книги из ГПНТБ / Поспелов Д.Р. Конструкция двигателей внутреннего сгорания с воздушным охлаждением

без последующей их обработки (не считая зачистки поверх­

ностей)

Для двигателей рассматриваемого типа вес ребра не являет­ ся таким важным, как для авиационных двигателей. Замена самой совершенной формы сечения ребра на самую несовершен-

Рис. 63. Цилиндр двухтактного дизеля «Штиль 160А»

ную приводит лишь к незначительному, практически не ощути­ мому изменению веса двигателя.

Более важным показателем является расход мощности, за­ трачиваемой на отвод тепловой энергии, который может полу­ читься меньшим у ребра, имеющего «неидеальную» форму се­ чения. Поэтому оценку относительной эффективности примене­ ния ребра какой-либо формы сечения можно сделать путем отнесения затраты энергии Qp на отвод тепловой энергии у дан­

111?

ного ребра к той же величине при наличии «идеального» ребра, т. е.

стью затупления вершины ребра. При низком ребре влияние формы его сечения на теплоотдачу невелико. Поэтому при выборе этой формы решающим является простота изготовления.

112

Круговая (образо­ ванная симмет­ ричными дугами окружности)

Треугольная и тра­ пециевидная

а>АѴЛѴ/ѴЛ

Прямоугольная

Наиболее технологичным для условий массового производства является ребро треугольной формы сечения. Оно применяется на большинстве двигателей с воздушным охлаждением.

Шаг и толщина ребер

Шаг между ребрами связан с величиной необходимой по­ верхности охлаждения и поверхности отдельного ребра. Обычно при проектировании оребрения задаются шагом ребер, а затем по заданной поверхности оребрения определяют поверхности отдельных ребер. Чтобы исключить возможность соприкоснове­ ния пограничных слоев двух соседних ребер, шаг между ними должен быть больше определенной величины. Кроме того, при слишком малом шаге и неизменном проходном сечении толщина ребра может оказаться чрезмерно малой, т. е. невыполнимой.

Шаг ребер может быть одинаковым или разным по высоте цилиндра. В зоне расположения камеры сгорания к стенкам ци­ линдра подводится большее количество тепловой энергии, чем к другим местам, поэтому температура в этой зоне цилиндра имеет максимальную величину, уменьшаясь в направлении кни­ зу. Для улучшения отвода тепловой энергии от рассматриваемой зоны цилиндра иногда увеличивают число ребер этой зоны. Од-

нако это часто не приводит к желаемому результату по следую­ щим причинам:

1)уменьшение шага ребер только в одной верхней зоне вызывает такое перераспределение охлаждающего воздуха, при котором большее его количество идет в зону меньшего аэроди­ намического сопротивления, т. е. в нижнюю часть цилиндра;

2)увеличение поверхности охлаждения путем введения до­ полнительных ребер (чаще всего одного ребра) не компенсиру­ ет ухудшение теплоотдачи в этой зоне вследствие уменьшения количества протекающего воздуха даже при сохранении той же скорости воздушного потока, что и в нижней части цилиндра;

3)небольшое уменьшение шага ребер в верхней зоне не по­ зволяет ввести дополнительное ребро на участке цилиндра, соответствующем камере сгорания; получение же дополнитель­ ной охлаждающей поверхности в зоне, удаленной от верхнего края цилиндра, не отвечает поставленной задаче.

Увеличение числа ребер верхней зоны может дать эффект только в случае такого перераспределения охлаждающего воз­ духа, при котором количество его в межреберных каналах верх­ ней зоны останется прежним или увеличится. Однако осущест­ вить это не всегда удается. В ряде случаев бывает даже выгоднее, наоборот, раздвинуть ребра в верхней зоне, чтобы уменьшить сопротивление и увеличить количество протекающего воздуха и интенсивность теплоотдачи. Окончательное решение

вкаждом конкретном случае может быть различным для раз­ ных конструкций оребрения и дефлектирования.

При переходе к более частому расположению ребер, как это наблюдается в форсированных двигателях, необходимо сохра­ нить значение коэффициента живого сечения оребрения. Тогда соответствующим повышением давления охлаждающего возду­ ха можно обеспечить повышение теплоотдачи. Однако возраста­ ющее при этом сопротивление потоку воздуха значительно снижает эффект от получаемого таким способом увеличения теплоотдачи.

Основное сопротивление воздушному потоку создается в са­ мом узком месте канала, где стенки двух соседних цилиндров близко подходят друг к другу (рис. 66, а). Это сопротивление можно уменьшить, увеличив живое сечение для прохода воздуха путем частичного или полного устранения некоторых ребер (на­

пример, каждого второго ребра, что показано на рис. 66, б) в наиболее узком месте канала или путем уменьшения толщины ребер в самом узком месте канала (рис. 66, в). Последнее воз­ можно только при наличии сравнительно толстых ребер, тонкие ребра можно только укоротить. Эти мероприятия рациональны по следующим причинам. Хотя устранение части ребер умень­ шает поверхность охлаждения, но вследствие увеличения про­ ходного дросселирующего сечения количество проходящего воздуха возрастает, что и приводит к повышению теплоотдачи.

114

ответствует оптимальная толщина ребра. Минимальная толщина литого ребра составляет 2,2 мм (двигатели «Дейтц» и др.).

Форма втулки цилиндра

Втулки цилиндров бывают цилиндрической и конически-ци- линдрической формы. Первые более просты в изготовлении, но толщина их стенок определяется верхней, наиболее нагружен­ ной частью цилиндра, что приводит к уменьшению сечения меж­ реберных каналов и утяжелению конструкции. Такую форму втулки имеют цилиндры дизеля «Гюльднер 2LD» (см. рис. 60). В большинстве случаев (двигатели ВТЗ, «Дейтц», «Татра», «Фольксваген») втулка цилиндра делается цилиндрической

всредней части и конической по концам. Утолщения в верхней

инижней частях втулки делаются для повышения жесткости цилиндра и уменьшения его деформации при затяжке болтов крепления его к картеру двигателя. При этом улучшается вы­ равнивание температур по окружности и высоте цилиндра дви­ гателя.

Способ крепления цилиндра к картеру

В большинстве двигателей с воздушным охлаждением ци­ линдры совместно с головками крепятся к картеру сквозными болтами или шпильками (рис. 67, а). Преимущество такого крепления заключается в том, что стенки цилиндра разгружа-

Рис. 67. Крепление цилиндра и его головки к картеру кривошип­ ного механизма:

а — общими для цилиндра и его головки болтами (шпильками); б — конструкция болта крепления (дизели «Татра»); в — отдельными бол­ тами (шпильками) головки к цилиндру и цилиндра к картеру; г — сое­

газов. Недостатком конструкции является деформация цилинд­ ра от усилий затяжки.

В ряде конструкций цилиндры и их головки крепятся раз­ дельно (рис. 67, б). Цилиндр крепится к картеру за нижний фланец, а головка — короткими шпильками, ввернутыми в от­ верстия в приливах стенки цилиндра. При этом обеспечивается возможность снятия головок без нарушения установки цилинд­

116

ров на картере. Цилиндры, прикрепленные к картеру за толстые фланцы, повышают жесткость картера, а деформация их от тепловых напряжений и от затяжки меньше, чем при сквозных болтах. Стенки цилиндров должны быть при этом толще, так как они воспринимают усилия от рабочих газов.

Сечения воздушных каналов между ребрами ввиду отсутст­ вия сквозных шпилек получаются большими. При фланцевом креплении масса цилиндра вследствие наличия у него фланца и утолщений стенки повышается, а крепление цилиндров к карте­ ру затрудняется.

Сквозные болты имеют следующие преимущества перед сквозными шпильками: размер под ключ у головки болта мень­ ше того же размера у гайки при том же диаметре средней части и резьбы; картер двигателя без шпилек удобен при транспорти­ ровке и ремонте. Преимущество сквозных шпилек в том, что за их свободные концы (снабженные лысками, квадратами или шестигранниками) можно удерживать шпильки от скручивания при завертывании гаек крепления головки с цилиндром.

В большинстве случаев для крепления цилиндра с головкой применяют четыре шпильки или болта. В двигателях «Петтер», «Армстронг-Сидли», «Энфилд», SAME и др. применяют шесть шпилек, в двигателях «Ченто (Феррара)» — пять шпилек, в ди­

в головках цилиндров этих двигателей (при этом обеспечивает­ ся надежная работа соединения). При диаметре цилиндра более 120 мм трех болтов недостаточно для обеспечения высокой на­ дежности уплотнений. Для уменьшения напряжений в резьбовом отверстии картера диаметр резьбы болта (шпильки) делают несколько большим, чем диаметр остальной части болта, как на дизелях «Дейтц», «Татра» и др. (рис. 67, в). Однако применяют и ровные болты или шпильки (дизели «Дормэн»),

При высоких требованиях к надежности соединения цилинд­ ра с его головкой применяют резьбовое их соединение (рис. 67, г), хотя оно значительно дороже рассмотренных выше.

В этом случае цилиндр с навернутой на него головкой кре­ пится за фланец к картеру короткими шпильками. Для исклю­ чения обрыва шпилек во время работы двигателя под действи­ ем усталостных напряжений шпилька утапливается и резьбовая ее часть утопает в отверстии картера. Средняя часть шпильки делается меньшего диаметра, чем диаметр накатной резьбы, так что при ударных нагрузках шпилька удлиняется в пределах упругой деформации. Это предохраняет ее от разрыва.

При любом способе соединения головки с цилиндром долж­ на быть обеспечена надежная его герметичность.

Если цилиндр и головка изготовлены из чугуна, то для обес­ печения необходимой герметичности между ними должна быть

117

проложена прокладка из более мягкого металла, лучше всего из меди. Применение алюминиевых прокладок нежелательно, так как вследствие малой механической прочности алюминия при повышенных температурах они сплющиваются, нарушая герме­ тичность соединения. Если головка изготовлена из алюминиево­ го сплава, а цилиндр из чугуна, то необходимость в прокладке отпадает, так как уплотнение в этом случае достигается за счет некоторой деформации металла головки. При наличии одной головки на несколько цилиндров постановка прокладки жела­ тельна во всех случаях (двигатели «Шевроле» на рис. 51).

При отсутствии прокладки кольцевая поверхность головки, соприкасающаяся с цилиндром, должна выступать на 0,5—1 мм

из остальной поверхности головки, чтобы под воздействием уси­ лия при затяжке болтов, а также во время работы двигателя выступающая часть могла несколько сжаться и принять точную форму соприкасающейся с ней поверхности цилиндра. Величина

меньше, чем во втором. Установка же головки во втором случае удобнее.

Уплотнение, показанное на рис. 68, в, стали применять на дизелях MWM вместо уплотнения, показанного на рис. 68, а (но с медной прокладкой). В головку залито или запрессовано чу­ гунное уплотнительное кольцо с таким же коэффициентом ли­ нейного расширения, как и у материала цилиндра. Посадка одной детали на другую по конусу увеличивает давление их контакта. Армирование алюминиевой головки чугунным коль­

118

цом устраняет опасность разрыва посадочного пояса головки при ее охлаждении.

При высоких давлениях сгорания применяют прокладки спе­ циальной конструкции, например в виде стального кольца ско­ бообразного сечения, в которое заложена пружинная манжета из тонкой проволоки (рис. 68, г). Прокладки кладут в проточку, сделанную в уплотнительном торце цилиндра.

При всех рассмотренных выше типах уплотнений после об­ катки двигателя, при которой происходит взаимная пригонка поверхностей соприкосновения цилиндра и его головки, жела­ тельно сделать подтяжку всех болтов, так как даже высокая степень точности и чистоты указанных поверхностей может не обеспечить надежности соединения вследствие неизбежной не­ равномерности затяжки отдельных болтов и некоторого переко­ са сопрягаемых поверхностей.

Задача обеспечения плотности газового стыка между ци­ линдром и его головкой решается не только выбором удачной конструкции стыкующихся поверхностей, но и согласованием степени расширения цилиндра и его головки при имеющих ме­ сто температурах и давлениях на контактирующих поверхнос­ тях с механическими свойствами материалов цилиндра, его головки и шпилек крепления, а также жесткостью основания (плиты) головки.

Влияние материала и технологии изготовления на конструкцию ребристого цилиндра

Цилиндры двигателей с воздушным охлаждением делаются как монометаллическими (из одного металла), так и биметал­ лическими. Монометаллические цилиндры изготовляют из чугу­ на, стали и алюминиевого сплава.

Чугунные цилиндры. За небольшим исключением цилиндры большинства двигателей с воздушным охлаждением (карбюра­

ми технологическими свойствами, достаточной (для рассматри­ ваемых целей) теплопроводностью и в то же время принадле­ жит к числу самых дешевых черных металлов. Основной недо­ статок чугуна как материала для изготовления ребристых цилиндров заключается в его хрупкости. Чугунные цилиндры изготовляют как с литыми, так и с механически обработанными ребрами. В том и другом случае для обеспечения необходимой прочности чугунных ребер они должны быть короткими и тол­ стыми.

Поверхность ребер должна быть ровной и чистой. Гладкая поверхность ребра и точная его конфигурация могут быть полу­ чены литьем в оболочковые формы и по выплавляемым моделям.

119