ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебнике изложены основы теории рабочих процессов, систем, динамики и конструкции двигателей внутреннего сгорания. Учебник составлен в соответствии с разделом курса «Автомобили, тракторы и двигатели внутреннего сгорания» для высших учебных заведений по специальности 0511 «Строительные и дорожные машины и оборудование», посвященным собственно двигателям внутреннего сгорания.
Основное внимание в данном учебнике уделено дизелям, потому что они наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым строительными и дорожными машинами к энергоагрегату. Кратко рассмотрены особенности работы карбюраторных двигателей, поскольку их широко используют на грузовых автомобилях, обслуживающих строительство, и некоторых дорожно-строительных машинах.
В отличие от ранее изданных учебников по двигателям внутреннего сгорания в данном учебнике значительное внимание уделено изложению материала о режимах работы и подборе двигателей для строительных и дорожных машин, а также экологическим показателям.
Во второе издание включены сведения о конструкции и надежности двигателей. Один из параграфов посвящен тепловым нагрузкам и тепловой напряженности деталей. Приводимый материал ограничивается сведениями, необходимыми инженерам, занимающимся конструированием, эксплуатацией и ремонтом строительных и дорожных машин.
Материал между авторами распределен следующим образом: А. С. Хачиян — предисловие, введение, § 2.5—2.7 (за исключением сведений по смесеобразованию и сгоранию в карбюраторных двигателях), гл. 3 (за исключением анализа влияния основных факторов на индикаторные показатели карбюраторных двигателей), гл. 6, 7 (кроме сведений по характеристикам карбюраторных двигателей); К- А. Морозов— § 1.1, 2.1—2.3. сведения о смесеобразовании и сгорании в карбюраторных двигателях в § 2.5 и 2.6, анализ влияния основных факторов на индикаторные показатели карбюраторных двигателей в $ 3.1, , § 4.1, 4.2 и 5.2 а также сведения о характеристиках карбюраторных двигателей в гл. 7; В. Н. Луканин — § 4.3, 4.4, гл. 8, § 9.1 и 9.2; В. И. Трусов —§ 1.2, 2.4, 5.1; Д. Д. Багиров — § 5.3 и гл. 10; Е. К. Кореи — § 9.3, 9.4 и 9.5.
ВВЕДЕНИЕ
Двигатели внутреннего сгорания (д. в. с.) — наиболее распространенный тип тепловых двигателей. На их долю приходится более 80% всей вырабатываемой в мире энергии. Благодаря компактности, высокой экономичности, надежности, долговечности они используются во всех областях народного хозяйства и являются единственным источником энергии на строительных и дорожных машинах, на которых применяются в основном дизели автотракторного типа.
Первый поршневой д. в. с. был создан Ленуаром в 1860 г. Двигатель работал по двухтактному циклу, имел золотниковое распределение, посторонний источник зажигания и потреблял в качестве топлива светильный газ. В 1877 г. Н. О т т о построил газовый двигатель, работающий по четырехтактному циклу с предварительным (перед воспламенением) сжатием. Это обеспечило существенное повышение экономичности по сравнению с двигателем Ленуара. Двигатели Отто получили промышленное применение. В 1889 г. в России И. С. К о с т о в и ч е м был разработан двигатель, работавший на жидком топливе (бензине) и предназначавшийся для установки на дирижабле. Р. Дизель построил первый двигатель с воспламенением от сжатия в 1896 г. Первые работоспособные двигатели с воспламенением от сжатия строились в России начиная с 1899 г.
Первые бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринкле-р а были построены в России в 1901 г. Особенно примечательна конструкция бескомпрессорного дизеля, разработанная русским инженером Я. В. Маминым для трактора в 1910 г. Наряду с развитием моторостроения развивалась и теория д. в. с. В 1906 г. проф. МВТУ В. И. Гриневецкий впервые разработал метод теплового расчета двигателя, который в дальнейшем развили и дополнили Н. Р. Б р и л и н г, Е. К. М а з и н г, Б. С. С т е ч к и н и др.
Особенно быстрое развитие получило отечественное моторостроение после победы Великой Октябрьской социалистической революции. В начале 30-х годов вступили в строй крупные тракторные заводы им. Ф. Э. Дзержинского, Харьковский, Челябинский, явившиеся базой выпуска дизелей, используемых на строительных и дорожных машинах. После победы в Великой Отечественной войне в кратчайшие сроки были восстановлены разрушенные тракторные заводы и построены новые — Алтайский, Владимирский, Липецкий, Минский и др. На Ярославском автомобильном заводе было освоено производство двухтактных дизелей, а в начале 60-х годов — семейства четырехтактных дизелей, получивших наряду с тракторными дизелями распространение на строительных и дорожных машинах. В настоящее время основной базой выпуска автомобильных дизелей, используемых на строительных и дорожных машинах, становится Камский автомобильный завод (проектная мощность 250 ООО дизелей в год). В 1981 г. общее число автотракторных двигателей внутреннего сгорания, используемых на строительных и дорожных машинах, составило около 200 ООО.
Одновременно с ростом выпуска шло непрерывное улучшение всех технико-экономических показателей дизелей. Можно отметить, в частности, переход в послевоенные годы на дизели с камерой сгорания в поршне, обеспечивший резкое повышение экономичности и пусковых качеств. Совершенствование конструкции, материалов и технологии изготовления позволило в годы девятой и десятой пятилеток в несколько раз увеличить моторесурс автотракторных дизелей. Достигнуто это при одновременном заметном увеличении удельной мощности дизелей в результате увеличения частоты вращения, а в течение последних лет — и применения наддува.
Наряду с коллективами тракторных и моторных заводов в усовершенствование автотракторных двигателей весомый вклад внесли научно-исследовательские и проектные институты, а также коллективы ряда ведущих кафедр учебных институтов.
Перед моторостроительной промышленностью в настоящее время стоят большие и важные задачи. Наряду с увеличением агрегатных и удельных мощностей, улучшением экономичности, пусковых качеств намечены дальнейшее повышение надежности и износостойкости, реализация принципов многотопливности, снижение шумоизлучения и токсичности отработавших газов. Последнее особенно важно для двигателей машин, работающих в крупных населенных пунктах и карьерах с ограниченной естественной вентиляцией.
Д. в. с. классифицируют по ряду признаков:
по способу осуществления газообмена — двух- и четырехтактные, с наддувом и без него:
по способу воспламенения — с воспламенением от сжатия (дизели) и с принудительным зажиганием (искровым или факельным);
по способу смесеобразования — с внешним и внутренним смесеобразованием;
по роду применяемого топлива — легкого, тяжелого, газообразного, смешанного и многотопливные;
по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением;
по способу регулирования мощности при неизменной частоте вращения — с качественным, количественным и смешанным регулированием;
по расположению цилиндров — однорядные с вертикальным, горизонтальным и наклонным расположением; двухрядные (в том числе с V-образным и оппозитным расположением), звездообразные;
по назначению — стационарные, наземно-транспортные, судовые, авиационные.
На строительных и дорожны* машинах применяют в основном транспортные четырехтактные дизели, без наддува и с наддувом, имеющие жидкостное и воздушное охлаждение. Наиболее широко применяется однорядное вертикальное расположение цилиндров при их числе от двух до шести. Получают распространение V-образные конструкции с числом цилиндров 8, 10, 12. Применяют также питаемые бензином двух- и четырехтактные двигатели с искровым зажиганием, жидкостным и воздушным охлаждением. По типу используемой системы питания их называют карбюраторными двигателями. В учебнике карбюраторные двигатели рассмотрены на базе двигателей грузовых автомобилей, которые широко используются при строительных работах.
В настоящее время ведутся работы по использованию в двигателе внутреннего сгорания газового конденсата, природного и сжиженного газов, спиртов и водорода. Ведется разработка компаундных установок, в состав которых вхолят дизель с наддувом без системы охлаждения с повышенной энергией отработавших газов и силовая турбина, работающая на части энергии этих газов. Установки характерны высокой экономичностью, многотопливностью, малыми шумоизлучением и дым-ностью отработавших газов.
Для строительных и дорожных машин требуются двигатели мощностью 2,9 — 730 кВт. Они длительное время эксплуатируются на режимах, близких к номинальному, при значительном и непрерывном изменении внешней нагрузки, повышенной запыленности воздуха, нередко безгаражном хранении машин и в существенно различных климатических условиях. Основной целью излагаемого курса является вооружение будущих специалистов суммой базовых знаний, необходимых для рационального подбора и эксплуатации двигателей автотракторного типа на строительных и дорожных машинах. Это обеспечит решение задач, поставленных Коммунистической партией и Советским правительством перед отраслью — обеспечение высокого качества работ при минимальных затратах сырья и трудовых ресурсов.
ЛИТЕРАТУРА
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................. 3
введение....................... 4
Г лава 1. Термодинамические основы работы двигателей и элементарные реакции сгорания топлива ............................................. 7
§ 1,1. Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания .............................................. 7
§ 1.2. Топливо, топливовоздушные смеси и продукты их сгорания .13
Глаза 2. Действительные циклы ............................ 20
§ 2.1. Общие положения............................................ 20
§ 2.2. Процессы газообмена .............................. 24
§ 2.3. Процесс сжатия............................................... 35
§ 2.4. Процессы подачи и распиливания топлива.... 37
§ 2.5. Процессы смесеобразования........................... 47
§ 2.6. Процессы сгорания и тепловыделения.................... 62
§ 2.7. Процесс расширения....................................... 80
Г лава 3. Показатели рабочего цикла и двигателя......... 83
§3.1. Индикаторные показатели........................... 83
§ 3.2. Механические потери...................................... 98
§ 3.3. Эффективные, удельные массовые и другие технико-экономические показатели двигателей ................. 103
§ 3.4. Тепловой баланс двигателя............................. 108
§ 3.5. Тепловые нагрузки на детали двигателя и их тепловая напряженность ................................................. 111
Глава 4. Экологические показатели работы двигателя................................................... 115
§ 4.1. Образование токсичных компонентов отработавших газов . ........................ 115
§ 4.2. Основные способы снижения токсичности и дымности отработавших газов ................................................ 121
§ 4.3. Акустические показатели двигателей ....... 126
§ 4.4. Основные способы снижения шума двигателей ... ... 130
Глава 5. Системы питания и наддува............................ 135
§ 5.1. Топливные системы дизелей.................................. 135
§ 5.2. Система питания карбюраторных двигателей ...... 153
§ 5.3. Системы наддува................................................... 163
Глава 6. Автоматическое регулирование режима работы двигателей . . 170
Глава 7. Характеристики двигателей при работе на установившихся режимах ......... 1^9
Г лава 8. Динамика двигателя ...................... ., 208
§ 8.1. Общие положения........................................... 208
§ 8.2. Уравновешивание двигателей................................ 219
§ 8.3. Крутильные колебания валов ........... 228
Глава 9. Основные сведения о конструкции двигателей...... 239
§ 9.1. Общие положения о качествах конструкций, нагруженности деталей и прочностных расчетах двигателей внутреннего сгорания ................ 239
§ 9.2. Особенности конструкций и условий работы деталей двигателя .................................................. 245
§ 9.3. Система смазки..........................................262
§ 9.4. Система охлаждения.................................. 269
§ 9.5. Система пуска ..............................................276
Глава 10. Особенности работы и подбора двигателей строительных и до рожных машин .............. 281
§ 10.1. Условия эксплуатации двигателей.......281
§ 10.2. Влияние неустановившегося характера внешней нагрузки на работу двигателя.................................288
§ 10.3. Повышение эффективности работы двигателей................................................... 293
§ 10.4. Подбор двигателей для машин.......................... 300
Заключение........................ 304
Литература ..............................309