Народного хозяйства и государственной службы 11 страница

Ввиду сложности явлений, происходящих в выпускной системе, и необходимости задаваться большим количеством эмпирических коэффициентов расчет настройки не производят, а ведут подбор размеров системы, замеряя мощность и расход топлива на тормоз­ном стенде. Большую помощь при настройке выпускной системы дает также оецнллографированне давления у выпускного окна.

Глава XV

ОХЛАЖДЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ

§ 78. НЕОБХОДИМОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ

При сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания вы­деляется большое количество тепла, вследствие чего детали, сопри­касающиеся с горячими газами (нх температура превышает 2000" С), сильно нагреваются.

Перегрев двигателя вызывает резкое повышение потерь на тре­ние ввиду уменьшения сопротивляемости масляной пленки, что увеличивает износы и вызывает закоксовываиие колец. При дальней­шем увеличении температуры трущихся деталей происходит раз­рушение масляной пленки, результатом чего являются задиры на юбке поршня и прихват поршневого пальца во втулке шатуна и бобышках поршня. Перегрев снижает коэффициент наполнении и способствует появлению детонации.

Естественное рассеивание тепла поверхностями деталей двига­теля не может обеспечить их работу в требуемом диапазоне темпе­ратур. Для обеспечения работы двигателя в необходимом интер­вале температур применяется система охлаждения. Однако переох­лаждение двигателя, в свою очередь, приводит к ухудшению эко­номичности ввиду падении термического к. п. д., увеличению по­терь на трение из-за увеличения вязкости масла, разжижению мясла в четырехтактных двигателях в результате конденсации топ­лива на стенках цилиндра и смолообразованию.

Основная часть тепла отводится системой охлаждения от головки и цилиндра двигателя. В основном для мотоциклов и моторолле­ров применяется воздушная система охлаждения, т. е. теплоот- вод осуществляется потоком воздуха, создаваемого при движении мотоцикла или нагнетаемого вентилятором.

Для увеличения коэффициента наполнения система охлаждения должна обеспечить усиленный теплоотвод от тех узлов и деталей, температура которых оказывает на него значительное влияние. Поэтому у четырехтактного верхнеклапанного двигателя основной отвод осуществляется от головки цилиндра, а у двухтактного двн-

Основные параметры двигателей мотоциклов и мопедов с охлаждением встреч

Параметры	8 3 3	а	3 л со	Я а г	-■3 *	Я	ЖуЧ « л
	К	V	С	S3	и	3-	*
Рабочий объем двигате­ле а ем*	«						"•if
Тактиость	. |.	а	a	a	a	a
Число цилиндров	' 1 <				I	i
Диаметр цилиндра п мм |	«0	«1
		3» | 33-	-39Л		м
Максимальная мощность а л. с.	«	4.1	а.а	5Д	7,1	S3	11.9 IT
Число оборотом двигатели в минуту при максимальной мощности		SOW	ft*»			550О—5800	C7W
Степень сжатия (геометри­ческая)		10.4 (W)	7.4	и ав»	10.7 (6.7*»	9fl	W
Материм цилиидра	Чугун	ЛлюмиипА**	Чугуя	Ллюми­ипА	Чугу
Площадь поверхности ох­лаждения а ем*: ГОЛОВKB		№74	«15			IMS	It»
цилиидра	3X1	10»		I960			alio
• * головки	70.4			>4	St
цилиидра	Wj6	»	62 | 06	4»	6»	CO
Удельная площадь в см*/л. е.		«7		У»			зд
Шаг ребер а лиг головки		7Л	м	Ю.о	»j0	•<5
цилиидра		«.0	1 W	9Л	9fi	1»	Рада a*
Отяоцкиие максимальное длины ребер к шагу: головки	иие ребра	5Д	3.75	4,5	4.7	u	р«бр»
цилнпдра		bfi	$.0	5J0	4,5	I w
Максимальная скорость мотоцикла а км/ч		(О			Л	eo	100 \
Назначение мотоцикла				ДорожиыВ
* Действительная степень сжатия. •• Цилиндры хромироопиы. Мотоцикл с коляской. Примечание. Голокки всех двигателей иэготоалеаы м	алимиивев	*x спл 4

Таблица 16 , лотом» иоиуха Ts 6 X Я 1 £   а I Й i 8 а 8 S a о Г si § а ж                 ЗК       1     »               ■ 1 ' • 1 | Г | I         II м » и   61.74   » 61.75   Ж «1 м и и (Л М «     67.6 66*   JIJU 31.в 7.0 пл Ю.О 16.0 39 0 ил 61.0 41.0 Ю У» 13 от 12 МО МШ мои «00   II 000   10 МО   IOJD 16.0 10.9 м 9j0 1» 8Л 10.7 7.0 10.7 9Д> Алюминий Чугун ЛлюмяннА   эти .vaj isoe     змо 5ЮЗ   64(0 6Э00 Ш 31»   пи   ЗЙЭО 4ЧЭ0 ?Д6 СОИ   6П0     в             «Л 61.6 ® СО   к «3   и ».<   39Д «Л «7     VS3 «3             «Л 13-И 10.0 9.0 I4J0 10.0 13Л 10-11 »л 10-11 IOjO « М ю/) I0j0 9Л 9Л 10» Ю.0 9Л 9А Ю.О м M-1JS S.0 7.0 *Р «.3 «.3 6.0-6.4 «Л 6.0-6.4 4 Л   м 4Л   6.0 6.7 Si К» 5Д 5J0 1Д> 1» in ш »     lis 1») у,...       Гоаочяы* Дорожи ив Гоноч­ный Дорож- ний Гоноч- ний Спор­тивный   потоп Hiuta XtUi C-I03. нотор ut ямсе голом ■> чуг> ■а.

гателя с кривошипно-камерной продувкой — от инлиндра и кри. вошнпной камеры.

Для двигателей большинства мотоциклов применяется охлаж­дение встречным потоком воздуха. Преимуществом такой системы охлаждения перед принудительной является отсутствие вентиля- тора, а следовательно, н затрат мощности на его привод, уменьше­ние веса, упрощение конструкции и сокращение габаритов двига­теля (табл. Гб). Основной недостаток этой системы состоит в том, что охлаждение двигателя зависит от скорости движения мото­цикла. поэтому двигатель перегревается при движении мотоцикла в тяжелых дорожных условиях иа промежуточных передачах.

{ 79. основы ТЕОРИИ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Количество тепла, которое должно быть отведено системой ох­лаждения,

где О, — часовой расход топлива в Kitч;

Я, — удельный расход топлива в г1(л. с. ч);

И — низшая теплотворная способность топлива в кхал/кг;,

N, — максимальная эффективная мощность двигателя в л. е.:

ц„ — доля тепла, отводимая системой охлаждения.

Удельный расход топлива g, в г! (.1. с. ч) четырехтактных дви­гателей в зависимости от расположения клапанов колеблется в следующих пределах: верхнеклапанных 250 —300. нижнеклапанных 300—350. Среднее значение удельного расхода топлива в четырех­тактных двигателях равно 300 г/л. с. ч.

Дол я тепла, отводимая системой охлаждения четырехтактных двигателей, по разным источникам колеблется в пределах 22—28%. По данным ВНИИМотопрома для верхнеклапанного мотоциклет­ного двигателя q„ 22 -4- 23%, но данным НАМИ для верхнекла- паипого автомобильного двигателя с водяным охлаждением q, ^J ^22%, однако Рикардо считает, что для четырехтактных карбю­раторных двигателей q₀ - -- 28%.

При дальнейших расчетах принимаем с/, = 26%, тогда дл«четырехтактных двигателей количество тепла, отводимое система охлаждения,

О,„, = 0.3-10300.0.26ЛГ, = 800\, юсал/ч.

Для современных двухтактных мотоциклетных двигателей npi геометрической степени сжатия 6,5—8,0 </, 330 ч- 450 г/(л. с. ч), среднее значение удельного расхода топлива равно 390 гЦл. с. ч).

В технической литературе нет данных теплового баланса двуХ' тактних карбюраторных двигателей. Доля тепла, отводима» сне темой охлаждения двухтактного двигателя, учитывая наличие ра­бочего хода при каждом обороте коленчатого вала, приблизительно 248

п два раза выше, чем у четырехтактного двигателя. Но ввиду зна­чительного прямого и обратного выбросов топлива (в среднем 15%), уносящего с собой тепло, принимаем для двухтактного двигателя 0.26 2 _ЛЛ ^q<n ~ Т+2Ж15 ^в '

тогда Qjc«= 0,39.10 300.0,4 - 1600 Л', ккал ч.

Таким образом соотношение количества тепла, отведенного сис­темами охлаждения двухтактного и четырехтактного двигателей, ^{т е}- ^2<3—•

При прочих равных условиях поверхности охлаждения двух­тактного двигателя должны быть в два раза больше поверхностей охлаждения четырехтактного, что подтверждается статистикой.

Передача тепла от поверхностей охлаждения охлаждающему воз­духу. Для определения количества тепла переданного нагре­той стенкой в охлаждающую среду, пользуются формулой закона Ньютона:

Quj-ebF, ((,-/,) ккал,

где а_т — коэффициент теплопередачи в ккал!(м^г *ч^в Q; F₀ — площадь поверхности охлаждения в.«*; /„ — средняя температура поверхности охлаждения в °С; I, — средняя температура охлаждающего воздуха в ° С. Отсюда необходимая площадь поверхности охлаждения

г——--- и«

^e a m(l*-t.)^M

Однако при кажущейся простоте уравнения определить необ­ходимую поверхность охлаждения с достаточной для проектиро­вания степенью точности невозможно ввиду сложности определе­ния коэффициента теплопередачи о*, зависящего от различных факторов, приведенных ниже.

В системе воздушного охлаждения двигателей передача тепла от нагретых деталей происходит как соприкосновением, так и лу­чеиспусканием. При сравнительно низких температурах наружных поверхностей головки и цилиндра, не превышающих для мотоцик­летных двигателей 250° С, считаетси, что передача тепла лучеис­пусканием незначительна и для упрощения расчетов принимают теплопередачу только соприкосновением. Однако опыты фирм БМВ и Порше показали, что прн чернении охлаждающих алюминиевых поверхностей методом электрохимического окисления тепловая напряженность двигателей снижается на 12—18%. Это показывает, что пренебрегать передачей тепла лучеиспусканием не следует.

Коэффициент теплопередачи зависит от скорости охлаждающего ®°здуха н его температуры, коэффициента теплопроводности ме­талла, из которого изготовлены головка и цилиндр, длины и шага ребер.

Теплопередача от нагреваемых внутренних поверхностей го­ловки и цилиндра, а для составного цилиндра — между гильзой и рубашкой, значительно ухудшается при наличии на них слоя на­гара, так как его теплопроводность в 175 раз ниже алюминия и в 50 раз — чугуна.

Теплопередача от зеркала цилиндра в значительной степени определяется конструкцией цилиндра. На двигателях мотоциклов применяются цилиндры:

— чугунные, отлитые как одно целое с ребрами;

— состоящие из алюминиевой рубашки (оребреной муфты) с запрессованной чугунной или стальной гильзой;

— состоящие из алюминиевой рубашки с залитой в ней чугу нной гильзой (без диффузионной связи);

— состоящие их алюминиевой рубашки с залитой в ней методом альфин-процесса чугунной гильзой (или другим методом, обеспечи­вающим диффузионную связь гильзы и рубашки);

— алюминиевые с хромированным зеркалом — «хромирован­ный» цилиндр.

Лучшую теплопередачу из вышеуказанных имеет хромированный цилиндр. При замене чугунного цилиндра на одном и том же дви­гателе на алюминиевый хромированный максимальная температура цилиндра снижается с 220 до 160' С (данные фирмы Мале и TBI 1). Алюминиевая рубашка с гильзой, залитой в ней методом ал ьфин- процесса, по теплопередаче незначительно уступает хромированному цилиндру, что объясниется наличием диффузионной связи гильзы с рубашкой, обеспечивающей постоянный и падежный тепловой контакт между ними.

Средняя температура зеркала чугунного цилиндра и чугунной гильзы, запрессованной в алюминиевую рубашку, почти одинакова, что объясняется окислением внутренней поверхности рубашки, а окись алюминия имеет низкий коэффициент теплопроводности и ухудшает передачу тепла от гильзы к рубашке. Несмотря на это, составной алюминиевый цилиндр с запрессованной или залитой гильзой имеет перед чугунным цилиндром следующие преимущества: j

— меньший перепад температур по окружности одного ребра; для алюминиевого цилиндра он не превышает 60" С, а при тех же условиях у чугунного достигает 120' С;

— снижение веса цилиндра в 1,5—2 раза;

— меньший перепад температур между верхней и нижней частью цилиндра.

Для алюминиевых хромированных цилиндров или составных цилиндров с гильзой, имеющей диффузионную свизь с рубашкой, вышеуказанные преимущества увеличиваются. Кроме этого, ввиду равенства коэффициентов расширения зазор между поршнем и зер* калом хромированного цилиндра уменьшается в 2—3 раза по срав* 250

нению с зазором в чугунных цилиндрах и практически остается постоянным во всем диапазоне рабочих температур, что обеспечи­вает снижение температуры поршня. При неизмененных материале цилиндра н головки и отношении длины ребер к шагу коэффициент теплопередачи изменяется в зависимости от скорости движения мо­тоцикла, но количество тепла, которое должно быть отведено сис­темой охлаждения, пропорционально развиваемой в данный момент мощности двигателя. При движении мотоцикла на разных переда­чах в зависимости от изменении суммарных сил сопротивлений дви­жению одинаковой мощности со­ответствуют разные скорости мото­цикла. Следовательно, и темпера­турный режим двигателя при этом будет различным.

Влияние длины и шага ребер на коэффициент теплопередачи. Опытами установлено, что при охлаждении мотоциклетных двига­телей встречным потоком воздуха оптимальное соотношение длины

ребер к их шагу (рис. 162) у* = 6 (при скорости охлаждающего воз­духа до 30 м/сек). При дальней­шем увеличении отношения-^ коэф- _Рис.,_б2. зависимость <х_тот¹±*»_t: фнцнент теплопередачи умень- ^ _{ ^р

шается и приоз Ю он снижается /,?—б; 3 — — 4;

1р 1_р Г р

до значения, соответствующего ₄ f* i *

/ i отношению ~ = 4, в то время

как все оре^ренне значительно увеличивается и усложняется тех­нология отливки длинных ребер.

Уменьшение коэффициента теплопередачи при удлинении ребер

10 20 ID *0 к/ш

(при отношении j- > 6 объясняется увеличением аэродинамических сопротивлений длинного н узкого межреберного канала особенно при низких скоростях движения мотоцикла. Литые ребра головок " цилиндров мотоциклетных двигателей в большинстве случаев имеют треугольное сечение с толщиной основания 4 мм. При этом по технологическим соображениям шаг ребер делается на цилиндрах не менее 7 мм. а головках 8 мм. Дальнейшее уменьшение шага ре- бер ухудшает охлаждение двигателя особенно при низких скорос­тях движения мотоцикла, так как при обтекании встречным потоком воздуха уменьшение шага ребер приводит к возрастанию аэроднна-
мичсскнх сопротивлений оребренного тела, ввиду чего охлаждаю- щнй воздух стремится обтекать его по внешнему контуру, не про­никая в межреберные каналы. Опыты показали, что увеличение коэффициента теплопередачи достигается при наклоне ребер от­носительно потока воздуха, поэтому на большинстве двигателей сов- временных мотоциклов ребра цилиндров наклонены под углом 15—30° к горизонтали. На некоторых двигателях, где это конструк­тивно выполнимо, такой же угол наклона имеют ребра головки. При вертикальном расположении ребер на головках двухтактных двигателей гоночных мотоциклов MZ-125 с воздушным охлаждением (выпуска до 1963 г.) для увеличения эффективности охлаждения ребра наклоняли к направлению потока под углом 30°.

Следовательно, правильный выбор коэффициента теплопере­дачи весьма труден ввиду его зависимости от ряда недостаточно исследованных "факторов н отсутствия достаточного количества систематизированных данных.

Основные условия для расчета необходимой площади поверх­ности охлаждения по методу подобия. В настоящее время достаточно обоснованным для проектирования является выбор необходимой площади поверхности охлаждения на основании статистических данных, что в свое время практиковалось и в авиации, и в автомо­билестроении. Но при этом необходимо учитывать зависимость пло­щади поверхности охлаждения от тактности двигателя, рабочего объема цилиндра, литровой мощности, диаметра н хода поршня и назначения мотоцикла.

Тактность двигателя в значительной мере определяет долю теп­ловой энергии, полученной двигателем и отводимой поверхностью охлаждения в охлаждающую среду — воздух. В основном на сов­ременных мотоциклах применяются двухтактные и четырехтактные верхнеклапанные двигатели, но в эксплуатации находятся и ннжне- клапанные четырехтактные дви­гатели (К-750М).

Соотношение площадей охлаждающих поверхностен в % Донгатель Го­ловка Ци­линдр Двухтактный •ю   Четырехтактный:     иижнекла ванный     верхнеклапанный

Площади охлаждающих по­верхностей головки и цилиндра должны быть пропорциональны площадям внутренних поверх­ностей, омываемых горячими газами. Поэтому в двухтактных двигателях большая часть по* верхностн охлаждения должна быть расположена на цилиндре, так как наиболее термически на­пряженными местами являются зона выпускных окон и патрубка. В четырехтактных, особенно верхнеклапанных двигателях большую часть тепла воспринимает готовка н меньшую — цилиндр, а наибольшую температуру имеют выпускные клапаны, седло н выпускной капал. 252

В табл. 17 приведены средние данные, показывающие, как рас­пределяются площади поверхностей охлаждения между головкой и цилиндром в зависимости от тактности двигателя.

Так как максимальная температура газов имеет максимальное значение при процессе сгорания во время нахождения поршня около в. м. т., то верхняя часть цилиндра имеет большую поверх­ность охлаждения, чем нижняя, что достигается увеличением ре- Сер в верхней части.

Для современных мотоциклетных двигателей отношение хода поршня к диаметру цилиндра колеблется в довольно узких пределах: * 0,93-ь 1,11, поэтому для ориентировочных расчетов ^ = 1.

Площадь внутренней нагреваемой поверхности приближенно можно принять равной площади поверхности цилиндра:

F. = nDS + 2я £ = лО> (§) += п D';

но при ^ = С и F_M = CD*.

Рабочий объем цилиндра

_v nD«_с л0^е S „ „„„ S _г = —_& и при _и = С

К» «СО», где С — постоянная величина.

Следовательно, при одинаковых отношениях ^ площадь внут­ренней нагреваемой поверхности увеличивается пропорционально квадрату диаметра цилиндра, а рабочий объем возрастает про­порционально кубу диаметра цилиндра. При равной литровой мощ­ности эффективная мощность двигателя пропорциональна рабочему объему, поэтому с увеличением рабочего объема растет тепловая напряженность внутренней поверхности, а следовательно, необ­ходимо и увеличение удельной площади поверхности охлажде­ния. С уменьшением рабочего объема цилиндра увеличивается эф­фективность системы охлаждения прн прочих равных условиях.

При проектировании системы охлаждения нового двигателя и наличии достаточно проверенного по тепловому режиму в заданных условиях эксплуатации прототипа, возможно путем несложных рас­четов определить необходимую площадь поверхности охлаждения проектируемого двигателя.

Пели известны удельная площадь F'₀ охлаждения прототипа, Мощность проектируемого двигатели, максимальней скорость мото­цикла и мотоцикла прототипа, то необходимая площадь поверхности

охлаждения

F_x — F'J\oK\KmN, cm¹,

где Кп — коэффициент отношения площадей внутренних нагре­ваемых поверхностей;

К, — коэффициент тактности;

К_а — отношение относительных коэффициентов теплопередачи.

_л S

При одинаковых величинах отношения ^ прототипа и проекти­руемого двигателя

«.-а.

а прн разных

„ _ d;+2D,S,, „ л,.

где Л, — 2 — для двухтактного двигателя;

Л, я I - для четырехтактного двигателя.

Определение относительных коэффициентов теплопередачи дли поверхностей охлаждения проектируемого двигатели и прототипа в зависимости от скорости мотоцикла и отношения длины ребер к их шагу производится по графику (рис. 162). Прн этом необходи­мым условием является аналогии конструкции и материалов голо­вок и цилиндров проектируемого двигателя и прототипа.

§ 80. ПРИНУДИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

На большинстве мотороллеров ввиду расположения двигателя под седлом в задней части мотороллера нримениется принудитель­ная система воздушного охлаждении.

Воздух, нагнетаемый вентилитором, продувается через межре­берные каналы цилиндра и головки. Для направления потока воз­духа цилиндр и готовка окружены кожухом. Обдув двигателя осу­ществляется при условии, что полное давление, создаваемое венти­лятором, выше, чем аэродинамическое сопротивление всей сети (воздушного тракта).

Исследование температурного режима двухтактных двигателей с принудительной системой охлаждения показали, что прн частич­ном открытии дросселя наблюдается переохлаждение двигателя. Поэтому, а также с целью уменьшении габаритов вентилятора и затраты мощности на его привод, в последних конструкциях мото­роллеров с двухтактными двнгателимн Сакс и на отечественном мо­тороллере М-175 готовка цилиндра охлаждается встречным пото­ком воздуха, а цилиндр обдуваетси воздухом, нагнетаемым венти­лятором. Прн оптимальном расположении готовки цилиндра по отношению к встречному потоку воздуха такая схема охлаждения за счет хорошей теплопередачи между головкой и цилиндром обес­печивает работу двигателя в требуемом температурном режиме как на полном дросселе, так прн частичном его открытии. SM

основные параметры двухтактных двигателей мотороллеров, мопедов и микроавтомобиля с принудительной системой охлаждения

Параметры	§ а	f е!	| Й: i=	>» si хс	5 Я н	«	3 е.	А Si 1*	С	с £ ь»
Рабочий объем даигате- ля в г*'	lis				1У»		«Л
Число цилиндров | 1 | 1 1 I 1 |	■	|
Диаметр цилиндрл а мм	ы	<•1.75	«.75		-	«	»		»	и.
Ход поршня в мм	«	»		57.»	»	«	41.8
Максимальная мощ­ность в л. е.	&з	7 3	9.1		м	11.0	5.2	4.2	и	18.7
Число оборотов двига­теля в минуту при мак­симальной мощности	U№	5VU			UOi	иол	7У»>	ООО	*<и	3*00
Степень сжатия (гео­метрическая)	6.7	«.7	6.7		м	и	9.0		9Л (6.35*)	6.7
Матерям цилиндра	Чугун	Алюми­ний"*	Чуп	Г»
Площадь поверхности охлаждения в ем головин		10П			№0	II»		№2	7W	357ч
цилиидра 1277С	згао			vai	ТПЛ		104*
а головки		37.3* ••	51.7* ••	31.3	w	МЛ	МЛ		Ж
аилии;: ра		62.7	45Д	68.7 О»	«л	61.5	«7
Удельная площадь п емЧл. е.	7»				SIJ			3»
Шаг ребер я мм: юлоакн	ЯЛ	Радиальные ребра	9.0	9Л		«Л	9А	8.0	-
пилиидра	8.0	9-5	М	Я/>	М	и	в.0	It
отношение максималь- «»й длины ребер к шагу головки		Радиальные ребра	4j0		ь»	4 Л	и		-
цилиидра	4Л	«	и	4*	3.75	и	3*	а*	и
Удельная проимоди- тельиость аеитилитор» а #Цл е. ч)		«0		45^	5М>	V."	1ш			ь7
				Центробежный				Осе- ной
* Действительная степень сжатия •• Цилиндр хромированный. ••• Головы охлаждается встречным потоком воадуха.

На двигателях мопедов с повышенной мощностью применяется принудительная система охлаждения.