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

На рис. 8 приведена зависимость среднего давления механи­ ческих потерь двух двигателей SAME от средней температуры цилиндра в его верхней зоне при постоянной температуре масла

повышение температуры цилиндра может привести к ненормаль­ ной работе поршневых колец, представляет интерес возможность снижения механических потерь при постоянной температуре стенки, но при повышении температуры масла в картере двига­ теля.

На рис. 9, а показана зависимость среднего давления меха­

венное снижение механических потерь наблюдается при повы­ шении температуры масла до 60°С (не изображено на рисунке);

30

при повышении ее с 60 до 100° С среднее давление механических потерь уменьшается приблизительно на 6% во всем диапазоне чисел оборотов. Это является следствием того, что температура масла непосредственно на стенке цилиндра изменяется мало, почти не вызывая снижения потерь трения в цилиндро-поршне­ вой группе, составляющих большую часть всех потерь в двига­ теле, а снижение происходит в основном за счет уменьшения потерь трения в подшипниках коленчатого вала и в других ме­ ханизмах двигателя.

Рис. 9. Зависимость среднего давления механических потерь дизе­ ля с воздушным охлаждением от средней температуры масла

вкартере:

а— дизель SAME-954V при постоянной температуре стенки верхней зоны цилиндра 160° С; б — дизель SAME-DA1154 при постоянной средней темпе­

ратуре стенки цилиндра 135° С (температура окружающей среды равна 22° С)

Следовательно, изменение температуры цилиндра влияет сильнее на изменение механических потерь, чем изменение тем­ пературы масла в картере. Такая же картина наблюдается и в двигателе SAME-DA1154 (рис. 9, б), для которого приведена такая же зависимость, но при постоянной средней температуре стенки цилиндра по его высоте и по окружности, равной 135°. Повышение температуры масла с 60 до 100° (как и в предыду­ щем случае) при 2000 об/мин приводит к снижению среднего давления механических потерь с 2,61 до 2,4 кГ/ем2, т. е. на 0,21 кГ/см2 (на 8,5%), или примерно на такую же величину, как и у предыдущего двигателя.

Выше указывалось, что иногда повышают номинальную час­ тоту вращения двигателя с воздушным охлаждением для ком­ пенсации уменьшения наполнения его цилиндров. Это мероприя­ тие сопряжено с риском заметного ухудшения эффективных по­ казателей двигателя вследствие повышения его механических потерь, что видно из рис. 10, где дана зависимость среднего

31

давления механических потерь двигателя SAME-DA1154 от час­ тоты его вращения. Повышение последней с 1000 до 2000 в ми­ нуту, т. е. в 2 раза, приводит к повышению среднего давления механических потерь с 1,3 до 2,02 кГ/см2, т. е. в 1,55 раза.

Затраты мощности на привод агрегатов системы охлаждения.

Затрата мощности на привод вентилятора при данном аэроди­ намическом сопротивлении воздушного тракта зависит от его производительности и к. и. д. При одинаковых количествах теп­ ловой энергии, отводимой в систему охлаждения, количество охлаждающего воздуха обратно пропорционально степени его нагрева в теплоотдающих каналах.

Рис. 10. Зависимость среднего давления механических потерь дизеля SAME-DA1154 от числа его оборотов (температура мас­ ла в картере равна 90° С, сред­ няя температура стенки ци­ линдра по его высоте 135° С)

в межреберных каналах 50° С, так что количество воздуха при воздушном охлаждении должно быть в 2 раза меньше, чем при жидкостном охлаждении.

Аэродинамическое сопротивление сети при воздушном ох­ лаждении в среднем в 4 раза больше, чем при жидкостном.

К. п. д. вентилятора двигателя с воздушным охлаждением ввиду его более совершенной конструкции и меньших зазоров между рабочим колесом и его кольцом приблизительно в 1,5 ра­ за выше к. п. д. вентилятора при жидкостном охлаждении. Та­ ким образом, затрата мощности на привод вентилятора при

воздушном охлаждении в- •■4- — = 1,33, т. е. на !/з больше, чем

1,5

затрата мощности при жидкостном охлаждении, и составляет 4,5—8% номинальной мощности двигателя по сравнению с 2,5— 5% у двигателей с жидкостным охлаждением. Приняв в сред­ нем для воздушного охлаждения 5,5% и для жидкостного 4%, получим разницу в расходе, равную 1,5%. Расход мощности на привод водяного насоса составляет около 15% расхода ее на привод вентилятора, в данном случае от 4%, и равен 0,6% но­ минальной мощности. Таким образом, расход мощности на при­ вод агрегатов системы охлаждения в данном примере при воз-

32

душном охлаждении на 20% больше, чем при жидкостном. Такое соотношение подтверждается и практикой.

Тогда превышение расхода мощности на привод вентилятора при воздушном охлаждении над ее расходом на привод венти­ лятора и водяного насоса, взятых вместе, составит 1,5—0,6 = = 0,9%, или приблизительно 1% номинальной мощности дви­ гателя. На эту же величину должно быть уменьшено и среднее эффективное давление.

Резюмируя данные о влиянии указанных факторов на изме­ нение среднего эффективного давления и принимая ориентиро­ вочно, что его значение при воздушном охлаждении уве­ личивается на 1,5% вследст­ вие снижения потерь трения, но снижается на 1 % вследст­ вие увеличения расхода мощности на привод агрега­ тов системы охлаждения и на 2,7% вследствие ухудше­ ния среднего индикаторного давления, т. е. всего на 3,7%, получаем, что в сумме среднее эффективное давле­ ние при воздушном охлаж­ дении должно быть на 3,7—

ности небольшая разница объясняет то, что в проспектах фирм для двигателей одинако­

вых размеров, но с разным видом охлаждения приводятся оди­ наковые значения рабочих показателей.

На рис. 11 изображено поле значений среднего эффективно­ го давления большого числа дизелей с воздушным охлаждени­ ем в зависимости от диаметра цилиндра. Большим значениям последнего соответствуют и большие значения среднего эффек­ тивного давления. Согласно приведенным данным, а также дан­ ным табл. 1 и 2 среднее эффективное давление у четырехтактных

Литровая мощность

Литровая мощность повышается не пропорционально повы­ шению частоты вращения, так как при этом ухудшается напол­ нение цилиндров и повышаются относительные механические.

потери. Из рис. 12 видно, что с повышением частоты вращения с 1500 до 3000 об)мин литровая мощность двигателей с воз­ душным охлаждением повышается в среднем с 11 до 18 л. с.Іл, а не в 2 раза. Если литровые мощности, изображенные крести­ ками, ограничить штриховыми линиями, то легко заметить, что

своздушным и жидкостным охлаждением при разных числах оборотов:

•— двигатели с жидкостным охлаждением: о — двигатели с воздушным охлаждением

34

клон линий средних эффективных давлений, выражающих про­ порциональную зависимость (выходят из начала координат).

На рис. 13 дана зависимость литровой мощности четырех­ тактных карбюраторных двигателей с воздушным и жидкост­ ным охлаждением для легковых автомобилей от частоты враще­ ния. У тех и у других рассматриваемый параметр приблизи­ тельно одинаков. На рис. 14 представлена зависимость литровой

Зависимость поршневой мощности от средней скорости поршня (рис. 15) носит иной характер, чем зависимость литро­ вой мощности от частоты вращения: с увеличением средней скорости поршня поршневая мощность повышается с той же или даже с большей интенсивностью, чем среднее эффектив­ ное давление. Это объясняется тем, что средняя скорость поршня выражает совокупное влияние частоты вращения и хода поршня. Если влияние первого на поршневую мощность такое же, как и на литровую мощность, т. е. приводит к увели­ чению гидравлических и механических потерь с оборотами, то увеличение хода поршня (при постоянных оборотах) приводит

к небольшому увеличению гидравлических и механических потерь, но при этом пропорционально величине хода повышается

шей мощности на тонну массы двигателя при меньшей механи­ ческой и тепловой нагрузке на наиболее ответственную деталь — поршень целесообразнее форсировать двигатель путем повыше­ ния частоты его вращения, а не средней скорости поршня. Од­ нако это справедливо для оптимального отношения хода поршня

кдиаметру цилиндра, когда увеличение хода не дает выигрыша

виспользовании металла, т. е. приводит к пропорциональному или даже большему повышению металлоемкости конструкции.

На рис. 11 изображено поле значений поршневой мощности дизелей с воздушным охлаждением разных размеров. Согласно этим данным значение поршневой мощности у четырехтактных дизелей находится в пределах 17—23 л. с.Ідм2.

Эффективный к. п. д.

Изменение эффективного к. п. д. объясняется теми же причинами, что и изменение литровой мощности. На рис. 16 приведено поле эффективных показателей дизеля с воздушным охлаждением «Дейтц» F4L912. Максимальный эффективный к. п. д. равен 0,396 (удельный расход топлива 160 г/э. л. с. • ч)

36

р е кГ/йМ2

Не Л.С.

76

73

70

65

60

55

50

00

30

Рис. 16. Поле эффективных показателей дизелей с воз­ душным охлаждением «Дейтц» F4L 912

Рі кГ/см2

Рис. 17. Поле эффективных показателей дизелей с воздуш­ ным охлаждением SAME-DA1154

фективный к. п. д. равен 0,361 (удельный расход топлива 175 г]э. л. с.-ч).

37

у двигателей с жидкостным охлаждением того же типа и раз­

меров.

Из приведенных данных и из табл. 1 и 2 следует, что эффек­ тивный к. п. д. у четырехтактных дизелей находится в пределах 0,341—0,372 (удельный расход топлива 185—170 г/э. л. с.-ч) и у карбюраторных двигателей 0,25—0,29 (удельный расход топли­ ва 250—220 г/э. л. с.-ч) на номинальном режиме работы двига­ теля. Эти значения практически не отличаются от значений, наблюдаемых у двигателей с жидкостным охлаждением.

СОВОКУПНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ

В качестве совокупного показателя, характеризующего совершенство конструкции и рабочего цикла двигателя, можно принять мощность, получаемую с тонны массы двигателя (вели­ чина, обратная удельной массе двигателя).

Рис. 18. Значения Ne/G для 262 дизелей с воздушным охлаждением в за­ висимости от числа цилиндров (а) и от суммарного объема цилиндров в л (б) (заштрихована область предельных значений)

Согласно табл. 1 этот показатель у дизелей с воздушным ох­ лаждением составляет 104,5—362 л. с./т при четырехтактном цик­ ле и 88,3—555 л. с./т (кроме дизелей специального назначения) при двухтактном цикле; у карбюраторных двигателей с воздуш­ ным охлаждением (см. табл. 2) он значительно выше и равен 256,5—713 л. с./т (кроме двигателей специального назначения).

38

значениям данного параметра. Видна большая разница между ними, отражающая использование различных материалов для изготовления двигателей. С увеличением числа цилиндров до восьми значение данного показателя увеличивается, а при даль­ нейшем увеличении числа цилиндров оно остается практически

данным на рис. 19, где изобра­ жено поле значений этого показателя для разных частот враще­

ния II диаметров цилиндров дизелей с воздушным охлаждением разного назначения, максимальное значение рассматриваемого параметра равно 154 л. с./м3 (у некоторых моделей дизелей фир­ мы Континентал, не приведенных в данной таблице, эта величи­ на достигает 750—800 л. с./м3). У карбюраторных двигателей значение этого показателя несколько больше, чем у дизелей.

Для сравнения приведенных значений показателей со значе­ ниями, наблюдаемыми у двигателей с жидкостным охлаждени­ ем, можно принять, что длина и масса двигателя пропорциональ­ ны его межцилиндровым расстояниям. У двигателя с рядным расположением цилиндров отношение межцилиндрового расстоя­ ния Іь к диаметру цилиндра D составляет в среднем: при жидкостном охлаждении 1,25 и при воздушном 1,35. Следо­ вательно, длина блок-картера многоцилиндрового двигателя

39