Общее устройство поршневого ДВС

Общее устройство поршневого ДВС. Скоростные характеристики ДВС и их влияние на эксплуатационные свойства.

Классификация поршневых ДВС:

По способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием (бензиновые и газовые); с внутренним смесеобразованием (дизели).

По способу воспламенения рабочей смеси: с принудительным воспламенением (бензиновые и газовые); с самовоспламенением (дизели) .

По способу осуществления рабочего цикла: четырехтактные; двухтактные.

По числу цилиндров: одно-; двух-; многоцилиндровые.

По расположению цилиндров: рядные с вертикальным или наклонным расположением цилиндров; V-образные с расположением цилиндров под углом; оппозитные (расположение цилиндров под углом 180°).

По способу охлаждения: с жидкостным или с воздушным охлаждением.

По виду применяемого топлива: бензиновые; дизели; газовые; многотопливные.

По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: без наддува; с наддувом.

Основными частями поршневого ДВС являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы пуска, питания, охлаждения, зажигания (кроме дизелей) и система смазки.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

Система пуска предназначена для запуска двигателя. Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.

Система смазки служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.

Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей.

Система зажигания предназначена для принудительного воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Под действием разницы давлений сверху и снизу поршень будет перемещаться вниз, при этом газы — расширяться, совершая полезную работу. Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя:

1) Впуск. Поршень движется от ВМТ к НМТ, под действием образующегося разрежения через открытый впускной клапан в цилиндр засасывается горючая смесь (бензиновые двигатели) или воздух (дизели).

2) Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

3) Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры (бензиновые двигатели). У дизелей в этот момент через форсунку впрыскивается топливо, которое, перемешиваясь с воздухом, воспламеняется под действием высокой температуры в цилиндре. Температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

4) Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод.

«+» дизелей: более экономичен (расход топлива на единицу мощности меньше примерно на 30%), более экологичен, более надежен в работе. «-»: хуже приемистость, повышенная шумность работы, сложнее запуск в зимнее время, больше размеры и масса.

Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов – в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных двигателей — продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха.

У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенные моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта:

1) Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности создается разряжение, под действием которого из карбюратора через открытое впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

2) Рабочий ход. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь. Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60. 70%. Недостатком является также худшая топливная экономичность.

Исходными для определения продольных реакций на ведущих колесах АТС являются скоростные характеристики двигателя. Скоростными называют характеристики, которые представляют графические зависимости эффективной мощности N_e и крутящего момента М_е от частоты n_e вращения коленчатого вала двигателя. Различают внешние (при полной подаче топлива) и частичные характеристики, с ограничителем (у всех дизелей и высокофорсированных бензиновых двигателей грузовых автомобилей и автобусов) и без ограничителя (в основном бензиновые двигатели легковых автомобилей) частоты вращения вала.

На графиках внешних скоростных характеристик можно выделить следующие точки:

N_{e max} – максимальная эффективная мощность при полной подаче топлива в двигатель, кВт;

M_{e max} – максимальный крутящий момент, Н . м;

n_{e min} – минимальная устойчивая частота вращения коленчатого вала, об/мин;

n_M – частота вращения при максимальном моменте, об/мин;

n_N – частота вращения при максимальной мощности (номинальная), об/мин.

Для оценки тяговой динамики АТС большое значение имеет запас крутящего момента в диапазоне частот вращения коленчатого вала n_N … n_M

5 Механические трансмиссии: агрегаты, требования к конструкции, основы расчета.

Механическая трансмиссия включает в себя: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. Три последних элемента автомобиля объединяют в один агрегат – ведущий мост. В трансмиссию многоприводных автомобилей может входить раздаточная коробка.

При расчете элементов трансмиссии используются три расчетных режима: 1) по максимальному крутящему моменту двигателя (метод дает условные величины напряжений, которые меньше пиковых, но больше эксплуатационных, поэтому такой метод используется для поверочных расчетов); 2) по максимальному сцеплению ведущих колес с дорогой (такой расчетный режим целесообразно применять для автомобилей с высокой удельной мощностью, когда расчетная сила тяги выше, чем сила тяги по сцеплению на низших передачах, например, при расчете раздаточных коробок). 3) по максимальным динамическим нагрузкам, наблюдающимся при переходных режимах движения автомобиля.

Сцепление предназначено для кратковременного отсоединения двигателя от ведущих колес и последующего плавного их соединения.

Требования: надежная передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии; плавность и полнота включения; минимальный момент инерции ведомых элементов; хороший отвод теплоты от поверхностей трения; предохранение трансмиссии от динамических нагрузок; поддержание нажимного усилия в заданных пределах; хорошая уравновешенность; общие требования: минимальные масса и размеры, простота устройства и обслуживания, технологичность, ремонтопригодность, низкий уровень шума, надежность.

Основным параметром фрикционного сцепления является наружный диаметр ведомого диска. После определения геометрических размеров дисков и параметров нажимных пружин производится расчет давления на фрикционные накладки. К показателям нагруженности деталей сцепления относятся также удельная работа буксования (отражающая также износостойкость сцепления) и нагрев деталей сцепления при одном трогании с места.

При расчете привода рассчитываются его передаточное число, усилие на педали и ход педали.

Коробка передач (КП) предназначена для получения различной силы тяги на ведущих колесах автомобиля (путем изменения передаточного числа); для отсоединения двигателя от ведущих колес на длительное время; для обеспечения движения автомобиля задним ходом.

Требования: обеспечение оптимальных тягово-скоростных и топливно-экономических свойств автомобиля при заданной внешней скоростной характеристике двигателя; простота и удобство управления; обеспечение высокого КПД; бесшумность при работе и переключении передач; общие требования.

Ступенчатые КП отличаются простой конструкцией и меньшей стоимостью по сравнению с бесступенчатыми. Поэтому они получили широкое применение на автомобилях различных типов.

Для проектирования КП необходимо вначале определить передаточное число низшей ступени. Передаточные числа промежуточных ступеней КП в большинстве случаев рассчитывают по геометрической прогрессии, что обеспечивает возможность работы двигателя при разгоне АТС в одинаковом режиме на всех передачах с наилучшим использованием мощности. После выбора схемы и передаточных чисел КП определяют ее основные размеры.

Раздаточная коробка служит для передачи и распределения крутящего момента между несколькими ведущими мостами многоприводных автомобилей.

Требования: распределение крутящего момента между ведущими мостами в соответствии со сцепным весом, приходящимся на мосты; увеличение силы тяги на ведущих колесах, необходимое для преодоления дорожного сопротивления при движении автомобиля по плохим дорогам и бездорожью; возможность движения автомобиля с минимальной скоростью (2-5 км/ч) при работе двигателя с максимальным крутящим моментом; общие требования.

Расчет РК производится аналогично расчету КП.

Карданная передача предназначена для передачи крутящего момента под углом и при изменении расстояния между агрегатами.

Требования: надежная передача крутящего момента; возможность передачи крутящего момента независимо от угла между соединяемыми валами; высокий КПД; общие требования.

В общем случае карданная передача состоит из карданных шарниров, карданных валов и компенсирующего соединения.

Главная передача обеспечивает постоянное увеличение крутящего момента и передачу его к ведущим колесам.

Требования: обеспечение передаточного числа, соответствующего оптимальным тяговым качествам и топливной экономичности; отсутствие колебаний угловой скорости в трансмиссии; низкий уровень шума; небольшие габаритные размеры для осуществления простой компоновки и обеспечения необходимого дорожного просвета; общие требования.

Схема и конструкция главной передачи обусловлены прежде всего ее передаточным числом, определяемым исходя из условия обеспечения движения автомобиля с максимальной скоростью.

Дифференциал – механизм трансмиссии, распределяющий подводимый к нему крутящий момент между выходными валами и позволяющий им вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями.

Требования: обеспечение различной частоты вращения ведущих колес; распределение крутящего момента между ведущими колесами (мостами) в необходимой пропорции; общие требования.

Расчетным моментом для дифференциала, как и для главной передачи, служит максимальный передаваемый крутящий момент.

Полуоси применяются для передачи крутящего момента в приводе ведущих неуправляемых колес.

В зависимости от конструкции внешней опоры полуоси в балке моста и, следовательно, от испытываемых нагрузок полуоси делят на полуразгруженные, разгруженные на три четверти и полностью разгруженные.

При расчете полуосей особое внимание обращают на опасное сечение – место установки подшипника.

Расчет полуразгруженных полуосей производится для четырех режимов: 1) передача максимального крутящего момента; 2) экстренное торможение; 3) режим заноса; 4) режим динамических нагрузок (переезд через неровности).

Расчет полностью разгруженных полуосей ведется на кручение и по углу закручивания, причем только для режима передачи максимального крутящего момента.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Эксплуатационные характеристики двигателя это

УДК 621.431.7

Улучшение эксплуатационных характеристик двигателя с применением нанотехнологий.

С.М. Гайдар, к.т.н., доцент, В.Н. Свечников, аспирант.

(Федеральное государственное образовательное учреждение профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина», г. Москва, Е-mail: avtokon93@yandex.ru, (499) 978-64-46)

Проведено исследование эффективности применения наноприсадки для улучшения эксплуатационных характеристик двигателей путем формирования молекулярного слоя на поверхностях трения.

Ключевые слова: наноприсадки, поверхностно-активные молекулы, эксплуатационные характеристики двигателя, граничное и гидродинамическое трение.

Надежная и эффективная эксплуатация двигателей внутреннего сгорания в АПК требует использования качественных моторных масел, которые должны обладать высокими моюще-диспергирующими, противоизносными, противозадирными и защитными свойствами и обеспечивать снижение расхода топлива двигателем за счет уменьшения потерь на внутреннее трение.

При использовании двигателей с большим сроком службы (более 3-4 лет) наибольший эффект можно получить от применения антифрикционных противоизносных, а также эксплуатационно-восстановительных препаратов при введении их в качестве присадок (добавок) к моторным маслам при их замене.

На сегодняшний день на рынке представлены три класса присадок [1].

Металлоплакирующие присадки – ультрадисперсные порошки металлов и сплавов. При использовании металлосодержащих добавок на поверхностях сопряжений образуются тонкие металлические пленки, улучшающие триботехнические характеристики сопряжений.

Из-за ряда недостатков такие препараты имеют ограничения в применении. Основными недостатками являются:

— неоднородность ультрадисперсных порошков (содержат частицы от 1 до 5 мкм); возможно выпадение в осадок в поддоне картера, а также забивание масляного фильтра и каналов системы смазки;

— снижение антиокислительных свойств масла, так как ряд металлов являются катализаторами окисления углеводородов; особенно повышается каталитическая активность меди при трении в результате разрушения оксидной пленки;

— увеличение скорости электрохимической коррозии из-за контакта двух металлов, обладающих различными значениями электродных потенциалов.

— необходимость постоянного присутствия реметаллизатора в масле, отсутствие которого приводит к износу защитного слоя с поверхности цилиндров поршневыми кольцами, особенно в пусковом режиме, и образованию продуктов износа, приводящих иногда к заклиниванию двигателя.

Кондиционеры металлов – добавки в моторные и трансмиссионные масла – антифрикционные (нано-) кондиционеры металлов, представляющие собой концентрированную смесь продуктов, получаемых из нефти, например хлорпарафины. Так как молекула такого вещества имеет уже водородный радикал, то они могут смешиваться со всеми типами минеральных и синтетических масел. Механизм защитного действия заключается в загущении масла и защитный эффект проявляется лишь при граничном трении.

Поэтому, как заявляют авторы разработки, в случае применения кондиционера металла предельная нагрузка, вызывающая задир, повышается в 10 раз, а износ уменьшается в 5 раз (имеется в виду при граничном трении). При гидродинамическом трении загущение масла приводит к возрастанию трения и, следовательно, ведет к повышенному расходу топлива и повышенным нагрузкам на детали и узлы двигателя. Эксплуатация при низких температурах, особенно в момент пуска, может привести к разрушению деталей цилиндропоршневой группы, коленчатого вала и т. д.

Ремонтно-восстановительные составы (РВС) – серпентизирующие ультрабазиты: амфибол, магнантит, тальк, петрандит, коротковолокнистый асбест, пирротин, серпентин, халькопирит, шунгит и т. д.

Серпентивит в зоне контакта с металлом разлагается с выделением большого количества тепловой энергии, под воздействием которой происходит разогрев металла, внедрение в его структуру микрочастиц минерала и образование композитной металлокерамической структуры, обладающей высокой твердостью и износостойкостью.

Однако применение РВС в двигателях столкнулось с серьезной проблемой: поверхность, обработанная минералами, теряет температурную стабильность из-за того, что на пути основного теплоотвода от поршня через поршневые кольца встало дополнительное мощное тепловое сопротивление – металлокерамический слой. Сначала это старались выдать за дополнительное достоинство РВС, но вскоре стали наблюдаться многочисленные случаи выхода из строя двигателей по причине перегрева деталей цилиндропоршневой группы. Чаще такой эффект отмечается в предельных режимах работы двигателя, особенно в жаркую погоду.

Также в процессе приработки двигателя с РВС из-за резко возросших температур цилиндра значительно увеличивается расход масла, и достаточно часто отпускаются термофиксированные поршневые кольца. Разработчики РВС не учли также, что в двигателе работают пары трения с различными твердостями. И если в цилиндре поверхности поршневых колец и гильзы цилиндра (блока) имеют одинаковую твердость, то в паре «шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника» поверхностные твердости различаются, как минимум, на порядок. В этих парах происходит не микрошлифовка поверхности с образованием защитного слоя, а простой абразивный износ, при котором твердые частицы минералов внедряются в мягкие поверхности, нарушая их структуру и ухудшая условия формирования смазочных слоев.

Наиболее перспективным является применение в качестве присадки наноматериалов. Именно тем и отличается нанотехнология от обычной технологии, что в процессе участвуют материалы или объекты размерами от 1 до 100 нм (хотя бы в одном измерении) [2]. В нашем случае в качестве присадки использовано органическое соединение борат этаноламида перфторкарбоновой кислоты [3]. Молекулы данного органического соединения являются поверхностно-активными, размер которых 3 нм.

Адсорбируясь на поверхностях трения такие молекулы формируют квазикристаллическую структуру, которая защищает поверхность от износа и снижает граничное и гидродинамическое трение (Рис. 1).

Рисунок 1 – Формирование молекулярного слоя на поверхности металла

Эффективность применения присадки к маслам М-10Г2 и М-10В2 на двигателях Д-240 тракторов МТ3-80/82 определялась путем стендовых и эксплуатационных испытаний [4].

Целью исследований являлось определение эффективности применения присадки для улучшения эксплуатационных характеристик двигателя. Эффективность применения присадки составила:

• экономия топлива – 8,8%;
• снижение трения – 8,9%;
• снижение суммарного зазора в КШМ (шатунный подшипник-шейка коленвала и втулка-палец шатуна) – 0,015 мм;
• повышение давления масла – 13%.

Для определения зависимости эффективности присадки от времени и продолжительности ее действия были проведены сравнительные испытания на автомобиле ВАЗ-2105. Присадка вводилась в картер двигателя, коробку передач и задний мост после предварительной замены старых масел и одной промывочной заправки.

Методика и программа испытаний:

• диагностика системы зажигания и регулировка двигателя на холостом ходу проводилась в соответствии с ГОСТ 17.2.2.03-87;
• оценка токсичности по методам Правил ЕЭК ООН № 83-01 с пуском двигателя из прогретого состояния;
• оценка изменения содержания окиси углерода и углеводородов на холостом ходу на частотах вращения по ГОСТ 17.2.2.03-87;
• оценка топливной экономичности в городском цикле по ГОСТ 20306-90;
• оценка топливной экономичности по осредненному показателю при испытании на постоянных оборотах 30, 45, 60, 75, 90 км/ч движения автомобиля;
• оценка суммарного снижения потерь на трение в двигателе, коробке передач и заднем мосту путем определения времени выбега автомобиля в автоматическом режиме роликового стенда на прямой передаче в интервале скоростей 90-70 км/ч и 55-30 км/ч по суммарному показателю (троекратно);
• оценка скоростных свойств автомобиля при разгоне от 30 до 90 км/ч;
• оценка показателей производилась в следующей последовательности:

1. без присадки (контрольный);
2. с присадкой после пробега на роликовом стенде 30, 500, 1000, 1500 км;
3. подконтрольные испытания автомобиля в процессе эксплуатации при пробегах 6300 и 11000 км.

Результаты испытаний представлены в таблицах 1, 2 [5].

Таблица 1 – Результаты испытаний присадки на автомобиле ВАЗ-2105 на топливную экономичность и скоростные свойства на роликовом стенде и в режиме эксплуатации.

Таблица 2 – Результаты измерения компрессии в цилиндрах двигателя, кг/см2.

Таким образом, установлено, что использование наноприсадки, действие которой заключается в формировании молекулярного слоя на поверхностях трения, улучшает эксплуатационные характеристики двигателей:

• компрессия стала выше в среднем на 0,7 единиц, и произошло уменьшение разброса значений по цилиндрам;
• содержание окиси углерода уменьшилось на 10,0-16,3%, углеводородов на 9,1-18,2%;
• расход топлива в городском цикле по ГОСТ 20306-90 уменьшился в среднем на 15,9%;
• расход топлива при движении на постоянных скоростях (в пределах 30-90 км/ч) по осредненному показателю уменьшился до 23,8%;
• выбег автомобиля увеличился до 5,7%, что косвенно подтверждает снижение потерь на трение в двигателе и трансмиссии.

Список литературы

1. Шабанов А. Популярная механика. Пятое колесо №6, 2002 – 112-113 с.
2. Рамбиди Н.Г., Березкин А.В. Физические и химические очновы нанотехнологий. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008 – 456 с.
3. Гайдар С.М. Защита сельскохозяйственной техники от коррозии и износа с применением нанотехнологий. – Диссертация доктора технических наук – Москва, 2011 г.
4. Добыш Г.Ф., Тимошенко В.Я., Костиков А.И. и др. Рекомендации по применению присадок (добавок) к моторным маслам. – Минск.: Белорусский государственный аграрный технический университет, 1997, — 26 с.
5. Протокол испытаний № 353/7/3687 от 29.11.1994 г. ИЦИАИ НАМИ.

Improved engine performance with the use of nanotechnology.

The investigation of the effectiveness of nanoadditives to improve engine performance by forming a molecular film on friction surfaces.

S.M. Gaydar ,PhD in Technical Sciences, Assistant Professor, V.N. Svechnikov, graduate student.

(The FederalStateEducationalInstitutionoftheHigher ProfessionalEducation “MoscowStateAgro-engineering University named after V.P. Goryachkin”, Moscow City, (499) 978-64-46, avtokon93@yandex.ru)

Keywords: nanoadditives, surface-active molecules, engine performance, the boundary and hydrodynamic friction.

© 1993—2017
ООО НПП «АВТОКОНИНВЕСТ»

125047, г. Москва, ул. Лесная, дом 20, стр. 1

Эксплуатационные характеристики автомобиля

Внешняя скоростная характеристика автомобиля, тяговая характеристика. Расчёт силы сопротивления дороги. Сила сопротивления воздуху. Силовой баланс автомобиля. Динамический паспорт автомобиля. Расчёт времени, ускорения и пути разгона автомобиля.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по ПМ.01. Подготовка и осуществление технологического процесса изготовления деталей, сборка изделий автомобиле- и тракторостроения, контроль за соблюдением технологической дисциплины на производстве

Тяговый расчет автомобиля производится с целью определения его тяговых и динамических качеств. Тяговый расчет подразделяется на:

—тяговый расчет проектируемой машины;

—поверочный тяговый расчет, производимый для существующей машины.

Поверочный тяговый расчет составляют следующие отдельные задачи:

1. Определение максимальной скорости движения в заданных условиях.

2. Определение сопротивления движению и углов подъема, которые может преодолеть автомобиль на данной передаче и скорости.

Для решения задач тягового расчета необходимо построить тяговую характеристику автомобиля.

Основными этапами тягового расчета являются: определение силы тяги автомобиля по балансу мощностей и составление тяговой характеристики, с помощью которой определяют возможности наиболее рационального его использования автотранспортного средства.

1 Выбор и анализ исходных данных. Описание и технические характеристики автомобиля

Для указанного в задании автомобиля выбираются нижеуказанные технические характеристики, заявленные заводом изготовителем:

Тип кузова: Седан, четырехдверный;

Полная масса (m)= 1430,кг

Максимальная мощность (Nе)=54, кВт/количество оборотов(n)=3650,об/мин

Передаточные числа КПП(первая-3,67; вторая-2,10; третья-1,36; четверная-1,00; пятая-0,82); главной передачи=3,53, заднего хода=3,53

Размер шин: Радиальные, бескамерные или камерные 175/70R13 или 165/70R13

Радиус качения (rк) =0,275, м (ГОСТ 4754-97)

Габаритные размеры: длина=4145, ширина=1620, высота=1446, база=2424

Коэффициент аэродинамического сопротивления(Сx)=0,546

В данном разделе необходимо дать анализ компоновочной схеме автомобиля.

Рисунок 1: Габаритные размеры автомобиля ВАЗ 2107

2 . Расчётная часть

2.1 Внешняя скоростная характеристика автомобиля

Скоростная характеристика, это графическая зависимость мощности и крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала. Внешняя скоростная характеристика соответствует максимальной подаче топлива.

Угловая скорость, рад/с

Для построения внешней скоростной характеристики используется эмпирическая формула мощности

Nе= Nе max[(ще/ щN)+(ще/ щN)2-(ще/ щN)3] (2)

Используя отношение щe/щN, определяем значения щe. Например: при щe/щN =0,2 — щe = 0,2щN, а при щe/щN =0,4 — щe =0,4щN и т.д.

Результаты расчётов оформляются в таблице 1

Таблица 1- Результаты расчёта внешней скоростной характеристики

Эксплуатационные характеристики двигателя это

Современное автомобилестроение стремится к созданию такой модели автомобиля, которая бы удовлетворяла целому ряду условий: высокой мощности, экономичности, комфортности. Крупнейшие мировые производители уже несколько лет идут по пути «Downsizing», т.е. повышают мощность двигателей внутреннего сгорания без увеличения (или с уменьшением) рабочего объема, с сохранением (или понижением) расхода топлива. На фоне постоянно дорожающего топлива активно ведутся работы по повышению эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания [2, 9] при снижении расхода топлива. Анализ рынка автотранспорта показал, что в России используется большое количество автомобилей отечественного производства. Но российские автогиганты в настоящее время не могут предложить покупателям автомобили с похожими двигателями. Метод наддува давно и успешно используется в моторах коммерческого транспорта, но в потребительском секторе таких предложений нет. К тому же рост курса валют в данный момент отрицательно сказывается на ценах автомобилей иностранного производства.

Целью работы является разработка изменений некоторых узлов двигателя внутреннего сгорания для улучшения его эксплуатационных характеристик и эффективности работы на примере конкретного двигателя внутреннего сгорания ВАЗ-211124. Для этого были разработаны мероприятия по изменению систем работы ДВС ВАЗ-21124 и проведен анализ полученных характеристик после доработок.

Методика проведения исследования

Для улучшения эффективности работы ДВС и его эксплуатационных характеристик путем установки турбокомпрессора необходимо: снизить степень сжатия в ДВС ВАЗ-21124; выбрать турбокомпрессор на основании компрессионной карты; разработать технологическую карту доработок.

Из технических характеристик известно, что степень сжатия данного двигателя равна 10,3. Для предотвращения нежелательной детонации и правильной работы турбодвигателя на относительном давлении до +0,5 атм, на топливе с октановым числом 95, требуется степень сжатия не более 8,5.

В результате детонации в камере сгорания происходят резкие и значительные по величине всплески давления, что приводит к преждевременному износу вкладышей и механическому разрушению поршневой группы [1, 3].

Степень сжатия турбодвигателя влияет на большое количество факторов в общей характеристике автомобиля. Мощность, экономичность, приёмистость, детонационная стойкость – все эти факторы в значительной степени определяются степенью сжатия. Также это влияет на расход топлива и состав отработавших газов. Степень сжатия для турбо-мотора рассчитывается по формуле геометрической степени сжатия атмосферного двигателя и имеет следующий вид:

где ε – степень сжатия; V_P – рабочий объём; V_B – объём камеры сгорания.

Преобразовав уравнение, можно получить формулу для вычисления объема камеры сгорания при известной степени сжатия:

где Vp₁ – объём одного цилиндра.

Изменяя степень сжатия двигателя, можно рассчитать объем увеличения камеры сгорания путем вычитания из полученного результата объема камеры с более высокой степенью сжатия. Полученная разница дает численное значение объема, на которое необходимо увеличить камеру сгорания. Камера сгорания современного автомобиля спроектирована таким образом, что при достижении поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) топливовоздушная смесь вытесняется к центру камеры сгорания, что является самой действенной разработкой, препятствующей детонации.

Самостоятельная доработка камеры в головке блока цилиндров (ГБЦ) проблематична, т.к. это может привести к деструкции всего механизма. Также не рекомендуется «разжимать мотор» утолщенными прокладками ГБЦ так как это нарушит процессы вытеснения в камере сгорания. Наиболее простым и правильным, а также относительно дешевым способом считается установка новых поршней, в которых задан необходимый объём камеры. Для турбодвигателя сферическая форма считается наиболее эффективной [5].

Поршень является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания. Именно на эту деталь выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно достижимы и технически тяжело реализуемы [10, 11].

Для достижения необходимых результатов и сохранения прочности деталей ДВС изготовление поршней с нужными параметрами производили на предприятии ООО «ТДМК», много лет занимавшимся разработкой и изготовлением стандартных и спортивных комплектующих для отечественных автомобилей. Исходя из вводных данных – наддув не более 1 атм, СЖ не более 8,5, были изготовлены поршни конструкции ВАЗ 21124, диаметром 82,0 мм, с увеличенной на 20 см 3 сферической камерой сгорания и проточками под впускные и выпускные клапана, со стандартной компрессионной высотой – 197,1 мм (рис. 1, а и б) и стандартным коленчатым валом с радиусом кривошипа коленчатого вала/хода поршня – 37,8/75,6 мм. Объем двигателя составляет 1596 см 3 , а степень сжатия с паронитовой однослойной прокладкой с металлической окантовкой 5 мм ГБЦ – 7,65:1, а при использовании металлической двухслойной прокладки 3 мм – 8,1:1.

При выборе турбокомпрессора необходимо учитывать несколько факторов: широкий диапазон работы в городском движении и движении по пересеченной местности, быстрый отклик, компактность (для установки его без конструктивных изменений кузова) [5, 6, 8].

Изучив имеющиеся предложения, выбор остановили на турбокомпрессоре типа Garrett GT1752-5007s, т.к. его диапазон работы с двигателем объемом 1,6 литра будет в пределах от 1400 до 6500 об/мин. При этом двигатель будет иметь запас по мощности практически с холостого хода и до срабатывания ограничителя оборотов двигателя. Примерный прирост мощности при относительном давлении до +0,5 атм, может составлять до +40 л.с.

Рис. 1. Поршень ВАЗ 21124 (а), поршень ВАЗ 21124 (турбо)

Методом литья по образцу стандартного выпускного коллектора из чугуна был изготовлен выпускной коллектор для крепления турбокомпрессора Garrett 1752-5005s.

Для изготовления полного механизма были подготовлены следующие детали [4, 7]:

● выпускной коллектор чугунный;

● турбокомпрессор Garrett 1752-5005s;

● комплект поршней турбо (сферическая камера сгорания 20 см3);

● комплект поршневых колец ВАЗ;

● комплект прокладок ДВС ВАЗ 21124;

● прокладка между турбиной и коллектором;

● downpipe (приемная труба выхлопной системы);

● фильтр очистки масла;

● армированный шланг маслоподачи, с фитингами;

● шлаг подачи тосола для охлаждения турбокомпрессора;

● шланг обратной подачи охлаждающей жидкости для охлаждения турбокомпрессора;

● уплотнительные медные кольца для фитингов;

● трубка маслослива от турбокомпрессора в картер ДВС;

● интеркулер (охладитель сжатого воздуха);

● клапан сброса избыточного давления Bosch;

● силиконовые соединители воздушных магистралей;

● топливные форсунки Bosch 0280158107 (увеличенной производительности);

Установка турбокомпрессора, замена поршневой группы и форсунок проводилась на снятом ДВС, который был закреплен на моторном стенде; сборка впускной и выпускной систем производилась непосредственно на автомобиле, что связано с индивидуальной подгонкой деталей.

Готовый двигатель был подвергнут испытаниям на стенде в заводских условиях, при этом измерение мощности происходило с коленчатого вала, а не с колес автомобиля для исключения трансмиссионных потерь.

Полученные результаты

Получены следующие результаты: крутящий момент – 173,0 Н.м при 4300 об/мин; мощность – 91,0 кВт (124 л.с.) при 4500 об/мин (рис. 2). Такие параметры обеспечивают более плавное управление двигателем, т.к. не требуется поддерживать более высокие обороты для комфортного движения, полученная мощность ДВС позволяет использовать более низкий и более широкий диапазон рабочих оборотов.

Рис. 2. График мощностей двигателя до и после изменений

После всех произведенных изменений был произведен контрольный замер расхода топлива по следующей схеме.

Из тарированной емкости в бак заливалось 30 литров бензина с октановым числом 95 (так как на такое топливо был откалиброван ЭБУ двигателя). Автомобиль проезжал ровно 50 километров по определенному маршруту. Далее автомобиль глушили, сливали остаток топлива и рассчитывали расход топлива на 100 км. Такие действия повторялись несколько раз.

Маршруты были выбраны следующим образом: маршрут проходит по центральной части города, средняя скорость 40 км/ч, пробки – тяжелые условия работы ДВС, обороты близки ХХ; маршрут проходит по загородной трассе, низкая загруженность дороги, средняя скорость 90 км/ч – легкая работа ДВС, средние обороты; маршрут охватывает в равной степени, как городские условия движения, так и условия движения по трассе, средняя скорость 65 км/ч.

Были получены следующие результаты расхода топлива: городской цикл – 8,3 л/100 км, загородный цикл – 5,8 л/100 км, смешанный цикл – 6,9 л/100 км.

Расход топлива снизился, т.к. по данным завода-изготовителя расход топлива в городе – 8,9 л/100 км, на трассе – 6,4 л/100 км, на смешанном участке – 7,5 л/100 км. Экономия при длительной эксплуатации на загородных трассах составит 8–10 %.

Выводы

Таким образом, предложенные изменения имеют реальное воплощение, при этом мощность конкретного двигателя ВАЗ-21124, полученная после усовершенствования, выросла на 40 %, крутящий момент вырос на 32 %. Управление мощностью и тягой улучшились за счет более ровной характеристики работы двигателя; расход топлива снизился в среднем на 8 %.

Финансовые затраты на реализацию вышеизложенных изменений составляют порядка 40 тыс. рублей, что на фоне разницы предложений отечественных автомобилей и импортных практически не заметно. К тому же, при долгой эксплуатации автомобиля с доработанным двигателем, экономия по расходу топлива может полностью окупить вложенные в изменения средства.

Рецензенты:

Панов А.Ю., д.т.н., профессор, директор, Институт промышленных технологий машиностроения, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Молев Ю.И., д.т.н., профессор кафедры «Строительные и дорожные машины», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.