Каковы особенности устройства цилиндра и его головки в двигателе воздушного охлаждения кратко

Обновлено: 05.07.2024

В двигателях с воздушным охлаждением для обеспечения нормального теплового состояния двигателя площади наружных поверхностей головок и цилиндров увеличивают путем их оребрения. От поверхности оребрения тепло, поступающее к ней от стенок камеры сгорания и стенок цилиндра, отводится охлаждающим потоком воздуха.

Положительными особенностями системы воздушного охлаждения являются несложное обслуживание, надежность в эксплуатации, меньший по сравнению с системой жидкостного охлаждения вес и простота конструкции, упрощение эксплуатации двигателя в безводных районах, а также устранение опасности замерзания воды в радиаторе и рубашке двигателя (в случае заполнения их водой) при низких температурах.

Схема движения воздуха, охлаждающего однорядный четырехцилиндровый двигатель, представлена на рис. 3.8. Каналы, по которым движется воздух, разделены на участки: входа воздуха, прохождения воздуха через вентилятор 1, распределения воздуха по цилиндрам, прохождения воздуха по межреберным каналам и отводного трубопровода. В рассматриваемой схеме охлаждаемые поверхности находятся на линии нагнетаемого воздуха. В некоторых случаях воздух через межреберные каналы не нагнетается, а просасывается.

Для получения эффективного и равномерного охлаждения при минимальной затрате мощности в двигателях с воздушным охлаждением применяют дефлекторы. Дефлекторы представляют собой направляющие устройства для подачи охлаждающего потока воздуха к оребренным поверхностям с определенными скоростью и направлением.

Рис. 3.8. Схема системы воздушного охлаждения двигателя

При проектировании системы воздушного охлаждения стремятся обеспечить подачу охлаждающего воздуха в первую очередь к наиболее горячим местам головки цилиндров (перемычки между гнездами клапанов и др.), а также к свечам зажигания (в бензиновых двигателях) и форсункам (в дизелях). Для улучшения теплопередачи поток охлаждающего воздуха должен омывать поверхности охлаждения равномерно и с достаточно высокой скоростью.

Расчет системы воздушного охлаждения автомобильных и тракторных двигателей сводится к определению параметров оребрения двигателя, производительности и размеров вентилятора, а также затрачиваемой на привод вентилятора мощности.

Проведение этого расчета вследствие влияния ряда трудно учитываемых факторов, а также из-за отсутствия данных о взаимозависимости расчетных параметров системы охлаждения весьма сложно и связано с большими трудностями. В особенности сложен теоретический расчет теплопередачи и аэродинамического сопротивления оребрения двигателя. Поэтому на практике при проектировании системы воздушного охлаждения обычно задаются удельной поверхностью оребрения и широко пользуются экспериментальными данными прототипов двигателей.

В начале расчета задаются его исходными параметрами, к которым относятся: а) температура, давление и влажность окружающего двигатель воздуха, б) рабочие температуры деталей двигателя и в) расчетный режим работы двигателя.

В качестве расчетной температуры окружающего воздуха принимают температуру, равную 40 °С.

Превышение рабочих допустимых температур может вызвать нарушение работы (увеличение нагарообразования, коробление головки цилиндра, закоксовывание и зависание иглы форсунки в дизелях, детонацию и калильное зажигание в бензиновых двигателях, повышенный износ цилиндра, поршня и поршневых колец).

Средняя температура у оснований чугунных ребер цилиндров 130–170 °С; у оснований чугунных ребер головки цилиндров 170–220 °С. При алюминиевых сплавах средние температуры соответственно 130–150 и 160–200 °С.

Минимальные температуры внутренних поверхностей цилиндра и его головки стремятся обеспечить не ниже 130–140 °С, т. е. значительно выше точки росы выпускных газов.

Рис. 3.8. Схема системы воздушного охлаждения двигателя

В качестве расчетной температуры окружающего воздуха принимают температуру, равную 40 °С.

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отливают индивидуально. Размер ребер и межреберных промежутков выбирают из условий, чтобы оребрение оказывало меньшее сопротивление потоку воздуха и обеспечивало нужную интенсивность теплоотвода. [2]

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отличаются от цилиндров водяного охлаждения устройством и способом крепления. Для лучшей теплоотдачи такие цилиндры ( см. рис. 4.2, б) отлиты с наружными ребрами. Своими обработанными поверхностями они опираются на картер двигателя и прижимаются к нему вместе с головкой цилиндра при помощи анкерных шпилек, ввернутых в картер, или же притягиваются к картеру фланцем. [4]

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения изготовляют как из одного ( монометаллические цилиндры), так и из двух ( биметаллические) металлов. Монометаллические цилиндры делают из стали, чугуна и легких сплавов. [5]

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения , изготовляемые из чугуна, отливают в оболочковых или стержневых формах или в кокилях. [6]

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения изготовляют как из одного ( монометаллические), так и из двух ( биметаллические) металлов. Монометаллические цилиндры делают из стали, чугуна и легких сплавов. [8]

В большинстве цилиндров двигателей воздушного охлаждения фланец цилиндра для облегчения обрабатывается по профилю. У цилиндра двигателя Райт Циклон на контуре фланца обрабатываются три плоскости. [9]

Основные элементы стакана цилиндра двигателя воздушного охлаждения показаны на фиг. [10]

В отношении распределения температур цилиндры двигателей воздушного охлаждения неоднородны даже при полном тождестве их конструкции. Зоны максимальных и минимальных температур в них имеют свою величину и расположение в зависимости от размеров цилиндров. В одном и том же цилиндре возможны сдвиги температур во время работы, даже когда нагрузка и число оборотов двигателя остаются постоянными. Причины этих местных сдвигов температур не всегда ясны. В дальнейшем будет показано, что уменьшение размеров цилиндра всегда сопровождается некоторым снижением максимальных температур. Это относится и к средним температурам рабочего процесса, так как при малых размерах цилиндра за счет большей быстроходности и более короткого пути пламени понижается склонность двигателя к детонации и появляется возможность повышения степени сжатия, а вследствие более интенсивного сгорания - возможность работы с более высокими коэффициентами избытка воздуха. Минимальные температуры в то же время значительно поднимаются. Благодаря этому при малом рабочем объеме рабочие температуры выравниваются и зоны промежуточных температур смещаются в сторону общего повышения теплового состояния двигателя. Несмотря яа большую среднюю температуру, при малых размерах цилиндра за счет пониженной температуры камеры сгорания и температуры вспышки, обусловливается более благоприятное термическое состояние двигателя, чем при цилиндрах с большим объемом. [11]

Температуру газов, ребер цилиндров двигателей воздушного охлаждения , выпускных патрубков и других деталей измерять термометром не только неудобно, но иногда и невозможно. В этих случаях значительно надежнее измерять температуру с помощью термопар. Удобно применять чувствительные к изменению температуры краски. [12]

Чтобы улучшить отдачу тепла от цилиндров двигателей воздушного охлаждения , наружные поверхности их делают ребристыми. Ребра увеличивают поверхность теплообмена, которая омывается встречным потоком воздуха. [14]

Чем привлекателен двигатель воздушного охлаждения

В функционирующем моторе температура цилиндров способна достигать 2000 градусов, тогда как оптимально допустимым считается режим 80-90 градусов. Разумеется, в таких экстремальных условиях ни одна деталь не прослужит долго. Для сохранности рабочих фрагментов автомашины двигатель нуждается в достаточно надежной системе охлаждения. Подобные конструкции имеют две разновидности:

система, использующая воздушное охлаждение. Здесь в качестве защиты работающего агрегата от перегрева выступает воздух;
жидкостное охлаждение ранее, в былые времена осуществлялось обычной водой. Технический прогресс отразился на создании специального вещества, названного антифризом. Также для снижения температуры мотора применяется тосол.

В настоящей публикации подробно рассматривается первая разновидность систем, оберегающих функционирующий двигатель от чрезмерного перегрева. Это позволит несведущему автолюбителю ознакомиться с устройством и принципом работы сложного технологического механизма.

Функции охлаждающих систем

Следует отметить, что поддержание оптимального температурного режима в двигателе автомобиля требует защиты не только от непомерного перегревания, но также от промерзания. Переохлаждение агрегата способно вызвать конденсацию топливно-воздушной смеси, вызванную соприкосновением горючего с прохладной поверхностью цилиндров.

Попадая в картер силовой установки, она приводит к разжижению смазочного вещества, что отражается потерей большинства его полезных характеристик.

Смешивание топлива с маслом вызывает досадное падение мощности мотора. Функционально важные детали двигателя быстрее изнашиваются. Также отрицательным моментом является загустевание масла в переохлажденном агрегате. Ухудшение своевременной подачи смазочного вещества в цилиндры приводит к непомерной растрате горючего, функциональная способность двигателя существенно понижается.

Помимо выполнения основной функции, системы охлаждения дополнительно обеспечивают:

понижение температуры отработанных газов в системе рециркуляции;
вентиляцию и кондиционирование воздуха в салоне автомобиля. Также они отвечают за отопление;
своевременное охлаждение моторного масла;
поддержание оптимального температурного баланса в турбокомпрессорных агрегатах;
охлаждение рабочей жидкости, заполняющей коробку-автомат.

Назначение и принцип действия системы воздушного охлаждения

Установлено, что перегревающийся двигатель вызывает непомерный расход топлива, также тратится большое количество машинного масла. Важные для нормального функционирования автомобиля детали быстро выходят из строя вследствие скорого износа. К тому же, нарушение температурного режима может привести к необоснованной потере мотором необходимой мощности.

С помощью воздушной системы охлаждения в двигателе поддерживается оптимальная температура. Также ее предназначением является контроль подогрева воздуха в салоне автомобиля. Она следит за своевременным охлаждением смазочных материалов, снижает температуру рабочей жидкости, заполняющей коробку-автомат, а порой поддерживает оптимальный режим в дроссельном узле и приемном коллекторе.

Принцип действия системы заключается в отведении тепла потоком воздуха от чрезмерно нагревающихся деталей работающего двигателя. Таким путем охлаждаются цилиндры, головки блока и масляного радиатора.

Воздушный поток к двигателю нагнетается принудительно алюминиевыми лопастями вентилятора, защищенного специальной сеткой от нежелательного попадания случайных предметов, способных повредить агрегат. Дефлекторы равномерно распределяют воздух, поступающий через ребра охлаждения, между всеми деталями функционирующего мотора.

Конструкция вентилятора

Следует отметить, что принудительное воздушное охлаждение невозможно без специального устройства. Вентилятор, являющийся необходимым звеном рассматриваемой системы, состоит из следующих деталей:

направляющего диффузора, оснащенного по окружности стационарными, радиально расположенными лопастями переменного сечения, влияющими на равномерное распределение воздушного потока;
ротора, имеющего восемь особых лопаток, размещенных по радиусу;
алюминиевых лопастей, нагнетающих поток воздуха в требуемом направлении;
кожуха, предотвращающего попадание тепла из внешнего пространства;
защитной сетки, предохраняющей механизм от случайного проникновения посторонних предметов внутрь устройства.

Лопастями диффузора изменяется направление воздушного потока, и он устремляется в сторону, противоположную вращению ротора. Это способствует увеличению атмосферного давления, вызывая лучшее охлаждение двигателя.

Преимущества и недостатки системы охлаждения двигателя воздухом

Отдельно следует заметить, что иногда для обеспечения нормального температурного режима вполне достаточно естественной циркуляции атмосферных потоков. Внешняя поверхность цилиндров мопедов, мотоциклов, поршневых и прочих простейших двигателей оснащается специальными ребрами, способствующими отдаче тепла во внешнюю среду.

Сложная конструкция автомобильного мотора требует принудительного охлаждения. Воздушному потоку необходимо придать определенное направление. Для этой цели используются вентиляторы.

Двигатели с воздушным охлаждением обладают следующими достоинствами:

чрезвычайной простотой конструкции, значительно упрощающей процесс ремонта или замены пришедших в непригодность деталей;
сравнительно небольшим весом;
основательной надежностью;
приемлемой стоимостью;
хорошими характеристиками холодного запуска мотора.

Однако, прежде чем выбрать автомобиль, имеющий двигатель воздушного охлаждения, следует ознакомиться и с недостатками рассматриваемых систем. Они характеризуются:

непомерным шумом, который создается работающим вентилятором;
увеличением размера двигателя в связи с необходимостью дополнительного пространства для размещения обдувающего устройства;
неравномерностью направленности воздушных потоков, что определяет возможность локального перегрева;
чрезмерной чувствительностью к качеству горючего, смазочных материалов, а также повышенными требованиями к состоянию запчастей.

Тем не менее, воздушное охлаждение приобрело свою нишу в автомобилестроении. Такими моторами оснащают грузовики, сельскохозяйственную технику и машины с дизельными ДВС.

Равняясь на характеристики германского автомобиля, подробно исследуем некоторые довольно распространенные легенды, преследующие двигатели, охлаждаемые воздухом.

Отнюдь не является непреложной истиной. В действительности температурные особенности, наоборот, можно считать достоинством двигателя, охлаждаемого воздушным потоком. Разумеется, пониженная теплопроводность не позволяет воздуху отбирать тепло с достаточной скоростью, обеспечиваемой водой или антифризом.

Утверждение 2. Большие габариты

Несмотря на довольно внушительный вид вентилятора с дефлектором и достаточно громоздкие кожухи, окружающие цилиндры с головками, его параметры оказываются несколько компактнее, чем у жидкостного агрегата.

Утверждение 3. Воздушные системы проигрывают жидкостным в надежности

Не соответствует действительности. Статистические исследования утверждают, что в одном из пяти случаев отказа двигателя вина ложится на жидкостное охлаждение. Причиной являются отказоопасные детали наподобие термостата, радиатора, помпы и пр.

Утверждение 4. Воздушное охлаждение слишком громкое

Утверждение 5. Воздушные двигатели быстрее изнашиваются

Является правильным применительно к устаревшим системам. Вентилятор просто нагнетал потоки воздуха на ребра цилиндров, не обеспечивая достаточной равномерности обдува. Современные двигатели характеризуются рациональным распределением тепла.

Утверждение 6. Недостаточная мощность

Не совсем верно. Причиной подобного обвинения является ухудшение весового наполнения цилиндров рабочей жидкостью, вызывающее непродолжительное падение мощности двигателя. Это происходит благодаря повышению температуры цилиндров и головок с увеличением нагрузки, что ведет к нежелательному нагреванию воздуха внутри системы.

Однако, при большем количестве оборотов разница в коэффициенте наполнения у воздушных двигателей и жидкостных моторов становится меньше 3,5%, установленных исследованиями, практически устремляясь к нулю. Поэтому, бороться с потерей отдачи можно, увеличивая обороты.

Заключение

Цилиндр представляет собой одну из главных деталей поршневого двигателя. Внутренняя полость цилиндра составляет основу рабочей полости, в которой осуществляются все тепловые процессы, связанные с преобразованием тепловой энергии топлива в механическую работу.

Стенки внутренней полости цилиндра служат также направляющими для поршня при его перемещениях между крайними положениями. Поэтому длина образующих цилиндра предопределяется величиной хода поршня.

Цилиндр работает в условиях переменных давлений в надпорш-невой полости. Внутренние стенки его соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500—2500°С. К тому же средняя скорость скольжения поршневого комплекта по стенкам цилиндра в автомобильных двигателях достигает 12— 15 м/сек при недостаточной смазке. Поэтому материал, употребляемый для изготовления цилиндров, должен обладать большой механической прочностью, а сама конструкция стенок повышенной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов износа (абразивного, коррозионного и некоторых разновидностей эрозии), уменьшающих срок службы цилиндров (Износ цилиндров автомобильных двигателей является следствием комплексного воздействия на стенки многочисленных физических и химических быстротекущих процессов, которые по характеру проявления разделяются на три основных вида износа: эрозивный, возникающий вследствие механического истирания, схватывания и других разрушающих процессов при непосредственном контакте металлических трущихся поверхностей; коррозионный, возникающий при всякого рода окислительных процессах на поверхностях трения; абразивный, вызывающий разрушение поверхностей трения при наличии между ними твердых или, как говорят, абразивных частичек, в том числе и продуктов износа). Материалы, применяемые для изготовления цилиндров, должны обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках.

В соответствии с этими требованиями в качестве основного материала для цилиндров применяют перлитный серый чугун с небольшими добавками легирующих элементов (никель, хром и др.). Применяют также высоколегированный чугун, сталь и алюминиевые сплавы.

Цилиндры из алюминиевых сплавов с внутренней стороны покрывают слоем пористого хрома толщиной 0,1—0,15 мм. Слой пористого хрома, имеющий канальчатую поверхность, хорошо удерживает смазку и обладает повышенной износостойкостью. Такой метод изготовления легких износостойких цилиндров используется иногда для мотоциклетных и автомобильных двигателей малого литража.

При использовании более дорогих материалов цилиндры чаще всего делают комбинированными, т. е. состоящими из двух металлов. Для внутренних стенок, образующих рабочую поверхность цилиндра, в этих случаях применяют наиболее износостойкие материалы. Например, сталь или высоколегированный аустенитный чугун, содержащий 14—15% никеля, 6—7% меди и 2—4% хрома. Аустенитный никельмедистохромистый чугун-нирезист отличается от перлитного чугуна высокой коррозионной стойкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию при ограниченной смазке и другими положительными свойствами.

Чтобы уменьшить потери на трение и обеспечить необходимое уплотнение надпоршневой полости, внутренние стенки цилиндров тщательно обрабатывают. По возможности им придают строго цилиндрическую форму, а рабочую поверхность доводят до высокой степени чистоты. Внутреннюю поверхность стенок называют зеркалом цилиндра.

Температура стенок цилиндров на прогретом двигателе поддерживается в пределах 100—150°С. Более высокую температуру имеют при этом стенки верхней зоны цилиндров, омываемые наиболее горячими газами. В двигателях с воздушным охлаждением отдельные участки верхней зоны цилиндров нагреваются до 170— 180°С, а средняя температура их стенок всегда бывает выше, чем при жидкостном охлаждении.

Повышенный нагрев стенок приводит к излишнему подогреву поступающего в цилиндры свежего заряда и уменьшению его весового содержания. Двигатели развивают при этом заметно меньшую мощность. Однако нельзя и переохлаждать цилиндры. При температуре ниже 100°С на стенках возможна конденсация паров воды. А так как в продуктах сгорания наряду с парами воды и другими химическими соединениями содержится некоторое количество сернистого газа, то создаются благоприятные условия для образования серной кислоты, коррозирующей стенки цилиндров, вследствие чего износ их резко возрастает.

В зависимости от способа охлаждения конструкция цилиндров и всего двигателя приобретает свои характерные особенности.

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отливают индивидуально, а для увеличения теплоотвода наружная поверхность их оребряется (рисунок). Следовательно, при воздушном охлаждении цилиндр, строго говоря, состоит из двух конструктивных элементов: гильзы или, как ее называют иногда, втулки и оребрения. Размер ребер и межреберных промежутков выбирают из условий, чтобы оребрение оказывало возможно меньшее сопротивление потоку охлаждающего воздуха и в то же время было достаточно развитым и обеспечивало нужную интенсивность теплоотвода. В существующих конструкциях площадь поверхности оребрения цилиндра примерно в 10 раз превышает площадь его зеркала в зоне оребрения.

Оребряемой поверхности гильзы, придают цилиндрическую или коническо-цилиндрическую форму. Чаще применяются гильзы с цилиндрической средней частью и с конической формой ее периферийных зон. Это способствует выравниванию температуры как по окружности, так и по высоте цилиндра, в частности уменьшает перепад температур в зоне перехода от оребренной части цилиндра к неоребренной. Утолщение стенок гильзы в верхней и нижней ее зонах повышает также общую жесткость цилиндра, а уменьшение толщины стенок гильзы в средней части увеличивает сечение воздушных каналов, что способствует лучшему теплоотводу.

В двигателях с воздушным охлаждением применяют как цельнометаллические, так и комбинированные цилиндры. Цельнометаллические цилиндры изготовляют из чугуна, реже их делают стальными, а в малых двигателях применяют также алюминиевые сплавы с хромированной поверхностью зеркала. Ребра отливают вместе с гильзой или нарезают на станках. Чаще используют первый, наиболее простой и экономически выгодный метод. Комбинированные цилиндры представляют собой чугунную или стальную основу с ребрами из алюминиевых сплавов, получаемых методом литья, или же алюминиевую оребрснпую основу с запрессованной в нее, например, чугунной гильзой . В таких цилиндрах высокая износостойкость сочетается с хорошим теплоот-водом, так как теплопроводность алюминиевых сплавов в 3—4 раза выше теплопроводности чугуна. Более высокими качествами обладают биметаллические цилиндры, получаемые методом заливки ребер, обеспечивающим монолитность их соединения с основой цилиндра.

Цилиндры двигателей с жидкостным охлаждением в отличие от рассмотренных оребрениых изготовляют с двойными стенками, что значительно усложняет их конструкцию. Внутренние стенки образуют у них гильзу цилиндра, а внешние более тонкие— его рубашку. Стенки рубашки охватывают гильзовую часть цилиндра так, что между ними образуется полость, используемая для циркуляции охлаждающей жидкости.

Из соображений облегчения ремонта и увеличения срока службы цилиндров с жидкостным охлаждением их в большинстве случаев изготовляют комбинированными, с короткими вставками или со вегавками па всю длину зеркала цилиндра и с легкосъемными гильзами.

Читайте также: