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

запрессована чугунная гильза, у специальных дизелей «Лайко-

из стали в виде стакана, на внешнюю поверхность которого зали­ та алюминиевая ребристая рубашка. Применение стали объяс­ няется высоким давлением сгорания (до 160 кГ/см2). Изготовле­ ние цилиндра и головки в виде одной детали устраняет газовый

притягивается к картеру сквозными болтами. При этом цилиндр не испытывает газовых сил в осевом направлении, поэтому не подвергается деформации. Недостаток этой конструкции — сравнительная сложность изготовления.

РЕБРИСТАЯ ГОЛОВКА ЦИЛИНДРА

Конструктивные схемы головок цилиндра

Головка цилиндра является одной из наиболее ответствен­ ных деталей двигателя, несущих высокую тепловую и механиче­ скую нагрузки. Внутренняя поверхность головки находится под воздействием газов, имеющих высокие температуру и давление, а наружные поверхности — под воздействием холодного возду­ ха. Несимметричность ее формы, а также наличие впускного и выпускного патрубков в четырехтактном двигателе с различной их тепловой напряженностью и большие усилия ее крепления к картеру приводят к возникновению в головке высоких терми­ ческих и механических напряжений, сопровождаемых иногда значительной ее деформацией и даже разрушением. Этому спо­ собствует также загрязнение отдельных участков поверхности ее ребер во время работы.

Конструкция головки не только должна быть рассчитана на указанные условия, но и быть приспособленной для отливки ее в кокиль, так как при этом достигается необходимая ее проч­ ность при одновременном снижении трудоемкости изготовления.

способствовать следующие мероприятия, осуществляемые при ее проектировании: 1) создание соединительных элементов необхо­ димых сечений между зонами с высокими и низкими температу-

130

турами для обеспечения отвода тепловой энергии от первых ко вторым; 2) размещение теплоотводящих элементов (ребер, стержней) в соответствии с направлением теплового потока; 3) создание каналов достаточного сечения для прохода охлаж­ дающего воздуха вдоль нагретых поверхностей, устранение мертвых зон и излишних поворотов воздушных каналов, резких изменений их сечений в направлении движения воздуха; 4) вы­ бор правильного расположения теплоотдающих поверхностей относительно направления воздушного потока; 5) придание элементам головки, обдуваемым охлаждающим воздухом (сое­ динительные стержни, бобышки), хорошо обтекаемой формы; 6) расположение ребер жесткости в направлении движения ох­ лаждающего воздуха (наклон этих ребер к направлению воз­ душного потока не должен превышать 10—15°, так как при больших углах повышение сопротивления не компенсируется увеличением теплоотдачи); 7) обеспечение дополнительного подвода охлаждающего масла к особо нагретым местам;

8)применение материалов с высокой теплопроводностью. Перечисленные мероприятия проще осуществляются в голов­

ках цилиндров двухтактных двигателей с петлевой продувкой, так как у них отсутствуют впускной и выпускной патрубки и легче разместить охлаждающие ребра. Форма и размеры по­ следних, а также расстояния между ними определяются потреб­ ной степенью охлаждения и технологией изготовления. Наличие бобышек для шпилек крепления головки и для установки свечи (или форсунки) не вызывает значительных трудностей, поэтому конструкция головки получается довольно простой. Также до­ статочно проста конструкция головки карбюраторного двигателя с нижними клапанами.

Головки цилиндров четырехтактных двигателей с верхними клапанами более сложны по конструкции в связи с необходи­ мостью расположения впускного и выпускного патрубков, а также клапанного механизма. Если конструирование цилинд­ ра при уменьшении его диаметра упрощается, то для головки этот процесс усложняется, так как габаритные размеры послед­ ней при этом уменьшаются в большей степени, чем размеры ее элементов (бобышек, сечений патрубков и пр.).

На рис. 77 изображены конструктивные схемы головок ци­ линдров, применяемые в четырехтактных двигателях с воздуш­ ным охлаждением и верхним расположением двух клапанов в одном цилиндре. Расположение охлаждающих ребер головки может быть различным (рис. 77, а): горизонтальным (схема А), вертикальным (схема Б) и комбинированным (схема В). Все три схемы могут выполняться как с параллельными, так и с расположенными под углом друг к другу клапанами. Распо­ ложение клапанов под углом, обычно не превышающим 90°, делается для увеличения сечения воздушного канала, доступа охлаждающего воздуха к межклапанной перемычке, увеличения

5)

Рис. 77. Конструктивные схемы двухклапанных головок цилиндра:

а схемы расположения охлаждающих ребер; б — схемы расположения патрубков, форсунок (свечей заж игания), штанг привода клапанов и болтов крепления головки (Вп — впускной клапан; Вып — выпускной клапан- Ф — форсунка (свеча заж игания), Ц] — штанги привода клапанов)

132

степени оребрения патрубков, а также для увеличения диамет­ ра впускного клапана. Лучшим считается расположение ребер перпендикулярно поверхностям, от которых они должны отво­ дить тепловую энергию. Этому условию в большей мере отвеча­ ет комбинированное расположение ребер.

На схеме А ребра расположены горизонтально по краям и между патрубками головки. Головка получается достаточно простой, но ее трудно изготовлять литьем в кокиль; вследствие этого данная схема чаще применяется при изготовлении головки из чугуна. Серьезными недостатками схемы А является труд­ ность отливки в кокиль ребер центральной зоны и очистки меж­ реберных каналов в процессе эксплуатации.

На схеме Б ребра расположены вертикально, что обеспечи­ вает хороший отвод тепловой энергии от основания головки, но не создает условий для охлаждения выпускного патрубка. Дан­ ная схема целесообразна для карбюраторных двигателей с ниж­ ними клапанами и для двухтактных двигателей с бесклапанной продувкой. В двигателях, имеющих дополнительную камеру сгорания, когда нельзя избежать крутых поворотов и глухих каналов, повышается сопротивление проходу воздуха и создают­ ся условия для отложений пыли с соответствующим ухудшением теплоотдачи.

ловки при ее изготовлении и очистку ее воздушных каналов при эксплуатации.

На схеме В изображено комбинированное расположение ре­ бер: вертикальное между патрубками и горизонтальное по кра­ ям головки. В данном случае сочетаются преимущества обеих рассмотренных схем: для отвода тепловой энергии от централь­ ной части основания головки служат вертикальные ребра, а для охлаждения патрубков и других менее напряженных в тепловом отношении мест — горизонтальные, перпендикулярные стенкам патрубков. Все ребра могут быть получены отливкой в кокиль. Для этого верхнюю часть головки делают отъемной (дизели «Дейтц», «Порше» и др.).

Головки цилиндров дизелей обычно делают с параллельными друг другу клапанами; в карбюраторных двигателях при таком расположении клапанов трудно получить необходимые размеры клапанов, а также камеру сгорания наиболее рациональной формы, поэтому здесь применяют клапаны, наклоненные друг к другу под углом 60, 75 или 90°. При этом ребра в развале кла­ панов обычно имеют вертикальное расположение.

При всех рассмотренных схемах возможно различное распо­ ложение патрубков и других элементов головки в плоскости, параллельной плоскости дна поршня (рис. 77, б). На большин­ стве схем форсунка смещена относительно оси цилиндра, что

133

неизбежно при наличии одного впускного и одного выпускного

клапана на цилиндр.

На схеме 1 направление обоих патрубков совпадает с направ­ лением потока охлаждающего воздуха. Штанги толкателей рас­

Достоинство схемы 1 заключается в следующем: охлаждаю­ щий воздух подается прежде всего на форсунку (свечу зажига­ ния), что улучшает условия ее работы. В дизелях с разделенной камерой сгорания, расположенной непосредственно под форсун­ кой, эта камера при данной схеме хорошо охлаждается. Вслед­ ствие параллельного расположения патрубков впускной патру­

134

бок почти не нагревается от выпускного, который обдувается свежим (не нагретым) воздухом. Иногда в ребрах, соединяю­ щих оба патрубка, делаются разрывы для создания воздушной прослойки, затрудняющей переход тепловой энергии от выпуск­ ного патрубка к впускному. В отдельных случаях оказывается необходимым объединять канал для штанг толкателей со стен­ кой патрубка, в результате чего последний искривляется. Кроме того, объединение канала для штанги со стенкой выпускного

патрубка приводит к ненужному подогреву масла, стекающего по этому каналу из клапанной коробки.

Недостаток рассматриваемой схемы заключается в сравни­ тельно малом живом сечении между птарубками для прохода охлаждающего воздуха. Головки, выполненные по схеме 1, при­ меняются на двигателях «Дейтц» серий 514 и 614 (рис. 78), MWM AKD-12 (рис. 79), «Петтер» АѴА (рис. 80), «Ченто (Фер­ рара)» ѴМ (рис. 81) и др.

Разумеется, при одинаковой конструктивной схеме между конструкциями головок перечисленных двигателей имеется су­ щественная разница, вытекающая из разного типа камеры сго­ рания и ее расположения, а также различия в размещении фор­ сунки и штанг толкателей (со стороны входа охлаждающего воздуха или со стороны его выхода) и т. д.

135

Конструкция головки цилиндра дизелей «Дейтц» (см. рис. 78) достаточно сложна, что является следствием размеще­ ния в ней вихревой камеры сгорания большого относительного объема. Необходимое проходное сечение для охлаждающего воздуха, особенно над камерой сгорания, образуется за счет большого расстояния между основанием головки и клапанной коробкой, а также за счет сужения впускного и выпускного ка­ налов в плоскости, перпендикулярной воздушному потоку. Ка-

А-А

мера сгорания снабжена высокими вертикальными ребрами, простирающимися на всю глубину головки в направлении пото­ ка охлаждающего воздуха.

Ввиду незначительного сечения боковых воздушных каналов основная часть охлаждающего воздуха проходит над централь­ ной частью головки между ее патрубками. Скорость воздуха здесь высока. Все это в совокупности с большой поверхностью ребер обеспечивает надлежащее охлаждение межклапанной перемычки и головки в целом.

Наличие съемной клапанной коробки и вертикальное распо­ ложение центральных ребер обеспечивают возможность литья головки из алюминиевого сплава в кокиль (кроме впускного и

136

выпускного патрубков). В головку залита чугунная камера сго­ рания, выполненная как одно целое со штуцером крепления форсунки. Вставки для седел клапанов также изготовлены из чугуна и запрессованы в головку.

Головка устанавливается на цилиндр, на его внешнюю опор­ ную поверхность, и вместе с ним за фланец крепится к картеру кривошипного механизма двигателя четырьмя сквозными бол-, тами.

Выпускной трубопровод расположен в потоке выходящего охлаждающего воздуха, а впускной трубопровод — над вы­ пускным и, таким образом, не подогревается нагретым охлаж­ дающим воздухом.

•137

чем в основании. Между патрубками образован широкий про­ ход для охлаждающего воздуха, обеспечивающий эффективное

в горизонтальном направлении, значительно уменьшить высоту головки и одновременно улучшить очистку и наполнение цилинд­ ра. Головка вместе с цилиндром' крепится к картеру криво­ шипного механизма пятью шпильками.

Отверстия под шпильки расположены близко к посадочной окружности цилиндра, вследствие чего уменьшен изгибающий момент, действующий на нижнюю плиту головки.

Схема 2 отличается от схемы 1 лишь направлением воздуш­ ного потока, который в первую очередь обдувает стенки патруб­ ков, а затем уже форсунку (или свечу зажигания) и дополни­ тельную камеру. Охлаждение форсунки воздухом, нагретым о поверхность выпускного патрубка, приводит к повышению ее рабочей температуры. Впускной и выпускной трубопроводы дол­ жны размещаться частично под направляющим кожухом.

На схеме 3 впускной и выпускной патрубки расположены по разные стороны от продольной оси двигателя, причем выпуск­ ной патрубок находится со стороны выхода охлаждающего воз­ духа. Форсунка (или свеча зажигания) расположена со стороны входа охлаждающего воздуха. Разностороннее расположение патрубков облегчает компоновку впускного и выпускного трубо­ проводов по обеим сторонам головки, а также позволяет выбрать наиболее рациональную форму сечения патрубков, в то время как в схемах 1 и 2 патрубки должны быть прямоугольного сече­ ния. Недостаток данной схемы заключается в трудности распо­ ложения форсунки и особенно дополнительной камеры сгорания (в соответствующих дизелях). Передвижение форсунки с одного места на другое (штриховая окружность), если оно допустимо, может дать сравнительно небольшой эффект. Подача воздуха в первую очередь на впускной патрубок у карбюраторного дви­ гателя рациональна лишь в случае крайне неблагоприятного теплового режима патрубка; в большинстве же случаев она не оправдывается, так как приводит к конденсации топлива на стенках этих патрубков. В дизелях, наоборот, эффективное ох­ лаждение впускного патрубка всегда желательно.

По схеме 3 выполнены головки дизелей «Армстронг-Сидли» (рис. 82). Головка цилиндра дизеля «Армстронг-Сидли» отлита из чугуна. Основание головки соединено с верхней плитой, яв­ ляющейся дном клапанной коробки, вертикальными ребрами, что обеспечивает хороший отвод тепловой энергии от основания головки и высокую жесткость последней. Ввиду сравнительно большого межцилиндрового расстояния и раздвинутых на всю ширину головки патрубков образованы большие сечения для

139