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

РАЗВИТИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ В СССР

В СССР в Научно-автомоторном институте (НАМИ) под ру­ ководством инж. К. А. Шарапова был разработан карбюратор­

в 1927—1931 гг. московским заводом «Спартак». Было выпущено более 500 машин.

Двигатель НАМИ-1 имел два цилиндра, расположенных под углом 90° друг к другу, верхние клапаны, степень сжатия 4,5,

рабочий объем 1190 см3.

Двигатель имел индивидуальные цилиндры и головки, отли­ тые из чугуна заодно с охлаждающими ребрами и крепящиеся к алюминиевому картеру длинными шпильками с гайками.

Охлаждающий воздух подавался четырехлопастным осевым вентилятором, расположенным перед цилиндрами в вертикаль­ ной, перпендикулярной оси коленчатого вала, плоскости и при­ водимым клиновым ремнем от шкива на носке коленчатого вала.

Несколько позже под руководством того же автора в том же институте был разработан четырехтактный карбюраторный дви­ гатель с воздушным охлаждением для установки на автомоби­ лях НАТИ-2, которых в период 1931—1932 гг. было выпущено несколько штук.

Этот двигатель имел четыре вертикальных цилиндра, от­ литых в одном отдельном от картера блоке из чугуна вместе с горизонтальными охлаждающими ребрами. Последние в верх­ ней половине ребристой части блока имели разрезы между ци­ линдрами, являвшиеся узкими температурными швами, сделан­ ными во избежание коробления блока под действием тепла.

Блок цилиндров крепился за нижний фланец к картеру из алюминиевого сплава десятью короткими шпильками.

Единая на все цилиндры головка из алюминиевого сплава имела верхние клапаны с запрессованными бронзовыми седла­ ми, горизонтальные ребра, отлитые заодно с головкой. Картер клапанного механизма, также отлитый из алюминиевого спла­ ва, крепился вместе с головкой к блоку цилиндров короткими шпильками. Штанги толкателей изготовляли из алюминия.

Четырехколенный коленчатый вал лежал на двух шари­ ковых подшипниках, а шатунные подшипники были баббито­ выми.

Охлаждающий воздух подавался к цилиндрам и головке центробежным вентилятором барабанного типа, приводимым клиновым ремнем от шкива на носке коленчатого вала. Спи­ ральный кожух («улита») вентилятора располагался перед бло­

10

расположен выпускной коллектор. Установленные под кожу­ хом дефлекторы распределяли равномерно воздух по ци­ линдрам.

Впоследствии в НАМИ также делались попытки создания автомобильных карбюраторных двигателей и дизелей с воздуш­ ным охлаждением, однако по ряду причин они не были доведе­ ны до стадии производства.

В середине 50-х годов в НАМИ, выделившемся в конце 40-х годов из Научно-исследовательского автотракторного института (НАТИ), была разработана конструкция четырехцилиндрового карбюраторного двигателя для микролитражного автомобиля «Запорожец» Запорожского автомобильного завода (ЗАЗ).

Производство этого двигателя организовано на Мелитополь­ ском моторном заводе (МеМЗ), которым проведен комплекс ра­ бот по улучшению конструкции и показателей работы этого дви­ гателя, а также по дальнейшему повышению его мощности (см. гл. VI).

В 1951—1956 гг. в НАТИ совместно с Харьковским трактор­ ным заводом (ХТЗ), Харьковским тракторосборочным заводом (ХТСЗ), Владимирским тракторным заводом (ВТЗ) под руко­ водством автора этой книги были разработаны конструкции предкамерных дизелей воздушного охлаждения с вертикальным расположением цилиндров: двухцилиндровый (Д-16) и четы­ рехцилиндровый (Д-30), унифицированные между собой. Ох­ лаждающий воздух подавался у дизеля Д-16 одним (приводи­ мым ремнем от шкива на носке коленчатого вала) центробеж­ ным вентилятором со сдвоенным рабочим колесом и двусторон­ ним входом охлаждающего воздуха, а у дизеля Д-30 — одним осевым вентилятором, приводимым клиновым ремнем от носка коленчатого вала. На заднем конце вала вентилятора была смонтирована центрифуга для очистки смазочного масла.

Дизель Д-16 выпускался с октября 1958 г. по апрель 1967 г. ХТСЗ, а двигатель Д-30 — с апреля 1960 г. по 1961 г. ВТЗ.

В 1957—1961 гг. НАТИ совместно с ВТЗ и Липецким трак­ торным заводом (ЛТЗ) на основе двигателя Д-30 под руковод­ ством автора разработали двигатель Д-42 (теперь Д-37М) с не­ разделенной камерой сгорания и осевым вентилятором для пода­ чи охлаждающего воздуха.

Производство этого двигателя начато на ВТЗ с 1962 г. Дви­ гатель устанавливают на колесных тракторах тягового класса 0,9 Т, выпускаемых ЛТЗ, ВТЗ и Ташкентским тракторными за­ водами (ТТЗ).

На основе двигателя Д-37М на ВТЗ разработан и с мая 1967 г. внедрен в производство двухцилиндровый двигатель Д-21.

11

С 1969 г. ВТЗ выпускается модификация двигателя Д-37М повышенной мощности (Д-37Е) для хлопковых тракторов ТТЗ и пропашных тракторов ЛТЗ. Мощность двигателя Д-21 также повышается. На основе выпускаемых двигателей ВТЗ разраба­ тываются конструкции двигателей с большим числом цилинд­ ров.

На Челябинском тракторном заводе (ЧТЗ) совместно с HATH ведутся работы по созданию мощных 8- и 12-цилиндро- вых дизелей с воздушным охлаждением для промышленных тракторов.

Производство дизелей с воздушным охлаждением в СССР

непрерывно расширяется.

ПРИЧИНЫ, СДЕРЖИВАВШИЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ В РЯДЕ ОТРАСЛЕЙ

При рассмотрении этого вопроса следует четко разграничи­ вать между собой различные области применения двигателей.

Известно, что в авиации поршневые двигатели с воздушным охлаждением находили преимущественное применение как бо­ лее компактные по сравнению с двигателями, имевшими жид­ костное охлаждение, и менее уязвимые в боевых условиях ввиду отсутствия герметизированной полости в системе охлаждения.

По первой из указанных причин на мотоциклах всегда при­ менялись только двигатели с воздушным охлаждением.

Таким образом, были и остаются области исключительного или преимущественного применения двигателей с воздушным охлаждением.

Наибольший интерес представляет вопрос о причинах, сдер­ живавших широкое применение двигателей с воздушным охлаж­ дением на автомобилях и тракторах.

За рубежом не было специализированных заводов по произ­ водству тракторных двигателей. Для тракторов ранее применя­ лись, как правило, дефорсированные автомобильные двигатели. Поскольку двигатели с воздушным охлаждением не применя­ лись на автомобилях, они не применялись и на тракторах. Лишь с развитием дизелестроения на тракторах стали иногда приме­ нять двигатели, применяемые на ряде стационарных и пере­ движных установок, причем в гораздо больших количествах, чем на автомобилях.

Интересно, что дизели как с жидкостным, так и с воздушным охлаждением стали все шире применяться на грузовых автомобиях.

Конкурентоспособность любой машины определяется ее пер­ воначальной ценой и стоимостью ее эксплуатации: чем проще конструкция, тем ниже стоимость ее изготовления, чем выше надежность работы машины, тем ниже эксплуатационные рас­ ходы.

12

Конструкция ребристого цилиндра и его головки, особенно при изготовлении последней из чугуна, была слишком сложной для того уровня технологии массового производства, который существовал на начальных стадиях автомобильного двигателестроения. Не применялись такие рациональные методы литья, как литье в корковые формы, в кокиль, под давлением. Это крайне усложняло и удорожало изготовление ребристых дета­ лей. Изготовленные же детали работали ненадежно, требовали постоянного наблюдения и ухода. Применявшиеся вентиляторы с низким к. п. д. увеличивали механические потери и, как след­ ствие, расход топлива.

Двигатели были по существу лишены эффективных пуско­ вых устройств для низких температур окружающей среды. И если для двигателей с жидкостным охлаждением при таких же условиях можно было найти какое-то средство облегчения пуска (например, заливка горячей воды в рубашку блока), то для двигателей с воздушным охлаждением оставался только один способ пуска — буксирование автомобиля. Сложность по­ вторения этой операции даже при сравнительно непродолжи­ тельной остановке двигателя принуждала не выключать его, расходуя дополнительное горючее. Все это затрудняло эксплуа­ тацию.

За последнее десятилетие сделано многое для устранения недостатков двигателей с воздушным охлаждением, за исключе­ нием одного — повышенного шума его работы. А между тем в самое последнее время резко повысились требования к авто­ мобилям в отношении шума их работы. Кроме того, значитель­ ные успехи достигнуты в области повышения надежности жид­ костных систем охлаждения. Как следствие этого, снова созда­ лась невыгодная для применения воздушного охлаждения об­ становка.

Приведенные соображения объясняют причины, сдерживаю­ щие применение двигателей с воздушным охлаждением на автомобилях, в первую очередь — на легковых.

У дизеля же вид охлаждения лишь в малой степени влияет на общий уровень шума. Поэтому при наличии других решенных проблем, связанных с применением двигателей с воздушным охлаждением, последние находят все большее применение на тракторах.

Анализ конструкций современных автомобильных карбюра­ торных двигателей («Фольксваген», «Хонда») и дизелей («Дейтц») показывает, что имеются возможности полного уст­ ранения причин, мешающих широкому применению двигателей с воздушным охлаждением на автомобилях и тракторах, а за­ одно и на всех других машинах.

13

Несомненно одно, что создание нового двигателя с воздуш­ ным охлаждением всегда требовало и еще долго будет требо­ вать значительно больше времени и средств, чем равноценного двигателя с жидкостным охлаждением. Однако, как будет пока­ зано далее, это вполне окупается достоинствами воздушного охлаждения.

ПРОБЛЕМЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Дальнейшее развитие воздушного охлаждения на двигате­ лях рассматриваемого типа возможно лишь на основе всесто­ роннего анализа его достоинств и недостатков, с тем чтобы по­ следние могли быть преодолены и воздушное охлаждение могло бы еще лучше конкурировать с жидкостным охлаждением.

Вместе с тем должны быть проанализированы положитель­ ные и отрицательные стороны жидкостного охлаждения и очер­ чены границы его рационального использования, так как только таким путем могут быть определены экономически целесообраз­ ные пределы применения воздушного охлаждения.

Что касается сравнения показателей работы и степени совер­ шенства двигателей с тем и другим видом охлаждения, то эти вопросы могут быть решены лишь после сопоставления соответ­ ствующих параметров и особенностей конструкции двига­ телей с воздушным охлаждением в специальных главах данной книги.

При положительных температурах окружающей среды, т. е. когда наблюдаются наибольшие трудности с охлаждением дета­ лей двигателя, вода является наилучшим охлаждающим средст­ вом. При отрицательных температурах окружающей среды единственным недостатком воды является ее подверженность замерзанию при весьма высокой температуре (0°С). Положи­ тельные качества воды как охладителя являются следствием ее высокой теплопроводности (в 24 раза болыпёй, чем у воздуха), теплоемкости (в 4 раза большей, чем у воздуха) и плотности (при нормальных условиях почти в 800 раз большей, чем у воз­ духа). Благодаря этим свойствам воды коэффициент теплоотдачи к ней от омываемого ею материала даже при отсутствии прину­

В то же время коэффициент теплоотдачи от стенки в обдува­ ющий ее воздух при отсутствии его принудительного движения

в максимальных значениях коэффициента теплоотдачи, но и ин­

1 4

тенсивность его изменения с изменением скорости жидкости (со­ ответственно воздуха) являются основой различия в интенсивно­ сти охлаждения наиболее теплонапряженных мест цилиндра и его головки при том или другом виде охлаждения.

Это и есть причина несоизмеримых трудностей охлаждения деталей двигателя при жидкостном охлаждении, с одной сторо­ ны, и при воздушном охлаждении, с другой.

Однако при том и другом способе охлаждения тепловая энер­ гия в конечном счете отводится в окружающую среду, поэтому трудности, связанные с переносом тепловой энергии в окружа­ ющую среду, в том и другом случае одинаковы. Различие лишь в том, что при воздушном охлаждении они должны быть разре­ шены при создании собственно двигателя, а при жидкостном охлаждении — при разработке радиатора. В тех случаях, когда размер пространства для установки радиатора не ограничен, получение необходимой теплоотдающей поверхности радиатора не представляет трудностей, хотя это сопряжено с увеличением расхода дорогостоящих цветных металлов (олова, меди).

Большая относительная поверхность радиатора объясняется тем, что даже при использовании высококачественных дорогих масел температура охлаждающей жидкости в рубашке двигате­ ля обычно не превышает 110°, в то время как у двигателя с воз­ душным охлаждением того же типа и при тех же условиях рабо­ ты средняя температура ребристой поверхности составляет не меньше 130° С. Большая относительная поверхность необходима еще и потому, что при скорости воздуха в радиаторе больше 15—16 м/сек наблюдается повышенная шумность его работы (высокочастотные шумы), в то время как при воздушном ох­ лаждении равная шумность появляется при значительно боль­ ших скоростях воздуха (50 м/сек и выше).

При форсировании двигателя с воздушным охлаждением необходимо пропорционально повышению мощности (или даже в несколько большей мере) увеличить и количество охлаждаю­ щего воздуха, сохранив его распределение между отдельными участками поверхности ребер, т. е. между отдельными проход­ ными сечениями для охлаждающего воздуха.

Однако этого не происходит, так как с увеличением количе­ ства охлаждающего воздуха доли его, проходящие по кривым каналам малого сечения, уменьшаются ввиду более быстрого увеличения их аэродинамического сопротивления. Это приводит к «голоданию» этих каналов и повышению температуры их стенок.

К сожалению, кривые каналы малого сечения, как правило, располагаются в центральной, наиболее теплонапряженной ча­ сти головки цилиндра, поэтому охладить эту зону увеличением количества воздуха, подаваемого вентилятором, при форсирова­ нии двигателя в большинстве случаев не удается. Необходимо проведение мероприятий другого характера, требующих глубо­

1 5

ких и длительных исследований, излишних при жидкостном охлаждении.

При жидкостном охлаждении отвод тепловой энергии от сильно нагретых зон головки цилиндра осуществляется в основ­ ном путем непосредственного контакта между стенками и омы­ вающей их жидкостью. Отвод тепловой энергии от нагретых зон теплопроводностью по сечениям металла в другие менее нагретые зоны является дополнительным. При воздушном же охлаждении, наоборот, второй способ является основным, а пер­ вый способ — дополнительным.

Для отвода тепловой энергии от центральной части головки цилиндра к ее периферии между ними должен существовать температурный напор. Он увеличивается с повышением нагруз­ ки двигателя, т. е. центральная часть головки цилиндра нагре­ вается более интенсивно, чем ее края. При одном и том же градиенте температуры (наклоне кривой) величина ее в цент­ ральной части головки цилиндра, при одинаковой температуре на ее краях, выше при цилиндрах большего диаметра.

Таким образом, у двигателей с воздушным охлаждением тем­ пература центральной части головки цилиндра (особенно при большом его диаметре) при равной температуре краев головки выше, чем у двигателей с жидкостным охлаждением, и повы­ шается с нагрузкой более интенсивно, чем у последних. При жидкостном охлаждении даже при самой сложной форме сече­ ния проточных каналов обеспечивается хороший отвод тепловой энергии от их стенок, так как падение скорости движения жид­ кости в этих каналах приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи не более чем в 4—5 раз. При воздушном же охлаж­ дении указанный коэффициент изменяется при тех же условиях в 10—15 раз, что и создает основные трудности в охлаждении тех мест, в которых скорость охладителя (воды, воздуха) мала.

При достижении температуры кипения жидкость начинает испаряться с интенсивностью, соответствующей интенсивности подвода тепловой энергии к внутренним поверхностям (со сто­ роны рабочего пространства). В дальнейшем температура жид­

страховочного предела повышения температур стенок, но ввиду отсутствия жидкости с ее высокой аккумулирующей способно­ стью тот же уровень температур достигается значительно бы­ стрее.

ленное изменение теплового состояния двигателя с жидкостным охлаждением с изменением его нагрузки. Кроме того, появление сильного испарения жидкости из системы охлаждения при на-

16

Г л а в а II

ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Показатели двигателей с воздушным охлаждением целесо­ образно анализировать путем их сравнения с показателями дви­ гателей с жидкостным охлаждением, поэтому необходимо сфор­ мулировать ряд общих отправных положений. Это относится к понятиям типов рассматриваемых двигателей и их комплект­ ности.

В литературе многократно указывалось на условность опре­ делений «воздушное охлаждение» и «жидкостное охлаждение» применительно к двигателям внутреннего сгорания: в том и дру­ гом случае часть тепловой энергии газов в цилиндре двигателя в конечном итоге отводится в окружающую среду потоком ох­ лаждающего воздуха *. Различие состоит лишь в том, что при воздушном охлаждении этот поток обтекает непосредственно цилиндры и их головки, а при жидкостном охлаждении он обте­ кает поверхности специального теплообменника — радиатора, воспринимающего тепловую энергию от жидкости, омывающей цилиндры и их головки. Поэтому многими исследователями пред­ лагалось называть воздушное охлаждение двигателей прямым или непосредственным, а жидкостное охлаждение косвенным.

При этом важно, рассматривается ли весь процесс теплоот­ вода от газов в цилиндре в окружающую среду или берется лишь его часть, заканчивающаяся теплоотводом в охлаждаю­ щую жидкость. Отсюда будут разными и выводы о достоинствах и недостатках двигателей обоих рассматриваемых типов. Если за исходное условие принять положение об отводе тепловой энергии в охлаждающую жидкость, как это, к сожалению, чаще всего бывает на практике, то при воздушном охлаждении будет рассмотрен весь комплекс вопросов, относящихся к теплоотдаче в окружающую среду со всеми их трудностями, а при жидкост­ ном охлаждении будет рассмотрена лишь первая часть вопро­ сов, а вторая часть, связанная с теплоотводом от охлаждающей жидкости в окружающую среду, будет вне поля зрения.

Это происходит тогда, когда создатели двигателей не участ­ вуют в решении всех вопросов, относящихся к моторной уста­

* Исключая судовые двигатели.