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

няя — образующая дно камеры сгорания. Форсунка беспре­ пятственно обдувается и охлаждается. Гайки шпилек крепления головки с цилиндром утоплены в основание головки, поэтому не оказывают сопротивления воз­

душному потоку.

Приведенный анализ схем не исчерпывает всех факторов, лежащих в основе выбора кон­ структивной схемы головки цилиндра. Хотя необходимость эффективного ее охлаждения является важным требованием, немалое влияние оказывает и рациональное конструктивное оформление трубопроводов, клапанного механизма, его привода и декомпрессора (в дизелях).

Конструкции головок ци­ линдров карбюраторных дви­ гателей отличаются от конст­ рукций головок цилиндров ди­ зелей большим относительным объемом камеры сгорания вследствие меньших степеней сжатия. Схемы направления воздушного потока и располо­ жения патрубков возможны те же, что и схемы конструкций дизелей. Место форсунки при этом занимает свеча зажига­ ния. Наиболее рациональной является схема с подачей ох­ лаждающего воздуха непосред­ ственно на впускной патрубок и на свечу зажигания. Разме­ щение свечи зажигания в го­ ловке цилиндра карбюраторно­ го двигателя проще, чем фор­ сунки дизеля, так как размеры свечи малы по сравнению с размерами форсунки.

На рис. 93 показаны конструктивные схемы головок цилинд­ ров с тремя клапанами на один цилиндр. Такие головки пока не применяются на двигателях с воздушным охлаждением, но при удовлетворительном охлаждении такой головки она может най­ ти применение на форсированных короткоходных двигателях. Головки с четырьмя клапанами на один цилиндр встречаются

150

на двигателях с воздушным охлаждением рассматриваемого ти­ па (дизели «Альстом»). Ввиду перспективности трех- и четырех­ клапанных головок целесообразно проанализировать их возмож­ ные конструктивные схемы.

Из семи изображенных на рис. 93 схем трехклапанной голов­ ки схемы 5—7 значительно отличаются от схем, применяемых на двухклапанных головках. Остальные схемы подобны послед­ ним. Схемы 1—4 соответственно подобны схемам 1, 2, 11 и 12 (см.

Рис. 93. Конструктивные схемы трехклапанных головок цилиндра

рис. 77) при двух клапанах на один цилиндр. Различие лишь в том, что в трехклапанных схемах два впускных клапана рас­ положены один за другим в направлении воздушного потока. Однако это не вносит существенных изменений в условия ох­ лаждения головки, поэтому достоинства и недостатки в том и другом случае одни и те же.

Схема 5 с направлением охлаждающего воздуха со стороны впускных каналов менее рациональна ввиду трудности охлажде­ ния центральной зоны головки. При направлении воздуха со стороны выпускного клапана (схема 6) и устройстве кривых воз­ душных каналов центральная часть головки может быть охлаж­ дена удовлетворительно, хотя потери давления охлаждающего воздуха и здесь значительны.

Схема 7 отличается от схемы 6 лишь поворотом головки на 90° относительно направления воздушного потока. Охлаждение всех зон головки осуществить нетрудно. При количестве цилинд­

151

ров больше двух в ряду соединение впускных трубопроводов

друг с другом затруднительно.

Ввиду отсутствия опыта по трехклапанным головкам двига­ телей с воздушным охлаждением трудно отдать предпочтение

Рис. 94. Головка цилиндра с одним впускным и двумя выпускными

клапанами

какой-либо из схем. Однако можно полагать, что схема 1 являет­ ся наиболее рациональной для двигателей с рядным расположе­ нием цилиндров. Для двигателей с клинообразными и противо-

152

лежащими цилиндрами более подходящей по компоновочным соображениям (уменьшение ширины двигателя) может оказать­ ся схема 3. В отдельных случаях может оказаться целесообраз­ ным применить два выпускных клапана при одном впускном кла­ пане на один цилиндр. Пример конструкции такой головки при­ веден на рис. 94.

При четырех клапанах на один цилиндр возможно большее количество конструктивных схем головок цилиндров (рис. 95).

Рис. 95. Конструктивные схемы четырехклапанных головок цилиндра

Схемы 1—4 подобны схемам 1, 2, 11 и 12 (см. рис. 77) у двух­ клапанных и 1—4 (см. рис. 93) — трехклапанных головок, по­ этому обладают приблизительно теми же достоинствами и недо­ статками, что и последние. Отличие состоит в том, что на схемах 1 и 2 четырехклапанной головки один из выпускных клапанов, расположенный за другим относительно воздушного потока, ох­ лаждается значительно хуже клапана, расположенного впереди. В еще худшем положении оказывается перемычка между сед­ лами двух выпускных клапанов этой же схемы.

На схеме 5 каждый из выпускных клапанов расположен за впускным. Перемычка между их седлами также недостаточно охлаждается, хотя ее тепловой режим более благоприятен, чем тепловой режим при схемах 1 и 2.

При схеме 6 условия охлаждения перемычки между последо­ вательно расположенными (в направлении потока охлаждающе­ го воздуха) клапанами еще хуже, так как спереди (со стороны подачи охлаждающего воздуха) расположен выпускной клапан.

Схема 7 вследствие трудности соединения трубопроводов между собой применима только при одном цилиндре в ряду.

Схемы 8 и 9 наиболее подходящи.по компоновочным сообра-

153

27,5 27,5

Рис. 96. Конструкция четырехклапанной головки цилиндра

164

жениям, так как впускные и выпускные трубопроводы располо­ жены по разные стороны от головки. Воздушный проход между патрубками здесь такой же, как и при двух патрубках, выходя­ щих в одну сторону. Для успешного использования одной из этих схем необходимо патрубки, расположенные со стороны вхо­ да охлаждающего воздуха, поднять выше кожуха, подводящего воздух от вентилятора.

Из двух рассмотренных схем схема 8 является более подхо­ дящей, чем схема 9, по соображениям, изложенным при ана­ лизе схем 1—4. На рис. 96 приведен пример конструктивного вы­ полнения четырехклапанной головки цилиндра по схеме 8.

Конструкция оребрения головки цилиндра

Вопрос о размещении ребер на головке цилиндра частично уже рассмотрен при анализе конструктивных схем головок. От­ носительно размеров ребер и размещения их по высоте головки справедливы все положения, приведенные ранее при определении оптимальных размеров ребер цилиндра. Шаг ребер определяет­ ся, с одной стороны, потребностью охлаждения, а с другой — технологическими соображениями. Величины шага ребер на го­ ловке цилиндра и на самом цилиндре должны быть согласованы между собой, чтобы поверхности оребрения их независимо от применяемой схемы воздушного тракта и системы дефлектиро­ вания были приблизительно пропорциональны долям отводимой ими тепловой энергии.

Иногда для улучшения отвода тепловой энергии от верхней зоны цилиндра и повышения жесткости нижней части головки последнюю надевают на цилиндр на высоту расположения двух­ трех ребер. Это целесообразно, если головка изготовляется из более теплопроводного материала, чем цилиндр.

В существующих конструкциях головок шаг ребер, как пра­

оребрения, определяется также степенью заполнения простран­ ства головки другими элементами (патрубками, бобышками и пр.). С увеличением литровой мощности двигателей неизбежно применение более частого оребрения с очень малым шагом. По­ следний может быть получен заливкой пластин в тело головки. Пластины-ребра должны быть сделаны из высокотеплопровод­ ного металла (медь или алюминий). При существующей техно­ логии массового производства для двигателей с диаметром ци­ линдра до 150 мм наиболее приемлемым шагом литых необрабо­ танных ребер можно считать 5—7 мм, при толщине ребра 1,5— 2,5 мм. Применение механической обработки ребер головки ввиду сложности ее конструкции является нерациональным.

155

156

Конструкция патрубков и основания головки

Чтобы избежать чрезмерного подогрева впускного патрубка от выпускного и устранить напряжения, возникающие при от­ ливке головки и работе двигателя, стенки обоих патрубков не должны соприкасаться между собой. Длину выпускного патруб­ ка делают минимальной, так как в противном случае на отвод от него тепловой энергии необходимо затрачивать излиш­ нюю мощность (это не относится к длине выпускного трубопро­ вода).

Основание головки делается достаточно толстым (более 15 мм при изготовлении из чугуна и более 25 мм при изготовлении из алюминиевого сплава). Это необходимо для обеспечения плот­ ности газового стыка и хорошего теплоотвода от центральной зоны к краям головки.

В современных форсированных двигателях все чаще приме­ няются вставные седла клапанов независимо от вида материала для головки цилиндра. При изготовлении последней из алюми­ ниевого сплава применение вставных седел обязательно. Выби­ рая необходимый натяг при запрессовке, принимают во внимание рабочий температурный режим, а также качество материала го­ ловки и вставок.

Для форсированных двигателей, например авиационных, вставки впускных клапанов иногда изготовляют из никельалюминиевой бронзы, а вставки выпускных — из хромоникельмолибденовой стали. Для нефорсированных двигателей в большинстве случаев вставки гнезд впускных и выпускных клапанов можно изготовлять из одного материала (специального чугуна или ста­ ли со стеллитовой наплавкой седел) и устанавливать их с оди­ наковым предварительным натягом. Обычно применяют леги­ рованный чугун или жаропрочную сталь.

Рекомендации по размерам вставок и гнезд под них, допус­ кам на них приведены в работе [8]. Высота вставки (соответст­ венно глубина гнезда) делается в 1,7—2,5 раза больше полови­ ны разницы между внешним и внутренним диаметрами вставки. Вставка запрессовывается в гнездо с натягом 0,075 мм путем нагрева головки и не должна выступать за плоскость головки.

Для запрессовки вставок в головку применяется один из сле­ дующих способов: 1) охлаждение вставки; 2) нагрев головки; 3) сочетание указанных двух способов. Наиболее простым спо­ собом является нагрев головки цилиндра до температуры 150— 200° С (в зависимости от марки алюминиевого сплава) и после­ дующая установка вставок. При этом необходимо следить за тем, чтобы соприкасающиеся поверхности были обработаны не ниже, чем по 5-му классу чистоты, а запрессованные вставки плотно прилегали бы торцами к головке. Наружная поверхность некоторых вставок имеет коническую форму. Вставки вставля­

157

ются в коническое отверстие и затем завальцовываются. Такое соединение вставок с головкой надежнее предыдущего как в от­ ношении контакта между головкой и вставкой, так и в отноше­ нии опасности выпадения последней. Однако трудоемкость об­ работки деталей при этом получается значительно большей. Как показал опыт, для машин рассматриваемого типа применение такой конструкции не вызывается необходимостью.

Влияние типа и формы камеры сгорания на конструкцию головки цилиндра

Тип камеры сгорания существенно влияет на конструкцию головки цилиндра дизеля с воздушным охлаждением. Сложность вопроса определяется трудностью подвода охлаждающего воз­ духа к камере сгорания, а следовательно, недостаточным коли­ чеством протекающего в этом месте воздуха.

С точки зрения охлаждения применение неразделенной каме­ ры более рационально. В случае применения вихревой камеры сгорания необходимо учитывать следующее:

1)объем дополнительной камеры обычно составляет более 50% всего пространства камеры сгорания;

2)камера имеет, как правило, шаровую или близкую к ша­

ровой форму; 3) камера делается из двух частей или, по крайней мере,

имеет вставную горловину.

Применение предкамеры связано со следующими особеннос­ тями:

1) относительный объем предкамеры может быть сравни­ тельно малым (25—30%), вследствие чего упрощается задача размещения камеры в головке и ее охлаждения; может отпасть необходимость соединения тела камеры с оребрением головки цилиндра;

2) форма камеры может быть произвольной: цилиндричес­ кой, конической и пр.

При обоих типах разделенных камер сгорания форсунка ох­ лаждается более эффективно, чем при неразделенной камере, так как она удалена на большее расстояние от основного про­ странства сгорания и находится в зоне интенсивного движения охлаждающего воздуха.

В карбюраторных двигателях влияние формы камеры сгора­ ния, а также и ее большого относительного объема отрицательно сказывается на конструкции основания головки и размерах воздушных каналов непосредственно над основанием. С повы­ шением степени сжатия объем камеры сгорания уменьшается и конструкция головки упрощается. В некоторых таких двигате­

отличающуюся от головки, применяемой на дизелях.

158

Влияние материала и технологии изготовления на конструкцию головки цилиндра

Головки цилиндров большинства двигателей с воздушным охлаждением изготовляются из алюминиевого сплава. Однако имеется ряд конструкций дизелей и небольшое число карбюра­ торных двигателей с головками из чугуна. Алюминиевый сплав значительно дороже чугуна и по сравнению с ним обладает мень­ шей прочностью и меньшей плотностью, но большими коэф­ фициентами теплопроводности и линейного расширения. Послед-

дра, так как в противном случае возможно ее коробление и, как следствие этого, нарушение герметичности посадки клапа­ нов. Недостатком алюминиевых сплавов является резкое паде­ ние их механических качеств при повышении температуры (см. рис. 69).

Отливка головок из алюминиевого сплава в песчаную форму трудоемка, твердость и прочность металла получаются низкими, поэтому в большинстве случаев их отливают в кокиль, кроме газовых каналов, которые получают с помощью песчаных стержней.

В головках из алюминиевых сплавов для крепления _ свечи зажигания (у карбюраторного двигателя) или форсунки "(у ди­ зеля с неразделенной камерой сгорания) применяют переходные втулки (рис. 97, а и б). У дизеля с разделенной камерой переход-

159