Автомобильные двигатели

10.2 Теплонапруженість деталей

Теплонапруженість деталей  двигуна залежить від величини теплового  потоку через одиницю площі поверхні чи перетину деталі, її температури, температурного градієнта в стінках і температури  поверхонь тертя. Кожний із зазначених параметрів окремо не відбиває теплонапруженості деталі.

Величина теплового  потоку залежить від ступеня форсування двигуна, тобто від кількості  палива, що спалюється в одиницю  об'єму циліндра, і від числа  оборотів (частоти підведення теплоти). Тепловий потік, що проходить через різні частини поверхонь деталей двигуна відрізняється, тому температури різних точок деталі неоднакові.

Температура газів у  циліндрі циклічно змінюється. Внаслідок  цього тепловий потік теж увесь  час змінюється. При значному коливанні температури газів у межах одного робочого циклу температура стінки деталі змінюється незначно. У швидкохідних двигунах коливання температури поверхні менше, ніж у тихохідних, внаслідок зменшення часу нагрівання й охолодження деталей. По експеріментальним даним в автомобільних двигунах, що працюють при n = 2000 - 4000 об/хв, температура поверхні поршня коливається в межах ± 2° від середньої. Заміна менш теплопровідного чавуна на більш теплопровідний - алюміній зменшує коливання температури приблизно в 1,4 - 1,6 рази.

Температура поверхні, що стикається з охолоджувачем, практично  залишається постійною, а розходження  температур за товщиною стінки деталі викликає неоднакове її розширення і  визначає температурні напруження в  ній. При збільшенні теплового потоку середні температури поверхонь деталі зростають. Підвищення температури стінки можливо до рівня, обумовленого властивостями матеріалу, а в тому випадку, якщо поверхня деталі є поверхнею тертя, то умовами збереження змащення.

Визначити кількість  теплоти, що проходить через окремі деталі двигуна (поршень, втулку, клапани і т.п.) з метою визначення їхніх температур і температурних напружень, досить складно. Розмаїтість конструктивних форм деталей і характеру теплообміну між робочим тілом і стінками, далеко не завжди дозволяє врахувати теплові потоки розрахунковим шляхом.

Середня температура  поверхні камери згоряння, підрахована  по емпіричних залежностях теплообміну  від газів до стінки, не характеризує істинної температури, що викликає теплові  напруження в деталі. У дійсності деталь руйнується під дією температурних напружень, які викликани місцевим її перегрівом. Для кожного конкретного двигуна найбільше термічно напружені деталі і вузли звичайно виявляються в умовах експлуатації. У цих же умовах аналізом поломок і руйнувань установлюють причини місцевих перегрівів.

Величина теплових потоків, що проходять через деталі двигуна, визначається напруженістю робочого процесу, властивостями матеріалу, товщиною стінок деталі, температурою охолоджувача і швидкістю руху його щодо стінок. Величину теплового потоку через стінки циліндра можна визначити по кількості теплоти, що відводиться охолоджувачем. По експеріментальним даним, частка теплоти, що відводиться з охолоджувачем, для різних двигунів різна і зменшується при збільшенні форсування процесу шляхом підвищення тиску наддуву і збільшенні розмірів циліндра двигуна і складає 0,35-0,10 підведеної теплоти.

Середня величина питомого теплового потоку через стінки циліндра для двигунів різних типів

q = 75 - 300 кДж/(м²×с).

Менші значення відносяться до чотиритактних двигунів без наддуву, а більші - до двотактних форсованих.

Тепловий потік на різних ділянках робочого циліндра неоднаковий. Найбільша кількість теплоти, приблизно  до 60%, відводиться через голівку  циліндра і приблизно до 40% - через стінки циліндрів і інші деталі двигуна. Найбільше теплонапруженими є ті деталі, яким передається найбільша кількість теплоти - голівка циліндра і деталі, інтенсивне охолодження яких ускладнено (поршень і клапани).

Для того щоб понизити теплонапруженість якої-небудь деталі двигуна, варто зменшити підведення теплоти до неї чи забезпечити більш інтенсивне охолодження стінок, що сприймають теплоту.

Зменшення підведення теплоти  до стінок досягається:

1) зниженням середньої  температури циклу шляхом охолодження повітря після компресора;

2) скороченням часу  згоряння палива;

3) застосуванням спеціальних  теплозахисних покрить поверхонь  деталей (наприклад, днища поршня).

Інтенсифікація охолодження  може бути здійснена:

1) збільшенням активної  поверхні охолодження;

2) збільшенням швидкості  руху охолоджувача щодо стінки;

3) продувкою камери  згоряння, що зменшує температуру  внутрішніх поверхонь стінок  циліндра;

4) охолодженням поршня.

У неохолоджуваному поршні тепловий потік від його днища  спрямований до кілець і юбки і далі до стінок циліндра. Лише незначна частина теплоти передається через бобишки поршня пальцю і через нього - тілу шатуна.

Значна кількість теплоти  підводиться до клапанів, від яких вона відводиться через стержні  до направляючих і сідел. Внаслідок того, що відвід теплоти від клапанів дуже ускладнений, теплонапруженість їх, особливо випускних, дуже велика. Для збільшення тепловідвода застосовують пустотілі клапани, заповнені легкоплавким металом (натрієм).  При нагріванні натрій розплавляється і під час руху клапана переміщається усередині його стержня, переносячи теплоту від голівки клапана до стержня. До ефективних засобів охолодження клапанів відноситься продувка циліндра.

Днище кришки, як і днище  поршня, під час роботи двигуна  увесь час стикається з робочим тілом. Крім того, через кришку проходить випускний патрубок, що нагрівається випускними газами. У результаті нагрівання днища кришки з'являються температурні напруження, що  сумуються з напруженнями від підвищення тиску в циліндрі. У випадку товстої стінки днища кришки вигинаючі напруження зменшуються, а температурні збільшуються. Велика частина тріщин, виявлених в аварійних двигунах, з'являється внаслідок спільної дії вигинаючих і температурних напружень. Найбільше часто тріщини утворяться біля перемичок між клапанами, де днище кришки важко остудити і де встановлюється найбільш висока температура. Вирівнюючи температурне поле днища кришки за допомогою спрямованих потоків охолоджувача, можна знизити температурні напруги.

 

  ТЕМА 11 СИСТЕМИ НАДДУВУ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВЗ

11.1 Системи наддуву ДВЗ

Призначення систем наддуву  ДВЗ – підвищення масового наповнення циліндрів двигуна свіжим зарядом. Досягається це звичайно за допомогою  спеціальних пристроїв чи агрегатів  наддуву. Двигуни з такими системами називаються комбінованими. Системи наддуву дуже різноманітні за принципом дії і, відповідно, по ознаках класифікації.

У комбінованих ДВЗ повітря  чи пальна суміш перед надходженням у циліндри стискується в компресорах. Наддув вважається низьким, якщо в компресорі p_к < 1.9. Низький наддув дозволяє підвищити потужність двигунів на 20-25%. При середньому наддуві           (p_к = 1.9-2.5) удається підвищити її на 25-50%. Високий наддув (p_к > 2.5) ще більше збільшує потужність, однак його застосування найчастіше не виправдане внаслідок значного росту механічної, теплової напруженості деталей і вузлів.

Наддув циліндрів двигунів може бути або динамічним, або здійснюваним за допомогою спеціального нагнітача (компресора). У сучасних ДВЗ для  наддуву використовуються як об'ємні (роторно-шестерні, гвинтові, поршневі), так і лопаткові відцентрові компресори. Газові турбіни найчастіше бувають радіально-осьовими, рідше - осьовими.

 Розрізняють три  системи наддуву за допомогою  нагнітачів: із приводним компресором,  з турбокомпресором і комбіновану (малюнок 11.1).

 

1                                    2                                      3

Малюнок 11.1 – Схеми систем наддуву  ДВЗ

 

У першій схемі приводний  компресор через підвищувальну  передачу з'єднують з колінчастим  валом двигуна. Для привода турбокомпресора (схема 2) використовують енергію відпрацьованих газів, що надходять у газову турбіну. Компресор установлюють на одному валу з газовою турбіною. У випадку комбінованої системи (схема 3) першою ступінню є приводний компресор, а другою - турбокомпресор. Двоступінчастий наддув може здійснюватися двома послідовно розташованими турбокомпресорами чи приводними компресорами.

На тракторних і автомобільних  дизелях найчастіше застосовують газотурбінний  наддув.

При цьому можливі  два основних варіанти використання енергії:

1. Енергія, споживана  компресором, дорівнює енергії,  яка виробляється газовою турбіною. У цьому випадку турбокомпресор  має лише газовий зв'язок із  двигуном (малюнок 11.1.2). Така схема  забезпечує високі економічні  показники при максимальному спрощенні конструкції і тому найбільш поширена. У таких двигунах утилизується енергія відпрацьованих газів, що дозволяє в деяких випадках навіть підвищити ККД двигуна.

2. Енергія, яка виробляється  газовою турбіною, не дорівнює  енергії, яку споживає компресор. Різниця енергії передається від двигуна до турбокомпресора за рахунок застосування механічного зв'язку ротора турбокомпресора з колінчастим валом двигуна, що ускладнює конструкцію останнього. Іноді в цих випадках замість механічного зв'язку ротора турбокомпресора з колінчастим валом застосовують комбіновану систему наддуву.

Механічний зв'язок застосовують і у випадках, коли необхідно передавати надлишкову енергію від газової  турбіни до двигуна при високих  тисках наддуву і температурах газів перед турбіною.

Можливі два варіанти підведення газів до газової турбіни:

1) із загального випускного  трубопроводу;

2) окремо від кожного  циліндра чи від групи циліндрів,  у якій відповідно до порядку  їхньої роботи час між двома  послідовними імпульсами тиску, що утворяться при випуску газів з циліндрів, виявляється досить великим (імпульсний наддув).

У першому випадку, особливо в двигунах з великим числом циліндрів  і високою частотою обертання, тиск газів у випускному трубопроводі вирівнюється, амплітуда коливання тиску перед турбіною невелика і процес підведення газів до турбіни можна розглядати як той, який відбувається при постійному тиску. В другому випадку відпрацьовані гази надходять до газової турбіни з перемінним тиском, що дозволяє за певних умов підвищити ефективність наддуву.

Підведення газів до турбіни при постійному тиску  створює підвищені опори у  випускному тракті двигуна в порівнянні з випуском в атмосферу. Це погіршує очищення циліндрів і зменшує  наповнення їх свіжим зарядом.

При імпульсному наддуві  після періоду випуску газів  з одного циліндра до початку перекриття клапанів тиск у випускному тракті різко знижується. У результаті цього  збільшується перепад тиску між  впускним і випускним трактами й  очищення камер згоряння стає більш ефективним. Зменшується робота, що затрачена на виштовхування газів. В міру збільшення тиску наддуву і росту середнього тиску газів у випускному тракті позитивний ефект від застосування імпульсного наддуву знижується, тому що імпульси тиску згладжуються. Максимальний ефект в імпульсній системі наддуву досягається при p_к < 0.15 МПа, при p_к < 0.4 МПа застосування імпульсного наддуву вже не дає ефекту. Для досягнення найбільшого ефекту при імпульсному наддуві випускні трубопроводи роблять по можливості короткими і меншого об'єму. В імпульсних системах використовується кінетична енергія відпрацьованих газів, однак, погіршується очищення циліндрів двигуна від відпрацьованих газів, що є загальним недоліком усіх систем газотурбінного наддуву.

В автотракторних дизелях при числі циліндрів 8 і більш переважно застосовуються системи з постійним тиском перед турбіною. ККД таких турбін вище, ніж імпульсних, а система випуску виходить більш простою.

Слід зазначити також  меншу (у порівнянні з двигунами  без наддуву) пристосовність і гірші пускові властивості двигунів з наддувом.

11.2 Охолоджувачі повітря

При наддуві температура  повітря за компресором підвищується, тому при середньому і високому наддуві  здійснюють проміжне охолодження повітря  між компресором і впускним трубопроводом двигуна. Це сприяє поліпшенню масового наповнення циліндрів, підвищенню потужності і паливної економічності двигуна, зниженню теплової напруженості його деталей, зменшенню температури газів перед турбіною.

Повітря можна охолоджувати спеціальними охолоджувачами або за допомогою випарного охолодження - вприскування в повітря легко випаровуючих речовин (спирту, аміаку, води й ін.). Застосовують два типи охолоджувачів: повітря-повітряні і водо-повітряні. Застосовують як трубчасті, так і пластинчасті охолоджувачі.

Повітря-повітряний охолоджувач  установлюють перед масляним і водяним  радіаторами двигуна. Просочування атмосферного повітря через охолоджувач  здійснюють вентилятором системи охолодження  двигуна. Охолоджуване повітря рухається  усередині латунних трубок серцевини охолоджувача, яка аналогічна тій, котру застосовують звичайно в радіаторах системи охолодження.

При водо-повітряному  охолодженні вода за допомогою насоса (спеціального або наявного в системі  охолодження двигуна) циркулює через  охолоджувач і радіатор.

Хоча теплообмін між  охолоджуваним повітрям і охолодною  рідиною за інших рівних умов відбувається більш інтенсивно, ніж між охолоджуваним  і охолодним повітрям, у цілому повітря-повітряні  охолоджувачі більш  ефективні, ніж водо-повітряні, через більший перепад температури між повітрям і охолодним агентом.

 

ТЕМА 12 ПАЛИВНІ СИСТЕМИ ДВИГУНІВ ІЗ ПРИМУСОВИМ ЗАПАЛЮВАННЯМ

12.1 Паливна система карбюраторного  двигуна

Паливні системи карбюраторних  двигунів включають звичайно наступні основні вузли й елементи:

1. Паливний бак з  показником чи з датчиком рівня палива.

2. Фільтр грубого очищення  палива.

3. Паливний насос.

4. Фільтр тонкого очищення  палива.

5. Карбюратор.

6. Паливопроводи.

7. Впускний трубопровід.

Крім того, до складу системи  можуть входити додаткові баки, сепаратори, фільтри, клапани й ін. пристрої.

У якості паливнопідкачувальних насосів найчастіше застосовуються насоси діафрагменого типу.