Розрахунок оребрення циліндрів двигуна повітряного охолодження

Швидкість охолодженого повітря в міжреберному просторі приймають у середньому w = 20 – 50 м/с.

Кількість тепла, яку необхідно відвести від оребреної поверхні, складає 17 - 23% від загальної кількості тепла, яка введена у двигун.

Питома витрата повітря для охолодження, м³/(кВт×ч):

- дизельного двигуна – 54 – 75;

- карбюраторного двигуна – 68 – 95.

Звичайно рахують, що від голівки циліндра виділяється 60 - 70% тепла, а від циліндра – 30 - 40%. Тому обчислюють поверхні охолодження окремо для голівки і циліндра:

F_гол = Q_гол/[a_гол (t_гол - t_воз)];

F_цил = Q_цил/[a_цил (t_цил - t_воз)],

де a - коефіцієнт тепловіддачі;

Q_гол, Q_цил - кількість що відводиться теплоти від голівки і циліндра;

t_гол, t_цил, t_воз - температура голівки, циліндра і повітря.

Рекомендовані параметри оребрення:

середня висота ребра, мм: чавунного 30 – 50;

алюмінієвого 35 - 70.

відстань між ребрами, мм: чавунними 2,5 - 3,0;

алюмінієвими – 3 – 4.

Товщина чавунних ребер 2 - 4 мм, алюмінієвих 1,5 - 2,5мм.

Витрата охолодного повітря

V_воз = Q_охл/(r_воз×с_воз×dt_воз),

де dt_воз = 25 - 50°С.

Напір, що створює вентилятор, у повітряних системах охолодження повинен складати 1000 – 2000 Па.

ТЕМА 30 СИСТЕМИ ВПУСКУ Й ВИПУСКУ

Загальні вимоги

Системи впуску і випуску служать для підведення свіжого заряду (повітря, пальної суміші) до циліндрів двигуна і відводу з них відпрацювавших газів. У двигунах із зовнішнім сумішоутворенням у впускній системі відбувається також сумішоутворення, тому що процес випару рідкого палива і змішання пального газу з повітрям не встигає завершитися в карбюраторі - газозмешувачі.

Загальними вимогами, пропонованими до систем впуску й випуску, є по можливості малий опір цих систем. Це необхідно для зменшення насосних утрат і збільшення наповнення циліндрів, а також більш повного використання енергії випускних газів у газовій турбіні. Зниження швидкості газів у системах шляхом збільшення прохідних перетинів, не завжди можливо, тому що збільшуються габаритні розміри й маса двигуна. Крім того, із зниженням швидкості повітря зменшується його турбулізація, що приводить до погіршення сумішоутворення.

Зменшення швидкості руху випускних газів у двигунах з турбонаддувом приводить до зменшення кінетичної енергії газів і погіршенню використання їхньої енергії.

При проектуванні систем впуску й випуску необхідно враховувати спосіб сумішоутворення, а також використання енергії випускних газів. Зменшення опорів при високій швидкості газового потоку досягається виконанням плавних обрисів каналів, безрізких змін напрямку потоку й площі прохідного перетину.

Для рівномірного розподілу свіжого заряду по циліндрах впускні трубопроводи виконують симетричними, причому в сучасних багатоцілінрових карбюраторних двигунах використовують багатокамерні карбюратори, кожна камера яких обслуговує групу циліндрів. Для поліпшення випару палива впускну систему обігрівають водою, що виходить із системи охолодження двигуна. У карбюраторних двигунах деяких типів впускний трубопровід підігрівають відробившими газами.

У двигунах із внутрішнім сумішоутворенням, а також у газових двигунах, підігрів свіжого заряду не потрібен, тому що він приводить до зменшення наповнення. Підігрів усмоктуваного повітря в дизелях бажаний тільки для полегшення пуску при низькій температурі навколишнього повітря. З цією метою у впускній системі передбачаються спеціальні підігрівачі, що включаються в період підготовки до пуску. У двигунах з наддувом у систему впуску входять компресори й холодильники наддувального повітря, а в системи випуску - газові турбіни. Для очищення повітря від пилу встановлюють повітряні фільтри, які поєднують із глушителями шуму впуску. Випускні системи можуть мати нейтралізатори відробивших газів, глушителі шуму й фільтри для очищення газів від твердих часток сажі.

Повітряні фільтри

Пил, що попадає у двигун, значно збільшує знос його тертьових поверхонь. По дослідницьким даним, 30-40 г пилу, що потрапила в двигун, цілком виводить з ладу поршневу групу внаслідок зносу.

Основна кількість пилу в двигун проникає разом з повітрям, у якому її зміст залежить від умов роботи двигуна. Наприклад, кількість пилу в повітрі при русi автомобіля в місті чи за містом по шосе з удосконаленим покриттям може коливатися в межах 0,00025—0,001 г/м³, при русi по ґрунтових дорогах - у межах 0,01—0,02 г/м³.

Значно більший зміст пилу в повітрі спостерігається при роботі тракторного двигуна. Так, при переорюванні пари в суху погоду кількість пилу в повітрі досягає 0,3-0,5 г/м³.

Для очищення повітря від пилу на двигунах установлюють повітряні фільтри. Вони поділяються на інерційні, фільтруючі і комбіновані. Будь-який повітряний фільтр повинний ефективно очищати повітря від пилу, володіти малим гідравлічним опором і необхідною пилеємністю, бути надійним у роботі і зручним для обслуговування, мати компактну і технологічну конструкцію.

Інерційні й фільтруючі повітряні фільтри називаються сухими, якщо їхні поверхні не змочуються маслом, і мокрими, якщо вони змочуються маслом. Комбіновані повітряні фільтри можуть бути сухими (суха інерційна і суха фільтруюча поверхня), мокрими (мокра інерційна і мокра фільтруюча поверхня) чи змішаними (суха інерційна й мокра фільтруюча поверхня).

Якість роботи повітряного фільтра оцінюють коефіцієнтом очищення К, який чисельно рівен відношенню маси пилу G₂, що затриманий очисником, до маси всього пилу G₁, що надійшов в нього:

К = G₂/G₁.

У сучасних комбінованих повітряних фільтрів цей коефіцієнт досягає 0,97 - 0,99. Найменший коефіцієнт очищення мають одноступінчаті сухі інерційні повітряні фільтри, що не затримують дрібних часток пилу.

Ефективність повітряних фільтрів оцінюється також коефіцієнтом пропускання

К_П = 1 - G₂/G₁ = 1 - К,

умови визначення якого регламентовані ГОСТ 8002-62. Коефіцієнт пропущення сучасних повітряних фільтрів складає близько 0.01. Установлено, що абразивний знос тертьових деталей при К_П<0.01 дуже незначно відрізняється від зносу цих деталей у безабразивному середовищі.

Для оцінки досконалості конструкції повітряних фільтрів використовують також інші характеристики: гідравлічний опір повітряного фільтра, час роботи фільтра до технічного обслуговування t чи пилеємність.

Повітряний фільтр (повітряочистник) створює опір руху повітря у впускному трубопроводі двигуна. Характеристикою гідравлічного опору повітряного фільтра є різниця тисків Dр до повітряного фільтра (атмосферний тиск) і після нього. Значення Dр залежить від типу повітряного фільтра й кількості ступенів очищення повітря.

Підвищення гідравлічного опору впускного трубопроводу приводить до зменшення коефіцієнта наповнення циліндра двигуна і, отже, до падіння потужності й підвищенню витрати палива. Експериментальними дослідженнями встановлено, що погіршення показників роботи двигуна відбувається відносно повільно (майже лінійно) при збільшенні гідравлічного опору повітряного фільтра до деякого значення Dp_пр (цю величину називають припустимим гідравлічним опором). Потім показники різко погіршуються. Значення Dp_пр вибирають у залежності від типу двигуна й ступеня його форсування. Галузевими стандартами чи нормалями передбачається обмеження як початкового гідравлічного опору, так і припустимого.

Припустимий гідравлічний опір повітряних фільтрів автомобільних двигунів (у кПа):

Бензинових... 5,0

Дизелів..... 3,5-4

Дизелів із турбонаддувом.... 4,5-5

Для тракторних дизелів припустимий опір не повинний перевищувати 7 кПа.

Значення припустимого гідравлічного опору визначає час роботи повітряного фільтра до технічного обслуговування чи його пилеємність. Час роботи фільтра виражається в годинах, а пилеємність - у кілограмах затриманого пилу до досягнення припустимого опору. Для автомобільних двигунів період між технічними обслуговуваннями повітряних фільтрів визначають у кілометрах пробігу автомобіля. Пилеємність фільтра залежить від його типу, конструктивних параметрів.

Технічне обслуговування фільтрів полягає в зміні масла й промиванні мокрих фільтруючих елементів інерційно-масляних повітряних фільтрів, у продувці сухого фільтруючого елемента стисненим повітрям у напрямку, протилежному руху повітря при його роботі (якщо сухий елемент вологостійкий, то його промивають водою). Картонні елементи одноступінчатих повітряних фільтрів, як правило, заміняють новими. Гідравлічний опір фільтра при повторному використанні сухого фільтруючого елемента вище початкового, тому період до наступного технічного обслуговування скорочується.

За ГОСТ 12627-80 для знов проектуємих тракторних і комбайнових дизелів застосування повітряочищувачів із масляною ванною не допускається.

Основними взаємозалежними характеристиками повітряних фільтрів є пилеємність і ступінь очищення, правильний вибір яких обумовлює надійність і довговічність двигуна, а також зниження витрат на його обслуговування. При недостатньому ступені очищення відбувається передчасне зношування двигуна, а при її збільшенні знижується пилеємність і скорочується тривалість інтервалів між черговими обслуговуваннями, що підвищує вартість експлуатації.

В даний час в якості фільтруючого матеріалу широко використовується картон. Його застосування обумовлене прагненням до підвищення моторесурса двигунів, що при зростаючому форсуванні двигунів може бути досягнуто тільки при практично повному запобіганні влучення в нього пилу, і до скорочення періодичності і трудомісткості технічного обслуговування повітряних фільтрів.

Фільтрувальний картон повинен мати мінімальний опір руху повітря, рівномірну пористість, гідростійкість, достатній опір на розрив, твердість, для задоволення останніх вимог картон піддають гофрируванню і поперечному тисненню. Кільцева гофрована секція з перфорованими обечайками, розташованими по зовнішньому і внутрішньому діаметрах, із торців заливається епоксідним компаундом, спеціальними смолами, пластмасою. Остання забезпечує ущільнення без додаткових прокладок. Крок між гофрами вибирається на основі експериментальних даних з умови забезпечення максимальної пилеємності.

Найбільш розповсюдженим є картон типу ПКВ, що виготовляють на основі бавовни з використанням вінола. Картон має волокнисту структуру з криволінійними каналами (порами), по яких рухається повітря. Осадження часток пилу відбувається при їхньому зачепленні з волокнами картону. Великі частки осаджуються на поверхні картону, а дрібні частки - на внутрішніх волокнах. Сили інерції великих часток більше, ніж дрібних, тому в зовнішніх волокнах осаджуються великі частки, а у внутрішніх - дрібні.

На поверхні фільтруючого елемента утвориться зв'язаний шар пилу, що також має фільтруючі властивості. Причому в цьому шарі з часом розмір пір стає менше, ніж розміри пір у картоні, тому ефективність уловлювання пилу поліпшується (коефіцієнт пропущення зменшується), однак при цьому збільшується опір фільтра, що зростає також при звуженні пір внаслідок осадження на їхній поверхні часток пилу. У той же час такі атмосферні забруднення, як дим, продукти неповного згоряння, кіптява, не утворять на поверхні елемента пористого утворення і знижують його пилеємність. Погіршує фільтрувальні властивості картону присутність у повітрі краплинної вологи.

В даний час проводиться робота із застосування нетканих, на основі лавсанових волокон, фільтрувальних матеріалів. Ці матеріали рівнопрочні в сухому й вологому повітрі, температуростійкі, гидрофобні, стійки до агресивних середовищ, мікроорганізмів і бактерій. Однак пилеємність нетканих матеріалів у порівнянні з картоном нижче.

У даний час немає методів теоретичного визначення характеристик повітряних фільтрів, тому що задача про просторовий плин пилеповітряної суміші є складною як у теоретичному, так і в обчислювальному плані. Існуючі розрахункові методи значною мірою ґрунтуються на експериментальних даних і внаслідок ідеалізації фізичних процесів дають результати, придатні для якісної оцінки. Однак вони завжди вимагають експериментального уточнення.

При розрахунку повітряного фільтра з елементом з картону використовують питоме повітряне навантаження [у м³/(год×м²)]

q = Q/F,

де Q - витрата повітря через двигун, м³/год;

F - площа робочої поверхні картону, м².

Іноді використовують іншу величину - швидкість фільтрації (у м/с)

w_Ф = Q/F.

Зі збільшенням питомого повітряного навантаження зменшуються габарити повітряного фільтра і його пилеємність. Тому значення q вибирають з урахуванням типу двигуна і необхідних норм технічного обслуговування повітряного фільтра. Для двигунів легкових автомобілів приймають q=250 - 400 м³/(год×м²); вантажних автомобілів q = 100 – 200 м³/(год×м²); тракторних q = 80 - 100 м³/(год×м²).

Розглянемо розрахунок елемента типу «багатопроменева зірка» з картону. Для даної номінальної витрати повітря, задаючись питомим повітряним навантаженням, можна визначити

F = Q/q.

Ширина сторони гофра фільтрувального елемента визначається за експериментальною формулою b» 0,02F^1/2.

Найкращі з погляду пилеємностні значення кроку t між складками лежать в інтервалі 5-8 мм. Число гофрів дорівнює n = F/(2b).

Задаючись з умов компонування повітряного фільтра на двигуні відношенням діаметра D елемента до його висоти Н (звичайно D/H = 0,5 - 5), з рівняння F₁ = pDH = Ft/(2b) знаходять величину D і Н, які округляють. Далі уточнюють значення кроку t.

Площі прохідних перетинів повітряних фільтрів з елементами з картону визначають за умови забезпечення швидкостей плину повітря на вході в повітряний фільтр 8-10 м/с, на виході 30-35 м/с.

Повітряні фільтри з фільтруючим елементом, що змочується періодично, доцільно застосовувати на двигунах, що працюють в умовах малої запиленності повітря. Їхнім великим недоліком є значне зменшення коефіцієнта очищення при випарі чи віднесенні масла з фільтруючого елемента. Повітряні фільтри з масляною ванною більш ефективні. Фільтруючий елемент у них безупинно промивається маслом з ванни, у нижній частині якої збирається пил. Однак подібні фільтри можуть працювати тільки у вертикальному положенні з невеликим нахилом.

У двигунах із наддувом варто застосовувати сухі повітряні фільтри. Це обумовлюється тим, що при забрудненні мокрих фільтруючих елементів масло виноситься в компресор і його проточну частину та закоксовує їх.

Надходження повітря у двигун супроводжується шумом, тому двигуни обладнаються глушителями шуму, що конструктивно доцільно поєднувати з повітряними фільтрами. Глушіння шуму високих тонів відбувається в набиванні фільтруючого елемента, а також у спеціальних пристроях з набиванням із вати, повсті і т.п. Шум низьких тонів поглинається в одній чи декількох камерах.

До повітряного фільтра часто приєднують патрубок системи вентиляції картера. Картерні гази в повітряний фільтр можна підводити як до фільтруючого елемента, так і після нього. В останньому випадку для зменшення шкідливого впливу крапельок масла на роботу двигуна в конструкцію вентиляційної системи варто вводити масловідвідник чи спеціальний фільтр.

Площі прохідного перетину вихідного патрубка повітряного фільтра і прохідного перетину повітряного патрубка карбюратора повинні бути однакові. У повітряних фільтрів двигунів з обмеженими розмірами по висоті збільшують ширину корпуса, максимально зменшивши його висоту. Це, наприклад, яскраво виражено в конструкції повітряних фільтрів двигунів легкових автомобілів. Повітряні фільтри тракторних і стаціонарних двигунів роблять циліндричними збільшеної висоти.

За збільшенням опору повітряних фільтрів зменшується коефіцієнт наповнення циліндрів, отже, погіршуються економічні показники роботи двигуна. Так, при підвищенні опору повітряного фільтра на 1000 Па потужність карбюраторного двигуна зменшується приблизно на 1,3%.