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

отсутствие потребности в меди, олове и цинке для изготовления

радиатора.

2. Большая возможность взаимной унификации двигателей с различным числом цилиндров.

3.Отсутствие потребности в охлаждающей жидкости.

4.Постоянная готовность к работе ввиду отпадения операций по заполнению системы охлаждения жидкостью, малое время предпускового подогрева при низких температурах окружающей среды и прогрева после пуска до достижения двигателем рабо­

чих температур.

5. Более высокая надежность работы вследствие уменьшения числа агрегатов системы охлаждения, отсутствия герметизиро­ ванных жидкостных каналов, устранения опасности потери или замерзания охлаждающей жидкости.

6.Более высокая долговечность ввиду меньшей чуствительности к изменению температуры окружающей среды и отсутствия уплотнений для жидкости.

7.Меньшие эксплуатационные расходы по причинам, указан­ ным в пп. 3-—6.

Недостатки двигателей с воздушным охлаждением следую­ щие:

1.Большие длина, удельная масса, трудоемкость изготовле­ ния и стоимость двигателя.

2.Большие затраты средств на разработку и доводку конст­ рукции и на ее улучшение.

3.Меньшая литровая мощность при одинаковом числе оборо­ тов у двигателей без наддува вследствие некоторого ухудшения степени наполнения их цилиндров.

4.Большая разница в теплонапряженности отдельных цилин­ дров и разных зон одного и того же цилиндра и его головки.

5.Большая опасность ухудшения работы цилиндро-поршне­ вой группы из-за ее перегрева.

6. Потребность в более высоком качестве смазочного масла и повышенный его угар вследствие более высоких температур стенок цилиндра и деформации его.

7. Более сильная вибрация ввиду выполнения блока цилин­ дров и картера кривошипного механизма в виде отдельных дета­ лей и меньшая жесткость картера.

Хотя и в том и в другом типе двигателя имеется много неис­ пользованных возможностей улучшения показателей, при воз­ душном охлаждении их, по-видимому, больше, так как попыток использовать эти резервы было сделано гораздо меньше, чем при жидкостном охлаждении. Это касается, например, такого важно­ го показателя, как шум работы. Последнее указывает на то, что в отличие от приведенного в гл. I сравнения видов охлаждения при сравнении двигателей с тем и другим видом охлаждения

6 0

преимущества одного из них перед другим зависят от уровня раз­ вития в данный момент данного вида двигателя и особенно от уровня развития технологии его изготовления.

ПЕРСПЕКТИВЫ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Темпы развития конструкций двигателей с воздушным охла­ ждением были последние 20 лет выше темпов развития двигате­ лей с жидкостным охлаждением. Это можно видеть и по росту количества моделей двигателей с воздушным охлаждением, и по улучшению их показателей.

В настоящее время двигатели с воздушным охлаждением лишь незначительно уступают по совокупности конструктивных и рабочих показателей двигателям с жидкостным охлаждением, однако, как показано выше, обладают важными эксплуатацион­ ными преимуществами по сравнению с последними. Усовершен­ ствование технологии производства двигателей с воздушным ох­ лаждением в дальнейшем должно еще больше сблизить значе­ ния рабочих показателей двигателей с водяным и воздушным охлаждением.

Если и можно сделать какое-то разделение рассматриваемых видов двигателей по виду их охлаждения на области их рацио­ нального применения, то лишь по диаметру цилиндра. По-види­ мому, двигатели с диаметром цилиндра более 200 мм пока что целесообразнее делать с жидкостным охлаждением. При мень­ шем диаметре цилиндра двигатели можно изготовлять как с жидкостным, так и с воздушным охлаждением. Последнее, оче­ видно, нецелесообразно, если двигатель предназначен для работы на проточной воде или с испарительным охлаждением, т. е. без радиатора, или когда размеры последнего не ограниче­ ны. При диаметре цилиндра меньше 200 мм воздушное охлажде­ ние целесообразно применять независимо от степени форсиро­ ванное™ двигателя.

Местная напряженность отдельных частей поверхности камеры сгорания (перемычка между седлами клапанов, пор­ шень) у дизеля выше, чем у карбюраторного двигателя, несмотря на меньшие максимальные и средние температуры цикла у ди­ зеля. Однако топливная экономичность дизелей значительно выше, чем карбюраторных двигателей, и это упрощает их охла­ ждение при той же литровой мощности. Поэтому в отношении применения воздушного охлаждения нельзя отдать предпочтение ни тому, ни другому типу двигателя. Если же учесть, что карбю­ раторные двигатели с большим диаметром цилиндра в настоя­ щее время не производятся, то можно сделать однозначный вывод о целесообразности применения воздушного охлаждения (по крайней мере в климатических условиях СССР) на этих двигателях.

6 1

Однако перспективы дальнейшего расширения применения двигателей с воздушным охлаждением все же требуют решения проблем, вытекающих из вида охлаждения. Основной задачей является достижение значений литровых мощностей, получаемых на двигателях с жидкостным охлаждением. Это окажется возможным, если наполнение цилиндров двигателя с воздушным охлаждением будет не хуже, чем наполнение цилиндров двига­ теля с жидкостным охлаждением, и если затрата мощности на привод агрегатов системы охлаждения будет одинаковой в том и другом случае. Идентичные условия наполнения могут быть получены при других равных условиях лишь при идентичности теплового состояния основных элементов, влияющих на степень наполнения цилиндров двигателя. Развитие двигателей с жид­ костным охлаждением идет в направлении постепенного повыше­ ния расчетного теплового режима, и на определенном этапе тепловые режимы двигателей с жидкостным и воздушным охла­ ждением будут находиться на одном уровне. Тем самым будет устранена разница в степени наполнения цилиндров этих двига­ телей, причем она будет выше существующей, так как будут найдены пути дальнейшего улучшения наполнения за счет других факторов.

Расход мощности на привод агрегатов системы воздушного охлаждения в настоящее время в большинстве случаев выше расхода мощности на привод агрегатов системы жидкостного охлаждения. Последнее может быть проиллюстрировано следую­ щим примером. Расход мощности на привод вентилятора про­ порционален произведению полного давления, создаваемого вентилятором, на производительность. Полное давление при воздушном охлаждении примерно в 2,8 раза выше, чем при водя­ ном. Количество же потребного охлаждающего воздуха при воздушном охлаждении в настоящее время максимум в 2 раза меньше, чем при жидкостном. Тогда отношение расхода мощно­ сти при воздушном к расходу мощности при жидкостном охла-

2 8

ждении будет равно ~ = 1,4.

должно быть уменьшено в 1,15 раза, и тогда в результате полу­ чится величина 1,22.

Следовательно, в данном случае расход мощности при воз­ душном охлаждении больше чем на 20% превышает расход мощ­ ности при жидкостном охлаждении.

В литературе иногда приводятся данные, свидетельствую­ щие о том, что расход мощности на привод агрегатов системы охлаждения одинаков при воздушном и водяном охлаждении. Однако в таких случаях обычно берутся несопоставимые условия, так как даже в самых последних конструкциях дизелей средней

62

мощности с воздушным охлаждением расход мощности на охла­ ждение на номинальном режиме работы выше 5%, в то время как для современных дизелей с водяным охлаждением соответ­ ствующая величина не более 3,5%.

На частичных режимах удельный расход мощности на охла­ ждение значительно выше, а разница между ее значениями при воздушном и жидкостном охлаждении больше.

Поэтому сокращение этого расхода важно для дальнейшего повышения конкурентоспособности воздушного охлаждения.

В первую очередь необходимо добиваться снижения расхода мощности на охлаждение при отклонении условий работы от рас­ четных. Так, при понижении температуры окружающей среды и уменьшении нагрузки расход мощности на охлаждение должен снижаться. Это вызывает необходимость регулирования эффек­ тивности системы охлаждения.

Для успешного решения данного вопроса необходимо разра­ ботать конструкции вентиляторов с постоянным или мало изме­ няющимся к. п. д. при изменении скоростного режима работы, полностью автоматизировать процесс изменения показателей работы вентилятора. Важное значение имеет разработка быстро­ действующих надежных датчиков (термостатов и др.) изменения теплового состояния двигателя. Неменьшее значение приобре­ тает отработка системы регулируемого дефлектирования воздуш­ ного потока.

Все это относится к совершенствованию механизма отвода тепловой энергии в систему охлаждения, но еще более важной задачей является изменение количественного соотношения ста­ тей теплового баланса двигателя для повышения степени ис­ пользования тепловой энергии топлива и снижения доли энергии, подлежащей отводу в систему охлаждения.

Проведенные исследования указывают на то, что количество тепловой энергии, отдаваемой в стенки цилиндров за рабочий цикл, существенно меньше обычно указываемых значений, причем большая доля тепловой энергии, отводимой системой охлаждения, попадает в нее от стенок выпускных каналов, охла­ ждаемых циркулирующим охладителем.

Поэтому уменьшение доли тепловой энергии отработавших газов, отводимой в систему охлаждения, является одной из важ­ ных задач. Имеющиеся данные позволяют в ближайшем буду­ щем найти конструктивное решение этой задачи.

Усовершенствование конструкции теплоотводящих поверхно­ стей даст возможность осуществить более правильное распреде­ ление охлаждающего воздуха и повысить степень его исполь­ зования. Необходимо создать такую систему охлаждения, при которой охладитель нагревался бы до одинаковой температуры при проходе около поверхностей с разной степенью нагрева. Это предполагает движение потока воздуха с разной скоростью на разных участках.

6 3

Глава III

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

При рассмотрении особенностей конструкции двигателей с воздушным охлаждением должны найти отражение все вопро­ сы, связанные с разработкой современной и совершенной кон­ струкции двигателя, а не только вопросы, непосредственно вы­ текающие из вида применяемого охлаждения. Сюда относятся различие в значениях ряда конструктивных параметров при том и другом виде охлаждения двигателя и различия в конструктив­ ных решениях тех или иных задач. Например, при воздушном охлаждении цилиндры, как правило, делаются индивидуальны­ ми, что позволяет их легко снимать, обеспечивая доступ к пор­ шневым кольцам. Для создания таких же условий при жидкост­ ном охлаждении необходимо поршень вместе с шатуном вынуть из цилиндра. Это заставляет так проектировать нижнюю голов­ ку шатуна (применять косой ее разъем), чтобы она проходила через отверстие цилиндра. Хотя указанная конструктивная осо­ бенность шатуна не вытекает непосредственно из вида охлажде­ ния двигателя, она так же, как и другие подобные особенности должна быть рассмотрена при анализе конструкции двигателя.

К основным конструктивным параметрам двигателя данного типа относятся его определяющие размеры (диаметр цилиндра и ход поршня), число цилиндров, степень сжатия и относитель­ ная масса. Другие конструктивные параметры являются либо производными от указанных, либо дополнительными.

Определяющие размеры. На рис. 34 изображена диаграмма распределения большого числа моделей дизелей с воздушным охлаждением по величине их диаметра цилиндра D. Наибольшее число моделей имеет диаметр цилиндра 100 мм, на втором месте количество двигателей с диаметром цилиндра 90 мм и т. д. Это распределение не отличается от распределения, наблюдаемого при жидкостном охлаждении, так как в основном определяется мощностной группой двигателя, зависящей, в свою очередь, от общего назначения двигателя.

Диаметр цилиндра определяется из расчетного объема ци­ линдров с учетом количества последних и рационального соот­ ношения между диаметром цилиндра и ходом поршня.

Согласно данным табл. 1 и 2 диаметр цилиндра у дизелей достигает 152,4 мм (дизели «Паксмэн»), у карбюраторных дви-

гателей 88,9 мм. Двигатели этого типа с большим диаметром цилиндра в настоящее время почти не встречаются (ранее вы­ пускались двигатели «Континентал» с диаметром цилиндра 146,1 мм).

Тепловая нагрузка стенок, ограничивающих внутрицилиндро­ вое пространство двигателя, возрастает с увеличением диаметра цилиндра. Поэтому при увеличении последнего необходимо уси­ ливать теплоотвод с единицы внешней поверхности цилиндра, что может быть осуществлено либо увеличением степени оребрения последнего, либо повышением скорости воздуха в его межреберных каналах. То и другое связано со значительными

Рис. 34. Диаграмма распределе­ ния числа моделей дизелей с воз­ душным охлаждением по величи­ не их диаметра цилиндра:

1 — тракторные двигатели; 2 — дви­ гатели общего назначения

трудностями: в первом случае необходимо увеличение межци­ линдровых расстояний, а значит, габарита и массы двигателя; во втором случае повышается относительный расход мощности на охлаждение. Этим и объясняются определенные трудности в при­ менении воздушного охлаждения для цилиндров большого диаметра. Поэтому при проектировании мощного двигателя с воздушным охлаждением в большинстве случаев целесообразно принимать наименьший из возможных диаметров цилиндра дви­ гателя.

с учетом допустимой средней скорости поршня и заданной мощ­ ности двигателя при определенном числе его оборотов.

В двигателях малого литража средняя скорость поршня по­ лучается небольшой даже при сравнительно больших числах оборотов, поэтому ограничение скорости для получения необхо­ димой долговечности деталей отступает на второй план. На пер­ вое место выдвигаются условия оптимальности отношения SjD с точки зрения получения наилучших эффективных показателей двигателя.

В ряде случаев, например в модификациях основных моделей двигателей, наличие определенного S/D объясняется не только этим обстоятельством, но и совокупностью других факторов.

На рис. 35 изображена диаграмма распределения большого числа моделей дизелей с воздушным охлаждением по величинам

66

отношения S/D. У наибольшего числа моделей указанное отно­ шение равно 1,1, на втором месте модели с отношением S/D, равным 1,15 и т. д. Число моделей с отношением, меньшим 1 и большим 1,25, мало.

малых отношений S/D можно от­

нести: 1) меньшую высоту двигателя вследствие уменьшения хо­

ные удельные нагрузки на подшипники коленчатого вала вслед­ ствие увеличения массы шатуна и поршня и действующих на последний газовых сил (ввиду увеличения площади поршня); 2) повышенный тепловой режим вследствие неблагоприятного соотношения объема камеры сгорания и поверхности ее стенок; 3) ухудшенное смесеобразование в дизеле, особенно в дизеле с камерой в поршне, вследствие относительно больших паразит­ ных объемов и меньшего объема камеры в поршне; 4) повышен­ ные требования ,к точности размеров коленчатого вала, блок-

картера, цилиндра, шатуна и поршня, влияющих на степень сжа­ тия; 5) повышенные нагрузки на механизм газораспределения.

Эти недостатки усиливаются с повышением степени сжатия, поэтому более ощутимы в дизелях.

При выборе S/D для двигателя с воздушным охлаждением учитывают и необходимость обеспечения его нормального тепло­ вого состояния. В двигателях с малым D, когда требуемая по­ верхность ребер может быть получена за счет изменения их высоты, применение короткого хода рационально; наоборот, при большом диаметре цилиндра выгоднее иметь большое отноше­ ние S/D, так как в этом случае необходимая поверхность ребер может быть получена лишь путем увеличения высоты цилиндра. Поэтому карбюраторный двигатель «Фольксваген» при неболь­ шом диаметре цилиндра (77 мм) имеет ход поршня 64 мм, т. е. S/D = 0,83, а дизель «Даймлер-Бенц» при сравнительно боль­ шом диаметре цилиндра (115 мм) имеет ход поршня 140 мм, т. е. S/D = 1,22, хотя число оборотов и литровая мощность у первого .ниже средних значений для двигателей того же типа, а у второго — выше.

Из сказанного следует, что двигатели с малым диаметром цилиндра могут быть короткоходными, а двигатели с большим диаметром цилиндра целесообразно делать длинноходными, но это сопряжено со значительным увеличением их высоты, а при клинообразном расположении цилиндров — и ширины. Кроме того, в последних двух случаях может быть превышено оптималь­ ное значение скорости поршня.

В табл. 1 приведены дизели с отношением S/D, равным еди­ нице, например двигатель «Гюльднер 6L79». Однако анализ конструкции этого двигателя показывает, что он получен модер­ низацией двигателя, имевшего диаметр 85 мм, путем увеличения диаметра цилиндров последнего до 100 мм. Таким же образом произошло уменьшение отношения S/D и у некоторых других двигателей с воздушным охлаждением. Это объясняется тем, что если позволяет межцилиндровое расстояние, увеличение диа­ метра цилиндра является наиболее простым способом увеличе­

увеличение рабочего объема. Если учесть возможность после­ дующего повышения мощности двигателя за счет увеличения диаметра цилиндров, то при создании нового двигателя с воз­ душным охлаждением целесообразно принимать повышенное отношение S/D (если это допустимо по средней скорости пор­ шня) и увеличенное межцилиндровое расстояние.

68

Число цилиндров и их рабочий объем. Число цилиндров у вы­

получить большую литровую мощность путем повышения частоты вращения. Однако имеется рациональный предел увели­

воздушным охлаждением, предназначенных для использования на тракторах, стационарных и передвижных установках, по чис­ лу их цилиндров. Наибольшее число моделей относится к одно­ цилиндровым двигателям. Это объясняется тем, что среди этих двигателей большинство имеет малый диаметр цилиндра, при котором, как правило, применяется воздушное охлаждение.

Рабочий объем одного цилиндра у современных двигателей с воздушным охлаждением, как это видно из табл. 1 и 2, не пре­ вышает 3 л. При большем объеме цилиндра двигатели имеют жидкостное охлаждение. Двигатели с рабочим объемом менее 0,5 л, независимо от их назначения, имеют, как правило, воз­ душное охлаждение. Чем больше объем цилиндра, тем сложнее обеспечить отвод тепловой энергии, так как при этом уменьшает­ ся отношение поверхности теплоотдачи к рабочему объему. Ввиду необходимости уменьшения шага ребер гидравлическое сопро­ тивление воздушного тракта возрастает. Это приводит к относи­ тельному увеличению затраты мощности на охлаждение, несмотря даже на некоторое уменьшение в этом случае доли

6 9