Устройство автомобилей

Особенности устройства КШМ
двигателей с воздушным охлаждением

Двигатели с воздушным охлаждением имеют некоторые особенности конструктивного исполнения деталей кривошипно-шатунного механизма. Поскольку в блок-картере таких двигателей нет каналов и полостей для подвода охлаждающей жидкости, прокладки между головкой блока и блоком служат, преимущественно, для предотвращения прорыва газов из камеры сгорания.
Эффективность охлаждения блока и головки блока достигается благодаря оребрению внешних поверхностей, увеличивающих площадь теплообмена с охладителем — атмосферным воздухом.

Ребра для увеличения теплоотвода выполняют треугольного или прямоугольного сечения.
Размер ребер и промежутков между ними выбирают из условий, чтобы оребрение оказывало как можно меньшее сопротивление потоку охлаждающего воздуха и в то же время было достаточным для необходимого теплоотвода.
Обычно площадь поверхности оребрения цилиндра примерно в десять раз превышает площадь его зеркала в зоне оребрения, высота ребер не превышает 18 мм.

Цилиндры отливают из чугуна реже выполняют из стали, а иногда используют алюминиевые сплавы с хромированной поверхностью зеркала. В некоторых случаях делают оребренную основу, в которую запрессовывается чугунная гильза.
Таким образом обеспечивается высокая износостойкость в сочетании с хорошим теплоотводом, так как теплопроводность алюминия в три-четыре раза выше теплопроводности чугуна.

В большинстве автомобильных двигателей с воздушным охлаждением цилиндры вместе с их головками крепят общими несущими силовыми шпильками.
Другой способ крепления осуществляется с помощью присоединительного фланца, отливаемого вместе с гильзой. Тогда цилиндр крепится к картеру через фланец короткими болтами.
Головка крепится к цилиндру таким же образом.
Фланцевое крепление менее надежно и менее технологично.

Головка цилиндра, являясь в двигателе с воздушным охлаждением самым теплонагруженным элементом, изготовляется из алюминиевого сплава. Она не должна деформироваться в результате нагрева. Поэтому ребра на поверхности головки делают более развитыми, чем у цилиндра, и высота может доходить до 60 мм.

На головке блока ДВС воздушного охлаждения кроме вставных чугунных или стальных седел клапанов применяют вставки для крепления свечи зажигания. Такая вставка представляет собой простую резьбовую переходную втулку и ввертывается в предварительно нагретую головку.

При установке алюминиевой головки на чугунный цилиндр уплотняющая прокладка газового стыка не применяется. Уплотнение достигается путем деформации поверхности стыка при затяжке силовых шпилек.

Большое значение имеет организация направления воздушных потоков, которое обеспечивается путем соответствующего расположения вентилятора, системы дефлекторов и формы капота.

Двигатель с воздушным охлаждением — Air-cooled engine

Двигатели с воздушным охлаждением полагаются на циркуляцию воздуха непосредственно над теплоотводящими ребрами или горячими участками двигателя для их охлаждения, чтобы поддерживать двигатель в пределах рабочих температур. Во всех двигателях внутреннего сгорания значительная часть выделяемого тепла (около 44%) уходит через выхлопные газы, а не через металлические ребра двигателя с воздушным охлаждением (12%). Около 8% тепловой энергии передается маслу , которое, хотя в первую очередь предназначено для смазки , также играет роль в отводе тепла через охладитель . Двигатели с воздушным охлаждением обычно используются в приложениях, которые не подходят для жидкостного охлаждения , поскольку такие современные двигатели с воздушным охлаждением используются в мотоциклах , самолетах авиации общего назначения , газонокосилках , генераторах , подвесных моторах , насосных агрегатах, стендах для пиления и вспомогательных силовых установках .

Содержание

Введение

Большинство современных двигателей внутреннего сгорания охлаждаются с помощью замкнутого контура, по которому жидкий хладагент проходит через каналы в блоке цилиндров и головке блока цилиндров, где хладагент поглощает тепло, к теплообменнику или радиатору, где хладагент отдает тепло в воздух (или сырую воду , в случай судовых двигателей ). Таким образом, хотя в конечном итоге они не охлаждаются жидкостью, из-за контура жидкого хладагента они известны как водяные . Напротив, тепло, выделяемое двигателем с воздушным охлаждением, выделяется непосредственно в воздух. Обычно это достигается с помощью металлических ребер, закрывающих внешнюю часть головки цилиндров, и цилиндров, которые увеличивают площадь поверхности, на которую может воздействовать воздух. Воздух может подаваться принудительно с использованием вентилятора и кожуха для достижения эффективного охлаждения большими объемами воздуха или просто естественным потоком воздуха с хорошо спроектированными и наклонными ребрами.

Во всех двигателях внутреннего сгорания значительный процент выделяемого тепла (около 44%) уходит через выхлопные газы, а не через систему жидкостного охлаждения или через металлические ребра двигателя с воздушным охлаждением (12%). Около 8% тепловой энергии попадает в масло , которое, хотя в первую очередь предназначено для смазки , также играет роль в отводе тепла через охладитель . [1] Двигатели с воздушным охлаждением обычно работают более шумно, однако это обеспечивает большую простоту, что дает преимущества при обслуживании и замене деталей, а также обычно дешевле в обслуживании.

Приложения

Дорожная техника

Многие мотоциклы используют воздушное охлаждение для снижения веса и сложности. Немногие современные автомобили имеют двигатели с воздушным охлаждением (например, Tatra 815 ), но исторически это было обычным явлением для многих автомобилей большого объема. Примеры прошлых дорожных транспортных средств с воздушным охлаждением, в примерно хронологическом порядке, включают:

• Франклин (1902-1934)
• New Way (1905 г.) — ограниченный выпуск автомобилей «CLARKMOBILE».
• GM модели Chevrolet, Olds и Oakland с «медным охлаждением» (1921-1923) (построено очень мало)
• Полноприводные военные грузовики Tatra .
• Tatra 11 (1923-1927) и последующие модели
• Татра Т77 (1934-1938)
• Tatra T87 (1936-1950)
• Татра Т97 (1936-1939)
• Tatra T600 Tatraplan (1946-1952)
• Tatra T603 (1955-1975)
• Tatra T613 (1974-1996)
• Tatra T700 (1996-1999)
• Кросли (1939-1945)
• Восточногерманский Трабант (1957-1991)
• Трабант 500 (1957-1962)
• Трабант 600 (1962-1965)
• Трабант 601 (1964-1989)
• ЗАЗ Запорожец (1958-1994)
• Fiat 500 (1957-1975)
• Fiat 126 (1972-1987)
• Porsche 356 (1948-1965)
• Porsche 911 (1964-1998)
• Porsche 912 (1965-1969, 1976)
• VW-Porsche 914 (1969-1976)
• Жук , тип 2 , SP2 , Karmann Ghia и 3 -го типа все использовали тот же двигатель воздушного охлаждения (1938-2013) с различными смещениями.
• Volkswagen Type 2 (T3) (1979–1982).
• Volkswagen Type 4 (1968-1974)
• Volkswagen Gol (G1) (1980-1986)
• Chevrolet Corvair (1960-1969)
• Citroën 2CV (1948–1990) (с системой охлаждения масла под высоким давлением и вентилятором, прикрепленным болтами к концу коленчатого вала).
• Citroën GS и GSA
• Honda 1300 (1969-1973)
• NSU Prinz
• Мотоциклы Royal Enfield (Индия): двигатели мотоциклов Twinspark объемом 350 и 500 куб. См имеют воздушное охлаждение.
• Oltcit_Club (1981–1995) T13 / 653, G11 / 631 и VO36 / 630

Авиация

Большинство авиационных поршневых двигателей имеют воздушное охлаждение. В то время как двигатели с водяным охлаждением широко использовались с первых дней полетов, двигатели с воздушным охлаждением были преобладающим выбором в самолетах. После Второй мировой войны турбореактивные двигатели и самолеты с реактивными турбинами стали доминировать в режимах полета, в которых поршневые двигатели с водяным охлаждением обладали преимуществом в виде снижения лобового сопротивления. Сегодня поршневые двигатели в основном используются в более медленных самолетах авиации общего назначения, где большее сопротивление, создаваемое двигателями с воздушным охлаждением, не является серьезным недостатком. Поэтому большинство авиадвигателей, производимых сегодня, имеют воздушное охлаждение. Сегодня большинство двигателей в настоящее время (2005 г.) производятся компаниями Lycoming и Continental и используются основными производителями легких самолетов Cirrus , Cessna и так далее.

Другими производителями двигателей, использующими технологию двигателей с воздушным охлаждением, являются ULPower и Jabiru , более активно работающие на рынке легких спортивных самолетов ( LSA ) и сверхлегких самолетов . Rotax использует комбинацию цилиндров с воздушным охлаждением и головок цилиндров с жидкостным охлаждением.

Дизельные двигатели

Некоторые небольшие дизельные двигатели, например, производимые Deutz AG и Lister Petter, имеют воздушное охлаждение. Пожалуй, единственный крупный грузовой двигатель с воздушным охлаждением стандарта Евро-5 (V8, мощность 320 кВт, крутящий момент 2100 Н · м) производится компанией Tatra .

Стационарные или переносные двигатели

Стационарные или переносные двигатели были коммерчески представлены в начале 1900-х годов. Первое коммерческое производство было произведено компанией New Way Motor Company из Лансинга, штат Мичиган, США. Компания производила одно- и двухцилиндровые двигатели с воздушным охлаждением, как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением цилиндров. После того, как их первоначальное производство было экспортировано по всему миру, другие компании воспользовались преимуществами этого метода охлаждения, особенно в небольших переносных двигателях. Применения включают косилки, генераторы, подвесные моторы, насосные агрегаты, пилорамы, вспомогательные электростанции и многое другое.

Двигатели с воздушным охлаждением

Двигатели с воздушным охлаждением делают с раздельными цилиндрами, которые крепят к верхней половине картера. Цилиндры этих двигателей могут быть изготовлены по двум силовым схемам: с несущими шпильками (рис. 247, а) и сжатым цилиндром и с несущим цилиндром (рис. 247, б), растягиваемом в осевом направлении силами давления газов. В первом случае длинные силовые шпильки 1 подтягивают через головку отдельные цилиндры к опорной плоскости картера и одновременно обеспечивают плотность газового стыка, во втором цилиндры прикрепляют к картеру короткими шпильками 2 (четыре шесть шпилек) через опорный фланец, а головку навертывают на цилиндр или подтягивают к нему с помощью шпилек.

В двигателях с воздушным охлаждением целесообразно приме-

нять туннельные картеры с большой продольной и поперечной жесткостью (рис. 247, в).

Цилиндры двигателей с воздушным охлаждением изготовляют цельностальными с кругом обработанными ребрами; чугунными с литыми ребрами; в виде стальной или чугунной гильзы с напрессованной на нее алюминиевой оребренной муфтой и такой же гильзы, но залитой в алюминиевую отливку; цельноалюминиевыми с покрытием внутренней поверхности слоем твердого пористого хрома. В серийных двигателях применяют конструкции с несущими шпильками и с литыми цилиндрами без последующей обработки резанием ребер.

Охлаждающая поверхность непосредственно стенок цилиндров составляет 2540% всей потребной поверхности охлаждения (на головку приходится 6075%). Оребрение цилиндра начинается непосредственно от стыка его с головкой и доходит, как правило, до зоны расположения колец в н. м. т. Оребрепная часть составляет 45 55% всей длины цилиндра. Для карбюраторных двигателей удельная поверхность охлаждения равна 0,610,81 см3/Вт, а для дизелей 0,480,61 см2/Вт. Скорость воздуха между ребрами достигает 50 м/с.

Отношение наружной поверхности охлаждения головки и цилиндра к внутренней, омываемой горячими газами, зависит от цилиндровой мощности, а также от степени форсирования двигателя по энергетическим показателям и колеблется в пределах 1523.

на воздушное пространство менаду ребрами.

В литых конструкциях (рис. 249) расстояние между ребрами определяется прежде всего прочностью стержней. При высоте ребер 60 мм (в головках цилиндров) в отливке из алюминиевого сплава при литье в земляную форму удается выдержать шаг 5 мм . В случае обтачивания ребер шаг можно уменьшить до 3,5 мм (при толщине ребра 1 мм ).

Высота ребер цилиндров определяется теплопроводностью металла и обычно не превышает 1418 мм . Наилучшей конструкцией оребрния цилиндров считают короткие ребра с небольшим расстоянием между ними. В этом случае затраты мощности на охлаждение уменьшаются. Цилиндр с неодинаковой в различных направлениях жесткостью (несимметричные ребра) при высокой температуре деформируется неравномерно. Это может сопровождаться недопустимой ова-лизацией наиболее нагретой верхней части цилиндра и быть причиной повышенного износа. Для устранения овализации в ребрах делают вырезы, доходящие до стенок цилиндра (рис. 249, б). Вырезы в соседних рядах смещены один относительно другого. При нагревании ребра небольшой длины могут свободно деформироваться; при этом в стенках цилиндра не создается недопустимых термических напряжений и не оказывается заметного влияния на его форму.

Для увеличения отвода теплоты от стальных гильз на них напрессовывают алюминиевые оребренные цилиндры, предварительно нагретые до 250300° С. В этом случае температура стенок цилиндра из-за неполного контакта между соприкасающимися поверхностями (не превышающего 50%) понижается лишь на 3545° С. Лучший теплоотвод достигается при совместной отливке алюминиевого ореб-ренпого цилиндра со стальной или чугунной гильзой. В промежуточном слое вследствие диффузии создается прочное соединение металлов (альфин-процесс). Это позволяет также отливать головки со стальными клапанными седлами и втулками для свечей, а также со вставными камерами сгорания для дизелей (рис. 249, а).

Наиболее нагретой частью цилиндра с воздушным охлаждением является головка, которую всегда изготовляют из алюминиевых сплавов путем отливки в кокиль. Головки из легких сплавов имеют более низкие температуры вследствие лучшей теплопроводности металла. Температура наружных поверхностей головки, изготовленной из алюминиевого сплава, если исходить из условий прочности и надежности работы, пе должна превышать в наиболее нагретых точках в зоне между клапанами 215230° С, и только на форсированных режимах допускается кратковременное повышение температуры до 260° С. Температурное поле головки должно быть возможно более равномерным, чтобы не возникали термические деформации, в результате которых может нарушиться геометрическая форма верхней части цилиндра. Охлаждающая поверхность головки составляет 7560% поверхности оребрения цилиндра. Высота охлаждающих ребер литых головок доходит до 5060 мм (рис. 250). В кованых головках ребра фрезеруют. В этом случае толщина ребра может быть доведена до 1,5 мм при шаге 3,54,0 мм. Поверхность охлаждения при этом возрастает по сравнению с литыми конструкциями на 20%.

При использовании головок из алюминиевого сплава газовый стык обеспечивается непосредственным контактом головки и торцовой поверхности чугунной гильзы.

На рис. 250 изображены головки с V-образным расположением осей клапана. При перпендикулярном направлении потока охлаждающего воздуха к плоскости осей клапанов (рис. 250, а) между патрубками остается небольшое пространство для размещения охлаждающих ребер и прохода воздуха. Воздух для охлаждения целесообразно подводить со стороны более нагретого выпускного канала.

Наилучшей схемой расположения клапанов в отношении развития проходных площадей впускных и выпускных каналов и охлаждающей поверхности между ними является V-образная (рис. 250, б) с шатровой или полусферической камерой сгорания. Угол развала клапанов доходит до 80°.

Воздух для охлаждения двигателя нагнетается вентилятором, на привод которого затрачивается мощность, пропорциональная расходу воздуха в третьей степени. В случае свободного обдува цилиндров на охлаждение требуется примерно в 2 раза больше воздуха, чем при направленном организованном потоке.

В однорядном двигателе вентилятор устанавливают сбоку двигателя, в V-образном непосредственно перед цилиндрами (рис. 251).

Направление воздушного потока вдоль цилиндров однорядного двигателя, как и отвод горячего воздуха, обеспечивается каио

том 1 (рис. 251). Для распределения воздушного потока по отдельным цилиндрам служат дефлекторы, направляющие воздух, во избежание неравномерного нагревания, в первую очередь к наиболее

нагретым зонам (выпускному каналу, камере сгорания и т. п.). Дефлекторы способствуют выравниванию температур между отдельными цилиндрами и уменьшают неравномерность нагрева поверхностей цилиндра. Температура подогрева воздуха при малом расстоянии между тонкими высокими ребрами достигает 60-70° С.

Масса воздуха, отнесенная к 1 кВт мощности, изменяется в пределах 2935 кг/кВт. Отношение воздуха, потребного для охлаждения, к воздуху, засасываемому двигателем, составляет 1013 кг/кг.