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

эффективной мощности, как у двигателя с жидкостным охлажде­ нием, часто увеличивают рабочий объем его цилиндров.

Степень сжатия. Степень сжатия у двигателей с воздушным охлаждением находится в том же диапазоне, что и у двигателей с жидкостным охлаждением: у карбюраторных двигателей 6,5—10 и у дизелей 15—22. Наиболее распространенными яв­ ляются средние значения.

В дизеле с воздушным охлаждением и разделенной камерой сгорания желательно иметь более высокую степень сжатия, так

Число цилиндров а)

Рис. 38. Зависимость £Уд для 30 дизелей с воздушным охлаждени­

G

ем и разным числом цилиндров:

а — от числа цилиндров; б — от рабочего объема цилиндров (при разных их диаметрах). Заштрихована область предельных значений

как при этом уменьшается объем дополнительной камеры, рас­ положенной в головке, и упрощается ее охлаждение.

В карбюраторных двигателях с воздушным охлаждением степень сжатия, определяемая недопущением детонации, должна быть на 5—10% ниже, чем в тех же двигателях с жидкостным охлаждением.

Показатели использования металла. В качестве показателя, характеризующего степень использования металла в конструк­ ции двигателя, целесообразно принять рабочий объем цилиндров двигателя, полученный с единицы его массы, например с тонны. Увеличение этого показателя характеризует улучшение степени использования металла в двигателе.

На рис. 38, а приведена зависимость отношения рабочего объема цилиндров в литрах к массе двигателя в тоннах от числа цилиндров для большого числа дизелей с воздушным охлажде­ нием общего назначения и для тракторов. Увеличение числа цилиндров до шести дает возможность существенно улучшить использование материала для получения рабочего объема, а следовательно, и мощности двигателя. При дальнейшем увеличе­

7 0

нии числа цилиндров улучшение использования материала незначительно.

На рис. 38, б приведено изменение того же параметра, но в зависимости от рабочего объема цилиндров. Значение показа­ теля увеличивается сначала более, а затем менее интенсивно. Несколько отличное от представленного выше изменение дан­ ного показателя объясняется тем, что здесь увеличение рабочего объема происходит в большинстве случаев путем увеличения диаметра, а не числа цилиндров. Поэтому относительное влияние на массу двигателя основных размеров его деталей уменьшается. Согласно рис. 38, а максимальный рабочий объем цилиндров, снимаемый с тонны массы, составляет 12 л. Согласно табл. 1 этот показатель у четырехтактных дизелей с различным диаметром и числом цилиндров, а также разной степенью их форсированности находится в пределах 5,5—19,4 л/т (в среднем около 12 л/т); у карбюраторных двигателей (см. табл. 2) данный показатель находится в пределах 7,1-—15,4 л/т (в среднем около 11 л/т).

Можно полагать, что без учета массы радиатора масса дви­ гателя с воздушным охлаждением несколько больше массы дви­ гателя с жидкостным охлаждением одинаковой мощности, из­ готовленного из тех же материалов.

ОСОБЕННОСТИ КОМПОНОВКИ

Конструктивные схемы двигателей и их воздушных трактов.

Под конструктивной схемой двигателя здесь понимается распо­ ложение его цилиндров или их рядов относительно друг друга

вплоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала. Двигатели

своздушным охлаждением выполняются с рядным и клинооб­ разным расположением цилиндров.

Принципы выбора конструктивной схемы двигателя одинако­ вы как при жидкостном, так и при воздушном охлаждении, но

при последнем имеется дополнительное требование, вытекающее из необходимости размещения основного агрегата системы

берных каналов в одной плоскости. Ввиду отсутствия поворотов воздушного потока (не считая изменения направления в кожухе вентилятора) аэродинамическое сопротивление воздушного тракта невелико. При использовании данной схемы для двигате­ ля с несколькими цилиндрами исключается возможность уста­ новки дефлекторов за цилиндрами, а следовательно, и возмож­ ность равномерного охлаждения последних. Каждый последую­ щий цилиндр охлаждается воздухом, нагретым о предыдущий

71

Рис. 39. Схемы воздушного тракта двигателей с вертикальными цилиндрами

7 2

цилиндр, поэтому температуры цилиндров в направлении потока повышаются. В этом случае также трудно осуществить удовлет­ ворительное охлаждение головок цилиндров. Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта из-за последовательного рас­ положения цилиндров несколько возрастает.

При этой схеме применяется центробежный вентилятор, соединенный (или сделанный как одно целое) с маховиком, так что для его установки не требуется дополнительного места. Стои­ мость изготовления и эксплуатации такого вентилятора мини­

числом оборотов коленчатого вала. При малом числе оборотов или большом рабочем объеме цилиндра вентилятор должен иметь большие размеры, что приводит к увеличению габарита двигателя. К недостаткам следует также отнести невозможность регулировки воздушного потока изменением числа оборотов вентилятора.

Регулировка воздушного потока возможна лишь путем дрос­

В этом случае вентилятор хотя и существует как самостоятель­ ный агрегат, но не имеет привода, поэтому по своей конструкции несколько проще приводного вентилятора. В то же время ему присущи все недостатки вентилятора, выполненного как одно целое с маховиком.

Схема 2В отличается от рассмотренной выше тем, что охла­ ждающий воздух выходит из вентилятора в направлении, при­ близительно перпендикулярном к оси коленчатого вала. На всем пути воздух совершает два поворота на 90°, на что затрачивается большая, чем в предыдущей схеме, доля статического давления, развиваемого вентилятором. Преимущества данной схемы, кроме

применялась на четырехцилиндровых карбюраторных двигателях «Феномен-Гранит 27» и др. На современных двигателях рабочее колесо вентилятора изготовляется обычно как одно целое с маховиком (одно- и двухцилиндровые дизели «Дейтц» FL612/712, дизели «Гюльднер» и др.) или соединяется непосред­ ственно с ним.

Недостатком рассматриваемой схемы по сравнению со схе­ мой 1В является наличие дополнительного поворота охлаждаю­

7 3

В двигателях «Гюльднер» этот недостаток устранен применением специальной схемы подвода охлаждающего воздуха к вентиля­ тору. Картер двигателя со стороны входа охлаждающего воздуха

опасности засорения сцепления, описанный способ подвода охлаждающего воздуха обеспечивает эффективное охлажде­ ние стенок картера и устраняет потребность в масляном радиа­ торе.

Схема ЗВ отличается от схемы 2В тем, что включает незави­ симый вентилятор, установленный на передней стороне двигателя и приводимый в движение зубчатой передачей от шестерни коленчатого вала. В аэродинамическом отношении эта схема ана­ логична схеме 2В. Данная схема применяется на дизелях «Порше».

Схема 4В включает независимый вентилятор, приводимый во вращение клиноременной (как правило) или цепной (как исклю­ чение) передачей. Охлаждающий воздух входит в направлении, параллельном оси коленчатого вала, и выходит в перпендикуляр­ ном направлении, не совершая поворотов после кожуха вентиля­ тора. При достаточном расстоянии от вентилятора до обдувае­ мых поверхностей головок и цилиндров и наличии кожуха в виде диффузора данная схема обеспечивает уменьшение потерь дав­ ления и, следовательно, расхода мощности на привод вентиля­ тора. Однако условия компоновки вентилятора на двигателе практически исключают возможность получения этих преиму­ ществ. Для уменьшения ширины двигателя вентилятор обычно располагают так близко к двигателю, что не остается места для образования диффузора с оптимальными параметрами. Кожух вентилятора в большинстве случаев охватывает не более 2/3 ок­ ружности рабочего колеса, а его выходное отверстие имеет не­ рациональную форму. Все это затрудняет преобразование кине­ тической энергии воздушного потока в статическое его давление, вследствие чего к. п. д. вентилятора получается невысоким.

Для увеличения доли статического давления в общем давле­ нии применяют рабочее колесо с радильно выходящими или с загнутыми назад лопатками. Расстояния между ребрами ци­ линдров увеличивают, чтобы обеспечить возможность непосред­ ственного использования части динамического давления для охлаждения. Хотя только часть динамического давления может быть преобразована в статическое, определенная доля кинетиче­ ской энергии потока при выходе из вентилятора используется на охлаждение головок и цилиндров вследствие удара завихренного воздуха об их ребристые поверхности.

74

Наличие вентилятора с двусторонним входом воздуха, т. е. вентилятора со спаренным рабочим колесом, обеспечивает более равномерное распределение охлаждающего воздуха по отдель­ ным цилиндрам и сравнительно одинаковое охлаждение послед­ них. Применение независимого вентилятора позволяет наиболее просто осуществить регулировку частоты его вращения. При указанной схеме одно рабочее колесо обслуживает обычно не более двух цилиндров (а при двустороннем входе воздуха только один цилиндр), поэтому для четырехцилиндрового двигателя необходимо иметь два самостоятельных вентилятора, а для шес­ тицилиндрового — три. В результате этого конструкция венти­ лятора значительно усложняется, хотя размеры его в радиальном направлении остаются неизменными. Рассматриваемая схема применялась на дизелях Д-16 (Харьковского завода тракторных самоходных шасси) и «Хатц».

Схема 5В включает независимый вентилятор осевого типа, приводимый в движение клиноременной передачей от коленча­ того вала. Охлаждающий воздух у входа в вентилятор и у выхо­ да из межреберных каналов имеет одно и то же направление. Потери кинетической энергии воздуха на поворот при этой схеме по существу отсутствуют. Потери же на удар о поверхности оребрения головок и цилиндров при данной схеме несколько выше, чем при других схемах. Схему 5В рационально применять лишь для одноцилиндровых двигателей, так как при наличии нескольких цилиндров все они, кроме первого, будут заслонены им, поэтому их охлаждение будет менее интенсивным, а нерав­ номерность температур по окружности цилиндра будет наибольшей. В многоцилиндровых двигателях данная схема при­ меняется тогда, когда малые сечения проходов для воздуха между цилиндрами не позволяют осуществить поперечную (по отношению к оси коленчатого вала) подачу охлаждающего воз­ духа (двигатель «Дэвид-Браун 2D»).

Схема 6В так же, как и схема 5В, включает независимый осевой вентилятор, но отличается от последней тем, что охлаж­ дающий воздух после выхода из вентилятора совершает поворот на 90°. Данная схема рациональна при числе цилиндров более одного; использование ее на одноцилиндровой установке объяс­ няется соображениями унификации деталей вентилятора и его привода для семейства однотипных двигателей.

Основное преимущество схемы 6В с одним вентилятором на все цилиндры заключается в простоте конструкции. В двигателях «Дейтц» с числом цилиндров от 1 до 4 и в дизелях ВТЗ с числом цилиндров от двух до четырех один вентилятор обслуживает все цилиндры. При этом размеры вентиляторов и их частоты враще­ ния различны, хотя некоторые вентиляторы, близкие по произво­ дительности, унифицированы между собой. Однако применение одного вентилятора на несколько цилиндров не лишено недо­ статков. В многоцилиндровых двигателях требуется высокое

7 5

число оборотов его вала для получения необходимой производи­ тельности, что сопряжено с повышением шума при работе

вентилятора.

На рис. 40 изображены основные схемы воздушного тракта, применяемые в двигателях с противолежащими цилиндрами.

1Г

Рис. 40. Схемы воздушного тракта двигателей с противолежа­ щими цилиндрами

Четыре схемы включают центробежный вентилятор и три —

осевой.

Схема 1Г включает центробежный вентилятор, установлен­ ный на одном из концов коленчатого вала. Кожух вентилятора состоит из двух полуспиралей, каждая из которых направляет

7 6

охлаждающий воздух на цилиндры, расположенные по одну сторону от оси коленчатого вала. Охлаждающий воздух, выхо­ дящий из вентилятора, совершает на своем пути поворот на 90°. Эта схема аналогична схеме 1В, с той лишь разницей, что здесь спиральный кожух разделен на две части, соответственно чему и поток охлаждающего воздуха делится на два равных потока. Поэтому преимущества и недостатки данной схемы те же, что и схемы 1В. Схема 1Г применяется только в двухцилиндровых двигателях и, как исключение, в четырехцилиндровых, гак как при наличии, например, четырех цилиндров, те из них, которые находятся позади (в направлении выходящего воздуха), недо­ статочно охлаждаются. Кроме того, неравномерно распределяет­ ся температура во всех цилиндрах, так как тыльные стороны передних цилиндров плохо обдуваются воздухом. По данной схеме выполнено большинство двигателей с противолежащими цилиндрами (дизели «Энфилд», «Штиль» и др.).

Схема 2Г также включает центробежный вентилятор, уста­ новленный на коленчатом валу, но в отличие от схемы 1Г охлаждающий воздух течет в этом случае не перпендикулярно осям цилиндров, а параллельно им. Таким образом, цилиндры и головки должны иметь продольные ребра. Охлаждающий воз­ дух, выходящий из вентилятора, делает два поворота, каждый приблизительно под углом 90°. Если бы имелась возможность приблизить плоскость вращения вентилятора к плоскости, про­ ходящей через оси цилиндров, то аэродинамическое сопротивле­ ние воздушного тракта было бы уменьшено. Но конструкция головок цилиндров значительно затрудняет образование про­ дольных воздушных каналов и, кроме того, усложняет подвод охлаждающего воздуха к центральной части головки (к пере­ мычке между седлами клапанов). Поэтому данная схема, приме­ нявшаяся ранее на четырехцилиндровом двигателе «Крупп», в настоящее время не находит применения. В двухтактных дви­ гателях и в карбюраторных двигателях с верхними клапанами при полусферической или пирамидальной камере сгорания рас­ сматриваемую схему осуществить значительно легче, чем в дру­ гих двигателях.

Схема ЗГ включает независимый центробежный вентилятор, приводимый в движение от коленчатого вала. Вентилятор об­ служивает два ряда противолежащих цилиндров. При этом кожух вентилятора состоит как бы из двух частей, и охлаждаю­ щий воздух отбрасывается рабочим колесом в обе стороны от оси коленчатого вала. Для лучшего направления воздуха в ле­ вый ряд цилиндров между рабочим колесом и кожухом установ­ лен рассекатель. В данном виде схема применяется на карбю­ раторных автомобильных двигателях «Фольксваген». Преиму­ щества и недостатки этой схемы в основном те же, что и схемы 4В. На карбюраторных автомобильных двигателях «Порше» ранее применялся вентилятор с двумя соединенными

7 7

рабочими колесами, как на схеме 4В. При этом каждое колесо обслуживало два цилиндра, лежащих по одну сторону от оси коленчатого вала. Форма кожуха вентилятора в аэродинамиче­ ском отношении приближается к рациональной.

Смежное расположение вентиляторов превращает их по существу В;один вентилятор (с двойным рабочим колесом на четыре цилиндра), ввиду чего по компактности и простоте такой вентилятор не уступает приводному осевому.

Однако расположение вентилятора над двигателем увеличи­ вает его высоту, что и побудило фирму Порше заменить его на указанном двигателе осевым вентилятором с вертикальной осью

вращения (см. гл. VI).

Схема' 4Г включает осевой вентилятор, установленный на. переднем конце коленчатого вала. Направление течения охла­ ждающего воздуха при этой схеме в общем такое же, как и при схеме 1Г, с той разницей, что поворот воздуха на 90° после вы­ хода его из вентилятора происходит вследствие лобового удара о поверхность картера двигателя. Для уменьшения потери энер­ гии при этом ударе вентилятор целесообразно располагать как можно дальше от картера, а на последний устанавливать рас­ секатель воздушного потока. Схема 4Г и при наличии указанных улучшений не является достаточно рациональной, поэтому при­ меняется как исключение и только для двигателей не более чем; с двумя цилиндрами. По данной схеме выполнены карбюратор­ ный двигатель «Ситроен» и дизель «Онан». Преимущество дан­ ной схемы воздушного тракта — простота и большая возмож­ ность использования напора встречного потока. Однако в данном случае трудно получить высокий к. п. д. вентилятора.

Схема 5Г включает независимый осевой вентилятор, уста­ новленный над картером двигателя и приводимый во вращение:- клиноременной передачей. Охлаждающий воздух, выходя из:, вентилятора, ударяется о заднюю стенку его кожуха и, отража­ ясь от нее, течет вниз, обдувая оба ряда головок и цилиндров. Очевидно, что применение подобной схемы для двухцилиндровых двигателей нерационально, так же как и подобной ей схемы 6В для одноцилиндровых двигателей. Для двигателей с числом: цилиндров более четырех применение данной схемы может быть оправдано. Для уменьшения потерь энергии воздуха и обеспече­ ния равномерного обдува всех цилиндров желательно выдвиже­ ние вентилятора вперед. По этой схеме был выполнен карбюра­ торный автомобильный двигатель «Татра 600».

Схема 6Г включает независимый осевой вентилятор, осьвращения которого перпендикулярна к оси коленчатого вала,, в то время как во всех ранее рассмотренных схемах воздушного* тракта направления осей вентилятора и коленчатого вала совпа­ дали. При этой схеме передача вращения осуществляется под прямым углом. При зубчатой передаче ведущая шестерня обычнорасполагается на распределительном валу, а не на коленчатом,.

78

как это показано для простоты на схеме. В конструкции шести­ цилиндрового двигателя «Шевроле Корвейр» с противолежащи­ ми цилиндрами применен центробежный вентилятор, приводи­ мый ременной передачей (схема 7Г).

Направление течения воздуха при данной схеме такое же, как: и при схеме 4Г, однако вследствие измененного расположения вентилятора относительно коленчатого вала возможен обдув не­ скольких цилиндров. При этом чем дальше вентилятор удален от цилиндров, тем равномернее их обдув. В данном случае жела­ тельна установка рассекателей для устранения излишних потерь энергии воздуха на завихрения. Однако это, по-видимому, со­ пряжено с увеличением высоты двигателя, что при расположении его в задней части автомобиля может оказаться нежелательным. Поступление охлаждающего воздуха в вентилятор из верхних слоев имеет определенные преимущества: во-первых, верхние слои воздуха менее запылены; во-вторых, при установке дви­ гателя в задней части автомобиля можно эффективно использо­ вать динамическое давление встречного потока воздуха, как это было сделано в автомобиле «Татра 600», снабженном осевым вентилятором.

На рис. 41 изображены основные схемы воздушного тракта* применяемые при клинообразном расположении цилиндров.

Схема IV включает центробежный вентилятор, установлен­ ный на одном из концов коленчатого вала. Отличие данной схе­ мы воздушного тракта от схемы 2В состоит в том, что воздух при выходе из вентилятора разделяется на два потока, каждый из которых обслуживает один ряд цилиндров. Преимущества и недостатки схемы IV в основном те же, что и схемы 2В, если несчитать, что при схеме IV длина канала, направляющего воз­ душный поток, меньше, а распределение охлаждающего воздуха по цилиндрам более равномерное. Конструктивное преимущество' данной схемы состоит в том, что для направляющего канала используется пространство между рядами цилиндров. Наиболее рационально применение схемы IV для двигателей с малым диаметром цилиндров и высоким числом оборотов.

На двигателе «Висконсин» (см. гл. VI) охлаждающий воздух от вентилятора поступает в два самостоятельных рукава, распо­ ложенных на внешних сторонах рядов цилиндров, откуда воздух, пройдя межреберные каналы, выходит в пространство между рядами цилиндров.

Схема 2Ѵ также включает один центробежный вентилятор* установленный на коленчатом валу. Как и на схеме 2Г, ох­ лаждающий воздух течет вдоль осей цилиндров, т. е. цилиндры имеют продольные ребра. Вентилятор имеет один выход, в то время как в схеме 2Г вентилятор имеет два выхода. Преимуще­ ства и недостатки данной схемы в основном те же, что и преимущества и недостатки схемы 2Г. Применялась она в ран­ них конструкциях двигателей «Крупп».

79