Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

цилиндрическая втулка 4, изготов ленная также из высокотеплопровод ного материала, усиливающая отвод теплоты от центральной зоны днища.

Для уменьшения температуры центральной зоны и в первую оче редь межклапанных перемычек бы строходных двигателей интенсифи цируют охлаждение, организуя на правленное движение охлаждающей жидкости (ОЖ) на нагретые эле менты головки. При этом движение

охлаждающей жидкости возможно как от центра к периферии, так и наоборот (рис. 9.45, а, б). В первом случае с помощью специальных пистолетов (П) охлаждающая жид кость со скоростью 3–6 м/с направ ляется на охлаждаемый участок по верхности. Эффект охлаждения воз растает с увеличением угла падения потока на поверхность.

При достаточной жесткости крышки и приемлемом уровне на

пряжений от механических нагрузок предпочтение следует отдавать тон костенным конструкциям. Умень шение толщины днища крышек ци линдров форсированных дизелей типа ЧН26/26, в том числе в наибо лее нагретых местах днища, позво лило существенно увеличить рабо тоспособность крышек.

Существенное снижение темпера тур в наиболее нагретых элементах днища достигается применением для протока охлаждающей жидкости ка налов, обработанных резанием. В первую очередь каналы с механиче ской обработкой используются в теп лонапряженных деталях крупных су довых малооборотных двигателей (рис. 9.46), детали которых характе

ризуются повышенной тепловой на пряженностью. Однако и при уме ренных диаметрах цилиндра описан ный способ охлаждения с помощью сверленых каналов весьма эффекти вен. Так, в результате применения для охлаждения межклапанной пере мычки двигателя типа ЧН25/30 свер леных каналов температура уменьша лась с 350 до 200 С.

Следует стремиться к равномер ному распределению материала в крышках, избегая резких переходов в толщине сопрягаемых элементов. В этом случае при изготовлении от ливки обеспечивается равномерное остывание крышки и соответствен но снижение остаточных литейных напряжений.

9.6.1. Анализ конструкции головок (крышек) цилиндров. Материалы головок (крышек) цилиндров

Несмотря на то, что некоторые принципиальные вопросы, свя занные с охлаждением, схемой взаимного расположения основ ных элементов крышки, выбором материала и способа ее изготовле ния, имеют много общего приме нительно к крышкам цилиндров различных двигателей, тип двига теля придает конструкции крыш ки (головки) цилиндра сущест венные особенности.

Конструкция головок цилиндров двигателей с принудительным вос пламенением во многом определя ется формой камеры сгорания и схемой расположения клапанов.

Головку и камеру сгорания сле дует проектировать так, чтобы в первую очередь воспламенилась наиболее нагретая часть смеси, на ходящаяся, как правило, около вы пускного клапана. Для этого свечу зажигания несколько смещают в сторону последнего, стремясь од новременно уменьшить расстояние от нее до наиболее удаленных уча стков камеры сгорания.

В прошлом головки цилиндров автомобильных двигателей были

двухклапанными. В головках с верхним расположением клапанов получили распространение клино видная, полусферическая и шатро вая формы камеры сгорания. При расположении клапанов на на клонной поверхности свода каме ры увеличивается отношение диа метра впускного клапана к диамет

ру цилиндра (dвп/D) примерно на 10 %. При этом возможно продоль

ное, поперечное и косое располо жение клапанов относительно про дольной оси головки цилиндра. Продольное расположение клапа нов имеет место в головке с полу клиновидной камерой сгорания (рис. 9.47), имеющей форму ова ла, вдоль большей оси которого рас положены клапаны. Размещение впускного и выпускного клапанов на одной оси вдоль головки упро щает конструкцию их привода и повышает удобство обслуживания. Головки с клиновидной формой камеры сгорания успешно приме няются в V образных двигателях. При этом впускные и выпускные каналы выводятся на разные сторо ны головки.

К недостаткам клиновидной ка меры сгорания следует отнести воз можное самовоспламенение свежего

заряда от головки выпускного кла пана, недостаточное охлаждение зо ны межклапанной перемычки, свя занное с близким расположением каналов впускного и выпускного клапанов, недостаточную в ряде слу чаев завихренность свежего заряда и относительно сложную механиче скую обработку стенок камеры. Кро ме того, уменьшаются проходные сечения каналов по сравнению с по перечным или косым расположени ем клапанов, что снижает литровую мощность двигателя. Большое рас пространение получили головки с полусферической формой камеры сгорания. Компактность камеры, ра циональное расположение клапанов и свечи зажигания обеспечивают хо рошее протекание рабочего процес са. Следует отметить более эффек тивное охлаждение днища около вы пускного клапана по сравнению с головкой, имеющей клиновидную камеру и простоту обработки реза нием стенок камеры. Недостатком головок с полусферической формой камеры сгорания является более сложная конструкция привода кла панов, обычно располагаемых в по перечной плоскости головок.

Стремление повысить литровую мощность обусловили переход на многоклапанные, в частности четы рехклапанные, головки цилиндров. В этом случае проходные сечения впу скных клапанов увеличиваются более чем на 30 % по сравнению с двухкла панным вариантом. Четырехклапан ные головки двигателей с принуди тельным воспламенением часто име ют шатровую камеру сгорания с не большим вытеснением. На рис. 9.48 показана головка цилиндра, имею щая два впускных и два выпускных клапана на цилиндр с приводом от распределительных валов, располо женных сверху на головке цилиндра. Хорошее протекание рабочего про

Рис. 9.48. Головка цилиндра с двумя впускны ми и выпускными клапанами на цилиндр и при водом от распределительных валов, располо женных сверху на головке цилиндра

цесса обеспечивается в головках с тангенциально расположенными или винтовыми впускными каналами (рис. 9.49). Многоклапанная головка с одним винтовым и одним прямым каналом в сочетании с вихревой за

Рис. 9.49. Головка цилиндров двигателя с вин товым впускным каналом

слонкой для управления вихреобра зованием в цилиндре используется на двигателях с расслоением заряда на малых нагрузках.

При различных формах камеры сгорания свечу зажигания размеща ют таким образом, чтобы расстояния от нее до отдельных периферийных областей камеры сгорания были бы приблизительно одинаковыми. Час то в головках из алюминиевых спла вов свечи зажигания устанавливают на резьбе в промежуточные втулки, ввернутые с натягом в головку. В этом случае сохраняется резьба в го ловке при замене и установке све чей. В автомобильных двигателях используют в основном свечи зажи гания диаметром 10 и 14 мм.

Устройство головок газовых дви гателей в основном зависит от кон струкции бензинового двигателя или дизеля, на базе которого выполнен соответствующий газовый двигатель.

Высота головки определяется размерами поперечного сечения впускного канала, высотой прохо дов для охлаждающей жидкости ме жду впускным каналом, днищем и верхней стенкой головки, а также конструкцией опор распределитель ного вала при его расположении на головке. Высота большинства голо вок двигателей с принудительным воспламенением составляет (1,5– 2,0)D. Жесткость головки в значи тельной степени зависит от ее высо ты. Ширина головки обычно совпа дает с шириной блока. Толщина днища головки tг (см. рис. 9.47) воз растает с увеличением диаметра ци линдра D, причем эта зависимость имеет линейный характер. Для го ловок из чугуна и из алюминиевых сплавов рекомендуются соответст венно следующие соотношения, по лученные на основании обработки статистических материалов: tг = = 0,05D + 2 мм; tг = 0,07D + 2 мм.

Рис. 9.50. Индивидуальная головка цилиндра с тангенциальным впускным каналом:

1 – канал под форсунку; 2 – впускной канал

Боковые стенки и стенки газо воздушных каналов имеют по срав нению с днищем головки меньшую толщину tк (рис. 9.50). Последняя определяется обычно возможно стями технологии изготовления и составляет 4–6 мм. Головка кре пится к блоку шпильками или бол тами, число которых на один ци линдр зависит от диаметра послед него и составляет четыре шесть.

Головки автомобильных и трак торных дизелей более массивны, что связано с б льшими нагрузками, действующими на них. Кроме высо ких давлений, возникающих при сжатии и сгорании, головки и крышки дизелей воспринимают,

несмотря на более низкую темпера туру рабочего процесса, повышен ную тепловую нагрузку по сравне нию с головками двигателей с при нудительным воспламенением, обу словленную б льшей теплоотдачей от газа и неравномерным нагрева нием днища вследствие наличия от дельных факелов горящего топлива.

Конструкция головки дизеля так же зависит от типа камеры сгорания.

В двигателях с неразделенной и полу разделенной камерами днище голов ки имеет сравнительно простую фор му (рис. 9.51) и является в большин стве случаев плоским. При этом ме сто расположения форсунки зависит от числа клапанов на один цилиндр.

При наличии двух клапанов в че тырехтактном дизеле трудно размес тить форсунку и клапаны в одной плоскости без чрезмерного уменьше

разделенными камерами сгорания характеризуются повышенной тепло напряженностью, связанной со слож ностью геометрической формы, на личием в головке дополнительного источника теплоты в виде дополни тельной камеры и трудностью орга низации эффективного охлаждения центральной зоны перемычек днища вследствие "стесненности" каналов, подводящих охлаждающую жид кость.

Наиболее распространенными типами дополнительных камер в дизелях являются вихревая камера и предкамера. Объем вихревой каме ры обычно составляет 60–80 % об щего объема сжатия. Вихревые ка меры имеют форму усеченной сфе ры или цилиндра. Верхняя часть ка меры с отверстием под форсунку обычно составляет одно целое с го ловкой, а нижнюю часть в виде вставки выполняют отдельно из жа ропрочного материала (рис. 9.53). Вихревая камера в головке смещена

относительно оси цилиндра, что да ет возможность увеличить диаметры клапанов. При этом канал, соеди няющий вихревую камеру с про странством цилиндра, располагают тангенциально относительно нее.

Предкамеры размещают на клонно или смещают в сторону от оси цилиндра. Центральное распо ложение предкамеры, предпочти тельное с точки зрения прочности головки цилиндров, обеспечивает ся при числе клапанов более двух, а при двух клапанах связано с труд ностями их размещения.

Габаритные размеры блочных головок дизелей определяются в ос новном теми же соображениями, что и в случае двигателей с прину дительным воспламенением. У большинства дизелей высота голов ки Нг = (1,0–1,25)D. Б льшую высо ту Нг = (1,5–1,6)D имеют головки с верхним расположением распреде лительных валиков. Толщина дни ща головок современных дизелей

превышает толщину днища головок двигателей с принудительным вос пламенением в среднем на 2 мм при одинаковом диаметре цилиндра. Повышение жесткости днища свя зано со стремлением уменьшить его коробление в зоне расположения клапанов вследствие повышенных нагрузок от давления газов и сил предварительной затяжки шпилек. Головка крепится к корпусу двига теля короткими шпильками, число которых на один цилиндр составля ет от четырех шести и более.

Крышки цилиндров тепловозных, стационарных и судовых среднеобо ротных дизелей разнообразны по кон струкции. Наиболее сложны по уст ройству крышки четырех и двухтакт ных двигателей с клапанно щелевой схемой газообмена, а также двухтакт ных двигателей двойного действия. Проще крышки двухтактных двига телей с петлевой схемой газообмена, так как в крышке отсутствуют клапа ны и газовоздушные каналы.

Крышки по форме могут быть вы полнены прямоугольными, круглы ми, в виде шести или восьмигранни ка. При круглой форме возможно равномерное размещение по ее пери

ферии значительного числа крепеж ных шпилек, что обеспечивает наи лучшее уплотнение газового стыка и равномерное деформирование крыш ки под действием сил предваритель ной затяжки. Однако в транспортных многоцилиндровых двигателях при ограниченной длине прямоугольная форма крышки является вынужден ной. В этом случае крышка крепится к корпусу обычно четырьмя шпиль ками, расположенными по углам.

Для улучшения наполнения ци линдра число клапанов увеличивают до четырех и более. В четырехтактных двигателях два впускных и два выпуск ных клапана располагают вокруг фор сунки, установленной в центре днища крышки (см. рис. 9.43). В некоторых крышках при наличии четырех клапа нов форсунку устанавливают наклон но, что облегчает обслуживание при эксплуатации, однако нарушается симметрия и увеличивается напряжен ность центральной зоны днища.

В составной крышке двухтактно го дизеля (рис. 9.54) верхняя часть значительной высоты обеспечивает дополнительный теплоотвод от ниж ней теплонапряженной части и вос принимает нагрузку от сил давления,

что обеспечивает жесткость конст рукции. Днище крышки уплотняют медной прокладкой, а при повы шенном давлении сгорания – сталь ной омедненной прокладкой. Ниж нюю и верхнюю части стягивают специальными шпильками.

В верхней части крышки разме щены выпускные газовые каналы, полости охлаждения, отверстия под форсунку, шпильки и т.д. Верхнюю стенку крышки используют для ус тановки элементов механизма при вода клапанов и крепления форсун ки. Выступающий замкнутый по пе риметру крышки бурт повышает же сткость крышки и образует полость, в которой располагаются пружины кла панов и собирается масло, сливаю щееся затем в картер через специаль но предусмотренный канал. Подобное описанному смещенное вниз распо ложение клапанных пружин приме няется в конструкциях крышек мно гих двигателей и облегчает компо новку элементов привода клапанов.

Крышки цилиндров современ ных СОД для повышения жесткости

выполняются коробчатой формы с двойным днищем. Часто применя ются съемные охлаждаемые корпуса для клапанов. В связи с увеличением форсирования СОД разрабатывают ся составные конструкции крышек с применением стали.

Крышки цилиндров малооборотных двухтактных судовых двигателей с

диаметрами цилиндров до 1000 мм и более характеризуются высокой теп ловой и механической напряженно стью, возрастающей с увеличением диаметра цилиндра. Несмотря на возрастающее давление сгорания вследствие повышения давления над дува, днища крышек МОД стремятся выполнять по возможности тоньше для понижения перепада температур по толщине и средней температуры днища. Высокие напряжения рz и температура днища на большинстве двигателей большой размерности обусловливают применение стальных крышек, а также комбинированных конструкций, нижняя часть которых выполняется из жаростойкого мате риала, а верхняя – из чугуна. Для за

щиты от перегрева фланца втулки крышку погружали в полость ци линдра (рис. 9.55, а). Ранее для защиты от перегрева верхней час ти втулки использова ли крышки колпачко вой формы, благодаря чему обеспечивались повышенная жесткость и пониженная темпе ратура стенок камеры сгорания, омываемой водой по верхней и бо ковым поверхностям.

Крышки цилиндров современных МОД вы полняют в виде мас сивной кованой плиты из стали (рис. 9.55, в).