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

при воздушном охлаждении будет в 1,35: 1,25 = 1,08 раза боль­ ше, чем при жидкостном. При одинаковых размерах цилиндра

ихода поршня приблизительно во столько же раз будет больше

идлина двигателя.

Глубина радиатора (вместе с зазором между ним и венти­ лятором) для автомобильного и тракторного двигателей

раза.

Хотя приведенные цифры являются ориентировочными, они все же близки к истине, которая состоит в том, что габаритный показатель, а следовательно, и мощность, снимаемая с единицы объема занимаемого им пространства, двигателя с жидкостным охлаждением при отсутствии радиатора на 6—8% больше, а при наличии радиатора на столько же меньше, чем аналогичный показатель двигателя с воздушным охлаждением.

Мощность, снимаемая с единицы массы, в том и другом случае одинакова или незначительно выше при жидкостном охлаждении, а с учетом массы охлаждающей жидкости несколь­ ко ниже, чем при воздушном охлаждении.

Таким образом, двигатель с рядным расположением ци­ линдров и жидкостным охлаждением оказывается при сравне­ нии с аналогичным двигателем воздушного охлаждения в невыгодном положении по габариту ввиду наличия у него радиатора, а по массе — ввиду наличия охлаждающей жидко­ сти в его рубашке.

При клинообразном расположении цилиндров межцилин­ дровые расстояния определяются необходимостью получения коленчатого вала соответствующей прочности, поэтому эти рас­ стояния получаются больше необходимых по условиям охлажде­ ния двигателя.

В связи с этим двигатель с жидкостным охлаждением, не имеющий радиатора, равноценен двигателю с воздушным охла­ ждением по габаритным и массовым показателям. Учет размеров и массы радиатора, а тем более массы охлаждающей жидкости ставит двигатель с клинообразным расположением цилиндров и жидкостным охлаждением в невыгодное положение при срав­ нении его с двигателем, имеющим воздушное охлаждение. Различие в габаритных и массовых показателях здесь приблизи­ тельно одинаково и составляет примерно 10%.

Найти для сравнительной оценки габаритных и массовых показателей тех и других двигателей более точные данные нет возможности, так как хотя и существуют двигатели с одинако­ выми определяющими размерами (диаметром цилиндра и

40

ходом поршня), но с разным видом охлаждения конструктивное их выполнение различно (алюминиевые головки цилиндра при воздушном охлаждении, чугунные — при жидкостном, разная конструкция картеров и др.).

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

К основным эксплуатационным качествам двигателя, как и любой другой машины, относятся надежность его работы, эко­ номичность эксплуатации, удобство пользования им, безопас­ ность для обслуживающего персонала.

Надежность

Надежность двигателя характеризуется его постоянной го­

ность нормального технического состояния в гарантированные периоды времени при своевременном проведении запланирован­ ных операций технического ухода.

Хотя надежность работы является показателем качества машины, для ее сравнительной оценки необходим количествен­ ный показатель. В качестве последнего обычно принимают отношение длительности безотказной работы к общему времени работы машины.

Этот показатель не пригоден для оценки пусковых качеств двигателя, а между тем они являются важным элементом надежности работы двигателя и именно с них начинается оценка этого его качества.

Пуск двигателя внутреннего сгорания, особенно если он продолжителен, является процессом, включающим определен­ ный комплекс подготовительных и основных операций. Пуск двигателей при положительных температурах окружающей среды не представляет больших трудностей, поэтому пусковые качества оцениваются прежде всего по эффективности пуска при отрицательных температурах, когда не только увеличивает­ ся время пуска, но и износ двигателя.

Наибольшие трудности представляет пуск дизелей. Для облегчения его применяют следующие вспомогательные сред­ ства: подогрев воздуха, поступающего в цилиндры; впрыск топлива или смеси его с маслом или эфира во впускной канал или непосредственно в рабочее пространство; установка свечи накаливания в камере сгорания; прогрев двигателя горячей водой, заливаемой в рубашку цилиндров; применение смазоч­ ного масла с низкой вязкостью или разжижение масла подме­ шиванием к нему топлив легких фракций.

41

Легко заметить, что все перечисленные средства облегчения пуска, кроме прогрева водой, применимы к двигателям с воздуш­ ным охлаждением. При этом и эффективность их практически одинакова. Ввиду невозможности прогрева двигателя с воз­ душным охлаждением проливом горячей воды прогрев его может быть осуществлен от специального воздушного подогре­ вателя, работающего на бензине или на дизельном топливе.

Однако в большинстве выпускаемых двигателей с. воздуш­ ным охлаждением не предусмотрено достаточно эффективной системы их подогрева перед пуском, поэтому пуск их при низ­ ких отрицательных температурах окружающей среды сопряжен с определенными трудностями.

Дизели с неразделенной камерой и карбюраторные двигате­ ли с воздушным охлаждением в большинстве случаев не снабжают приспособлениями для облегчения пуска. Дизели

сразделенной камерой сгорания снабжают свечой накаливания,

атакже и другими средствами для облегчения пуска, перечис­ ленными выше. Большинство двигателей оборудуют электро­ стартером. Стационарные двигатели малой мощности часто снабжают устройством для ручного пуска.

Время прогрева двигателя, с воздушным охлаждением после пуска значительно меньше, чем время прогрева двигателя с жидкостным охлаждением (рис. 20), вследствие чего умень­ шается износ цилиндров в период пуска. Хотя распространение тепловой энергии, передаваемой от рабочих газов по сечениям оребренных стенок, происходит при, воздушном охлаждении не менее интенсивно, чем при жидкостном, теплоотдача от ребер

Рис. 20. Повышение температу­ ры цилиндра карбюраторного двигателя в процессе его про­ грева при температуре окружа­ ющей среды 18° С:

/ — двигатель с воздушным охла­ ждением; 2 — двигатель с ж ид­ костным охлаждением и термоста­ том; 3 — двигатель с жидкостным охлаждением, но без термостата

Врем я

окружающему их, воздуху при малых числах оборотов венти­ лятора протекает медленнее, чем от внешних поверхностей гильз цилиндров, ввиду меньшей теплоемкости воздуха по сравнению с теплоемкостью жидкости. Это и способствует быстрому прогреву двигателя с воздушным охлаждением. При пуске и прогреве двигателя по возможности должен быть пре­

4 2

кращен обдув цилиндров охлаждающим воздухом на весь период прогрева.

На рис. 21 дана зависимость времени пуска дизеля «Конти­ нентал» AVCR-1100 от температуры окружающей среды при использовании различных топлив, от арктического дизельного (цетановое число 40)до бензина с октановым числом 93. При

Рис. 21. Зависимость времени пус­ ка дизеля «Континентал» AVCR-

двигателя до наступления его устойчивой работы колеблется от 30 сек (арктическое дизельное топливо) до 45 сек (бещзин с ок­ тановым числом 93). С повышением температуры окружающей

душным охлаждением несколько ниже, чем у двигателей с жид­

костным охлаждением мощность стартера и емкость аккумулят торных батарей должны быть приблизительно одинаковыми.

тали при высоких температурах окружающей среды: они пере­ гревались, и это приводило к потере мощности, ухудшению экономичности, увеличению угара масла и другим неприятным последствиям. Работа двигателей при низких температурах окружающей среды сопровождалась сильным переохлаждени­ ем цилиндров. Все это делало эксплуатацию указанных двигателей ненадежной и приводило к потерям рабочего вре­ мени и средств на их дополнительное обслуживание и ремонт.

Современные двигатели с воздушным охлаждением могут надежно работать при изменении температуры окружающей

4 3

среды в широком диапазоне. В конструкции двигателя с воз­ душным охлаждением отсутствуют многие элементы, являю­ щиеся потенциальными носителями неисправностей, снижаю­ щих надежность работы двигателя: радиатор, водяной насос, трубопроводы с уплотнениями и т. д. Согласно статистическим данным приблизительно одна пятая всех помех в автомобиль­ ном карбюраторном двигателе с жидкостным охлаждением

относится к его системе охлаж­ дения. При низких температу­ рах, а еще больше — при чере­ дующихся положительных и от­ рицательных температурах ок­ ружающей среды в двигателе с жидкостным охлаждением всегда возможно замерзание воды в радиаторе и в блоке. При очень высоких температу­ рах окружающей среды имеет­ ся опасность выкипания воды из системы охлаждения, что снижает надежность работы этих двигателей. Указанные не­ достатки полностью отсутству­ ют у двигателя с воздушным охлаждением.

Работа последнего можег нарушиться в результате осе­ дания пыли в межреберных ка­ налах цилиндров и их головок, особенно при попадании масла на поверхности оребрения. Од­ нако интенсивное замаслива­ ние поверхности ребер обычно наблюдается лишь в зоне невы­ соких температур цилиндров и их головок и в местах уплотне­

ний масляных каналов (рис. 22). В зоне же повышенных темпе­ ратур вероятность этого явления невелика, так как попадающее масло быстро испаряется, а попадающая на поверхность ребер пыль выдувается вентилятором.

Чтобы избежать засорения воздушных каналов, на входе воздуха в вентилятор устанавливают легкосъемную воздухо­ очистительную сетку (см. гл. V. Дизели «Татра»). Соединения масляной магистрали делают герметичными, исключающими возможность даже самого незначительного подтекания масла. Необходимо, однако, отметить, что опасность засорения межре­ берных каналов не больше, чем опасность засорения узких ка­ налов сердцевины водяного радиатора.

44

Двигатель с воздушным охлаждением может быть повреж­ ден при выходе из строя вентилятора, например при обрыве приводного ремня, если нет сигнального или специального устройства для автоматической остановки двигателя. В двига­ теле с водяным охлаждением выход из строя вентилятора не приводит к быстрому перегреву двигателя, так как сильное испарение воды из рубашки и интенсивный выход пара из радиа­ тора будут сигнализировать о наличии неисправности. Но не только при обрыве лопастей, но даже при их изгибе могут про­

к изменению температуры окружающей среды вследствие боль­ шей разницы между температурами теплоотдающих поверхно­ стей и внешней среды. Повреждение оребрения цилиндров и головок во время работы двигателя с воздушным охлаждением не приводит к немедленной его остановке, как при повреждении водяных каналов у двигателя с водяным охлаждением.

Долговечность двигателя определяется относительной дли­ тельностью его надежной работы* а также степенью изношен­ ности деталей двигателя за определенный период их работы, так как основой высокой долговечности является прежде всего высокая износостойкость конструкции. Иногда долговечность определяют абсолютным показателем, а именно, временем ис­ правной работы машины или, что уж совсем неверно,— кален­ дарным сроком нахождения машины в эксплуатации независи­ мо от степени ее использования.

Вид охлаждения двигателя отражается лишь на износо­ стойкости деталей цилиндро-поршневой группы. Точнее сказать, имеет значение не столько вид охлаждения, сколько уровень температур деталей цилиндро-поршневой группы и степень его регулирования. При. пуске двигателя, длительное время не ра­ ботавшего, начальная температура его деталей равна темпе­ ратуре окружающей среды.

Дальнейшее повышение температур зависит от наличия системы регулирования теплового состояния двигателя: при отсутствии ее прогрев двигателя „с воздушным охлаждением происходит значительно быстрее, чем. прогрев двигателя жидко­ стного охлаждения, так как система жидкостного охлаждения обладает большей теплоаккумулирующей способностью. Это справедливо и при наличии у двигателя с жидкостным охла­ ждением термостата, отключающего радиатор при низкой температуре охлаждающей жидкости, хотя при этом прогрев двигателя происходит быстрее, чем при отсутствии термостата. Этим и обусловливается различие в интенсивности износа при пуске холодного двигателя. Такая же картина наблюдается, ес­ ли у сравниваемых двигателёй имеются устройства для регули­ рования количества охлаждающего воздуха.

45

4 6

При пуске двигателя с предварительным его прогревом пусковые износы зависят от эффективности этой системы; они могут быть больше или меньше при любом из сравниваемых видов охлаждения.

Различие наблюдается лишь, если при воздушном охлажде­ нии нет никакой системы его подогрева, а при водяном охла­ ждении имеется возможность» залить в систему охлаждения нагретую воду. В этом случае износы деталей цилиндро-поршне­ вой группы у двигателя с водяным охлаждением могут быть не­ сколько ниже, чем износы у двигателя с воздушным охлажде­ нием.

Можно полагать, что различие в пусковых износах скорее является результатом различной степени совершенства конструк­ ции, чем различия в способе охлаждения.

При воздушном охлаждении температуры стенок цилиндра, непосредственно соприкасающихся с охлаждающим воздухом, колеблются в значительно более широких пределах, чем при жидкостном охлаждении, так как в последнем случае стенки цилиндров омываются жидкостью, температура которой колеб­ лется в более узких пределах, чем температура охлаждающего воздуха. При этом температура стенок цилиндра находится в области оптимальных значений, в то время как при воздушном охлаждении температура стенок значительно отклоняется от своего оптимального значения как в меньшую, так и в большую сторону: это происходит при изменении режима работы двига­ теля.

Система охлаждения проектируется таким образом, что она обеспечивает поддержание в первую очередь температур стенок цилиндра не выше определенного уровня при наиболее неблаго­ приятной (т. е. самой высокой из возможных) температуре окружающей среды. Эта температура выше оптимальной, но до­ пустима при длительной работе двигателя, поэтому наступление этой (но не большей) температуры не может вызвать резкого повышения износов. При отклонении же температуры стенки в нижнюю, не расчетную, сторону может возникнуть повышенный износ. Последний может быть исключен лишь при наличии малоинерционной системы регулирования охлаждения с дат­ чиком температуры, установленным непосредственно на стенке цилиндра.

Влияние уровня температур стенок цилиндра на его износ можно проследить на следующих примерах.

На рис. 23 изображено изменение среднего по окружности цилиндра в разных поясах по его высоте износа цилиндра при нормальных и при пониженных его температурах (в соответствии с рис. 24) и после 150 ч работы двигателя Д-37М на номиналь­ ном режиме (п = 1600 об!мин, ре = 5,4 кГ/см2). Замер износа производился двумя способами: непосредственным замером и ме­ тодом нарезанных лунок.

4 7

При нормальном тепловом состоянии двигателя оба метода дали одинаковые результаты, при пониженном тепловом состоя­ нии получена значительная разница. Однако независимо от этого очевидно, что в случае пониженного теплового состояния износ цилиндра в зоне остановки верхнего поршневого кольца при положении поршня в в. м. т. минимум в 5 раз больше, чем при

Рис. 24. Эпюры взносов по окружности цилиндра при нормальных и пониженных температурах его стенок:

1 — замер износа методом нарезанных лунок; 2 — замер износа нормальным инструментом (сплошные линии соот­ ветствуют нормальным температурам; штриховые — пони­ женным)

нормальном тепловом состоянии, что, по-видимому, происходит вследствие коррозии металла под действием продуктов сгорания. Это подтверждается тем, что начиная от линии, соответствующей половине хода поршня (60 мм), и ниже нее износы в обоих случаях практически одинаковы.

На рис. 24 показаны результаты замера износов цилиндра дизеля Д-37М, средних по окружности цилиндра, на разных расстояниях от его верхней плоскости. Данные получены замером

48