Қазіргі кезеңде бүкіл көлік және ауыл шаруашылығы техникасының қозғаушы күші механикалық энергия негізінен органикалық отынның қызуынан алынады

Автомобиль, трактор, басқа да көлік түрлері үшін жылу моторының ең көп таралған түрін - піспекті іштен жану моторын (ІЖМ) пайдаланады. Бұл мотордың көлем ықшамдылығы, отын үнемділігі, үлестік қуаты, сенімділігі мен төзімділігі сияқты аса маңызды көрсеткіштері бүгінгі таңда жоғары деңгейде.

Іштен жану моторының, яғни отын цилиндр ішінде жанатын мотордың дүниеге келуі - көптеген оқымыстылар мен өнертапқыштар еңбегінің жемісі. Бұған әсіресе бу машинасын жасаушылардың тәжірибесі тікелей әсер етті. Алғашкы ІЖМ жасалғанға дейін көп уақыт бұрын (1824 ж.) француз инженері С.Карно өзінің «От қызуының қозғаушы күші туралы толғану» атты еңбегінде осындай мотордың толық сипаттамасын берген болатын. Бірақ сол кездегі техниканың жалпы даму деңгейі мен өндірістік сұраныстың төмендігіне байланысты бұл ұсынысты іске асыру әрекеті болмады.

Тек 1860 ж. ғана француз механигі Ж.Ленуар өндірістік талаптарға бейімделген алғашкы іштен жану моторын жасап шығарды. Бұл екі ырғақты цикл бойынша (сығымдаусыз) жарықшам газымен жұмыс істейтін мотор еді. Сығымдау процесінің жоқтығына байланысты оның қуаты мен пайдалы әсер коэффициенті бу машинасының деңгейінен аспады, бірақ көлемі әлдеқайда ықшам болатын.

ІЖМ жетілдіру барысындағы елеулі белес - оның жұмысына сығымдау процесін енгізу, яғни төрт ырғақты циклге көшу болып табылады. Кезінде іске аспаған бұл идеяны әр жылдары Ф.Лебон, С.Карно, А.Бо де Роша, т.б. өнертапқыштар ұсынған болатын. Дегенмен, төрт ырғақты моторды жасап, оны өндіріс жағдайына бейімдеуде неміс механигі Н.Оттоның еңбегі өте зор. Оның 1876-1878 ж. жасаған төрт ырғақты газ моторының алғашқы нұсқаларының өзі-ақ қуаттылығымен, отын үнемділігімен және жұмысының жайлылығымен көзге түсті. Осындай моторлар Германияда көптеп шығарыла бастады.

1880 – 1885 ж. неміс инженерлері мен өнертапқыштары Г.Даймлер. К.Бенц, В.Майбахтың төрт ырғақты моторда сұйық отын қолдануы оның қуатын күрт өсірді. Әрі жеңіл, әрі қуатты бензин моторы қолға тигеннен кейін ғана (1885 ж.) «рельссіз жүретін отарба» - автомобиль жасау идеясын іске асыру мүмкін болды.

ІЖМ тарихындағы келесі бір маңызды окиға иеміс инженері Р.Дизельдің есімімен байланысты. Ол 1892 ж. өздігінен (қысым қызуынан) тұтанатын мотордың нұсқасына патент алып, 1897 ж. осындай мотордың өндірістік үлгісін жасап шығарды. Кейінде мотордың бұл түрі оның атымен дизель деп аталды. Алғашқы жылдары Дизель моторында керосин немесе өңделмеген мұнай компрессорда сығымдалған ауаның күшімен бүркіп берілетін. Алайда көп уақыт өтпей-ақ (1901 – 1904 ж.) компрессорсыз дизель (қазіргі дизельдің түпнұсқасы) пайда болды. Бұған Ресей инженері Г.В.Тринклер зор еңбек сіңірді.

XX ғасырдың басынан Батыс елдерінде, әсіресе, «автомобиль державасы» атанған АҚШ-та іштен жану моторын жасау мен қолдану аясы кеңейе түсті. Бұл іске Г.Форд, А.Ситроен, Б.ГЛуцкой, Ф.Порше сияқты талантты инженерлер мен автомобиль өндірісін ұйымдастырушылар үлкен үлес қосты. Қазіргі заманда мотор жасау - ғылым мен техниканың соңғы жетістіктері жинақталған өндірістің озық саласы, ал жыл сайын шығарылатын мотор саны ондаған миллионға жетеді.

Автомобильде басым түрде жүрдек дизель мен бензин моторын қолданады. Ауыр салмақты техника көбінесе үрмелі дизельмен жарақталады. Соңғы жылдары жеңіл автомобиль моторында компьютер арқылы басқарылатын бензин бүрку қондырғысы орнатылатын болды. Мұндай басқару жүйесі қазіргі дизельде де бар. Бүл ІЖМ-ның жұмыстық көрсеткіштерін айтарлықтай жақсартты.

Дегенмен әлемде автомобиль санының күрт өсуіне (қазір 600 млн. астам) байланысты табиғи ортаның ластануы және жер қойнауындағы мұнай қорының тапшылығы әлеуметтік зәру мәселеге айналып отыр. Осыған орай мамандар автомобиль көлігінде дағдылы мотордан өзгеше қуат көздерін (ротор-піспекті, газ турбиналык, Стирлинг моторлары) немесе басқа энергия түрлерін пайдалану мүмкіндігін зерделеуде.

Жылу моторларын отынды жағу тәсіліне байланысты 2 түрге бөледі. Егер отын цилиндрден тыс жерде жанып, цилиндр ішіне жылу сырттан түсетін болса, мұндай моторды сырттан жану моторы деп атайды. Бұл топқа бу машинасы, Стирлинг моторы жатады.

Отынның жануы да, жылу энергиясының жұмысқа айналуы да цилиндр ішінде өтетін мотор іштен жану моторы деп аталады. Дағды бойынша бұл атау піспекті ІЖМ үшін ғана (тар шеңберде) қолданылады. Шындығында, мысалы, газтурбиналық мотор да іштен жану моторы болып табылады.

Іштен жану моторын жіктеу. Негізгі құрылымдық және басқа да белгілеріне сай піспекті іштен жану моторын былайша жіктейді:

- нақты циклді іске асыру тәсілі бойынша екі ырғақты және төрт ырғақты, сондай-ақ үрмелі немесе үрмелі емес мотор;

- отынды тұтату тәсілі бойынша ұшқыннан тұтанатын (бір түрі - форкамералық алаудан тұтанатын) және қысым қызуынан өздігінен тұтанатын мотор(дизель);

- жанғыш қосынды түзу тәсілі бойынша сырттай (цилиндрден тыс) қосынды түзетін және іштей (цилиндр ішінде) қосынды түзетін мотор;

- қолданылатын отын түріне қарай жеңіл отын моторы (бензин, керосин), ауыр отын моторы (дизельдік отын, соляр майы, қалдық май), газ моторы (мұнай газы, табиғи газ, генератор газы, т.б.) және аралас немесе көп отынды мотор;

- қуат өзгерту әдісіне қарай қуаты мөлшерлік әдіспен өзгертілетін, яғни жанғыш қосындының мөлшерін өзгерту арқылы (мысалы, карбюраторлы моторда), қуаты сапалық әдіспен өзгертілетін, яғни жанғыш қосындының құрамын өзгерту арқылы, (дизель) және қуаты аралас әдіспен өзгертілетін мотор;

- цилиндрлерді жайғастыру әдісі бойынша еңкіш немесе тік қатарлы, V – тәрізді және цилиндрлері қарама-қарсы (оппозиттік) мотор;

- салқындату тәсілі бойынша ауамен салқындатылатын және сұйық затпен салқындатылатын мотор.

Қазіргі заман талабына сай жаңа машина жасап шығару – көп кезеңнен тұратын және сан-алуан мамандардың қатысуымен атқарылатын өте күрделі жұмыс. Бұл жұмыстың аса маңызды кезеңі мотордың конструкторлық жобасын жасауға байланысты. Мотордың негізгі көрсеткіштері жоғары деңгейде болуын қамтамасыз ету – конструктор үшін басты мақсат және сара бағыт. Мұндай көрсеткіштердің қатарына мотордың отын үнемділігі, үлестік қуаты, қолданыс мерзімі мен сенімділігі, табиғи орта үшін зиянсыздығы, өндіріске және қолдануға бейімділігі жатады. Бұрын сыннан өткен және жаңа мотор үшін түпнұсқа болып табылатын мотордың кейбір құрылымдық ерекшеліктерін немесе негізгі геометриялық өлшемдерін сақтау да моторды өндіріске енгізуді тездетеді.

Моторды жобалау және конструкторлық құжаттаманы дайындау техникалық тапсырмаға сай жүргізіледі. Техникалық тапсырмада мотордың қолдану мақсаты, құрылым ерекшеліктері, негізгі көрсеткіштері мен сипаттамалары, жобалау мерзімі мен конструкторлық құжат түрлері, тағы басқа қажетті мәлімет айқындалады. Конструкторлық жоба мотордың эскиздік, техникалық және жұмыстық жобаларынан тұрады. Эскиздік жобада мотордың жалпы құрылым схемасы, оның басты жүйелері мен тетіктерінің құрылымдық ерекшеліктері сараланады, сондай-ақ жылулық, динамикалық және тетіктердің беріктігін анықтайтын есептеулер жүргізіледі. Эскиздік жобалау кезінде мотордың көлденең және қума кесінді сызбалары, басқа да қажетті сызбалар жасалып, мотордың негізгі геометриялық өлшемдері айқындалады.

Моторды эскиздеу аяқталғаннан кейін оның техникалық жобасы әзірленеді. Бұл кезеңде мотордың жалпы құрылысы пысықталып, негізгі жүйелер мен механизмдердің сызбалары және сырттан алынатын бұйымдардың тізімі жасалады. Сондай-ақ өндіріс көлемі, технология ерекшеліктері, экономикалық тиімділігі, арнайы құрал-жабдық дайындау сияқты өндірістік мәселелер зерделенеді. Барлық техникалық есептеулер толық көлемде және егжей–тегжейлі жүргізіледі. Техникалық жоба жасауға конструкторлармен бірге басқа да мамандар, ең әуелі технологтар қатысады. Мотордың нақты циклі мен маңызды тетіктерді жетілдіре түсу үшін оның техникалық жобасымен қатар бір немесе екі цилиндрлі тәжірибелік үлгісі жасалады.

Техникалық жоба қабылданып, бекітілгеннен кейін мотор өндірісін қамтамасыз етуге бағытталған жұмыстық жоба дайындау қажет. Бұл үшін әрбір тетіктің жұмыстық сызбасын, оны жасаудың техникалық шартын әзірлейді. Материал шығынын есептеп, сырттан алынатын бұйымдардың тізімін пысықтайды. Мотордың төлқұжаты мен қолданыс ережелерін дайындайды. Моторды жан – жақты зерттеу және жетілдіру мақсатында тәжірибелік сынақ өткізу үшін оның толық көлемді нұсқасын қажетті мөлшерде жасап шығарады. Соңғы кезекте өткізілетін қабылдау сынағының нәтижесінде мотордың техникалық тапсырма мен техникалық құжаттама талаптарына сай екендігі, оның техникалық сапасы әлемдік деңгейге қаншалықты жақын екендігі айқындалып, моторды өндіріске енгізуге рұқсат беріледі. Алайда әлемдік мотор жасау тәжірибесіне сүйене отырып, мотор көрсеткіштерін онан әрі жақсарту жұмысы өндіріске енген мотор үшін де жалғаса береді.
1.2 Құрылымдық талаптар

Моторды жобалау оның нұсқалық схемасы мен негізгі геометриялық өлшемдерін, цилиндр санын, піспектің орташа жылдамдығы мен нақты циклдің тиімді орташа қысымын іріктеп, зерделеуден басталады. Аталған өлшемдер мотор құрылымы, көлем ықшамдылығы мен үлестік массасына (1 кВт қуат мөлшеріне тиесілі) шешуші әсер етіп, оның қуат деңгейін және оны арттыру мүмкіндіктерін сипаттайды. Мотор массасын азайтудың көлік кұралының жалпы массасына әсері онша үлкен емес, бірақ мотордың көлем ықшамдылығы оны көлік кұралында жайғастыру тұрғысынан аса маңызды жәйт.

Мотордың нұсқалық схемасы, цилиндр саны мен диаметрі бір– бірімен тығыз байланысты өлшемдер. Цилиндрлерді бір қатарлы тік немесі қос қатарлы V – тәрізді схема бойынша орналастыру автомобиль және трактор моторы үшін үйреншікті әдіс. Бір қатарлы мотор құрылымы қарапайым, өндіріс және қолданыс жағдайына оңтайлы. Сондықтан цилиндр саны 6-дан аспағанда бұл схема өте жиі қолданылады. Цилиндр саны 6-дан асатын моторды жобалауда V – тәрізді нұсқалық схеманы пайдалану тиімді. Цилиндр қатарларының арасындағы алшақтық бұрышын мотордың қолданыс және басқа да ерекшеліктеріне сай белгілейді; аталмыш бұрышы 45-90^о схема жиірек кездеседі. V – тәрізді схема мотордың ұзындығы мен биіктігін және массасын азайтып, иінді білік пен блоктың қатаңдығын ұлғайтады. Бір қатарлы мотормен салыстырғанда V – тәрізді мотордың ұзындығы орта есеппен 30 %, массасы 20 – 25 %, кемиді. Алайда мұндай мотордың ені үлкейіп, қосалқы механизмдерді жайғастыруда біраз қиындықтар болады. Кей жағдайда жүк автомобилі, автобус және арнайы мақсаттағы көлік құралдары үшін мотор цилиндрлерін қарама–қарсы сұлата орналастыру ұтымды. Сұлама, сондай–ақ V – тәрізді схемалар тізгінші кабинасын мотор үстіне жайғастырып, жүк қорабының пайдалы аумағын ұлғайтуға мүмкіндік береді. Сұлама цилиндрлі мотордың биіктігі өте кішкене болғандықтан, оны автобус қорабының астына орналастыруға болады.

Цилиндр саны мен диаметрі мотор жүрісінің ырғақтылығына, негізгі тетіктерге түсетін инерциялық және тербелістік күшсалмақ мөлшеріне, піспек пен піспектік тетіктердің қызыну дәрежесіне, көлем ықшамдылығына, нақты цикл көрсеткіштеріне, өндіріс және қолданыс шығындарына тікелей әсер етеді. Цилиндр санын көбейту оның геометриялық өлшемдерін кішірейтіп, жылжымалы тетіктердің массасын, демек инерциялық қүшті азайтады. Бұл негізгі тетіктердің беріктік қорына нұқсан келтірмей, мотордың айналым шапшандығын өсіруге мүмкіндік береді. Диаметрі кіші цилиндрді салқындату оңай, сондықтан бензин моторының сығымдау дәрежесін көтеруге болады. Алайда цилиндр диаметрін қысқарту оның ішкі бет ауданының көлемге қатынасын азайтып, сыртқа өтетің үлестік жылу шығынының молаюына және осыған орай мотордың ПӘК-нің төмендеуіне әкеп соғуы ықтимал. Цилиндрлер саны мен диаметрін белгілеуде ұқсас (түпнұсқа) моторларды қолдану тәжірибесінен жинақталған мәліметтің маңызы зор.

Мотордың жүрдектігін, піспек пен оның тетіктерінің қызыну және қажалу қарқынын, газ алмасу процестерінің өтуін сипаттайтын аса маңызды өлшем піспек жүрісінің орташа жылдамдылығы. Оның шамасы иінді біліктің піспек жүрісінің ұзындығы мен айналым шапшаңдығына тәуелді, м/с



_ мөлшерін мотордың қолданыс мақсатына қарай шектейді. Піспектің орташа жылдамдығына, демек мотордың көлем ықшамдылығы мен массасына, қолданыс мерзіміне және нақты цикл көрсеткіштеріне піспек жүрісінің цилиндр диаметріне қатынасы S/D арқылы елеулі түрде ықпал етуге болады. Піспек жүрісінің жылдамдығын шектеу және механикалық ПӘК-ін өсіру мақсатында айналым шапшаңдығы жоғары мотор үшін S/D қатынасын белгілі бір деңгейге дейін азайтқан жөн. Бұл сонымен қатар иінді біліктің қатаңдығын және толымдылық коэффициентін ұлғайтуға мүмкіндік береді. Қысқа жүрісті моторда толымдылық коэффициентінің ұлғаюы піспек жылдамдығына сай газ ағынының баяулап, енгізу құбырында гидродинамикалық шығынның азаюына байланысты. Мұндай моторда газ алмастыру қақпақшаларын жайғастыру да жеңіл. Сондай-ақ S/D қатынасын кеміту цилиндрдің ішкі беті арқылы өтетін үлестік жылу шығынын қысқартады.

Алайда S/D < 1 бір қатарлы мотордың ұзындығы мен ені ұлғаяды, әдетте салмағы да ауырлайды. V–тәрізді моторда цилиндрлер арасы алшақ, ал жалпы ұзындығы иінді біліктің ұзындығына тәуелді. Сондықтан мұндай моторда S/D қатынасын азайту арқылы оның өте ықшам әрі жеңіл нұсқасына қол жеткізуге болады.

Піспекті іштен жану моторын толық көлемде есептеу өзара байланысты әр түрлі есептерді қамтиды. Олардың қатарына жылулық, динамикалық, негізгі тетіктердің беріктігін және мотор жұмысын қамтамасыз етуші жүйелерді есептеу жатады.

Негізін 1906 ж. профессор В.И. Гриневецкий салған жылулық есептеу тәсілі жаңадан жобаланған мотордың басты геометриялық өлшемдері мен тиімді көрсеткіштерін анықтауға мүмкіндік береді. Сондай-ақ бұл тәсілді кейбір құрылымдық өлшемдері немесе жұмыс шарты өзгертілген қолда бар нақты мотордың жұмыс циклін талдау үшін де пайдалануға болады. Мұндай мәселе қолданыс саласындағы инженерлік қызмет ауқымында кездесетін өндірістік жәйттерге әлдеқайда жақын. Курстық жобаның тапсырмасы осындай талапқа негізделген.

1-кестеде әрбір студент үшін жеке тапсырма варианты (мотор үлгісі) берілген. Есептелуге тиіс бензин моторының негізгі құрылымдық өлшемдері мен тиімді көрсеткіштері 2-кестеде, дизель үшін 3-кестеде келтірілген.

Вариант нөмірі студенттік билет нөмірінің соңғы саны бойынша анықталады. Есептелінетін мотор жүйесі де вариант бойынша айқындалады. Егер вариант нөмірі жұп сан (0 қоса алғанда) болса, студент майлау жүйесін, ал егер тақ сан болса, салқындату жүйесін есептеуге тиіс.

Тапсырманың әрбір вариантында студенттік билет нөмірінің соңғы саны алдындағы сан бойынша анықталатын қосымша 10 вариант бар. Қосымша вариантта бензин моторы үшін сығымдау

1-кесте – Тапсырма варианттары мен есеп үшін қажет бастапқы мәлімет

Бензин моторы
Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Модель	ВАЗ-2112	Рено-19	Subaru Impreza GL	Хонда-HR-V5d	Lexus GS 300	Toyota Matrix	AUDI A 6	BMW 740E65	Mazda 6	VW Passat
Сығымдау дәрежесін ұлғайту	Қосымша вариант
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Δε	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	0,6	0,7	0,8	0,9
Дизель
Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Мотор үлгісі	MMC Pajero	Mazda MPV	КамАЗ-740	Ford Maverick	Nissan Patrol GR	Volvo S80	BMW 730 E65	BMW 325tds	MERCEDES T-Modell	VW Touareg
Үрмелеу қысымы	Қосымша вариант
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Рк, МПа	0,15	0,16	0,17	0,18	0,19	0,16	0,17	0,18	0,19	0,20

2-кесте – Түпнұсқа бензин моторларының негізгі құрылымдық өлшемдері мен тиімділік көрсеткіштері

Негізгі көрсеткіштер	Мотор үлгілері
	ВАЗ-2112	Рено-19	Subaru Impreza GL	Хонда-HR-V5d	Lexus GS 300	Toyota Matrix	AUDI A 6	BMW 740E65	Mazda 6	VW Passat
Цилиндр диаметрі D, мм	85	76	92	75	86	79	81	87	87.5	81
Піспек жүрісі S, мм	71	77	75	90	86	91.5	86.4	84.1	94	86.4
Мотррдың жұмыстық көлемі Vл, л	1.6	1.4	2.0	1.59	3.0	1.8	2.2	4	2.2	1.8
Сығымдау дәрежесі ε	10,3	9.3	9.5	9.6	10	10	9.3	10.5	10.6	10.3
Максималды тиімді қуат Ne, кВт	65	53	85	77	156	171	169	306	166	74
Лайықталған (номинал) айналым жиілігі nном, айн/мин	5000	5250	5600	6200	5800	4200	5500	6300	6500	5300
Максималды айналдырғыш момент Memax, Н·м	131	101	170	135	275	132	350	390	207	168
Максималды айналдырғыш моментке сәйкес айналым жиілігі nMe, об/мин	3700	2750	4400	3400	4800	6000	1900	3500	4000	3500

3-кесте – Түпнұсқа дизель моторларының негізгі құрылымдық өлшемдері мен тиімділік көрсеткіштері