5.7. Цилиндр и блок цилиндров

Обычно цилиндр двигателя безнаддувного при переходе на наддув не требует специальных упрочнений. Однако, следует иметь в виду, что повышение давлений в цилиндре при наддуве может приводить к усилению вибраций гильзы цилиндра, а следовательно к кавитационным разрушениям её внешней, омываемой водой поверхности. Вибрации снижают также надёжность уплотнения гильзы в расточке блока цилиндров. Для устранения этого недостатка необходимо повышать жёсткость конструкции блока, как например это показано на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Возможности увеличения жёсткости рубашки блока цилиндров в двигателе с наддувом. А – двигатель без наддува, Т – двигатель с турбонаддувом.

Повышение жёсткости связано также с необходимостью размещения в стенках блока каналов для прохода смазочного масла.

Подшипники верхних головок шатуна при форсировании двигателя наддувом, т. е. при существенном повышении давления в цилиндре, требуют определённых изменений в конструкции. Нагрузка на подшипники зависит как от окружной скорости подшипника, которая определяет величины трения ( ), так и от размеров: длины подшипника (а) и его диаметра (d) при данном давлении (р_z) на поршень.

Поверхностное давление в подшипнике определяется соотношением

Характеристикой нагрузки подшипника служит коэффициент нагрузки С (мощность нагрузки), который определяется по соотношению

Если С выражается в [мбар/с], частота вращения n – в об/мин, р_z – в бар., а “а” и D – в мм, то окончательно получаем:

Например, если D=130 мм, n=2200 1/мин, р_z=139 бар, а=45 мм, то

С=45,9 мбар/с. Допустимым коэффициентом нагрузки является С=45 мбар/с. Следовательно необходимо снизить нагрузки в подшипнике. Этого можно достичь снижением окружной скорости, т. е. снижением n. Либо увеличением размера “а”. Увеличение диаметра d хоть и увеличивает опорную поверхность, но одновременно увеличивается и окружная скорость, что нежелательно. Повышенные нагрузки в подшипниках (рис. 5.12) могут приводить к разрушению масляного клина в нём, а следовательно к повышенным износам подшипника, схватыванию металлов, выплавлению подшипника и т.д.

Рис. 5.12. Схема разрушения масляной плёнки, нарушения масляного клина в шатунном подшипнике при повышении давления в цилиндре. А – двигатель без наддува, В – двигатель с наддувом. 1 – коленчатый вал, 2 – шатунный подшипник, Р – сила давления газов.

5.8. Изменения фаз газораспределения

При модернизации двигателя наддувом особое внимание должно быть уделено правильному выбору фаз газообмена. Для двигателя без наддува выбор фаз газообмена определяется задачей наилучшей очистки цилиндра от остаточных газов (оптимальная продувка), задачей получения максимального коэффициента наполнения (а для этого необходимо также использовать инерцию газов и воздуха). Однако, в случае применения турбонаддува важной задачей является обеспечение турбины достаточной энергией выхлопных газов.

О бычно для быстроходных двигателей опережения открытия выпускных и впускных клапанов, а также запаздывания их закрытия превышают аналогичные параметры тихоходных двигателей (рис.5.13).

Рис. 5.13. Схема фаз газораспределения двигателей без наддува. Б – быстроходный, Т – тихоходный.

Величина этого превышения составляет порядка 10 градусов поворота коленчатого вала. Особенно существенно это превышение для двухтактных ДВС, где это превышение составляет 15 – 20 градусов и более. Для двигателей с наддувом, с целью обеспечения необходимой мощности турбины, опережение открытия выпускного клапана на 15 – 30 градусов превышает опережение, применяемое в быстроходных ДВС (рис. 5.14). Очевидно, что такие изменения требуют изменения конструкции кулачков привода клапанов, а чаще – всего механизма газораспределения. Ещё сложнее проблема решается в двухтактных двигателях, где фазы газораспределения определяются положением окон относительно управляющей кромки поршня.

Правильный выбор фаз газообмена совместно с правильно спроектированной турбиной обеспечивают получение величины р_к/р_r  1 (где р_r – давление в выпускной системе).

Рис. 5.14. Схема фаз газообмена быстроходного двигателя с наддувом. О.Вып. –увеличение опережения открытия выпускного клапана относительно НМТ, Б – быстроходный, Т – тихоходный.

Тогда обеспечивается получение положительной работы при смене рабочего тела (положительная работа процессов выпуска – наполнения), а следовательно повышение механического КПД двигателя (в двигателях без наддува или с наддувом, но при р_к/р_r  1, работа всасывания – выпуска, т. е. работа насосных ходов является отрицательной и суммируется со всеми механическими потерями в двигателе).

На рис. 5.15 показано, что в процесса расширения, когда начинается открытие выпускного клапана, давление в цилиндре составляет р₃. Затем идёт процесс быстрого снижения давления (свободный выпуск ОГ) от р₃ до р_3а (причём, среднее давление в выпускной системе равно р_3b). В конце такта выпуска (выталкивания ОГ поршнем), когда давление в цилиндре равно р_3а (причём, р_3а  р₁, атмосферного давления), начинается процесс наполнения цилиндра свежим зарядом при давлении, близком к давлению наддува, р₂р_к. (Затем идут процессы сжатия в поршневой части, сгорания, повышения давления до уровня р_z и новые процессы расширения – выпуска и т. д.). В момент начала выпуска давление р₃ может составлять порядка 7,0 и более бар.

Рис. 5.15. Индикаторная диаграмма двигателя с наддувом, иллюстрирующая изменения в протекании давления на тактах выпуска и наполнения.

В процессе газообмена между полостью цилиндра и полостью выпускного коллектора имеют место определённые перепады давления, которые определяют возможности перетекания газа между ними. Причём, закрытие выпускного клапана должно происходить тогда, когда давление в коллекторе начнёт превышать давление в цилиндре. В противном случае часть ОГ поступит обратно в цилиндр, снизится коэффициент наполнения, возрастёт коэффициент остаточных газов и т. д. Уровень давления в коллекторе в данный момент времени определяется тем волновым процессом, который сформировался в процессе открытия выпускного клапана и перетекания газов из цилиндра в выпускной коллектор. Схема этого процесса см. на рис. 5.16.

Рис.5.16. Формирование волн давления в выпускном коллекторе дизелей. Б – быстроходнфй, Т – тихоходный, р_ц – давление в цилиндре, р_вып – давление в выпускном коллекторе, ОюВып – опережение выпуска, Вып – шкала фаз выпуска, Вп – шкала впуска.

Причём, линия изменения давления в коллекторе быстроходного двигателя или двигателя с наддувом показана более жирной. Видно, что при угле п. к. в. (поворота коленчатого вала), соответствующем опережению его открытия (О.Вып) для быстроходного двигателя более раннем, чем для тихоходного, давление в цилиндре р_ц существенно превышает давление в коллекторе р_вып. В коллекторе нарастает давление и формируется волна. Причём, максимальное давление в волне р_3Б превышает р_3Т. Вблизи минимума давления в волне начинается открытие впускного клапана. В области ВМТ имеет место перекрытие клапанов. Величина этого перекрытия определяется также параметрами давления в цилиндре, во впускном и выпускном коллекторах. Очевидно, что в период перекрытия клапанов давление во впускном коллекторе должно превышать давление на выпуске, чтобы произошла продувка цилиндра. При этом, фазы газораспределения учитывают также и инерционность потоков газа из цилиндра в выпускной коллектор и из впускного коллектора – в цилиндр и в выпускной коллектор. Итак, волна давления, сформированная выпуском ОГ из цилиндра, отразившись от свободного конца коллектора, формирует волну разрежения (уровень р_3аТ и р_3аБ). Эта волна разрежения в период перекрытия клапанов обеспечивает истечение газов из цилиндра и продувку цилиндра свежим зарядом.