Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Показатели дизелей с воздушным охлаждением 8
I. Требования к тракторным моторным установкам 8
2, Основные конструктивные показатели дизелей с воздушным охлаждением 16
3. Энергетические показатели дизелей с воздушным охлаждением 24
4. Эксплуатационные показатели дизелей с воздушным охлаждением 39
5. Особенности компоновки и унификация. Основные задачи диссертации 53
Глава II. Научные основы конструирования корпусных деталей дизелей с воздушным охлаждением 60
I. Основы конструирования картера двигателя 63
2. Основы конструирования элементов,в совокупности определяющих жесткость двигателя 97
Глава III. Проблемы выбора ж поддержания теплового состояния деталей и моторного масла дизелей с воздушным охлаждением 120
1. Температуры деталей и моторного масла 121
2. Пути управления тепловым состоянием деталей 136
3. Выбор параметров системы охлаждения 171
4. Возможности форсирования дизелей с воздушным охлаждением по тепловой напряженности деталей 195
5. Автоматизация регулирования теплового состояния деталей и моторного масла 201
Глава ІV. Научные основы оптимизации конструкции основных деталей и соединений дизелей с воздушным охлаждением 208
1. Картер двигателя , 209
2. Цилиндр 225
3. Головка цилиндра 240
4. Анкерная связь 244
5. Поршень 252
6. Стык "головка цилиндра-цилиндр" . 254
7. Стык "головка цилиндра-форсунка" . 276
Глава V. Научные основы улучшения энергетических показателей дизелей с воздушным охлаждением 283
1. Выбор формы камеры сгорания и оптимизация рабочего цикла 284
2. Некоторые особенности стабилизации энергетических показателей дизелей в условиях массового производства 302
Глава VІ. Пути совершенствования эксплуатационных качеств дизелей с воздушным охлаждением , 326
I. Исследование и улучшение пусковых качеств дизеля 326
2. Исследование связей между конструкцией дизеля и шумностью его работы 345
3. О выборе моторного масла и сроков его смены 373
4. Исследование надежности массово выпускаемых дизелей с воздушным охлаждением и пути её повышения. Эффективность совершенствования конструкции дизелей 384
Выводы 405
Список литературы
Приложение
- Основные конструктивные показатели дизелей с воздушным охлаждением
- Основы конструирования элементов,в совокупности определяющих жесткость двигателя
- Пути управления тепловым состоянием деталей
- Некоторые особенности стабилизации энергетических показателей дизелей в условиях массового производства
Введение к работе
Прогрессирующее расширение сферы применения и масштабов выпуска дизелей е воздушным охлаждением является характерной особенностью современного двигателестроения. В свою очередь, бурное освоение во веем мире и других районов с экстремальными условиями эксплуатации не оставляют сомнений в их еще большем распространении в будущем. Это определяет требования дальнейшего совершенствования дизелей с воздушным охлаждением и соответственно развития научных основ их конструирования.
Поколениями ученых и инженеров разработаны научные основы конструирования двигателей внутреннего сгорания. Однако, несмотря на высокий уровень достижений в этой области, постоянно усложняющиеся задачи вызывают необходимость углубления исследований» направленных на всестороннее изучение связей между конструкцией, производством и эксплуатацией, одной стороны, и показателями двигателя, с другой. Применительно к рассматриваемым дизелям, период развития которых относительно невелик, значение этой проблемы особенно актуально, так как без указанных связей невозможны реализация преимуществ воздушного охлаждения и создание двигателей, отвечающих современным требованиям.
Литровые мощности отечественных быстроходных тракторных дизелей, независимо от способа охлаждения, в текущем пятилетии должны возрасти до 16-17 л.с/л (без наддува) и 19-22 л. с/л (с наддувом) при одновременном существенном улучшении других показателей, характеризующих их технический уровень. Достижение прогнозируемых параметров у массово выпускаемых дизелей с воздушным охлаждением требует разработки научно обоснованных ме -тодов решения ряда специфических и во многом противоречивых проблем, из способа охлаждения. Основные из них заключаются в обеспечении необходимой жесткости»теплового состояния и технологичности деталей, а также заданных уровней надежности и экономичности при возможно более низкой щумноети работы и требуемых нуековых качествах.
В соответствии с поставленной целью в цервой главе работы выполнен анализ параметров конструкций рассматриваемых двигателей с точки зрения требований, предъявляемых к силовым агрегатам пропашных тракторов,вторая и четвертая главы посвящены теоретическим и экспериментальным исследованиям напряженно-деформированного состояния деталей, образующих остов дизеля с воздушным охлаждением разработке научных основ их конструирования и доводки, третья глава обобщает материалы исследований, связанных с проблемами выбора и поддержания теплового состояния деталей,в пятой и шестой главах изложены результаты исследований рабочего цикла, акустических и пусковых качеств, а также надежности массово вы з пускаемых дизелей с воздушным охлаждением и выработанные на этой основе рекомендации, обеспечивающие достижение у них высоких энергетических и эксплуатационных показателей.
Будучи убежденным в перспективности применения на пропашных тракторах дизелей с воздушным охлаждением, автор стремился осуществить как комплексное рассмотрение факторов,в совокупности определяющих их технический уровень,так и разработку путей оп -тимизации основных из них. Анализ опубликованных материалов по двигателям указанного типа и назначения свидетельствует, что в такой постановке эта задача ранее не рассматривалась.
Основные конструктивные показатели дизелей с воздушным охлаждением
Однако из-за необходимости при жидкостном охлаждении обеспечивать в радиаторе более высокий уровень жидкости, чем в головке цилиндров; высота установки определяется заливной горловиной системы охлаждениядееполагаемой выше крайней точки двигателя в среднем на величину, равную D у В ре -зудьтате использование воздушного охлаждения позволяет соот Ц ветственно опустить капот трактора, что является одним из важных преимуществ.
Показатели массы характеризуют конструктивное совершен -ство двигателя в первую очередь массой, приходящейся на единицу рабочего объема (литровой массой). Литровые массы под -вергнутих анализу рядных тракторных дизелей приведены на фиг.4, а эмпирические зависимости; позволяющие с допустимой для оценочных расчетов точностью определять их литровые и абсолютные массы, оказались следующими
В результате массы "собственно двигателей оказываются в среднем практически одинаковыми,несмотря на меньшие при жидкостном охлаждении межцилиндровые расстояния. Последнее объясняется, с одной стороны,большей массой блока цилиндров, чем картера с цилиндрами, а с другой - большим использованием в дизелях с воздушным охлаждением алюминиевых сплавов.
Массы узлов ж агрегатов,входящих в состав системы жидкостного охлаждения,находятся в пределах 4-6 процентов от массы "собственно двигателю. Удельные расходы на заправку систем смазки, независимо от способа охлаждения, составляют 2,5-3,0 кГ/л, а охлаждающей жидкости у моторных установок пропашных тракторов - 4,0-5,0 кГ/л (соответственно 2-3 и 3-4 процента от массы дизеля).
Таким образом,масса моторной установки с дизелем жидкостного охлаждения в среднем превышает массу равнозначного по рабочему объему дизеля с воздушным охлаждением в незаправленном состоянии на 5,0 и в заправленном - на ЩО процентов. С учетом массы подмоторной рамы преимущество воздушного охлаждения увеличивается еще более.
Повышение температур деталей,приводя к снижению затрат мощности на охлаждение и трение и, в некоторой степени,к увеличению индикаторного к.п.д.(Одновременно сопровождается уменьшением наполнения и периода задержки воспламенения.Естественно, что при воздушном охлаждении можно ожидать более высоких температур деталей,образующих камеру сгорания,чем при жидкостном,и, следовательно,меньших значений периода задержки воспламенения и более высокого индикаторного к.п.д. В то же время,в этом случае,может иметь место больший подогрев заряда и соответствующее снижение наполнения.
Связь среднего индикаторного давления с определяющими его параметрами выражается зависимостью [ю] .
Основы конструирования элементов,в совокупности определяющих жесткость двигателя
Если при жидкостном охлаждении жесткость структуры двигателя определяется,как правило,блоком цилиндров,то при воздушном она обеспечивается комплексом деталей (картер,цилиндр, головка цилиндра,анкерная связь). Б этом случае цилиндр и его головка,наряду с функциями,связанными с осуществлением рабочего цикла и отводом тепла,выполняют также функции деталей остова.
У дизелей с воздушным охлаждением,имеющих головки из алюминиевых сплавов и беспрокладочные газовые стыки,достижение требуемых уровней деформаций цилиндров и надежности газового стыка в значительной мере усложняется как характером нагруже-ния головок,цилиндров и связей,так и трудностью обеспечения необходимого уровня и равномерности распределения их температур в зоне стыка. Кроме того решение задачи затрудняется отсутствием достаточных знаний механизма работы подобных стыков и путей управления деформациями определяющих его элементов.
Отметим,что в процессе совершенствования дизелей BTS было испытано несколько вариантов образцов,имеющих в стыке "головка-цилиндр" прокладки различных конструкций. Однако ни один из них не оказался удачным. Причины этого объясняются следующим.
После приложения к головке сил предварительной затяжки происходит ее деформация О, . (сжатие и изгиб) и сжатие прокладки на величину о„ (фиг.25). В силу неравномерности давления по контуру стыка,деформации прокладки в различных сечениях неодинаковы. Под действием сил давления газов диаметр цилиндра увеличивается с d, , до Ыг , а головка дополнительно изгибается на величину о2 с одновременной разгрузкой прокладки. При этом стык может сохранить герметичность только в тех случаях,когда работа последней происходит в зоне упругих деформаций. У работающего двигателя в рассматриваемых деталях возникают термические силы,меняющиеся в зависимости от условий эксплуатации и вызывающие дополнительные деформации головки о3 и прокладки, а также снижающие их упругость.
Деформации цилиндра и головки обусловливают относительное перемещение уплотняющих поверхностей и самой прокладки, вызывая ее износ. Факт подвижности прокладок в подобных соединениях и зависимость величины их перемещений от скорости вращения коленчатого вала и давления в цилиндре подтверждены рядом исследований [178,188] .
В результате уплотнение стыка можно обеспечить только такой прокладкой,которая,обладая высокой теплопроводностью и износостойкостью,полностью компенсировала бы все перемещения и деформации уплотнительных поверхностей. Создание подобных прокладок хотя и возможного является сложной и не всегда целесообразной задачей, Поэтому у болншнства дизелей с воздушным охлаждением,имеющих для каждого цилиндра отдельные головки из алюминиевых сплавов,применяются бесярокладочные стыки, конструкции которых весьма разнообразны (фиг.26). Б этом случае роль прокладок выполняют контактирующие слои металла,за счет деформации которых достигается герметичность соединения. К преимуществам такого способа уплотнения следует отнести также непосредственный контакт между цилиндром и головкой, способствующий отводу тепла от цилиндра. Однако необходимая надежность такого стыка может быть достигнута только при высокой степени оптимизации всех влияющих на него факторов и, прежде всего,конструкции цилиндра,головки цилиндра и анкерной связи.
Пути управления тепловым состоянием деталей
Процесс форсирования неизбежно связан с увеличением средней температуры цикла,количества выделяемого тепла и его доли, проникающей в детали,а следовательно,и с увеличением затрат мощности на охлаждение. Одним из путей их снижения является рациональное исцользоваяиє в процессе конструирования различных средств,направленных на уменьшение рабочих температур деталей: - совершенствования конструкции оребренных деталей и распределения охлаждающего воздуха по их поверхностям, - увеличения интенсивности охлаждения тешюнапряженных деталей маслом, - тепловой изоляции поверхностей, - совершенствования рабочего цикла, - снижения доли тепла,выделяемого при трении деталей, - охлаждения воздуха после компрессора ( у дизелей с наддувом), - применения материалов,позволяющих увеличить теплоотдачу.
Использование любого из перечисленных средств должно преследовать главную цель - обеспечение экономически оправданным путем требуемого теплового состояния каждой детали и моторного масла. Совершенствование конструкции оребренных деталей
Увеличение теплоотдачи от оребренной поверхности в окружающую среду может быть достигнуто увеличением поверхности охлаждения л и повышением скорости потока окружающего воздуха У, Последнее представляет собой гораздо менее выгодный путь, так как затраты мощности на охлаждение К в зависимости от скорости потока возрастают в большей степени,чем от площади поверхности охлаждения. Например,по данным [ 83]
Поэтому воздушное охлаждение вызывает необходимость максимального возможного увеличения охлаждающих поверхностей, повышения к.п.д. оребрения и оптимизации распределения воздуха в соответствии с тепловыми потоками.
В свою очередь конструктивное исполнение ребристых дета -лей должно отвечать достигнутому технологическому уровню массового производства,предопределяющему на настоящем этапе получение ОТЛИЕОК головок в кокили.а цилиндров - методом оболочкового литья с ребрами, имеющими треугольную форму поперечного сечения и шаг не менее 5,5 мм.
Конструкции головок и цилиндров дизелей ВТЗ t развитие которых осуществлялось в целях повышения тепловой эффективности при одновременном удовлетворении требований,предъявляемых к этим деталям как к элементам остова,показаны1 на фиг,35 PI 36,а их параметры приведены в таблицах Ш.2.І и Щ.2.2.
Представленные варианты отличаются друг от друга прежде всего величинами активных поверхностей охлаждения и относительными аэродинамическими сопротивлениями,а также конфигурациями сечений, измененными Е целях обеспечения надежности стыка "головка-цилиндр" и уменьшения деформации цилиндра . Кроме того.соответствующим расположением ребер и оформлением воздушных каналов реализовалось стремление обеспечивать отвод тепла от наиболее теплонапряженных участков (перемычки между клапанами форсунки, стыка "головка-цилиндр") и осуществлялась ликвидация
Основы конструирования цилиндров и их головок как элементов остова рассмотрены в следующей главе. "мертвых зон",являющихся сборниками различного рода отложений при эксплуатации двигателя.
Отметим,что если при жидкостном охлаждении отвод тепловой энергии от нагретых зон головки цилиндра осуществляется в основном путем непосредственного контакта между стенками и омывающей их жидкостью и,частично,передачей тепла по сечениям металла,то при воздушном,наоборот,второй путь является основным. С увеличением количества охлаждающего воздуха его доля,приходящаяся на каналы малого сечения,вследствие более быстрого увеличения аэродинамического сопротивления,уменьшается. Так как такие каналы, как правило,расположены в наиболее теплонапряженнои зоне головки цилиндра,охладить ее в достаточной мере при форсировании двигателя только увеличением количества охлаждающего воздуха не удается.
Относительное увеличение площади минимального сечения металла яо высоте головки улучшает отвод тепла от ее днища к периферийному оребрению и к верхней плите увеличивает ЖЕСТКОСТЬ конструкции и уровень безопасных температур. В свою очередь, ликвидация лишнего объема металла у верхней алиты позволяет снизить массу головки и образовать дополнительные воздушные каналы. Указанное,как следует из фиг.37,нашло отражение в представленных вариантах ( у головки "д" минимальная площадь металла в ее средней части почти вдвое больше,чем у головки "б").
Получению эффективной конструкции головки активно способствует рациональное размещение теплоотводящих поверхностей относительно направления воздушного потока и наиболее теплонапря-женных участков и оптимизация соотношений площадей сечений элементов, соединяющих зоны с высокими и низкими температурами, а также придание обдуваемым поверхностям хорошо обтекаемых форм.
Некоторые особенности стабилизации энергетических показателей дизелей в условиях массового производства
Степень совершенства двигателя,при прочих равных условиях, характеризуется произведением - ft ft Хл величина ко -торого отражает уровень его конструктивной и технологической доведенности. Однако,многие внутренние связи между отдельными параметрами и конечными характеристиками двигателей еще четко не установлены,что существенно затрудняет их проектирование и доводку. Применительно к дизелям с воздушным охлаждением и принятому способу смесеобразования наибольший интерес представляет выявление связей между энергетическими показателями двигателя, конструктивными параметрами впускного канала и камеры сгорания, величинами коэффициента наполнения $у и механического к.п.д. Юм . Решению этой задачи посвящены многолетние исследования,выполненные под руководством и при непосредственном участии автора как на спеииальных установках,так и на развернутых двигателях "37-42,44,104,129,141,149 и др.] . Согласно представленной на фиг.ЮЗ экспериментальной зависимости,для получения высоких значений WcrT необходимо увеличивать скорость воздуха во впускном канале,хотя последнее неизбежно влечет за собой падение наполнения и увеличение внутреннюс потерь. Рассмотрим в этой связи пути оптимизации газодинамических параметров впускной системы дизеля. Фиг.103. Экспериментальная зависимость тангенциальной скорости заряда в полусферической камере дизеля НГЗ от условной средней скорости воздуха во впускном канале Так как оценка впускных каналов с точки зрения их способности к созданию вращательного движения заряда Е цилиндре непосредственно на двигателе затруднена,для этой цели использовалась установка,схема которой показана на фиг,104. Частицы воздушного потока,выходя из канала,направ ляются в цилиндр со скоростью W/- «разложив которую по осям координат получаем составляющую Щ; ,направленную по касательной к стенке цшшндра и определяющую движение заряда Еокруг его оси. Очевидно,что чем больше значение VC4r при одной и той же величине скорости Wr ,тем меньше энергии потребуется на организацию вращения воздуха. где - текущее значение расхода воздуха, FK - проходное сечение в горловине канала, / - удельный вес воздуха. Путем преобразований выражения У.ЇЇ.І можно показать, что с погрешностью,равной отношению динамических вязкостей рабочего тела во впускных каналах головки цилиндра двигателя и модели jjjtt- .режим продувки на безмоторной установке определяется зависимостью Испытания проводились при различных значениях подъемов клапана и перепадов давления А Р. Для каждой точки подсчи-тывался условный скоростной напор в горловине клапана где J0 - плотность воздуха при нормальных условиях. Затем для выбранных, значений подъема клапана определялись - коэффициент срабатывания энергии потока,отражающий полные затраты энергии на получение единицы скоростного напора, - коэффициент трансформации потока,отражающий степень перехода поступательного движения потока в канале в циркуляционное в цилиндре
