3.5.2. Особенности распределения тепловых потоков в двигателях

Как известно, характер распределения теплоты, выделившейся в двигателе при сгорании топлива, определяется соответствующими статьями теплового баланса [6]. Значительные количества теплоты отводятся с отработавшими газами, с потоком охлаждающей жидкости (или воздуха), затрачиваются на совершение полезной работы и преодоление трения в двигателе. При оценке теплового режима ДВС необходимо учитывать следующее:

1. Характер работы детали в паре трения зависит от различных факторов, в том числе и от температуры, которая влияет на толщину и свойства слоя масла и на условия его работы.

2. Процессы образования нагара, лака и осадков в двигателях зависят от температурного режима на поверхностях деталей.

3. Вследствие условий, перечисленных в пунктах 1 и 2, при изменении температур деталей меняются процессы теплопередачи и теплоотвода от деталей в ДВС (см. рис. 38).

На основании изложенного в качестве условий осуществления оптимального теплового режима двигателя можно указать как на необходимость достижения высоких технико-экономических показателей при выпуске с завода, так и на требования к сохранению этих показателей в течение максимального времени работы конструкции.

Для выполнения этого условия, в частности, необходимо соблюдение постоянства геометрических размеров деталей, зазоров и сопряжений. Местные перегревы и переохлаждения, помимо неблагоприятного воздействия на рабочий процесс и осадкообразование, могут приводить к искажению геометрии основных рабочих деталей – искривлению осей цилиндров, отклонениям диаметров цилиндров от заданных размеров (в сторону уменьшения при охлаждении и в сторону увеличения при нагреве), к искажению круговой формы их горизонтального сечения и т.д. (рис. 39, рис. 40). Размещение их впускного и выпускного коллекторов с разных сторон блоков (в рядных ДВС) или полублоков (в V‑образных ДВС) приводит к искажению (выгибанию) горизонтальных осей блоков в их верхней части (см. рис. 41). Такие отклонения оси верхней части блока (полублока) от ее горизонтального направления были почти незаметными для его нижней части и составляли 0,015…0,02 мм.

Рис. 38. Характер теплопередачи в охлаждающую жидкость при различном расположении цилиндров в блоке:

а – при «попарно сдвоенных» цилиндрах; б – при отдельном «расположении цилиндров в блоке. 1 – стенка блока; 2 – стенка цилиндра; 3 – «водяная рубашка». Светлыми стрелками показаны возможные места образования паровых пробок, темными – направление отвода тепла к теплоносителю

Для крайних точек полублоков двигателей V-6 и V-8 в их верхних частях эти величины изменялись от 0,1…0,15 до 0,2…0,3 мм. При «одностороннем» размещении впускного и выпускного коллекторов «горячие» и «холодные» участки по длине головки чередовались так, как это показано на рис. 40.

Таким образом, двигатели, имеющие конструктивные схемы, подобные маркам ГАЗ-21 и ЗМ3-24, помимо возможностей осуществления газового подогрева, обеспечивали еще и меньшие искажения геометрии блока в его верхней части. Схемы искривлений продольной оси цилиндров при перегреве или переохлаждении верхней части цилиндра показаны на рис. 40,а,б.

Полученные температурные поля удовлетворительно совпадали, например, с картиной износов гильз цилиндров по высоте для тех же типов двигателей (см. рис. 41). Следовательно, при решении задачи определения оптимальных температур необходимо учитывать как условия снижения осадкообразования, так и необходимость сохранения исходной геометрии деталей. Суммарное воздействие теплового режима на работу двигателя может быть выражено в моторных баллах соответствующих методик (344-Т, ПЗВ) по улучшению состояния деталей и уменьшению износов двигателей. При этом указанные данные должны быть получены для автомобильных ДВС во всем диапазоне рабочих нагрузок и оборотов.

Рис. 39. Искажение геометрии гильзы цилиндра вследствие неравномерности круговых температурных полей:

а – при местном перегреве; б – при местном переохлаждении; в – при местном перегреве и переохлаждении. А, _п.т – зоны местного подвода теплоты; Б, _о.т – зоны местного отвода теплоты; _п.т; _о.т; _ – местные отклонения радиуса от номинала

Рис. 40. Искажения геометрии верхней части блока двигателей Р-4 вследствие местного нагрева и охлаждения:

а – при размещении впускного и выпускного коллекторов с разных сторон двигателя; б – при одностороннем размещении коллекторов; _н_о – отклонение осей от первоначального направления вследствие местного нагрева или охлаждения

Рис. 41. Искажения геометрии блока V-образных двигателей вследствие местного нагрева и охлаждения:

а – по высоте цилиндров; б – по длине полублоков в их верхней части

Различные конструктивные схемы автомобильных ДВС характеризуются большей или меньшей компактностью конструкции. Естественное стремление конструкторов к компактности конструкции, однако, не должно исключать возможности ее дальнейшей модернизации: так, например, применение узких протоков между соседними цилиндрами для охлаждающей жидкости с целью сокращения общей длины двигателя ухудшает равномерность круговых температурных полей в поперечных сечениях гильзы. Еще большую неравномер­ность температурных полей вызывает применение попарно сдвоенных цилиндров (по типу ГАЗ-51, ГАЗ-52-04, «Фиат-124» старой конструкции и др.). Применение нижнеклапанных конструкций, получивших широкое распространение в 40…50-е годы ХХ в., также снижало возможности форсирования двигателей вследствие бокового расположения клапанно-распределительного механизма и наличия выпускных каналов в отливке блока цилиндров. Предельные значения форсирования этих моделей по степени сжатия и числу оборотов, таким образом, были ограничены невозможностью достаточного развития проходных сечений для теплоносителя системы охлаждения ДВС. Следовательно, имея весьма высокие показатели по смесеобразованию, компактности конструкции, крутящему моменту и прочности силовой схемы, нижнеклапанные модели резко уступали верхнеклапанным по возможности дальнейшего форсирования. В настоящее время по тем же причинам верхнеклапанные модели с верхним расположением распредвалов имеют преимущества перед верхнеклапанными двигателями с нижними распредвалами. Причину этого следует искать не только в возможностях улучшения наполнения их цилиндров свежей смесью, но и в тех резервах совершенствования их охлаждения, которые могут снизить температуры конструкции до приемлемых величин.