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

Схема ЗѴ включает независимый вентилятор, установленный таким образом, что охлаждающий воздух при выходе из него делится рассекателем на два отдельных потока к правому и ле­ вому рядам цилиндров. Вследствие этого условия охлаждения всех цилиндров становятся в значительной мере одинаковыми,

Рис. 41. Схемы воздушного тракта двигателей с клинообразным расположением цилиндров

к. п. д. вентилятора и воздушного тракта в целом может быть высоким, так как, с одной стороны, имеются благоприятные ус­ ловия для размещения кожуха вентилятора, а с другой — воздух, выходящий из вентилятора, почти не делает поворотов, и доля используемого динамического давления возрастает. Недостатком следует считать большую высоту двигателя, затрудняющую его установку под капотом автомобиля. Уменьшение высоты карбю­ раторных автомобильных двигателей «Штейр», на которых при­

8 0

менялась данная схема, достигалось соосной установкой двух вентиляторов, каждый из которых обслуживал четыре цилиндра. Затрата мощности на охлаждение в этом двигателе не превы­ шала 4—5% максимальной мощности двигателя. В настоящее время данная схема не применяется.

Схема 4V включает два независимых центробежных венти­ лятора, каждый из которых обслуживает один ряд цилиндров. По существу данная схема представляет собой две объединенные схемы 4В, поэтому преимущества и недостатки последней распространяются и на рассматриваемую схему. Дополнительно к недостаткам относятся повышенные потери энергии воздуха вследствие сталкивания двух потоков на выходе из межреберных каналов головок и цилиндров. Кроме того, затрудняется исполь­ зование пространства между рядами цилиндров из-за наличия потока горячего воздуха. Данная схема применялась на карбю­ раторных автомобильных двигателях «Татра 87».

Схема 5V отличается от схемы 6Г тем, что ряды цилиндров расположены относительно друг друга под углом, меньшим 180°. В связи с уменьшением угла конуса выходящего из вентилятора воздуха улучшаются условия использования динамического дав­ ления, создаваемого вентилятором.

Большая удаленность вентилятора от картера двигателя способствует уменьшению потерь на удар. Подача охлаждаю­ щего воздуха под небольшим углом к ребрам повышает тепло­ отдачу последних. Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта при данной схеме достаточно велико, но может быть значительно уменьшено. Рассматриваемая схема применяется на двигателях «Континентал» и «Лайкоминг». Недостаток ее состо­ ит в более сложной передаче вращения от коленчатого вала к валу вентилятора, так как оси этих валов не параллельны.

При установке нескольких вентиляторов на многоцилиндро­ вом двигателе требуется точная синхронность их работы, а следовательно, и повышенная точность изготовления. В против­ ном случае воздух, подаваемый одним из них, частично уходит в окружающую среду через другой, что приведет к падению общей производительности вентиляторов, значительному ухудше­ нию равномерности распределения воздуха между отдельными цилиндрами и сильному снижению к. п. д. вентиляторной установки.

Схема 6Ѵ является наиболее распространенной для двига­ телей с клинообразным расположением цилиндров. Независимый осевой вентилятор располагается перед цилиндрами, а ось его вращения параллельна оси коленчатого вала. Привод вентиля­ тора часто осуществляется клиноременной передачей, и иногда зубчатой. Возможен также и цепной привод (семейство дизелей «Паксмэн»), Охлаждающий воздух нагнетается в пространство между рядами цилиндров, откуда он под давлением выходит в боковых направлениях через межреберные каналы цилиндров

и их головок. При использовании данной схемы в двухцилин­ дровом двигателе воздушный поток совершает крутые повороты, поэтому степень использования динамического давления неве­ лика. Высокое расположение вентилятора уменьшает опасность засорения межреберных каналов пылью, содержащейся в охла­ ждающем воздухе. Центральное расположение вентилятора облегчает привод его от коленчатого вала. Двигатель получается компактным, так как за счет вентилятора увеличивается лишь длина. По данной схеме выполнены дизели «Дейтц», «Татра»

идр. с клинообразным расположением цилиндров.

Вкарбюраторных двигателях МеМЗ-966 при данной схеме

воздух не нагнетался, а просасывался через воздушный тракт.

выполняется как по схеме нагнетания, так и по схеме просасывания, в зависимости от назначения двигателя.

Схема 7V напоминает схему 4Ѵ, только в данном случае вместо центробежных вентиляторов применены осевые. В связи с этим охлаждающий воздух совершает поворот под прямым углом только после выхода из вентилятора под действием ста­ тического давления, в то время как при схеме 4Ѵ поворот воздушного потока происходит в рабочем колесе. В отношении потерь динамического давления под кожухом схема 7V аналогич­ на схемам 6В и 6Ѵ, а в отношении потерь на выходе •— схеме 4V. Схема TV является по существу соединением двух схем 6В, по­ этому преимущества и недостатки ее аналогичны преимуществам и недостаткам последней. Удвоение числа вентиляторов вызы­ вается обычно трудностью подачи надлежащего количества воздуха одним центрально расположенным вентилятором по типу схемы 6V, так как в этом случае он получается либо чрез­ мерно большим, либо должен иметь недопустимо высокое число оборотов. Так, схема 7Ѵ применена на 12-цилиндровых дизелях «Татра 11 ІА», где один вентилятор обслуживает шесть цилиндров со сравнительно большим рабочим объемом (1,235 л) каждого из них.

Расположение вентилятора и его привода от коленчатого вала. При рядном расположении цилиндров независимый цент­ робежный вентилятор лучше размещать с правой стороны двигателя, с тем чтобы направления вращения шкивов на колен­ чатом валу и на валу вентилятора совпадали; при размещении вентилятора с левой стороны двигателя возникает необходимость в зубчатой передаче для получения нужного направления вра­ щения вала вентилятора. Осевой вентилятор может быть уста­ новлен на любой стороне двигателя, так как направление движения подаваемого им воздуха не изменяется при изменении его месторасположения. Однако важно, чтобы охлаждающий воздух подавался со стороны большего давления поршня на стенку цилиндра, наблюдаемого при движении поршня от в. м. т.

82

к н. м. т. Например, при виде на двигатель со стороны носка коленчатого вала и вращении последнего по часовой стрелке максимальное давление поршня на стенку цилиндра будет с ле­ вой стороны. С этой же стороны обычно подается и охлаждаю­ щий воздух у двигателей с рядным вертикальным расположе­ нием цилиндров. По длине двигателя осевой вентилятор располагается со стороны более удобного забора воздуха, с учетом возможности привода вентилятора от коленчатого вала.

Как видно, при воздушном охлаждении схема воздушного тракта и тип вентилятора не только определяют месторасполо­ жение последнего, но и существенно влияют на компоновку других агрегатов двигателя. При жидкостном охлаждении вен­ тилятор почти всегда располагается в одном и том же месте (впереди двигателя) и никакого влияния на компоновку двига­ теля не оказывает.

Более высокое аэродинамическое сопротивление воздушного тракта двигателя с воздушным охлаждением, а также желание иметь вентилятор минимальных размеров приводят к необходи­ мости создания высокооборотных вентиляторов. Соответственно этому передаточное число от коленчатого вала к валу вентиля­ тора должно быть значительно выше, чем при жидкостном охлаждении. Это также оказывает определенное влияние на кон­ струкцию двигателя. Кроме того, должно быть уделено серьезное внимание подбору подшипников для опор вала вентилятора и их смазке.

В связи с малой аккумулирующей способностью системы воздушного охлаждения двигателя внезапный обрыв ремня вентилятора может привести к серьезному повреждению двига­ теля, поэтому конструкция приводного механизма вентилятора должна быть надежной и не допускать прекращения или ухуд­ шения подачи охлаждающего воздуха во время работы двига­ теля.

Конструкции крепления вентилятора, кожуха для направле­ ния охлаждающего воздуха, экранов и отражателей должны обеспечивать возможность быстрого демонтажа этих элементов

илегкого доступа к оребренный поверхностям для их очистки.

Всвязи с более высокими скоростями воздуха на входе в вен­ тилятор, вызывающими более интенсивное засасывание пыли и посторонних предметов в воздушный тракт, перед вентилятором целесообразно устанавливать предохранительную сетку с ячей­ ками, размеры которых меньше расстояний между соседними ребрами.

Общее сечение ячеек сетки должно быть по возможности большим для снижения скорости воздуха, проходящего через нее.

Для передачи вращения от коленчатого вала к валу вентиля­ тора применялись известные типы передач: зубчатая, цепная и

клиноременная. Первые две передачи (рис. 42, а й в ) являются

более надежными, чем последняя, и обеспечивают неизменность передаточного отношения от коленчатого вала к валу вентиля­ тора. Но при большом расстоянии между ведущим и ведомым валами в случае зубчатой передачи необходима установка нескольких пар шестерен, что усложняет конструкцию двигателя и увеличивает шум его работы. Для устранения опасности поломки зубьев при резком изменении числа оборотов необхо­ димо применять в передаче эластичный элемент.

Рис. 42. Типы передач к вентилятору:

а — шестеренная; б — цепная; в — ременная; г — прямая

Зубчатая передача обычно применяется в двигателях

счислом цилиндров не менее четырех (дизели «Дейтц», «Татра»

сдиаметром цилиндра 120 мм), а с целью унификации и в двига­ телях с меньшим числом цилиндров (дизели «Порше»).

Применение зубчатой передачи более рационально также при расположении осей валов двигателя и вентилятора под углом, как например, на двигателях «Континентал».

Цепная передача обеспечивает неизменность передаточного отношения при одной паре звездочек, т. е. сочетает примущества зубчатой и ременной передач. При применении специальной

цепи цепная передача обладает меньшей шумностью работы, чем

8 4

зубчатая. При цепной передаче необходима установка натяж­ ного ролика, так как со временем цепь вследствие износа ее звеньев удлиняется. Несмотря на указанные преимущества, цеп­ ная передача применяется редко (дизели «Паксмэн»),

Большинство двигателей имеет клиноременную передачу (рис. 42, в). Она достаточно надежна при условии обычного наблюдения за состоянием ремня. При наличии специальных предохранительных устройств обеспечивается остановка двига­ теля при обрыве ремня. Небольшое проскальзывание ремня во время работы не дает существенного снижения частоты враще­ ния, но зато при резком ее изменении исключает обрыв ремня. Эта передача практически бесшумна в работе и достаточно дол­ говечна, особенно при наличии автоматического натяжного устройства с пружинным или гидравлическим амортизатором (двигатели «Дейтц»), Конструктивный недостаток одноступен­ чатой ременной передачи заключается в сравнительно большом диаметре ведущего шкива, при котором затрудняется использо­ вание фронтовой поверхности двигателя для размещения вспо­ могательных агрегатов.

Повышенная окружная скорость на внешнем диаметре шкива, а также вызванный этим прогиб ремня и уменьшение угла охвата им меньшего шкива создают условия для быстрого износа ремня. Этому же способствует большая разница между диамет­ рами ведущего и ведомого шкивов. Для ременной передачи в двигателях с воздушным охлаждением применяют тонкие ремни, обладающие хорошей гибкостью при достаточном сопротивлении растяжению, что повышает их надежность и долговечность. Последним обстоятельством объясняется применение на неко­ торых двигателях двух или трех ремней при одной ступени передачи.

На многих двигателях малой мощности с числом цилиндров не более двух применяются вентиляторы, смонтированные непо­ средственно на переднем или заднем конце коленчатого вала (рис. 42, г). О преимуществах и недостатках такого расположе­ ния в отношении охлаждения было сказано при рассмотрении конструктивных схем двигателей. Этот вариант является наибо­ лее простым, так как рабочее колесо не имеет специальных опор. Оно может быть выполнено как одно целое с маховиком, может быть напрессовано на маховик или привернуто к нему.

Механизм газораспределения, впускной и выпускной трубо­ проводы. Одним из серьезных недостатков двигателей с воздуш­ ным охлаждением является ухудшение наполнения цилиндров вследствие более высоких температур его головок. Иногда ухудшение наполнения происходит вследствие механического перенесения фаз газораспределения, формы и размеров впуск­ ных патрубков при переводе двигателя С жидкостного охлажде­ ния на воздушное. При этом не учитывают увеличение первона­ чальных зазоров в приводе клапанов, которое в условиях

85

воздушного охлаждения происходит более интенсивно вследствие большего расширения головок и цилиндров при их нагреве.

Абсолютное значение увеличения зазора в приводе клапанов зависит от материала цилиндра и его головки, от их размеров, от способа их крепления, а также от материала и степени нагрева их и штанг толкателей во время работы. Ориентиро­ вочно можно считать, что при чугунных цилиндре и головке и стальных штангах первоначальный зазор в приводе клапанов увеличивается на 0,15—0,2 мм, а при алюминиевой головке и чугунном цилиндре — на 0,2—0,3 мм. При замене стальных штанг толкателей на алюминиевые указанные увеличения зазоров уменьшаются приблизительно в 1,5—2 раза в зависимости от того, расположены ли штанги со стороны входа или со стороны выхода охлаждающего воздуха.

Увеличенные зазоры приводят к сокращению продолжитель­ ности открытия клапанов и, как следствие, к ухудшению очистки и наполнения цилиндров. Ввиду этого первоначальный зазор в холодном двигателе с воздушным охлаждением уста­ навливают очень малым (0,05—0,4 мм, табл. 5). Эти зазоры не рекомендуется устанавливать на горячем двигателе, так как при холодном двигателе они могут исчезнуть.

В табл. 5 приведены данные о фазах газораспределения ряда дизелей и карбюраторных двигателей с воздушным охлаждени­ ем. При проектировании двигателя с воздушным охлаждением периоды открытия впускного и выпускного клапанов у него должны быть больше, чем соответствующие периоды у двигателя с жидкостным охлаждением, на величину, соответствующую увеличению зазоров в приводе клапанов.

Фазы газораспределения сами по себе еще не обусловливают наилучшего наполнения цилиндров. Существенное значение име­

Независимо от конструктивной схемы двигателя распредели­ тельный вал, толкатели и штанги толкателей могут быть разме­ щены как со стороны входа охлаждающего воздуха в межре­ берные каналы цилиндров и их головок, так и со стороны выхода его из этих каналов. Принятие того или иного расположения механизма привода влияет на конструкцию ряда деталей (кар­ тер, головка цилиндра) и на компоновку двигателя. При наличии индивидуальных цилиндров с головками распределительный вал располагается в картере двигателя, и лишь при наличии одной головки на все цилиндры ряда он может быть расположен вверху, как это наблюдается у многих быстроходных двига­ телей.

Расположение привода распределительного вала со стороны подвода охлаждающего воздуха к цилиндрам имеет следующие преимущества: воздушные каналы в головке цилиндра полу-

8 6

Таблица 5

Регулировочные зазоры в приводе клапанов и фазы газораспределения двигателей с воздушным охлаждением

* Данные получены путем измерений непосредственно на двигателях.

чаются боле прямыми; масло, стекающее из клапанной коробки по зазорам между штангами и их чехлами (отдельными для каждой штанги), хорошо охлаждается; имеется возможность свободного размещения дефлекторов на выходе воздуха из меж­ реберных каналов. Расположение штанг под кожухом, направ­ ляющим поток воздуха, не оказывает отрицательного влияния на охлаждение цилиндров. Подобное расположение штанг толкателей применено на дизелях «Дейтц» (серии 514, 614 и 714), на дизелях «Татра» (D = 120 мм) и на многих других двигате­ лях. Все же на вновь проектируемых двигателях привод меха­ низма газораспределения чаще располагают на стороне выхода охлаждающего воздуха (дизели MWM, «Дейтц» серии 712/812 и др.). Эта схема имеет следующие преимущества: вследствие обдува штанг толкателей горячим воздухом зазоры в приводе

8 7

клапанов мало изменяются при изменении теплового режима двигателя; исключается возможность попадания масла на ребра из-под кожухов штанг; облегчается размещение свечи зажигания у карбюраторных двигателей и форсунки — у дизелей (в частно­ сти, форсунка может иметь меньший наклон к оси цилиндра); упрощается размещение дополнительной камеры сгорания у ди­ зелей. Недостатком данной схемы является искривление воздушных каналов головки цилиндров бобышками для чехлов штанг толкателей, дополнительный подогрев масла, стекающего по 'зазорам между штангами и их кожухами при работе двигателя.

Окончательное решение о рациональности применения той или иной схемы расположения привода механизма газораспре­ деления может быть принято лишь после проведения подробных компоновочных и исследовательских работ. Более рациональное расположение вспомогательных агрегатов двигателя при той или иной схеме расположения привода механизма газораспределения является важным аргументом в пользу применения этой схемы. Во всех случаях должна быть обеспечена герметичность крепле­ ния кожухов штанг толкателей.

Подача масла для смазывания трущихся поверхностей клапанного механизма и отвод избыточного масла осущест­ вляются по трубопроводу или во избежание необходимости демонтажа трубопровода при снятии головок используют отвер­ стия в штангах толкателей, а для отвода избытка масла в поддон

должны быть хорошо уплотнены по концам. Соединения должны быть эластичными во избежание нарушения герметичности под действием вибрации двигателя. Должна быть предусмотрена также компенсация изменения расстояния между верхним и нижним местами уплотнения кожухов, происходящего вслед­ ствие удлинения головки и цилиндра при нагреве и наличия допусков на длину при изготовлении этих деталей.

На рис. 43 показаны конструктивные варианты крепления и уплотнения кожухов штанг. Обращает на себя внимание различие в креплении верхних и нижних концов кожухов, причем уплотнение верхнего конца делается в большинстве случаев бо­ лее надежным, так как при протекании масла в этом месте оно попадает на ребра цилиндров. Нижние концы кожухов распо­ ложены ниже оребрения цилиндров, поэтому вероятность попа­ дания масла на ребра цилиндров меньше. В вариантах 1—3 защитную трубку (кожух штанги) запрессовывают верхним кон­ цом в тело головки цилиндров. Прессовая посадка обеспечивает надежное уплотнение, однако требует более точной обработки кожуха и отверстия. Транспортировка головки с двумя торча­ щими кожухами неудобна, изгиб их может привести к порче

88

головки. Замена кожуха в условиях эксплуатации может приве­ сти к нарушению герметичности соединения. В вариантах 4 и 5 в головку запрессованы короткие трубки, служащие направляю­ щими для кожухов. В вариантах 5 и 6 уплотнение осуществляет­ ся резиновым маслостойким кольцом круглого или специального сечения, а в варианте 7 — прокладкой из специального масло-

Рис. 43. Конструкция уплотнений защитных кожухов штанг привода клапанов двигателей:

1 — «Гюльднер»; 2, 9 — НАМИ (опытный); 3 — «Феномен»; 5 — «Татра»; 6 — «Порше»; 4 , 7 , 8 — HATH (опытный); 10 — «Дейтц»; И — «Петтерс»; 12 — ВТЗ

стойкого материала (паронит, капрон, маслостойкая резина). Указанные варианты требуют тщательного изготовления и мон­ тажа соединения и при этом не являются достаточно надежными. Для повышения надежности уплотнительное кольцо согласно вариантам 8 и 9 прижимается сальниковой гайкой. Недостатки этих вариантов — сложность изготовления и монтажа.

Наиболее простыми и достаточно надежными являются ва­ рианты 10—12 со втулкой из маслостойкой резины, поставленной с большим натягом (1—2 мм). Отверстие для втулки делают

8 9