Особенности работы двигателя внутреннего сгорания на быстроходной гусеничной транспортно – тяговой машине

Условия движения БГМ вызывает необходимость значительного (в 10 и более раз) изменять значение крутящего момента на колесах. При этом желательно автоматическое изменение момента с изменением условий работы БГМ, т.е. увеличение момента в случае уменьшения скорости из-за увеличения внешней нагрузки и наоборот – уменьшение момента с уменьшением нагрузки. Скоростная характеристика такого «идеального» двигателя приведена ниже.

Двигатель с такой характеристикой мог бы максимально упростить трансмиссию БГМ. Качественно такой характеристике соответствует характеристика паровой поршневой машины, обладающей автоматическим изменением момента  M_д  от частоты вращения двигателя n при постоянной подаче пара. Приближающейся к идеальной имеют характеристики некоторых типов моторно-трансмиссионной установки (МТУ), включающей электродвигатель  (МТУ  трактора ДЭТ-320).  Для получения электроэнергии такие МТУ снабжают генератором постоянного или переменного тока, приводимым от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Энергия претерпевает двойную трансформацию,  КПД МТУ у таких машин получается ниже, чем у машин с механической трансмиссией.

Рис 5.1. Характеристика «идеального» двигателя. N_e – Эффективная мощность; M _д – Крутящий момент двигателя; n – частота вращения двигателя

Широкое распространение на БГМ получили дизельные двигатели (дизели), начинают применяться дизели с площадкой постоянной мощности (дизели постоянной мощности - ДПМ). Ниже приводится внешняя скоростная характеристика дизеля и ДПМ.

Рис. 5.2 Внешняя скоростная характеристика дизеля и ДПМ

На рис 5.2 приняты следующие обозначения:

N_н , M_н – номинальные мощность и крутящий момент двигателя;

М_мах; М_м^/– максимальный крутящий момент обычного дизеля и ДПМ;

n_н, n_хх – частоты вращения коленчатого вала номинальная и при холостом ходе;

n_м – частота вращения при максимальном моменте;

µ = – коэффициент запаса крутящего момента обычного двигателя    

µ^./ = – коэффициент запаса крутящего момента для ДПМ;

k_м= - коэффициент приспособляемости обычного двигателя;k^/_м = - коэффициент приспособляемости для ДПМ.

k_м = 1,15…1,35 – бензиновый двигатель ; 

k_м= 1,12…1,27 – дизель с корректором ;

k^/_м = 1,3…1,6 - для ДПМ.

Постоянную мощность N _е для ДПМ получают с колебаниями  5% введением регулируемого турбонагнетателя с соответствующим согласованием цикловой подачи топлива и воздуха.

Ниже приводится внешняя скоростная характеристика дизеля Deutz-Fahr с площадкой постоянной мощности, чередующейся с площадкой постоянного момента в зоне наибольших тяговых усилий и пониженных оборотов двигателя.

Рис.5.3. Внешняя скоростная характерисика дизеля трактора Agrotron 265

Из приведенных экспериментальных данных следует, что зона постоянной мощности у данного двигателя находится в диапазоне частот 1800 – 2200 мин^-1, а зона постоянного момента в диапазоне частот 1350 – 1800 мин^-1. На графике хорошо видны участок гиперболической зависимости крутящего момента от частоты двигателя, соответствующий участку постоянной мощности, и участок близкой к пропорциональной зависимости мощности двигателя от его частоты при постоянном моменте. Эти зависимости описываются формулой:

        Мд= 9550  [Нм] , где  [кВт],  [мин-1].

Ниже приводится схема дизеля с турбонаддувом, который увеличивает весовое наполнение цилиндров воздухом за счет компрессора, вращаемого от турбины , установленной в выпускном трубопроводе    и использующей   энергию отработавших газов , рис . 5.4

Рис.5.4 Принципиальные схемы дизелей: а) без турбонаддува; б) с газотурбинным регулируемым наддувом и охлаждением надувочного воздуха: 1.-поршень, 2- шатун, 3-шейка кривошипа, 4-поддон, 5- перегородки картера, 6- цилиндр, 7-годовка цилиндра, 8-впускная труба, 9- впускной клапан, 10- очиститель, 11 – кулачки, 12- выпускной клапан, 13- труба, 14- форсунка, 15- диафрагма, 16- клапан регулировки давления, 17- выхлопная труба, 18- выпускной трубопровод, 19- турбина, 20- лопатки колеса компрессора, 21- патрубок, 22- охладитель, 23- вентилятор охлаждения дизеля,

Перспективным является использование в энергетических установках БГМ газотурбинного двигателя (ГТД), конструктивные преимущества которого по сравнению с поршневым заключаются, во-первых, в отсутствии деталей с возвратно-поступательным движением, во-вторых, в невысоких требованиях к качеству топлива и в высокой готовности, благодаря хорошим пусковым качествам. Также благоприятной для ТТМ является внешняя скоростная характеристика ГТД, рис. 5.5.

ГТД работает устойчиво во всем диапазоне частоты изменения вала тяговой турбины, включая полное торможение, при котором момент на валу турбины максимальный.

По соображениям экономичности выбирают частоту n1, по соображениям прочности и уровня трансформации момента вводят ограничение по частоте n₂=n_мах.

–рабочий коэффициент приспособляемости ГТД, изменяемый в пределах 2…3;

 – полный коэффициент приспособляемости ГТД, находится в пределах 4,5…5.

Увеличение коэффициента приспособляемости  позволяет упростить КП или вообще отказаться от нее. Широкому распространению ГТД на транспортных машинах препятствуют их недостатки:

- высокий удельный расход топлива ( у лучших ГТД  270 г/ кВт.ч, на границах рабочей области 326…340 г/кВт.ч);

- высокие температуры рабочего газа и лопаток турбины, требующие для применения камеры сгорания специальных жаростойких материалов, необходимость охлаждения лопаток рабочих колёс;

- высокая частота вращения колёс, доходящая до n_мах = 30000 мин^-1, что при высоких температурах требует повышенной механической прочности и усточивости против ползучести материала лопаток, а также высокой степени редуцирования частоты при передачи момента на ведущие колёса ТТМ.

4.