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

новке, т. е. в данном случае в решении вопросов системы ох­ лаждения в целом,..,оставляя решение части вопросов разработ­

чикам моторной установки.

При воздушном охлаждении это в большинстве случаев не­ возможно, так как элементы системы охлаждения являются структурной частью двигателя. Двигатель с воздушным охлаж­ дением представляет собой комплектную моторную установку (не считая, конечно, таких вспомогательных устройств, как топ­ ливные и масляные баки и др.), в то время как двигатель с жидкостным охлаждением представляет собой лишь часть ее, хотя и значительную.

Это и является часто причиной необъективного сравнения показателей двигателей с воздушным и жидкостным охлажде­ нием. Отсюда вытекает и вопрос о комплектности. Очевидно, что сравнивать между собой следует не только двигатели, но и их установки, включающие, кроме двигателей, радиаторы, сое­ динительные трубопроводы и другие элементы системы охлаж­ дения.

Известно, что эксплуатационные качества двигателя с жид­ костным охлаждением зависят от вида применяемой жидкости. Например, при использовании незамерзающей жидкости отпа­ дает опасность размораживания радиатора, весьма серьезная при использовании для этой цели воды. Поэтому при сравнении двигателей с воздушным и жидкостным охлаждением это обсто­ ятельство должно быть учтено.

К основным показателям двигателя относятся следующие: конструктивные, производственные, рабочие, совокупные совер­ шенства конструкции и эксплуатационные. Значения конструк­ тивных показателей приведены в табл. 1 и 2. Подробный ана­ лиз их дан в гл. III.

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

К производственным показателям следует отнести техноло­ гичность и экономичность конструкции двигателя. Технологич­ ность конструкции можно оценить отношением массы двигателя к массе необработанных материалов, расходуемых на его изго­ товление, или отношением стоимости исходных материалов к стоимости двигателя. В соответствии с этим, например, примене­ ние деталей, отливаемых в кокиль или под давлением, вместо деталей, отливаемых в песчаные или даже в скорлупчатые фор­ мы, повышает технологичность конструкции. Характерными де­ талями двигателя, отражающими вид его охлаждения, являются цилиндр, его головка и вентилятор. Технология изготовления этих деталей при жидкостном и воздушном охлаждении раз­ лична.

Получение ребристого цилиндра более сложно, чем получе­ ние гладкой гильзы цилиндра; получение ребристой головки

20

2 2

цилиндра, отливаемой полностью в кокиль, проще, чем получе­ ние головки цилиндров двигателя с жидкостным охлаждением, отливаемой в песчаные формы. Но при воздушном охлаждении головки делают индивидуальными для каждого цилиндра, по­ этому трудоемкость их изготовления несколько больше, чем у го­ ловки, единой для всех цилиндров.

Затраты времени и стоимость изготовления высоконапорного вентилятора двигателя с воздушным охлаждением также выше,

двигатель с воздушным охлаждением несколько менее техноло­ гичен, чем двигатель с жидкостным охлаждением. С учетом же радиатора тот и другой двигатель оказываются примерно рав­ ноценными по данному показателю.

Экономичность конструкции можно оценить отношением мас­ сы конструкции к ее стоимости, т. е. массой обработанного мате­ риала, приходящейся на единицу денежных затрат. Эта вели­ чина обратна стоимости единицы массы изделий, так что с увели­ чением первого показателя экономичность конструкции улуч­ шается. Если головки цилиндров двигателей с жидкостным и воздушным охлаждением изготовляют из одинакового материа­ ла, то экономичность конструкции тех и других будет одинако­ вой. С учетом же стоимости радиатора, изготовляемого из доро­ гих цветных металлов, экономичность конструкции двигателя с жидкостным охлаждением должна быть более низкой, чем экономичность конструкции двигателя с воздушным охлажде­ нием.

Этот вывод не изменился бы и в том случае, если бы в ка­ честве показателя экономичности конструкции была принята стоимость одной лошадиной силы.

РАБОЧИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Основным рабочим показателем двигателя является разви­ ваемая им эффективная мощность при определенном числе обо­ ротов.

В качестве удельных показателей целесообразно принять литровую мощность и поршневую мощность. В качестве эконо­ мического показателя целесообразно принять эффективный к. п. д. двигателя. Для всех указанных показателей исходными являются индикаторные показатели.

Различие значений индикаторных показателей при воздуш­ ном и жидкостном охлаждении может быть вызвано лишь раз­ ной степенью наполнения цилиндров и разными тепловыми по­ терями в стенки, ограничивающие внутрицилиндровое простран­ ство.

2 3

Наполнение цилиндров

Изменение нагрузки или частоты вращения двигателя поразному сказывается на наполнении цилиндров двигателя. С увеличением нагрузки при постоянной частоте вращения тем­ пературы стенок цилиндров и их головок при воздушном охлаж­ дении быстро повышаются, что приводит к повышенному на­ греву воздуха, поступающего в цилиндры, о стенки впускных каналов и частично о стенки, ограничивающие внутрицилиндро­ вое пространство двигателя. Следствием этого является значи­ тельное ухудшение весового наполнения цилиндров двигателя.

0,8

0,7

Рис. 1. Зависимость коэффициента наполнения дизелей SAME-954V (кривая I)

иSAME-DA1154 (кривая 2):

а— от нагрузки; б — от числа оборотов

На рис. 1, а показана зависимость коэффициента наполне­ ния от нагрузки, а на рис. 1, б — от частоты вращения дизелей SAME с воздушным охлаждением. Коэффициент наполнения в большей степени зависит от изменения нагрузки, чем от изме­ нения частоты вращения, что свидетельствует о большем влия­ нии степени нагрева воздуха во впускном тракте по сравнению с влиянием повышения гидравлического сопротивления системы впуска с повышением частоты вращения двигателя.

С повышением частоты вращения влияние повышения темпе­ ратуры стенок на наполнение двигателя с воздушным охлажде­ нием сказывается меньше. Так, в соответствии с рис. 2 разница в значении коэффициентов наполнения холодного (на прокрут­ ке) и теплого (при среднем эффективном давлении 6 кГ/см2) двигателя «Дормэн 4DA» составляет:

0,97 —0,88 при 1600 об/мин ---- --------- 100 = 9,3%;

Q gß __ Q £2

при 2000 об/мин — 0 6’— 100 = 4,65%,

т. е. на повышенных оборотах в 2 раза меньше, чем на пони­ женных.

На рис. 3 приведена зависимость коэффициента наполнения дизеля Д-37М, снабженного измененными головками цилиндра, при разных частотах вращения в зависимости от нагрузки.

24

С увеличением последней коэффициент наполнения уменьшает­

— 2000 об/мин составляет при воздушном охлаждении в среднем 7,5%, при жидкостном охлаждении ввиду более низкой темпера­ туры стенок впускных каналов (105—110° по сравнению с 130— 135° С) уменьшение коэффициента наполнения составляет ори-

эффективного давления при воздушном и жидкостном охлажде­ нии практически не получается.

В дальнейшем с повышением частоты вращения влияние нагрева заряда во впускных каналах на наполнение цилиндров будет все более уменьшаться ввиду сокращения времени сопри­ косновения заряда со стенками впускных каналов в течение одного цикла, и, следовательно, разница между степенью напол­ нения цилиндров двигателей с воздушным и двигателей с жид­ костным охлаждением также будет меньше.

У двигателей с наддувом (особенно при отсутствии охлади­ теля нагнетаемого воздуха) разница между температурами стенок впускных каналов головки цилиндра и газа на впуске будет меньше, а массовый поток газа больше, чем у двигателей без наддува, поэтому различие в степени его нагрева при воз­ душном и жидкостном охлаждении, а значит, и в степени напол­ нения ничтожно.

2 5

Тепловые потери в стенки

Уменьшение тепловых потерь в стенки повышает индикатор­

потери в стенки камеры сгорания. Если бы их не было, то боль­ шая часть эквивалентной им энергии могла бы быть использо­ вана для совершения полезной работы, так как степень расшире­ ния газов в цилиндре в этом случае была бы максимальной и приблизительно равной действительной степени сжатия.

Тепловая энергия, эквивалентная потерям в стенки внутрицилиндрового пространства в такте расширения, могла бы быть использована при их отсутствии в соответствии со степенью рас­ ширения, соответствующей начальному положению поршня в этом такте. Тепловые потери в стенки, ограничивающие внут­ рицилиндровое пространство (не считая потерь в стенки выпуск­ ных каналов за пределами цилиндра), составляют примерно 15% тепловой энергии топлива. При полном отсутствии этих по­ терь степень использования тепловой энергии топлива на совер­ шение полезной работы повысилась бы не более чем на 3%, что составит 20% указанной потери (15%). Остальные 80%, т. е. 12% располагаемой тепловой энергии топлива, были бы отведе­ ны с отработавшими газами. Возможность использования энер­ гии газов, теряемой в стенки, для совершения полезной работы оказывается незначительной у двигателей с воздушным и с жид­ костным охлаждением.

Тепловой режим стенок камеры сгорания при воздушном охлаждении характеризуется более высокими температурами, чем при жидкостном охлаждении, поэтому тепловые потери в стенки камеры сгорания в последнем случае больше. Прибли­ зительно их можно оценить следующим образом. Полагая сред­ нюю температуру процесса горения в том и другом случае оди­ наковой и равной 1300° К, среднюю температуру стенок камеры сгорания равной при воздушном охлаждении 470° К и при жид­ костном охлаждении (и алюминиевой головке) 450° К, полу­ чим, что разность между температурами газа и стенки будет при жидкостном охлаждении в (1300—450) : (1300—470) = 1,03 ра­ за больше, чем при воздушном охлаждении. Во столько же раз будут больше и тепловые потери в стенки камеры сгорания. От

Однако при жидкостном охлаждении головки цилиндров из­ готовляются в большинстве случаев из чугуна, поэтому средняя температура стенок камеры сгорания получается приблизитель-

26

но такой же, как и температура при воздушном охлаждении. Нужно еще учесть, что при использовании высококипящих жид­ костей температурный уровень стенок камеры сгорания будет еще выше.

В связи с этим можно полагать (что и подтверждается прак­ тикой), что тепловые потери в стенки камеры сгорания при воз­ душном и жидкостном охлаждении практически одинаковы. Тепловые потери в стенки цилиндра ввиду его более высокой температуры при воздушном охлаждении ниже, чем при жид-

Рис. 4. Поле значений индикаторных показателей дизеля с воз­ душным охлаждением «Дормэн 4DA»

костном охлаждении; однако это сказывается в основном на по­ терях трения и параметрах агрегатов системы охлаждения.

Таким образом, суммарное влияние различия в степени на­ полнения цилиндров и в тепловых потерях в стенки при жидко­ стном и воздушном охлаждении составит приблизительно 3,5— —0,16 = 3,34%- При механическом к. п. д. двигателя, равном 0,8, это дает снижение среднего эффективного давления на 3,34-0,8 = 2,7%. На рис. 4 приведено поле индикаторных пока­ зателей дизеля с воздушным охлаждением «Дормэн 4DA», полу­ ченное при его испытаниях. Индикаторный к. п. д. равен 0,445 (индикаторный расход топлива 147 г/«, л. с.-ч) при 1600 об/мин, а при номинальном числе оборотов — 0,46 (индикаторный расход топлива 137 г/и. л. с.-ч) при том же рг-.

На рис. 5 такие же характеристики даны для двигателя SAME-954V. Индикаторный к. п. д. при номинальном рі равен 0,44 (индикаторный расход топлива 143 г/и. л. с.-ч) при 1400 об/мин, а на номинальном режиме (при том же среднем ин­ дикаторном давлении и частоте вращения 2000 об/мин) 0,445

27

(индикаторный расход топлива 142 г/и. л. с.-ч). Приведенные значения индикаторного к. и. д. не ниже, чем у соответствующих

Рі,рткГ/смг

Рис. 5. Поле значений индикаторных показателей дизеля с воз­ душным охлаждением SAME-954V .

двигателей с жидкостным охлаждением того же типа и тех же размеров.

Частота вращения и средняя скорость поршня

Зависимость частоты вращения от вида охлаждения двигате­ ля выражается лишь в том, что в связи с меньшим коэффициен­ том наполнения при воздушном охлаждении на номинальном режиме работы двигателя для компенсации снижения среднего эффективного давления (разумеется, учитывая уменьшение ко­ эффициента наполнения по этой причине) повышают номи­ нальную частоту вращения. Однако это относится только к дви­ гателям одинаковой мощности, но выпускаемым как с жидко­ стным, так и с воздушным охлаждением. В общем же случае при проектировании двигателя с воздушным охлаждением учитыва­ ют отмеченную выше особенность его работы и соответственно' увеличивают рабочий объем его цилиндров.

На рис. 6 изображена диаграмма распределения большинст­ ва выпускавшихся в 1968 г. моделей дизелей с воздушным ох­

чению частоты вращения занимают двигатели общего назначе­ ния с частотой вращения порядка 3000 об/мин и тракторные двигатели с частотой вращения 2000 об/мин. Следовательно*

28

подавляющее большинство дизелей с воздушным охлажде­ нием имеет 2000 и 3000 об/мин. К ним относятся двигатели с ма­

П

Среднее эффективное давление

Не считая изменения ре, вызванного измененияем рі, вид охлаждения двигателя отражается на среднем эффективном давлении в связи с разны­ ми потерями на трение де­

дения.

Потери на трение деталей цилиндро-поршневой группы. Раз­

2 9