Компоновочні схеми двигунів

Розмаїтість областей застосування двигунів внутрішнього згорання і, отже, вимог, запропонованих до їхньої конструкції, обумовлює складність побудови класифікаційної схеми двигунів по конструктивним ознакам.

Основною задачею при розробці класифікаційних схем є добір декількох загальних ознак, на базі яких може бути проведена побудова класифікацій. Для виявлення цих ознак варто проаналізувати вимоги, запропоновані до двигунів у залежності від їхнього призначення.

Простота конструкції двигуна визначається необхідністю, з одного боку, полегшення його виробництва й експлуатації, а з другого-збїльшення надійності.

Розміри двигуна і його маса залежать від загального компонування двигуна, конструктивних форм і розмірів остова. Тому доцільно за основу для класифікації двигунів вибрати насамперед геометричні ознаки, і зокрема розташування в просторі геометричних осей найголовніших його деталей.

Як правило, сучасні двигуни внутрішнього згорання мають механізми для перетворення зворотньо-поступального руху поршня в обертальний рух валу. До безвальних двигунів ставляться тільки вільнопоршневі генератори газу, дизель-компресори і дизель-молоти.

Один з основних чинників, що визначають конфігурацію двигуна - розташування і число робочих циліндрів. У двигунах із валом, але без кривошипно-шатунного механізму (із похилою або іншою шайбою) осі циліндрів розташовані паралельно осі вала.

Якщо осі трьох і більш циліндрів знаходяться в одній площині, яка перпендикулярна осі вала, то вони утворять так звану зірку. Комбінування окремих циліндрів роблять частіше усього уздовж колінчатого валу. Конструкцію, де зірки розташовані уздовж колінчатого валу, називають багаторядною зіркою. У багаторядних зіркоподібних двигунах осі циліндрів сусідніх зірок, зокрема при повітряному охолодженні, можуть бути провернуті на половину кута між циліндрами.

Форми конструкцій двигунів залежать від взаємного розташування деталей механізмів і допоміжних агрегатів. Загальне компонування може залежати, наприклад, від числа і розташування розподільних валів (верхнє або нижнє), від розташування агрегатів повітропостачання і т.д. Хоча ці чинники не є основними, проте їх варто враховувати при класифікації окремих вузлів, систем допоміжних агрегатів і пристроїв.

Однорядні двигуни характеризуються простотою конструкції і порівняно високою технологічністю виготовлення (рис. 0). Ці переваги, а також великий досвід побудови й експлуатації двигунів із вертикально розташованими циліндрами обумовлюють широке застосування подібних двигунів.

Головна перевага V-подібних двигунів перед однорядними цієї ж потужності - менші розміри й у першу чергу менша довжина, унаслідок чого збільшена жорсткість таких відповідальних деталей, як картера (блок-картера), кришки (головки) циліндрів і колінчатого валу. Найбільш часто застосовуваний кут між осями циліндрів 45-90 градусів.

Він визначається призначенням двигуна, вимогами до розмірів і порядком роботи циліндрів, розташованих в одному ряду. Там, де основна вимога - зменшення розмірів і в першу чергу висоти, цей кут може бути і більше 90 .

Аналогічні переваги мають двигуни з W-подібним розташованими циліндрами (рис. 1), але великого поширення вони не отримали, головним чином унаслідок складності конструкції шатунів, підшипників і інших вузлів і деталей. Проте останнім часом конструктори знову стали застосовувати цю схему.

У деяких випадках двигуни виконують із Х-подібним розташованими циліндрами (рис.2).

 Рис.1 Схеми двигунів з V- подібним і W-подібним розташуванням циліндрів.

У пристроях різноманітного призначення застосовують також двигуни з горизонтальними циліндрами (рис.3).

 Рис.3 Схема двигуна з горизонтальним розташуванням циліндрів.

 Для машин наземного транспорту невелика висота двигуна даного типу і зручність розміщення його в машині є в деяких випадках безсумнівними перевагами в порівнянні з двигунами, що мають вертикально або V -подібно розташовані циліндри.

У двигунах із зіркоподібними розташованими циліндрами (рис.4) простіше здійснювати повітряне охолодження, чим у двигунах із циліндрами, розташованими в ряд. Проте, як правило, шатуни і колінчаті вали зіркоподібних двигунів дуже навантажені і мають складну конструкцію. Останнє особливо характерно для двигунів із циліндрами, розташованими у виді багаторядної зірки (рис. 5), що мають менші розміри і масу при більшій потужності в порівнянні з іншими одновальними двигунами.

Особливістю конструкції циліндрів двигунів повітряного охолодження є наявність ребер, що збільшують поверхню, що охолоджується зовнішнім повітрям. Циліндри можуть сприймати газове навантаження, а також бути вільними від осьових розтягуючих зусиль. У першому випадку на верхній частині циліндра закріплюється головка, а за допомогою нижнього опорного фланця він установлюється на картері. В другому- дуже поширеному на практиці випадку, циліндр затискається між головкою і картером довгими силовими шпильками, що сприймають виникаючі при роботі двигуна осьові зусилля.

Важливе значення має створення достатньо рівномірного температурного поля стінок циліндра, що при повітряному охолодженні більш важко зробити, ніж при рідинному. Відзначені труднощі зростають у міру збільшення діаметра циліндра D, і при значеннях D > 140-150 мм їх складно перебороти. Циліндри тракторних дизелів повітряного охолодження, що мають відповідно постійну і змінну по довжині товщину стінки.

 Незважаючи на наявність із підвітряної сторони циліндрів дефлекторів, розподіл температур нерівномірний з максимумом у верхній області на підвітряній стороні. Для зменшення деформацій, пов'язаних із нерівномірним температурним полем, у ребрах роблять вирізи, у результаті чого силовий вплив ребер на стінку циліндра зменшується. Проте в усіх випадках варто йти до одержання можливо більш рівномірного і симетричного щодо осі циліндра температурного поля. Остання обставина є важливим і для зниження нерівномірності додаткових термічних зусиль в окремих силових шпильках, що досягається, за даними НАТИ, 30% зусилля попереднього затягування і роботи циліндрічно-поршневої групи, що впливає негативно на умови експлуатації. Монометаличні циліндри виготовляють литими із сірого чавуна або легких сплавів. Раніше застосовувалися також сталеві циліндри з ребрами, оброблюваними різанням. Вони відрізнялися складністю і високою вартістю виготовлення. Циліндри з легких сплавів використовуються на двигунах невеликої потужності. При цьому їхню внутрішню поверхню покривають прошарком кульгава товщиною 0,1-0,15 мм, що забезпечує необхідну зносостійкість робочої поверхні. На більш форсованих двигунах застосовують чавунні монометаличні циліндри. Біметаличні циліндри виконують чавунними або сталевими з окремо виготовленими з високотеплопровідного матеріалу ребрами, що кріпляться на циліндрі.

Різновидом біметаличного циліндра є конструкція, у якій чавунна втулка залитий виконаний з алюмінієвого сплаву циліндр з ребрами. Така конструкція відрізняється більш інтенсивним тепловідводом від робочої поверхні втулки в порівнянні із конструкцією, у якій сталева або чавунна втулка запресований в циліндр з ребрами.

Застосовуються також біметалічні моноциліндри, у яких циліндр виконується разом із головкою. При виготовленні біметалічних литих циліндрів варто йти до зменшення розходження в коефіцієнтах лінійного розширення використовуваних матеріалів для запобігання розшарування що з'єднуються елементів. Циліндри центрують у росточках корпусу і кріплять до нього шпильками, число яких залежить від прийнятої силової схеми. При використанні довгих шпильок їхнє число вибирають із розрахунку 3-4 шпильки на циліндр.

Блоки циліндрів відливають із сірих чавунів (СЧ–20, СЧ–25, СЧ–30), модифікованих чавунів і алюмінієвих сплавів (АЛ5, АЛ9). Застосовують і зварні конструкції блоків, виготовлені з низьковуглецевих сталей СТ3, СТ20, що добре зварюються і мають низьку вартість. У випадку зварнолитої конструкції литі елементи виконують із сталей типу 20Л.

Для втулок використовують сірі чавуни, наприклад СЧ–30, СЧ–35, леговані хромом, нікелем, молібденом, що мають перлітну структуру з достатньою кількістю графіту у вигляді пересічних пластин. Легування чавуну підвищує його міцностні властивості, зносостійкість і жаростійкість. Застосування пористого хромування дозволяє одержати значну поверхневу твердість і зменшити знос чавунних втулок (у 2,5-4,5 разу в залежності від виду палива).

Матеріал втулок повинен забезпечувати поряд із зносостійкістю високу щільність, обумовлену гідравлічним випробуванням втулок при тиску води, що перевищує робочий тиск газів. У форсованих двигунах застосовують втулки з легованих високоміцних чавунів з поверхнею, що має підвищені міцностні характеристики. У цьому випадку особливу увагу звертають на поліпшення антифрикційних властивостей робочих поверхонь поршнів і кілець.

Циліндр разом із головкою кріпиться до картера чотирьом шпильками. Циліндри центровані по росточці у верхній плиті картера, для чого оброблена їхня зовнішня поверхня нижче опорного фланця. Ущільнення стику фланця циліндра з картером досягається за допомогою тонкої прокладки. Стик між головкою і циліндром ущільнений без прокладки завдяки високій точності і відповідному опрацюванні контактних поверхонь фланця циліндра і головки.

Головка циліндра відлита з алюмінієвого сплаву, твердість якого значно менша твердості чавунного циліндра. Тому при складанні можливі невеликі пластичні деформації матеріалу головки, що компенсують неточність виготовлення поверхонь стику. У головці циліндра розташовані впускний і випускний клапани і форсунка. У головку запресовані чавунні сідла для клапанів, тому що твердість матеріалу головки невелика. Охолодження двигуна здійснюється повітрям, що нагнітається в міжреберні канали. Повітря подається осьовим вентилятором під розподільний кожух, звідки він по каналах між ребрами циліндра і головки виходить в атмосферу. При такій схемі циркуляції повітря зменшуються розміри вентилятора, оскільки в нього надходить нагріте повітря, і рідше засмічуються міжреберні канали (на вході у вентилятор установлена сітка).

Для кращого використання повітря і забезпечення рівномірного охолодження циліндрів головок застосовують дефлектори. Ребра на циліндрі мають різну висоту - із боку входу холодного повітря вони нижче. У подовжній площині ребра циліндра виконані невисокими для зменшення довжини двигуна.