмашины. Предложение создания новой машины и формулировка соответствующего проектного задания может исходить, во-первых, от эксплуатирующих организаций, которые на основе опыта своей работы или требований, выдвигаемых дальнейшим развитием производства, ставят перед машиностроителями задачу повышения показателей выпускаемых машин; во-вторых, от самого же двигателестроительного завода, так как постоянное совершенствование выпускаемой продукции является его непосредственной задачей; в-третьих, от высших руководящих органов на основе принципиально новых достижений советской науки.

Общие требования, которые предъявляются при создании нового двигателя заданной мощности и числа оборотов, сводятся к обеспечению наименьшего веса и габаритов, наибольшей экономичности, наибольшей надежности и увеличения срока службы, наибольшей простоты конструкции и дешевизны производства и эксплуатации, безопасности и удобства обслуживания.

Одновременное удовлетворение этих требований представляет значительные трудности, так как отдельные требования находятся в некотором противоречии между собой.

Так, например, необходимость достижения минимального веса не всегда увязывается с требованием наибольшей экономичности вследствие того, что максимальная мощность двигателя с внешним смесеобразованием получается при несовершенном сгорании топлива. Необходимость получения минимального веса не увязывается и с требованием наибольшего срока службы, так как высоконапряженные двигатели с малым удельным весом естественно подвержены большему износу.

Для создания легкого двигателя необходимо применять качественные материалы и обеспечивать высокую точность изготовления, что приводит к удорожанию производства и эксплуатации. Требование повышения экономичности, кроме того, связано с проблемой снабжения топливом. Так, например, для карбюраторного двигателя удовлетворение этого требования определяется в основном возможностью повышения степени сжатия и, соответственно, применением топлива с более высоким октановым числом. Вопрос об экономичности двигателя следует рассматривать не только в отношении величины удельного расхода топлива, но также с учетом ресурсов данного топлива, возможностей и трудностей его производства. Высокая ценность топ л ив,



применяемых в двигателях внутреннего сгорания, определяет необходимость тщательного выбора наиболее рационального топлива, а в некоторых случаях перед конструктором встает вопрос создания двигателя, который мог бы работать, например, на жидких топливах различных сортов или даже, при условии смены некоторых деталей, работать на газообразном топливе вместо жидкого (конвертивные двигатели).

Таким образом, в зависимости от назначения двигателя в каждом отдельном случае должен быть решен вопрос, какие из перечисленных требований являются основными и в какой мере могут быть выполнены остальные. *

Для авиационных двигателей в первую очередь должен быть обеспечен наименьший вес и минимальные габариты при высокой надежности и, по возможности, высокой экономичности даже в ущерб сроку службы, простоте и дешевизне производства и эксплуатации.

Для судовых двигателей весовые показатели уже не имеют такого решающего значения, так как вес самого двигателя составляет относительно малую часть веса всей установки. Однако в некоторых случаях минимальными габаритами двигателя, особенно по ширине, определяется возможность размещения его в корпусе судна. Кроме того, для судового двигателя выдвигаются повышенные требования экономичности для обеспечения наибольшей дальности плавания без пополнения запасов горючего, высокой надежности и достаточного срока службы при возможной простоте обслуживания.

Для стационарных двигателей важнейшими требованиями являются высокая экономичность, надежность и большой срок службы при возможной простоте производства и эксплуатации.

Двигатели для наземного транспорта и для механизации сельскохозяйственных и других работ должны удовлетворять в значительной степени всем указанным требованиям.

Следует отметить, что массовый характер производства таких двигателей обеспечивает его относительную дешевизну даже при необходимой сложности конструкции, применении качественных материалов и высокой точности обработки деталей.

Для легких транспортных двигателей большой мощности предъявляются повышенные требования к габаритам и общей жесткости конструкции.

Нет необходимости повторять, что безопасность и удобство обслуживания должны быть обеспечены во всех случаях.

На основании конкретной потребьюсти народного хозяйства, с учетом рассмотренных общих требований, а также показателей работы двигателей, уже находящихся в производстве, и производственных возможностей, и разрабатывается проектное задание для проектирования нового типа двигателя.

Однако развитие двигателестроения осуществляется не только путем создания принципиально новых конструкций, но и путем развития и улучшения двигателей тех типов, которые находятся в производстве. Каждая, находящаяся в производстве конструкция содержит, с одной стороны, элементы и узлы, которые можно совершенствовать и тем самым улучшать показатели работы двигателя, а, с другой стороны, элементы, если и удовлетворительно работающие для того времени, когда создавалась данная конструкция, но уже через некоторое время не полностью соответствующие новым требованиям.

Полная замена выпускаемого двигателя новым в этом случае не всегда бывает рациональна, так как потребуются значительные затраты, коренная перестройка, а иногда и перерыв производства. Поэтому улучшение



показателей работы достигается в результате совершенствования двигателя выпускаемого типа, путем переконструирования отдельных слабых и устаревших узлов, без изменения основных конструктивных характеристик, определяющих его технологию. В зависимости от конкретных условий и требований степень совершенствования, а следовательно, и соответствующее проектное задание могут быть весьма различными.

Таким образом, путем модернизации можно улучшить показатели работы двигателя без больших нарушений производства и более рационально использовать станки и приспособления.



ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Pq - давление окружающей среды

Pz - давление в цилиндре в конце сгорания (максимальное давление цикла)

Pi) - давление в цилиндре в конце расширения

Рг - давление выпуска в четырехтактных двигателях в цилиндре в конце

выпуска, в двухтактных двигателях в выпускной системе Pi - среднее индикаторное давление Pg - среднее эффективное давление р^ - давление наддува, давление продувки р - давление в цилиндре (текущее) jPg -давление в цилиндре избыточное Tq - температура окружающей среды в ° абс. Тг - температура выпуска в ° абс.

Т,. - температура наддувочного и продувочного воздуха в ° абс.

- рабочий объем цилиндра Vx - объем цилиндра текущий

- объем цилиндра в начале сжатия Vf. - объем цилиндра в конце сжатия

а-коэффициент избытка воздуха

е - степень сжатия действительная е' - степень сжатия условная (геометрическая) Til - показатель политропы сжатия /72 - показатель политропы расширения у\у - коэффициент наполнения 7 - коэффициент остаточных газов

р - степень предварительного расширения gi - удельный индикаторный расход топлива gg - удельный эффективный расход топлива irj; - индикаторный к. п. д. \и - механический к. п. д. rg - эффективный к. п. д. Ni - индикаторная мощность двигателя

- эффективная мощность двигателя blji - литровая мощность двигателя в л. с.

Nfj - удельная поршневая мощность двигателя в л. с. rrifi-масса поступательно-движущихся частей, отнесенная к 1 см площади поршня

D - диаметр рабочего цилиндра

6 - ход поршня (полный) Sx - ход поршня (текущий)

R - радиус кривошипа

п-число оборотов вала двигателя в минуту Пр-число оборотов распределительного вала /г„-число оборотов вала топливного насоса

<о - угловая скорость вращения вала

S - степень неравномерности маховых масс Сщ - средняя скорость поршня рабочего цилиндра Сп - истинная скорость поршня С„л - скорость плунжера топливного насоса

ф - потерянная доля хода поршня /т-площадь сечения трубопроводов для подачи топлива

а - угол поворота кривошипа

X - число тактов Fjj - площадь поршня



yWi -

Pjl-

ti -

°u -

°P-

°c -

°тах

max

+ °m\n

число цилиндров двигателя масса поршня, отнесенная к 1 см площади его масса противовеса, отнесенная в 1 слА площади поршня масса шатуна, отнесенная к поступательно движущимся частям масса шатуна, отнесенная к вращающимся частям масса всего шатуна

отношение радиуса кривошипа к длине шатуна центробежная сила часги шатуна, отнесенная к вращательно движущимся массам центробежная сила колена вала - центробежная сила противовеса

сила инерции поступательно движущихся масс (в главном цилиндре) сила инерции поступательно движущихся масс в боковом цилиндре сила давления газов в цилиндре в конце сгорания (максимальная сила цикла)

сила, нормальная к образующей цилиндра сила, действующая по шатуну тангенциальная сила на кривошипе нормальная сила на кривошипе сила нормальная к образующей бокового цилиндра сила, действующая по оси прицепного шатуна тангенциальная сила на кривоншпе от сил в боковом цилиндре нормальния сила на кривошипе от сил в боковом цилиндре угол между осью главного шатуна и прямой, соединяющей центр кривошигпюй шс11ки с центром пальца, посредством которого прицепной шатун соединяется с главным нормальное напряжение касательное напряжение напряжение изгиба напряжение растяжения напряжение сжатия предел упругости

предел выносливости при изгибе для симметричного цикла предел выносливости при изгибе для пульсирующего цикла

имплитуда нормальных напряжений цикла

max

<mln-

max

x-П -

Су- -

ffn - Л -

ч -

среднее нормальное напряжение цикла амплитуда тангенциальных напряжений цикла

среднее тангенциальное напряжение цикла

наибольшее нормальное напряжение цикла наименьшее нормальное напряжение цикла наибольшее тангенциальное напряжение наи.меньшее тангенциальное напряжение

эффективный коэффициент концентрации при нормальных напряжениях

эффективный коэффициент концентрации при касательных напряжениях

масштабный фактор при нормальных напряжениях масштабный фактор при тангенциальных напряжениях запас прочности по нормальным напряжениям запас прочности по тангенциальным напряжениям общин запас прочности

предел выносливости при несимметричном цикле

предел текучести при растяжении

предел прочности (временное сопротивление)

удельное давление

абсолютная вязкость

кинематическая вязкость ,

коэффициент Пуассона



ГЛАВА I

КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ И ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатели внутреннего сгорания получили широкое распространение в самых разнообразных отраслях народного хозяйства. Перечислим основные области их применения.

1. Коммунальное хозяйство - мелкие и средние электростанции, насосные установки.

2. Дорожная и строительная индустрия - экскаваторы, катки, передвижные электростанции и компрессорные установки, лебедки, камнедробилки, сварочные агрегаты, передвижные электростанции и т. д.

3. Водный транспорт - главные двигатели (теплоходы, специальные катеры, буксиры), вспомогательные двигат.ели на крупных судах, привод электрических генераторов и компрессоров.

4. Безрельсовый транспорт - легковые и грузовые автомобили, тягачи, тракторы, мотоциклы.

5. Железнодорожный транспорт - тепловозы, мотодрезины, электростанции, водокачки, ремонтные мастерские.

6. Сельское хозяйство - машиннотракторные станции и мастерские, насосные установки, установки для уборки урожая и первичной переработки сельскохозяйственных продуктов, электростанции.

7. Рыбная промышленность - главные и вспомогательные двигатели на рыболовных судах, ремонтные мастерские.

8. Лесная промышленность - передвижные электростанции, тягачи, машины для корчевания пней.

9. Нефтяная и газовая промышленность-лебедки, бурильные станки, компрессорные установки, двигатели на газо- и нефтеперекачивающих станциях.

10. Электростанции предприятий связи. . 11. Аварийные агрегаты.

12. Механизмы военной техники.

Разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания и, соответственно, требований, предъявляемых к их конструктивному выполнению, обусловливает серьезные трудности построения классификационной схемы двигателей по конструктивным признакам.

Указанные требования зависят не только от областей применения двигателя или от конструкции агрегата, составной частью которого является двигатель, но и от условий эксплуатации, включая кроме параметров рабочего режима двигателя факторы технико-экономические: стоимость двигателя, вид топлива и смазки, условия ремонта и др.

Первой задачей при разработке классификационных схем является отбор нескольких наиболее общих признаков, на базе которых может быть проведено дальнейшее построение частных классификаций. Для установления этих



Признаков следует проанализировать требования к двигателям как к машинам, предназначенным для приведения в действие электрических генераторов, машин-орудий и движителей. Этот анализ показывает, что наиболее общими требованиями, относящимися к двигателям любого назначения, являются возможная простота конструкции, компактность и наименьший вес.

Простота конструкции определяется необходимостью, с одной стороны, облегчения производства и эксплуатации, а с другой, - необходимостью повышения надежности работы машины. Однако требование простоты конструкции обычно трудно осуществимо одновременно с выполнением высокой производительности и экономичности.

Таким образом, одной из основных задач конструктора является создание простой конструкции, удовлетворяющей требованиям высокой производительности и экономичности.

Исторически проблема двигателя внутреннего сгорания была разрешена в конце XIX в. в период, когда возникла настоятельная необходимость в экономичном, компактном двигателе для мелкой и средней промышленности вместо громоздких паровых машин. Вследствие создания такого двигателя, для которого требуются помещения значительно меньших размеров и меньшее число обслуживающего персонала, были снижены производственные расходы.

Появление двигателя нового типа определило также возникновение новых областей применения тепловых двигателей, к которым относятся наземный, водный и воздушный транспорт, и механизация ряда рабочих процессов в основном сельскохозяйственных.

Компактность и вес конструкции. Если в первый период конструктивного развития двигателей компактность имела еще ограниченное значение, то в дальнейшем требования, выдвинутые новыми областями применения двигателей, определили доминирующее значение этого фактора наряду с ограничением веса двигателя.

В настоящее время, когда двигатели внутреннего сгорания потеряли свое первоначальное значение в области стационарной энергетики, получив вместе с тем почти исключительное значение в качестве транспортных (кроме железнодорожного и воздушного транспорта), развитие конструктивных форм двигателей почти целиком определилось требованиями к ним, как к двигателям транспортным. Поэтому основные классификационные признаки конструкций двигателей внутреннего сгорания следует наметить с учетом необходимости получения минимальных габаритов и веса при простоте конструкции, обеспечивающей заданную мощность, экономичность и надежность.

Габариты двигателя, определяемые размерами деталей остова и других узлов, зависят от общей компоновки двигателя, конструктивных форм остова и взаимного расположения основных узлов и вспомогательных агрегатов. Поэтому целесообразно в качестве основы для классификации выбрать прежде всего геометрические признаки и, в частности, расположение в пространстве геометрических осей главнейших деталей.

Как правило, современные двигатели внутреннего сгорания имеют механизмы для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. К безвальным двигателям относятся только свободно поршневой дизель-компрессор и дизель-молот (причем в первом все же имеются валики, относящиеся к синхронизирующему механизму).

Таким образом, для большей части современных двигателей внутреннего сгорания в качества главной оси координат может быть принята ось коренного вала. Для многовальных двигателей за главную ось может быть принята ось того вала, с которого снимается мощность.



В результате этого первая классификационная схема определяется по отсутствию и наличию вала (безвалыше и вальные двигатели) по числу валов (одновальные и многовальные двигатели) и по расположению осей валов (валы горизонтальные и вертикальные, расположенные рядом или у противоположных торцов многопоршневых рабочих цилиндров).

Вторым основным фактором, определяющим конфигурацию двигателя, служит распо?10жение и число рабочих цилиндров. Для безвальных двигателей ось рабочего цилиндра может быть принята за главную ось всей конструкции.

В двигателях с валом, но без шатунно-кривошипного механизма (с наклонной или иной шайбой) оси цилиндров располагают параллельно оси вала. Для двигателей, имеющих шатунно-кривошипный механизм, эти оси могут лежать только в плоскостях, перпендикулярных оси коленчатого вала, причем в большей части конструкций, кроле того, они пересекают ось коленчатого вала. Расположение же осей цилиндров возможно как в одной, так и различных перпендикулярных валу плоскостях, которые в свою очередь можно располагать различно вдоль коленчатого вала.

Элементарной формой является одноцилиндровый двигатель с осью цилиндра, пересекающей ось вала. В качестве разновидностей этой формы могут быть указаны различные направления оси цилиндра к горизонту (вертикальное, горизонтальное, наклонное). В некоторых специальных конструкциях, в которых оси цилиндров не пересекают ось вала, обычный кривошипный механизм усложняется промежуточными коромыслами.

Из указанных элементов слагаются конструкции двигателей с числом цилиндров более одного. Расположение осей цилиндров в одной плоскости, перпендикулярной валу при трех и более цилиндрах определяет комплекс цилиндров (в виде звезды), оси которых расположены равномерно по окружности. При неравномерном расположении осей, а также при наличии только двух цилиндров в одной плоскости, перпендикулярной валу, конструктивная форма характеризутся буквой латинского алфавита (например, V-образный, W-образный).

Комбинирование отдельных цилиндров производится чаще вдоль коленчатого вала. При этом если наклон оси цилиндра к горизонту одинаков во всех плоскостях, то этот комплекс образует ряд цилиндров, оси которых расположены в одной плоскости, проходящей через ось вала, или параллельной этой оси. При наличии двух рядов цилиндров, расположенных под углом, конструкция называется V-образной; при трех рядах - W-образ-ной, при четырех - Х-образной.

Для сочетания нескольких комплексов (звезд) вдоль коленчатого вала иногда применяют термин многорядная звезда . Этот термин следует признать не особенно удачным, так как под рядом следует понимать комплекс цилиндров, оси которых лежат в одной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала. В многорядных же звездообразных двигателях оси цилиндров соседних звезд не обязательно лежат в этих плоскостях; в частности, при воздушном охлаждении, они смещаются на половину угла между цилиндрами.

Особой схемой является двухцилиндровый двигатель при совпадении осей обоих цилиндров. При этом возможно:

1) симметричное расположение цилиндров с разных сторон от оси коленчатого вала (двигатели с противолежащими цилиндрами);

2) расположение с одной стороны при наличии только одного шатунно-кривошипного механизма (двигатели тандем).

В обоих вариантах возможен любой угол наклона общей оси цилиндров к горизонту. Указанными двумя системами осей валов и цилиндров и опре- деляется основная конфигурация двигателя.



Кроме упомянутых основных систем, конструктивные формы двигателя будут также зависеть от взаимного расположения ряда прочих деталей, механизмов и вспомогательных агрегатов. Так, общая компоновка будет зависеть, например, и от числа и расположения распределительных валов (верхнее или нижнее), или от расположения наддувочно-продувочного агрегата (в ряд с рабочими цилиндрами, сбоку или между рядами цилиндров и т. д.). Однако эти факторы уже не являются основными, такими принципиаль'ными, как рассмотренная ранее система осей валов и цилиндров; правильнее рассматривать их не как классификационные признаки двигателя в целом, а лишь для классификации отдельных узлов, систем и вспомогательных агрегатов и устройств.

Конструктивные схемы поршневых двигателей, отличающиеся расположением и числом цилиндров, числом и расположением коленчатых валов, применяемые или имеющие известные перспективы применения, показаны на фиг. 1.

Основную массу двигателей, находящихся в эксплуатации, составляют однорядные двигатели с вертикальным расположением цилиндров (схема J). Эти двигатели характеризуются сравнительно благоприятными условиями работы поршневой группы: меньшие неплотности между корпусом поршня и цилиндром, меньшая работа трения и более равномерный износ поршня. Силы инерции поступательно движущихся масс в этих двигателях воспринимаются непосредственно фундаментом, что связано с уменьшением его размеров, необходимых для надежной работы. Кроме того, двигатели отличаются удобством монтажа и обслуживания. Указанные преимущества, а также большой опыт построения и эксплуатации двигателей с вертикальным расположением цилиндров, предопределяют широкое применение подобных двигателей и в дальнейшем.

В транспортных установках наряду с вертикальными конструкциями получили большое распространение V-образные двигатели (схема.i). Основное преимущество этих двигателей - малые габариты и в первую очередь малая длина, вследствие чего имеют большую жесткость такие ответственные детали, как картер, головка цилиндров и коленчатый вал. Наиболее часто применяемый угол между осями цилиндров 45-90° в зависимости от назначения двигателя, требований к габаритам и равномерности чередования вспышек. Там, где основным требованием является уменьшение габаритов по высоте, этот угол может быть и больше.

W-образные двигатели (схема 3) имеют аналогичные преимущества, однако большого распространения они не получили вследствие сложности конструкции шатунов и других деталей. В некоторых случаях осуществляется схема с Х-образным расположением цилиндров (схемы и 5), по которой можно получить конструкцию двигателя с малыми габаритами. Детали кривошипно-шатунного механизма, детали корпуса и распределительного механизма получаются в этом случае весьма сложными. Углы между осями цилиндров выбираются или разными (схема 4) например 60 и 120, или одинаковыми. Двигатель в некоторых случаях устанавливают так, что коленчатый вал располагается вертикально (катерные и другие двигатели, схема 5).

В последнее время в установках различного назначения начали применять двигатели с горизонтальным расположением цилиндров более широко, чем ранее, например (схема 6). Для машин наземного транспорта малая высота двигателя данного типа и удобство расположения его в машине являются в некоторых случаях несомненным преимуществом сравнительно с двигателями, имеющими вертикальное и V-образное расположения цилиндров.

В звездообразных двигателях более просто осуществить воздушное охлаждение, чем при рядном расположении цилиндров, так как цилиндры и



1 2 3 4 ... 19