Двигатели пожарных автомобилей

На ПА применяются четырехтактные карбюраторные двигатели или дизели.

В карбюраторных двигателях смесеобразование бензина с воздухом осуществляется вне их цилиндров. Готовая рабочая смесь поступает в цилиндры двигателя от карбюратора. Эта смесь, при положении поршней вблизи верхней мертвой точки, воспламеняется от искры свечи зажигания.

В дизелях дизельное топливо впрыскивается форсунками в цилиндры при положении поршней вблизи верхней мертвой точки. Образовавшаяся смесь распыленного форсункой дизельного топлива и воздуха воспламеняется в конце такта сжатия.

Поэтому давление в цилиндрах дизеля должно быть более высоким, чем у карбюраторных двигателей. Оно в основном зависит от степени сжатия всасываемого воздуха. Степенью сжатия двигателя называют отношение (см.рис.6.3)

Рис. 6.3. Индикаторная диаграмма двигателя: rа – такт всасывания; ас – такт сжатия; сz - повышение давления при сгорании топлива; bz – рабочий ход; br – выхлоп

Q1

P, МПа

z

c

r

b

a

S, мм

BMT

HMT

Vh

Va

Vc

Q2

e = (6.2)

Изменение давления внутри цилиндра двигателя по ходу поршня в различных тактах называют индикаторной диаграммой.

Индикаторная диаграмма – это диаграмма изменения давления газа в цилиндре двигателя в зависимости от изменения положения поршня, записанная с помощью прибора индикатора. Пример такой диаграммы для карбюраторного двигателя показан на рис.6.3.

Важными параметрами индикаторной диаграммы являются давление в конце такта сжатия Р_с , МПа и давление в конце сгорания Р_z , МПа.

Площадь a,c,z,b индикаторной диаграммы характеризует индикаторную работу. Принято считать, что на поршень действует некоторое среднее индикаторное давление Р_i. Оно на протяжении рабочего хода поршня характеризует полезную работу. На диаграмме она обозначена знаком «плюс». Знаком «минус» обозначена работа, затрачиваемая на всасывание рабочей смеси и удаление отработавших газов.

Зная среднее индикаторное давление Р_i, МПа, рабочий объем цилиндра V_p, л, число цилиндров i частоту вращения коленчатого вала n об/мин определяют индикаторную мощность двигателя.

(6.3)

где: - тактность двигателя.

Мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя меньше индикаторной мощности, так как часть ее расходуется на преодоление трения рабочих деталей, на приведение в действие вспомогательных механизмов (топливного насоса, газа, распределительного механизма и т.д.). Мощность, соответствующая этим потерям, называется мощностью механических потерь N_м.

Полезную мощность, которую можно снимать с коленчатого вала двигателя называют эффективной мощностью

N_е = N_i - N_м , кВт (6.4)

Совершенство конструкции двигателя оценивают величиной механического коэффициента полезного действия

h_м = . (6.5)

Мощность N_e и N_м определяют на специальных стендах. С помощью тормозных устройств определяют также крутящие моменты M_e Нм при заданных частотах вращения коленчатого вала n об/мин. Эффективную мощность определяют по формуле

N_e = M_e · w = M_e (6.6)

где: M_е - эффективный крутящий момент, Н·м; ω – скорость вращения коленчатого вала двигателя, С^-1; п – частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин.

Преобразуя формулу 6.6 и выражая мощность N_e в кВт находят величину M_е , Н·м

M_е = , Н·м . (6.7)

Важной характеристикой является удельный эффективный расход топлива g_e

g_e = , кг/кВт·ч (6.8)

где: G_т - часовой расход топлива, кг/ч.

Параметры основных показателей, характеризующих двигатели, приводятся в табл.6.3.

Таблица 6.3

Показатели	Размерность	Карбюраторные двигатели	Дизели
Степень сжатия, e Давление, Рс Давление, Рz Механический, hn Удельный эффективный расход топлива, gе	- МПа МПа - г/кВт, ч	4-10 0,8…2,0 3…6 0,75…0,85 290…350	14-17 3…7 6…9 0,7…0,83 234…265

На пожарных автомобилях предпочтительнее использовать дизели, т.к. расход топлива в них меньше на 25…30%, чем у карбюраторных двигателей. Одновременно следует указать, что пуск дизеля более тяжел, чем карбюраторного двигателя вследствие различия величины e.

Важной характеристикой двигателя является токсичность выпускных газов. В выпускных газах, кроме продуктов полного сгорания (углекислого газа и паров воды), содержится в небольшом количестве окись углерода СО, углероды различного состава и строения СН, сажа, а также окислы азота воздуха NO_x, свинец, входящий в состав этиловой жидкости. Концентрацию СН, СО, NO_x и сажи определяют специальными приборами. Концентрацию СО определяют в объемных процентах, сажу в г/м³ выпускных газах.

Концентрацию СН и NO_x записывают в миллионных долях, например,

r_CH = (6.9)

где: r_CH - концентрация СН в отработавших газах, млн^-1; V_CН - парциальный объем СН, м³; V_CM - объем выпускных газов, м³.

Содержание токсичных газов в выпускных газах двигателей приводится в табл.6.4.

Таблица 6.4

Тип двигателя	СН, млн-1	СО, %	NOx, млн-1	Сажа, г/м3
Карбюраторный Дизельный	1000…3500 50…1000	0,2…6 0,05…0,3	400…4500 200…2000	0,05 0,1…0,3

Очень опасной является сажа. На ней адсорбируется большое количество веществ и она, к сожалению, не улетучивается, а осаждается на пол. Наиболее опасным из них является бенз- -пирен, так как по некоторым данным он является возбудителем онкологических заболеваний.

Характеристики двигателей – это зависимости основных показателей двигателей ( N_e, M_e и g_e ) от частоты вращения его коленчатого вала n, об/мин.

Характеристику N_e = f(n) называют скоростной (кривая 1 на рис.6.4). Скоростную характеристику, полученную при полной подаче топлива, называют внешней. Характеристики, получаемые при неполной подаче топлива, называют частичными (кривая 2 на рис.6.4).

В характеристиках указывают минимальные обороты двигателя n_min; обороты n_N соответствующие максимальной мощности N_{e max} и обороты максимального крутящего момента n_{Me max}.

В случае установки на двигателе ограничителей скорости N_e и M_e изменяются, как показано прямыми 5 (см.рис.6.4). Максимальная скорость n_max отличается от n_N величину около 10%.

Рис. 6.4. Скоростная характеристика двигателя:

1 – внешняя характеристика; 2 – частичная характеристика; 3 – крутящий момент;
4 – удельный расход топлива; 5 – регуляторные характеристики

Из рис. 6.4 следует, что область, ограниченная внешней скоростной характеристикой (кривая 1) и диапазоном скоростей от n_{Me max} до n_N, является областью, в которой эксплуатируются двигатели. Для примера приводится внешняя скоростная характеристика дизеля КамАЗ-740.11 мощностью 176 кВт (рис.6.5).

Рис. 6.5. Внешняя скоростная характеристика двигателя КамАЗ-740.11: 1 – крутящий момент; 2 – внешняя скоростная характеристика; 3 – удельный расход топлива, г/кВт·ч

1

2

3

n, об/мин

Mk,Hм

Ne,кВт

ge,г/(кВт·ч)

В документации на двигатели указывают N_{e max} и n_N. По параметрам этих величин можно построить внешнюю скоростную характеристику двигателя, используя формулу

N_e = N_{e max} (6.10)

где: n - текущие значения частот вращения вала двигателя, об/мин.

Для карбюраторных двигателей а = b = с = 1, а для дизелей а = 0,53; b = 1,56 и с = 1,09.

Приводимые в справочниках значения N_{e max} и n_N, получены на основании стендовых испытаний. На автомобилях же она частично расходуется на привод вентилятора, компрессора, часть ее теряется в глушителе и т.д. Поэтому в расчетах эту часть энергии учитывают коэффициентом коррекции К_к. Для двухосных автомобилей К_к = 0,88, а для трехосных К_к = 0,85.

Важной характеристикой для двигателей внутреннего сгорания является величина крутящего момента. Его величина и крутизна изменения в зависимости от частоты вращения вала двигателя M = f(n) и характеризуют приспособляемость двигателя. Это способность двигателя преодолевать (без воздействия со стороны водителя) возможное увеличение сопротивления от внешней нагрузки. Она характеризуется отношениями

K = или K = (6.11)

Чем круче поднимается кривая М_е при уменьшении n, тем меньше снизится скорость автомобиля при увеличении сопротивления движению. Следовательно, можно будет преодолевать более крутые подъемы, не переходя на пониженную передачу. Следовательно, чем больше К_, тем лучше тяговые качества автомобиля, выше средняя скорость движения и легче управление.

По показателю К предпочтительнее бензиновые двигатели. У них К = 1,2…1,4, а у дизелей К = 1,05…1,15. Поэтому у дизелей имеются корректоры, повышающие К. Кроме того, на автомобилях с дизелями всегда больше число ступеней скоростей в коробке передач, чем у автомобилей с карбюраторными двигателями.

На пожарных автомобилях используются двигатели различных типов и серий. Параметры основных характеристик некоторых двигателей приводятся в табл.6.5.

Таблица 6.5

№№ пп	Марка	Тип	Ne max , кВт	nN, об/мин
	ЗИЛ-130 ЗИЛ-508.10 ЗМЗ-66 ЯМЗ-236 ЯМЗ-138 ЗИЛ-645 КамАЗ-740 КамАЗ-740.11	К К К Д Д Д Д Д	84,4

Примечание. К – карбюраторный двигатель; Д – дизель.

Режимы эксплуатации двигателей ПА характеризуются рядом особенностей.

В гаражах пожарных частей они содержатся при температурах окружающей среды, а зимой при температуре не ниже 16⁰С. Естественно, что это и температура охлаждающей жидкости двигателя. При вызове и следовании на пожар в течение 5…10 минут двигатели работают в режиме прогрева. Если пути следования относительно небольшие, то в транспортном режиме ПА двигатели эксплуатируются в режиме прогрева. Это первая особенность их эксплуатации. В среднем, в течение года пробеги ПА по спидометру достигают значений 3500…4000 км.

Второй особенностью эксплуатации двигателей ПА является отбор мощности от него в стационарном режиме. В стационарном режиме работа на насосе достигает 100-120 часов в год. Так как один час работы двигателя в стационарном режиме эквивалентен пробегу, равному 50 км, то приведенный пробег равен 5000…6000 км в год. Это соизмеримо с продолжительностью эксплуатации в транспортном режиме ПА.

Третья особенность эксплуатации ДВС ПА характеризуется тем, что они работают от нескольких десятков минут при тушении обычных повседневных пожаров до нескольких часов при тушении крупных пожаров.

Эти обусловлено требование, чтобы двигатель обеспечивал непрерывную работу насоса в течение шести часов при номинальных значениях напора и величины подачи воды. Это очень жесткие условия еще и потому, что в стационарном режиме эксплуатации отсутствует натекающий поток воздуха на радиатор, имеющий место в транспортном режиме эксплуатации. Поэтому не исключено, что в некоторых случаях может происходить перегрев двигателя. Для его предотвращения было установлено ограничение отбираемой мощности в стационарном режиме n_ст = 0,7 N_max и при необходимости в движении до 0,2 N_max. Во избежание большой интенсивности износа двигателей было установлено ограничение частоты вращения вала двигателя n = 0,75 n_N.

Рис.6.6. Поле отбора мощности от двигателя в стационарном режиме: 1 – внешняя скоростная характеристика; 2 – частичная скоростная характеристика

a

n, об/мин

nN

nmin

0,75 nN

К

Ne, кВт

Ne max

1

2

Отобразим эти ограничения на внешней скоростной характеристике двигателя (рис.6.6) и из точки «К» построим частичную скоростную характеристику «аК». Ее можно построить по приведенной выше формуле (6.10), приняв координаты точки «К» за исходные. Рекомендуется также, чтобы в точке «К» был запас мощности не менее 15%, так показано на рисунке.

Ограничение режимов эксплуатации двигателя по мощности и частоте вращения вала значительно сокращает поле использования полезной его мощности. Это, естественно, требует жесткого согласования режимов работы двигателя и потребителя.

В случае, если потребляемая мощность будет превосходить мощность, соответствующую точке «К», то необходимо устройство дополнительного охлаждения двигателя. Для этого на некоторых автоцистернах установлены теплообменники (рис.6.7). Вода из системы охлаждения двигателя поступает в корпус 1 теплообменника и охлаждается водой, поступающей из пожарного насоса.

В двигателях автоцистерн изменена система выпуска отработавших газов. Перед глушителем 3 (рис.6.8) установлен газоструйный вакуумный аппарат 2. Отработавшие газы двигателя поступают к патрубкам 1. Газоструйный насос в аппарате 2 отсасывает воздух из пожарного насоса по трубке 6. В пожарном насосе создается необходимый вакуум для заполнения его водой из естественного или искусственного источника.

Рис. 6.7. Принципиальная схема теплообменника: 1 – корпус теплообменника; 2 – змеевик с подачей воды из насоса

Рис. 6.8. Система выхлопа отработавших газов (ОГ): 1 – патрубки; 2 – трубка к вакуумному крану и насосу; 3 – отвод газов для обогрева цистерны; 4 – выхлопная труба; 5 – глушитель; 6 – газоструйный вакуумный аппарат

1

2

6

1

5

3

4

2

Из аппарата 2 отработавшие газы поступают в резонатор, соединяющий звуковые сигналы. Из глушителя отработавшие газы выходят в атмосферу по трубопроводу 4. В зимнее время они по трубопроводу 5 направляются в систему обогрева цистерны или насосного отсека с пожарным насосом.

Шасси. Трансмиссии

Шасси объединяют такие группы деталей, механизмов и систем: трансмиссии, несущую систему, мосты, подвеску, колеса, рулевое управление и тормозную систему. На пожарных основных и многих специальных автомобилях установлены дополнительные трансмиссии для привода различных потребителей энергии. Такими потребителями мощности на основных пожарных автомобилях общего применения являются пожарные насосы, на специальных – приводы гидравлических систем (например, на автолестницах).

Трансмиссией называется совокупность кинематически связанных между собой узлов и деталей, предназначенных для передачи и распределения энергии от двигателя к исполнительным механизмам.

Трансмиссии обеспечивают: включение и выключение исполнительных механизмов, передачи вращающего момента, изменения частоты вращения вала исполнительного механизма и изменения направления (если это необходимо) его вращения.

В современных конструкциях пожарных машин применяются трансмиссии механические, гидромеханические, комбинированные. Они должны удовлетворять ряду требований:

быть компактными, легкими в управлении и иметь высокий КПД;

обеспечивать в широком интервале изменение нагружения исполнительных механизмов;

иметь предохранительные устройства, защищающие детали и узлы исполнительных механизмов от возможных перегрузок.

Все используемые в конструкциях пожарных машин трансмиссии характеризуются следующими основными параметрами: передаточным числом, КПД и передаваемым вращающим моментом.

Передаточное число u простейшей механической передачи, состоящей из ведущей и ведомой шестерен, определяется следующим соотношением

, (6.12)

где: n₁, n₂, z₁, z₂, d₁, d₂- соответственно частота вращения, число зубьев и диаметры начальных окружностей ведущего и ведомого зубчатых колес.

При < 1 передача называется ускоряющей (мультипликатор) и при u >1 – понижающей (редуктор).

Если трансмиссия имеет несколько пар зубчатых колес, из которых каждая имеет свое передаточное число, то общее передаточное число трансмиссии будет равно

u_общ = u₁, u₂...u_n (6.13)

Коэффициент полезного действия (кпд) трансмиссии характеризует потери мощности при передаче ее от двигателя к исполнительному механизму и определяется по формуле

h = (6.14)

где: N_e - эффективная мощность двигателя; N_м - мощность механических потерь в трансмиссии; N_и - мощность, подводимая к исполнительному механизму.

КПД определяется экспериментальным путем при стендовых испытаниях трансмиссии. Величина η в значительной степени зависит от типа и конструкции трансмиссии, частоты вращения ее элементов, передаваемой величины вращающего момента, а также вязкости и уровня масла в агрегатах трансмиссии.

Общий КПД трансмиссии, состоящий из нескольких механизмов, определяется по формуле

h_общ = h₁ h₂ … h_{n ,} (6.15)

где: h₁ ,h₂, h_n - соответственно КПД промежуточных элементов, составляющих трансмиссию.

Крутящий момент исполнительного механизма М_и связан с эффективным крутящим моментом двигателя М_е для случая равномерного вращения зависимостью

М_и = М_е u_общ h_общ . (6.16)

Механические трансмиссиивключают в себя механические передачи, муфты, сцепления и другие элементы, обеспечивающие передачу энергии.

В дополнительных трансмиссиях применяются механические или гидромеханические передачи. Передачи используются в качестве приводов пожарных автолестниц или автоколенчатых подъемниках. Они будут рассмотрены при изучении этих машин.

Механические передачи – редукторы или мультипликаторы.

В пожарных машинах они применяются для преобразования и передачи крутящего момента между валами с параллельными или перекрещивающимися осями.

В первом случае они используются в коробках отбора мощности в дополнительных трансмиссиях привода пожарных насосов. В них используются зубчатые колеса с прямыми и косыми зубьями. Они применяются в комбинированных пожарных насосах для передачи крутящего момента от валов низконапорной к валам высоконапорной ступени. В механизмах поворота пожарных автолестниц и пожарных подъемников используются передачи с внутренним зацеплением.

Во втором случае применяют червячные передачи в механизмах поворота и подъема колен пожарных автолестниц и пожарных автоподъемниках.

Зубчатые передачи составляют основу коробок отбора мощности (КОМ). Принципиальная схема одной из них представлена на рис.6.9. Корпус 4 КОМ крепится на картере коробки передач или раздаточной коробки трансмиссии автомобиля. От шестерни 1 на валу коробки передач, мощность передается с помощью промежуточного зубчатого колеса 2 к ведомой шестерне 3 КОМ. С помощью зубчатой муфты он затем передается на вал 5 привода пожарного насоса.

3

4

5

2

1

Рис.6.9. Схема коробки отбора мощности: 1 – зубчатое колесо ведущее; 2 – промежуточное зубчатое колесо; 3 – ведомая шестерня; 4 – соединительная муфта; 5 – ведомый вал

КОМ являются основным механизмом дополнительных трансмиссий на автоцистернах. В зависимости от колесной формулы шасси и места размещения пожарного насоса (в кормовом насосном отсеке или у кабины АЦ) схемы компоновок этих трансмиссий могут быть различными (рис.6.10).

Вариант I (рис.6.10, а) применяют на АЦ-40(131)137; на автоцистернах на шасси Урал АЦ-8-40(55571), на шасси ЗИЛ АЦ-2-40(5301) и др. Разновидностью первого варианта является схема со средним расположением насоса (рис.6.10, б), например, на АЦ-40(43202) на шасси Урал и др.

Отличительной особенностью такой схемы является укороченная длина карданной передачи, не имеющей промежуточной опоры. В обеих схемах варианта I крутящий момент от двигателя 1 передается через механизм сцепления 2, коробку передач 7, коробку отбора мощности 3, карданную передачу 4 и вал пожарного насоса 6. Карданная передача при заднем расположении насоса имеет две промежуточные опоры 5. На всех пожарных автомобилях, выполненных на шасси ЗИЛ, устанавливают коробку отбора мощности КОМ-68Б, а на шасси «Урал» – КОМ-Ц1А.

Вариант II (рис.6.10, в) осуществляют на автоцистернах АЦ-30(5301, АЦ-2,5-40(33092), монтируемых на шасси ГАЗ с колесной формулой 4х2. Мощность от двигателя 1 к валу насоса передается через механизм сцепления 2, коробку перемены передач 7, коробку отбора мощности 3 и далее через два карданных вала 4, соединенных на вал насоса 6. Карданная передача от коробки отбора мощности к валу насоса имеет промежуточную опору 5.

Вариант III представлен на рис.6.10, г. Такую схему применяют, как правило, на всех пожарных автомобилях, монтируемых на шасси повышенной проходимости с колесной формулой 4х4. Например, на АЦ-30(66)-146 пожарный насос 6 приводится в действие от двигателя 1 через механизм сцепления 2, коробку передач 7, карданный вал 4, раздаточную коробку 8, коробку отбора мощности 3.

Рис. 6.10. Схемы компоновки дополнительных трансмиссий:
а, б – вариант I; в – вариант II; г – вариант – III:

1 – двигатель; 2 – сцепление; 3 – коробка отбора мощности; 4 – карданный вал;
5 – опоры; 6 – пожарный насос; 7 – коробка передач; 8 – раздаточная коробка

В современных пожарных автоцистернах наиболее рациональной схемой является вариант среднего размещения пожарного насоса, ввиду существенных преимуществ по сравнению с задним расположением. К числу таких преимуществ относятся: более короткие элементы водопенных коммуникаций; возможность осуществлять более низкое размещение цистерны для воды и, следовательно, снизить центр массы пожарного автомобиля.

Недостатком среднего размещения пожарного насоса является неудобный доступ к нему при техническом обслуживании и устранении возможных неисправностей.

Сочетание аксиально-поршневых насосов с механическими передачами образуют комбинированные трансмиссии. Принципиальная схема такой трансмиссии показана на рис.6.11. От коробки отбора мощности 1 вращающий момент передается на аксиально-поршневой насос 2. С помощью специальных гидросистем 3 он затем передается на гидромотор 4, а от него к исполнительному механизму 5 червячной передачи подъема колен автолестниц. Такого же типа гидромеханическая передача используется в механизмах поворота пожарных автолестниц и автоколенчатых подъемников.

1

2

3

4

5

6

Рис. 6.11 Схема гидромеханической передачи: 1 – КОМ; 2 – гидронасос; 3 – гидравлическая система управления; 4 – гидромотор; 5 – червячная передача; 6 – барабан

Управление механизмами трансмиссии двигателя и другими исполнительными органами осуществляется приводами механическими, пневматическими и гидравлическими.

П р и н ц и п и а л ь н а я с х е м а м е х а н и ч е с к о г о п р и в о д а н е п о с р е д с т в е н н о г о д е й с т в и я показана на рис.6.12. Управление осуществляется под действием усилия F₁, прилагаемого водителем к рычагам или педалям, включающими тот или иной механизм. Максимальное усилие на рычаге не должно превышать 150 Н при ходе 20…30 см, а на педалях не более 250 Н.

S

F1

F2

h

Рис. 6.12. Схема механического привода

Соотношение между усилием на рукоятке рычага и усилием включения рабочего органа исполнительного механизма системы с механическим приводом характеризуется передаточным числом u = S/h . Обычно u = 25…40.

Такие приводы используются для включения КОМ, газоструйных вакуумных аппаратов, приводов вакуумных насосов ПЦН и т.д.

Э л е к т р о п н е в м о п р и в о д применяется для включения в работу механизмов на автоцистернах, автолестницах и других ПА.

Принципиальная схема привода показана на рис.6.13. Пружиной 3 поршень 4 со штоком 2 отжаты вправо. Управляемый механизм выключен. При включении электромагнитного клапана 6 точки а^' и b^' займут место точек а и b. При этом сжатый воздух по пневмоприводу 7 поступит в надпоршневое пространство. Давление воздуха на поршень 4 сожмет пружину 3 и штоком 2 будет включен управляемый механизм.

Рис. 6.13. Схема электропневмопривода:

1 – пневмоцилиндр; 2 – шток; 3 – пружина; 4 – поршень; 5, 7 – пневмопривод;
6 – электромагнитный клапан; 8, 9 – потребители

Включая электромагнитный клапан 6, точки а^' и b^' займут исходное положение. При этом под давлением пружины 3 на поршень 4 воздух из поршневого пространства по пневмоприводу 5 будет удален в атмосферу.