Автор: Н.С. Ханин, Э.В. Аболтин, Б.Ф. Лямцев и др.

Издательство: Машиностроение

Год: 1991

Страниц: 336

Формат: DJVU

Качество: хорошее

 

Приведены требования к автомобильным двигателям с турбонаддувом, рассмотрены вопросы сояершемстооваиия их конструкции и рабочего процесса, совместная работа поршневого двигателя, турбокомпрессора и системы охлаждения воздуха, расчет и комструирова-иие турбокомпрессоров. Изложен опыт совершенствования дизелей с турбонаддувом для аатомобилей различной грузоподъемности и пути их дальнейшего развития.

Для инженерно-технических работников автомобильной промышленности и транспорта.

 

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенным видом двигателей. Их суммарная мощность превышает мощность всех других видов двигателей. Потребление топлива и выброс продуктов сгорания автомобилями исчисляется многими десятками миллионов тони. Экономика автомобильного транспорта, здоровье людей в большой мере зависят от совершества двигателей. Поэтому к ним предъявляют все более жесткие требования, которые удается выполнять благодаря интенсификации научно-технического прогресса.

Среди различных требований к автомобильным ДВС важнейшими являются: достижение высокой топливной экономичности; удовлетворение растущих экологических i \-' t ний, таких, как малые токсичность выбросов и их уровень; рост надежности, компактности; снижение материалоемкости, массы, трудоемкости изготовления и эксплуатации. Эти требования могут быть выполнены при применении наддува как средства комплексного совершенствования показателей двигателей. Серийное производство автомобильных двигателей с наддувом началось еще в конце 30-х годов. В тот период они оборудовались приводными нагнетателями как объемными типа Рут, так и центробежными. Сфера их использования ограничивалась легковыми автомобилями с повышенными динамическими качествами, предназначенными для узкого, круга потребителей, а также двухтактными дизелями автомобильного типа, где наддув осуществляется в завершающей стадии газообмена, после продувки. Небольшими сериями выпускались четырехтактные двигатели с нагнетателями Рут для большегрузных автомобилей.

Используя опыт авиационной техники, была сделана попытка применения турбонаддува как средства сохранения мощности двигателей в высокогорных условиях. Но этот опыт не был успешным из-за несовершенства малоразмерных агрегатов наддува того периода. Опыт использования приводных нагнетателей показал их существенные недостатки: усложнение конструкции двигателей особенно в случаях установки систем отключения нагнетателей; повышение уровня шума; снижение надежности и топливной экономичности в сравнении с двигателями без наддува. Эти недостатки могут быть частично компенсированы повышением эффективности нагнетателей. Потребность в двигателях повышенной мощности для автомобилей в тот период была ограниченной, и иаддуа не получил широкого распространения .

В конце 40-х годов резко возросли объемы автомобильных перевозок, возросший автомобильный транспорт вытеснял иа промышленных предприятнях железнодорожный, увеличился спрос иа все виды сырья, которое во все больших масштвбах стали добывать открытым способом. Стремлейие к понижению себестоимости автоперевозок привело к необходимости роста грузоподъемности автомобилей, скорости их движения. Это в свою очередь привело к росту мощности автомобильных двигателей, что наиболее жоиомиыми путями достигалось посредством их наддува. Наряду с расширением применения объемных нагнетателей в двухтактных двигателях, благодаря использованию опыта в области лопаточных машин, накопленного в авиационной технике, а также в судовом днзелестроеиии, уже в Г>0-е годы был начат ограниченный выпуск двигателей с турбоналдувом для грузовых автомобилей, используемых для перевозок, в частности, на лесоразработках. Накопившийся положительный опыт, потребность в повышении энерговооруженности транспорта при карьерных разработках, а также для перевозок грузов иа большие расстояния по усовершенствованным дорогам привели к быстрому расширению применения двигателей с турбонаддувом, вытеснению ими двигателей без наддува и с приводными объемными нагнетателями. Немаловажную роль сыграло использование автомобилей в условиях трансконтинентальных перевозок с подъемами иа большие высоты. где энергетические показатели двигателей без наддува значительно снижались. Уже в тот период двигатели с турбонаддувом стали успешно устанавливать и иа промышленных тракторах с большим тяговым усилием. Появились первые фирмы, специализирующиеся иа выпуске агрегатов наддува для двигателей автомобильного и тракторного типов. Это способствовало повышению качества, снижению стоимости агрегатов наддува, которая в тот период доходила до 10 % от стоимости двигателя.

Во второй половине 60-х годов применение турбонаддува для двигателей автомобилей большой грузоподъемности стало приобретать все более широкий характер, а для карьерных автомобилей — преобладающий. Этому способствовал рост агрегатных мощностей, при котором упрощается решение задач обеспечения высокой эффективности лопаточных машин, достижения высокой конкурентоспособности двигателей с турбомаллувом в сравнении с двигателями без наддува.

В 70-х годах в связи с энергетическим кризисом и благодаря совершенствованию турбокомпрессоров произошел скачок в их применении на автомобилях. В этот период турбонаддув стал рассматриваться как средство ие только повышения мощности, сохранения ее иа горных дорогах, но и топливной экономичности благодаря утилизации энергии выпускных газов, снижения их токсичности и дымности. Предпринятые в этот период попытки внедрения усовершенствованных. в частности, дифференциальных систем привода объемных нагнетателей оказались безуспешными. Помимо усложнения привода такие системы ие позволили приблизиться к показателям топливной экономичности двигателей с турбоннллувом. Неудачными оказались и попытки противопоставления двигателям с турбонаддувом, имевшим шесть или восемь цилиндров двигателей без наддува с большим (десять или двенадцать) числом цилиндров.

Отмечавшиеся иа начальных стадиях внедрения турбоиадлува автомобильных двигателей недостатки, такие, как снижение надежности, ухудшение протеквния характеристик. привели к задержке широкого их использования в сравнении с другими областями двигате лестроення. Возникшее отставание в значительной мере было связано с более сложными условиями работы двигателей с турбонаддувом автомобильного назначения. Они должны круглогодично эксплуатироваться в отрыве от баз технического обслуживания. в разнообразных, в том числе экстремальных условиях, в большинстве случаев при резко переменных нагрузочных режимах.

Фундаментом соответствующего прогресса, как и повышения степени турбонаддува автомобильных ДВС, стало развитие научно-технических исследований, параллельно осуществляемых несколькими крупными инженерными коллективами в составе специализированных по турбокомпрессорам фирм или производств, с подключением сил научных оргвнизаций и учебных заведений.

Недостатки автомобильных двигателей с турбонаддувом были в первую очередь преодолены в диапазоне относительно больших (более 180 кВт) агрегатных мощностей. Их надежность была повышена до уровня, ранее не достигавшегося у двигателей без наддува, созданы предпосылки дальнейшего форсирования, улучшения экономичности и снижения токсичности.

Благодаря повышению эффективности и надежности турбокомпрессоров широкое распространение получили двигатели ие только с низким, но и средним, а затем и с высоким турбонаддувом, стали применяться системы охлаждения наддувочного воздуха, развернулось их серийное производство. Были реализованы дополнительные положительные качества двигателей с турбонаддувом, такие, как улучшение форм скоростных характеристик. выражающиеся в росте запаса крутящего момента. в" смещении максимума крутящего момента в диапазон пониженных частот вращения коленчатого вала. Интенсивно уменьшилось отставание двигателей с турбонаддувом по приемистости.

В 70-е и 80-е годы наиболее быстрыми темпами по совокупности показателей совершенствовались дизели с турбонаддувом, устанавливаемые на магистральных автомобилях. а также автомобилях для строительных и других; тяжелых транспортных работ. На базе накопленного опыта, прогресса I двигателестроиния и турбокомпрессоростроения стало возможным в текущем десятилетии не только повысить надежность при одновременном форсировании автомобильных дизелей большой мощности с турбонаддувом, но и внедрять подобные дизели на автомобилях для массовых перевозок, вначале средней, а затем и малой грузоподъемности.

В настоящее время стало технически и экономически олранлено применение турбонаддува для дизелей, устанавливаемых на автомобилях всех категорий, включая легковые. На базе достижений в областях конструировании и производства турбокомпрессоров и наряду с этим микропроцессорной техники создали условия и для турбонаддува на двигателях с принудительным воспламенением, массового применения автомобильных дизелей с турбонаддувом.

Еще в 60-е годы турбонаддув часто рассматривался как средство модернизации главным образом для повышения энергетических показателей, расширения диапазона ряда мощностей семейств двигателей с разным числом цилиндров. При отработке базовых конструкций двигателей учет последующего форсирования ограничивался прочностными характеристиками деталей. Привлекательной чертой подобного подхода был кажущийся ограниченным объем капиталовложений, необходимых для освоения моделей с повышенными благодаря турбонаддуву энергетическими показателями. Но практика применения данной концепции показала ее ограниченную состоятельность. Доработка модернизируемых дизелей по надежности требовала внедрения большого количества изменений в конструкцию и технологию, реализация которых в ходе серийного производства вызывала большие трудности.

Известен ряд неудачных попыток подобного рода, в том числе сделанных автодизельными фирмами, пользовавшимися положительной всемирной репутацией. Но некоторые из этих фирм продолжили данную линию в 70-е годы, ориентируясь на использование новых материалов и технологий. В 70-е годы сложился принципиально иной подход к созданию новых семейств автомобильных двигателей с опережающей отработкой наиболее форсированных моделей с наддувом.

Применительно к отечественной автомобильной технике подобное направление было принято при создании Ярославским объединением "Автоди-зель" двигателей со средним турбонаддувом типоразмера 4Н14/14 моделей ЯМЗ-8401. ЯМЗ-8421. ЯМЗ-8424, ЯМЗ-8423 и отработке дизелей с высоким турбонаддувом типоразмера 4Н21/21 мод. ДМ-21А Уральским турбомоторным заводом. Благодаря тщательной расчетно-конструкторской проработке, лабораторным исследованиям элементов конструкции с учетом возможных в условиях эксплуатации перегрузок. применению передовых технологи! изготовления высоконагруженных деталей освоение этих форсмршышиых дви- -гателей нового поколения прошло с меньшими препятствиями, чем модернизация двигателей предыдущих поколений.

К настоящему времени автомобильные дизели с турбоиаддувом для грузовых автомобилей доведены до большой степени совершенства. Применительно к двигателям автомобилей большой грузоподъемности темп совершенствования показателей технического уровня в последнее десятилетие ускорился. Все отмеченные ниже лучшие показатели серийных двигателей достигнуты только для моделей с турбоиаддувом, юишуратюкмэтбиость которых возрастает.

>s~ В работах по созданию и освоению производства отечественных автомобильных дизелей с турбоиаллувом максимально учитывался опыт использования и повышения турбоиаддува дизелей неавтомобильного назначения — судовых, тепловозных, авиационных и тракторных. Поскольку базовым специализированным агрегатом дизелей с турЛомадлувом является турбокомпрессор. то при его отработке использованы результаты исследований лопаточных машин. Однако особенности автомобильного производства и эксплуатации потребовали нахождения ряда новых решений в области малоразмерных турбокомпрессоров. при создании агрегатов охлаждения наддувочного воздуха и других элементов систем турбоиаддува.

Содержание данной книги сосредоточено иа особенностях двигателей с турбоиаддувом для автомобилей.

В книге делается также попытка решения ряда вопросов в области теории инженерных расчетов, наиболее актуальных для использования двигателей с турбоиалдувом иа автомобилях.