Навигация

Двигатели


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.

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.

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 принципиальными, 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.

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






Тихоходные двигатели с противоположно двигающимися поршнями часто выполняют с одним валом и с передачей движения от одного из поршней валу системой тяг (шатунов).

ГОЛОВКИ не стеснены близостью смежных цилиндров. Однако, как правило, шатуны и коленчатые валы звездообразных двигателей получаются весьма напряженными и сложными. Последнее в еще большей степени относится к многорядным звездообразным двигателям (схема 7), имеющим то преимущество, что требование малых габаритов и веса при большой мощности может быть удовлетворено полнее, чем при других одновальных схемах.

В связи с необходимостью создания мощных быстроходных двигателей конструкторы уделяют значительное внимание двухвальным и многоваль-ным конструкциям. Конструктивные схемы подобных двигателей весьма разнообразны (схемы 8-14). Наличие нескольких валов позволяет осуществить компактные и легкие конструкции, упростить и разгрузить ряд узлов, нередко использовать детали прототипного одновального двигателя, например, блоки и головки цилиндров, детали шатунно-крнвошипного механизма - при выполнении двигателя по схемам 8 и 9.

В некоторых случаях эти двигатели уступают одновальным по габаритам и весу, в частности, когда конструктор, стремясь решить задачу создания мощного двигателя более простым путем, применяет сочетание двух существующих одновальных двигателей.

Стремление получить повышенные мощности в малых габаритах заставляет конструкторов нередко обращаться к двухтактным двигателям, которые при петлевой щелевой и клапанио-щелевой схемах, могут быть осуществлены с тем же расположением цилиндров, как и у четырехтактных двигателей. Значительное уменьшение габаритов и веса получается в результате применения двухтактных двигателей с противоположно двигающимися поршнями. В этом случае двигатель может быть выполнен двухвальным однорядным вухрядным V-образным, или с параллельным расположением цилиндров. Может быть также осуществлена конструкция с расположением цилиндров по треугольнику, или по четырехугольнику или даже по шестиугольнику.

Двигатели.имеют малые габариты и большую мощность. Рабочий процесс этих двигателей (так же как и двигателей по схемам 10-12) характеризуется высоким качеством. Следует заметить, что они отличаются сложностью некоторых узлов, в частности корпуса и невозможностью подхода к деталям со стороны внутренней полости (например, к части насосов и форсунок). Напомним, что в указанных двигателях (схемы 10-14) один из поршней каждого цилиндра управляет впуском, другой выпуском, причем поршень, управляющий выпуском, омываемый выпускными газами, находится в тяжелых тепловых условиях. Так как кривошипы каждого цилиндра смещаются на угол, отличный от 180° (на 10-20°), с коленчатого вала, управляющего выпуском, снимается большая мощность, и он получается более нагруженным.

В схемах имеется возможность уравнять мощности, снимаемые с коленчатых валов.

Приведенные схемы не исчерпывают возможных рациональных композиций, характеризующихся различными расположением и числом цилиндров и валов.

Приведенные положения относятся как к четырехтактным, так и к двухтактным двигателям. И те и другие имеют перспективы для дальнейшего развития и совершенствования.

2) как правило, более совершенная очистка и наполнение цилиндра, осуществляемые в значительной степени принудительно в результате выталкивающего и всасывающего действий поршня;

3) более простое применение газотурбинного наддува, без приводного нагнетателя, необходимого для работы двухтактного двигателя при тех режимах, когда энергии выпускных газов недостаточно для привода турбонагнетателя;

4) большие возможности применения воздушного охлаждения вследствие меньшей тепловой напряженности головки и цилиндра;

5) возможность выполнения более совершенной конструкции для внешнего смесеобразования вследствие малых потерь смеси через выпускные органы или отсутствия потерь;

В настоящее время четырехтактными выполняются:

1) значительная часть стационарных, судовых и транспортных двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью до 150-180 л. с;

2) большая часть двигателей с внешним смесеобразованием (газовых) стационарного типа;

3) часть двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью более 200 л. с;

4) почти все двигатели автомобильного и тракторного типов с внешним смесеобразованием;

5) большая wacTb двигателей с воспламенением от сжатия автомобильного и тракторного типа;

6) часть двигателей с внешним смесеобразованием (жидкого топлива) мотоциклетного и лодочного типа.

Двухтактными выполняются:

1) значительная часть стационарных, судовых и передвижных двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью до 40- 50 л. с;

2) значительная часть двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью более 150 л. с. и большая часть двигателей с цилиндровой мощностью выше 200 л. с;

3) некоторое количество двигателей с воспламенением от сжатия с цилиндровой мощностью 50-150 л. с;

4) почти все калоризаторные двигатели;

5) часть двигателей автомобильного и тракторного типа с воспламенением от сжатия;

6) значительная часть двигателей малой мощности с внешним смесеобразованием с кривошипно-камерной продувкой;

7) некоторое количество газовых двигателей с малой цилиндровой мощностью (с калоризаторным зажиганием и кривошипно-камерной продувкой) и с большой цилиндровой мощностью, в которых газ вдувается после окончания продувки.

Большое распространение четырехтактных двигателей автомобильного и тракторного типа объясняется тем, что до настоящего времени они имеют некоторые преимущества (см. ниже) по сравнению с двухтактными двигателями.

Кроме того, имеет значение больший опыт конструирования и эксплуатации четырехтактных двигателей.

8) более легкие условия работы топливоподающей системы (в двигателях с воспламенением от сжатия) вследствие того, что валик топливного насоса в четырехтактных двигателях обычно вращается с числом оборотов вдвое меньшим, чем в двухтактных двигателях.

Основными преимуществами двухтактных двигателей являются:

1) большая (в 1,5-1,7 раза) литровая мощность по сравнению с четырехтактными двигателями, что позволяет уменьшить габариты и вес двигателя при условии удачного выбора геометрических и конструктивных параметров (в первую очередь отношения хода поршня S к диаметру щлиндра D);

2) большая равномерность крутящего момента по углу поворота кривошипа, т. е. большая равномерность хода. При одинаковой степени неравномерности и одинаковом числе цилиндров двухтактные двигатели имеют более легкие маховики;

3) шатуны и коленчатые валы двухтактных двигателей испытываютнагрузку, изменение которой происходит с меньшими амплитудами, что определяет больший запас прочности;

4) двигатели с щелевым распределением отличаются большей простотой (особенно при кривошипно-камерной продувке) и вследствие этого более высокой надежностью; стоимость их получается меньшей;

5) двухтактные двигатели, как правило, характеризуются более легким пуском (при пневматическом запуске): пуск в ход с любого положения может быть осуществлен при наличии четырех цилиндров (минимально), в то время как для четырехтактных двигателей пуск в ход с любого положения осуществляется лишь при шести цилиндрах (при рядном расположении).

Почти все двигатели внутреннего сгорания - двигатели простого действия. В таком двигателе можно применить тронковую конструкцию поршня, что обусловливает меньшие габариты в направлении оси цилиндра, большую простоту конструкции, меньший вес поступательно движущихся деталей.

При больших мощностях двигатели простого действия выполняют с крейцкопфом для создания более легких условий работы поршневой группы. Применение принципа двойного действия позволяет увеличить мощность в 1,7-1,8 раза при относительно небольшом увеличении веса. Все современные двигатели двойного действия выполняют только двухтактными. Такие двигатели характеризуются особо тяжелыми условиями работы поршневой группы, штока и других деталей. Двухтактные двигатели с противоположно движущимися поршнями могут быть отнесены к двигателям простого действия, так как в них газы действуют на поршни с одной стороны.