Теория двигателя внутреннего сгорания

Сообщение

Блок цилиндров

: Блок цилиндров; Screenshot_9.jpg (246.32 КБ) 4545 просмотров

Типы и конструкция
Блок цилиндров — это основная деталь двигателя. Изготавливается из чугуна (для дизель¬ных двигателей) или алюминиевых сплавов. Он состоит из цилиндров, в которых переме¬щаются поршни, рубашки охлаждения для поддержания требуемой температуры цилиндров и картера, в котором устанавливается коленчатый вал. Блок цилиндров представляет собой направляющие для возвратно-поступательного движения поршней. Он также принимает на себя образующуюся в результате сгорания смеси силу и температуру, охлаждает цилиндры и является опорой для коленчатого вала. Блок цилиндров должен быть очень прочным, поэтому для дизельных двигателей его чаще всего отливают из чугуна — материала, отличающего повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью и способностью выдерживать высокие значения крутящего момента.
В последнее время блоки цилиндров бензиновых двигателей изготавливаются из алюми-ниевого сплава. Благодаря небольшой массе, лучшей, чем у стали, теплопроводности алюминий является оптимальным металлом для блоков цилиндров бензиновых двигателей. Для большей прочности блок цилиндров имеет каркасную конструкцию.

Номер двигателя
Идентификационный номер двигателя выбивается на плоском участке в правой задней части блока цилиндров.

Гильза цилиндра
Движущиеся поршни соприкасаются со стенками или гильзами цилиндров. Поэтому они должны смазываться моторным маслом. К гильзам предъявляются жесткие требования по таким показателям, как износостойкость и стойкость к воздействию высоких температур. Если блок цилиндров изготовлен из чугуна, гильзы представляют собой отполированные стенки цилиндров. Если блок цилиндров отлит из алюминиевого сплава, то для предотвращения износа стенок цилиндров в них вставляются изготовленные из чугуна гильзы. Однако иногда встречаются блоки цилиндров из алюминиевого сплава без гильз. Безгильзовые блоки цилиндров дороги в производстве, однако отличаются меньшей массой и компактностью, поэтому они применяются в основном в двигателях с высокими динамическими характеристиками. В двигателях KIA не используются мокрые гильзы.

Водяная рубашка
В блоке цилиндров, вокруг гильз цилиндров, имеются каналы, которые называются водяной рубашкой. Циркулирующая в ней охлаждающая жидкость отводит от цилиндров тепло, образующееся в процессе сгорания топливовоздушной смеси, что позволяет поддерживать температуру двигателя на определенном уровне. Водяные рубашки могут быть двух типов: раздельные и цельные. На последние модели устанавливаются двигатели, имеющие водяную рубашку не только в блоке цилиндров, но и во впускном коллекторе.

Картер
Навесное оборудование двигателя — генератор, компрессор кондиционера, кронштейны опор двигателя, насос гидроусилителя — крепится к картеру двигателя. Картер — это часть блока цилиндра, которая может быть выполнена с ним заодно или крепится к нему болтами. Материал картера должен выдерживать нагрузки, вызываемые крутящим моментом двигателя и вибрацией. Небольшие размеры картера с укороченной юбкой снижают общую массу блока цилиндров. Однако по сравнению с картером с удлиненной юбкой он имеет меньшую прочность соединения с блоком, так как площадь соединения небольшая. Кроме того, площадь такого картера для крепления навесного оборудования также невелика.
К нижней части картера крепится масляный поддон, служащий резервуаром для масла. Поддон также отводит от блока цилиндров часть тепла. Масляный поддон картера стальной, штампованный, крепится к блоку через уплотнительную прокладку, как и крышка головки цилиндров. Виброизоляционная стальная пластина представляет собой две стальные пластины со слоем резины между ними.

Сообщение

Поршень и шатун

: Поршень и шатун; Screenshot_10.jpg (245.34 КБ) 4543 просмотра

Поршень предназначен для:

• передачи давления сгорания через поршневой палец и шатун коленчатому валу;

• герметизации камеры сгорания со стороны картера;

• передачи тепла стенкам цилиндров.

Поршень состоит из днища, огневого пояса, канавок для колец, бобышек и юбки. Поршень должен выдерживать высокое давление и температуру, например, на поршень дизельного двигателя действует давление 200 кгс/см2 и температура 2000C. Конструкция поршня зависит от конструкции камеры сгорания, а качество сгорания топливовоздушной смеси, в свою очередь, зависит от конструкции поршня. Часть поршня между днищем и канавкой под первое поршневое кольцо называется гребнем, который предназначен для предохранения этого поршневого кольца от перегрева. Канавки вместе с поршневыми кольцами герметизируют камеру сгорания со стороны картера. Поршневой палец вставляется в бобышки поршня.
Юбка поршня предназначена для:

• направления движения поршня в цилиндре;

• передачи стенке цилиндра боковых сил;

• распределению масляной пленки по стенке цилиндра;

• передачи тепла от поршня стенке цилиндра и маслу.

К поршню предъявляются следующие требования:

• небольшая масса, необходимая для снижения сил инерции возвратно-поступательного движения поршня;

• стойкость к воздействию высокого давления и температуры.

Это достигается за счет изготовления поршней из легких сплавов и кремния. Поршни могут быть коваными и отлитыми из алюминиевого сплава, прошедшего термическую обработку. Сгорание смеси сопровождается повышением температуры до очень высоких значений, вследствие чего днище поршня расширяется. Стальные вставки в виде кольца или отливки предотвращают чрезмерное расширение поршня. Стенка поршня по оси поршневого пальца толще, чем по оси опоры. Следовательно, больше всего поршень расширяется по оси поршневого пальца. Для компенсации такого неравномерного расширения поршни делаются овальными, т. е. ширина по оси поршневого пальца меньше.

Шатун и поршневой палец
В большинстве случаев шатуны изготавливаются из стали. Оба конца поршня закреплены шарнирно. Это необходимо для того, чтобы при движении поршня вверх и вниз он менял угол по отношению к шатуну и вращался вокруг коленчатого вала. Обычно поршневой палец запрессовывается в верхнюю головку шатуна и свободно вращается в бобышках поршня. Нижняя головка шатуна соединена с шатунной шейкой коленчатого вала через вкладыши подшипника, к нижней головке шатуна крепится болтами крышка шатунного подшипника. Во вкладыше шатунного подшипника и нижней головке шатуна имеются отверстие и канал, по которым подается масло под давлением для смазки стенки цилиндра, поршня и поршневых колец.

Сообщение

Поршневые кольца

: Поршневые кольца; Screenshot_11.jpg (247.03 КБ) 4499 просмотров

Поршневое кольцо представляет собой разрезное кольцо, вставляемое в канавку на наружной стороне поршня.
В двигателях внутреннего сгорания поршневые кольца необходимы для:

• герметизации камеры сгорания;

• отвода тепла от поршня к стенке цилиндра;

• ограничения расхода масла.

Большинство поршней автомобильных двигателей имеют по три кольца: два компрессион-ных и одно маслосъемное. В поперечном сечении компрессионные кольца обычно имеют прямоугольную, коническую или трапециевидную форму. Обычные непружинные маслосъемные кольца бывают скребкового и трапециевидного скребкового типа.
Пружинные маслосъемные кольца составные: из двух или трех элементов с пружинным расширителем. Поршневые кольца постепенно изнашиваются, так как при движении поршня они соприкасаются со стенками цилиндров. Для снижения износа кольца изготавливаются из очень прочного материала, обычно из чугуна. Нижнее маслосъемное кольцо оставляет на стенке цилиндра слой масла толщиной в несколько микрон. При установке новых колец необходимо внимательно следить за зазором в их замках. Замком называется разрез кольца, необходимый для установки колец на поршень и снятия с него. После установки колец на поршень и установки поршня в цилиндр с помощью приспо-собления сжатия для поршневых колец следует измерить зазор в замке набором щупов. Значение зазора должно находиться в пределах допуска. При уменьшенном зазоре поршневого кольца не останется места для расширения, и это может стать причиной заклинивания поршня в цилиндре. Увеличенный зазор может указывать на чрезмерный износ зеркала цилиндра и приводить к прорыву газов в картер.

Сообщение

Коленчатый вал

: Коленчатый вал; Screenshot_12.jpg (260.34 КБ) 4498 просмотров

Типы и конструкция
Коленчатый вал двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение. В этом участвуют:

• поршень с поршневыми кольцами и поршневым пальцем;

• шатун;

• коленчатый вал;

• маховик.

Поршни перемещаются вверх и вниз между верхней и нижней мертвыми точками. Поршень соединен с коленчатым валом через поршневой палец и шатун. Таким образом, шатуны не только перемещаются вверх и вниз, но и вращаются. Вращательное движение коленчатого вала передается навесному оборудованию, например маховику, масляному насосу, насосу охлаждающей жидкости и т. п. Кроме того, от коленчатого вала могут приводиться уравновешивающие валы, снижающие вибрацию.
Конструкция коленчатого вала зависит от:

• числа цилиндров;

• расположения цилиндров (в ряд, V-образно или оппозитно);

• начального угла опережения зажигания;

• числа опор коленчатого вала;

• силы сгорания.

Коленчатые валы динамически отбалансированы за счет отверстий в шейках и противовесов, компенсирующих массу шатунных шеек.

Коренные подшипники коленчатого вала
Подшипники обеспечивают плавное вращение коленчатого вала в постелях. Для колен-чатого вала двигателя обычно используются подшипники скольжения, которые имеют большую площадь контакта, а следовательно, могут выдержать гораздо большие силы, чем подшипники качения. Коленчатые валы современных рядных, 4-цилиндровых двигателей пятиопорные, старых двигателей — трехопорные. Длина коленчатых валов V-образных двигателей меньше, поэтому им требуется меньшее количество опор. Подшипники и шейки коленчатого вала смазываются маслом. Это необходимо для того, чтобы при любых нагрузках двигателя избежать непосредственного соприкосновения подшипников и шеек. Масло подается через отверстия в коленчатом валу и подшипниках. Толщина масляной пленки зависит от нагрузки и температуры двигателя. Если толщина пленки мала, то под воздействием теплоты трения она может выгореть, что приводит к заклиниванию колен¬чатого вала. Если же толщина пленки слишком велика, двигатель может вибрировать и издавать повышенный шум.

Сообщение

Маховик и уравновешивающий вал

: Маховик и уравновешивающий вал; Screenshot_13.jpg (266.13 КБ) 4497 просмотров

Маховик
Маховик крепится к коленчатому валу, обеспечивает его плавное вращение и уменьшает неравномерность вращающей силы. Поскольку процесс сгорания происходит только один раз за два оборота коленчатого вала, инерция маховика необходима для тактов впуска, сжатия и выпуска. При отсутствии маховика вращающая сила коленчатого вала на этих тактах будет меньше, что приведет к остановке двигателя при низкой частоте вращения коленчатого вала, например на холостом ходу. В автомобилях с механической коробкой передач ведомый диск сцепления прилегает к плоской стороне маховика, что обеспечивает передачу крутящего момента на коробку передач.

Двухмассовый маховик
Двухмассовый маховик предназначен для поглощения вибраций двигателя для предотвра-щения их передачи в коробку передач и, следовательно, дребезжания шестерен. Двухмас-совый маховик состоит из двух частей: основная часть (1), которая крепится болтами к фланцу коленчатого вала, вторичная часть (2), к которой болтами крепится ведомый диск сцепления, и зубчатый венец (5) привода стартера. В основной части имеются пружины (3), поглощающие вибрацию, и ограничитель крутящего момента (4), не допускающие передачу пиков крутящего момента двигателя, превосходящих предел прочности деталей двигателя и трансмиссии. Когда значение крутящего момента превышает определенный предел, ограничитель позволяет двум частям маховика вращаться независимо друг от друга, предотвращая тем самым повреждение привода ведущих колес и коробки передач.

Уравновешивающий вал
В результате возвратно-поступательного и вращательного движения поршней, шатунов и коленчатого вала образуется сила инерции. Для уменьшения или даже устранения данной силы параллельно коленчатому валу устанавливаются один или два уравнове-шивающих вала. На графике изображено изменение силы инерции (вертикальная ось) при различных углах поворота коленчатого вала (горизонтальная ось). Когда сила инерции первого и четвертого цилиндров имеет максимальное значение, сила инерции второго и третьего цилиндров мала. Исходя из этого, можно сделать вывод, что малая и большая силы инерции образуются два раза за один оборот коленчатого вала. Для снижения вибрации используется уравновешивающий вал, имеющий в сечении форму полукруга и вращающийся в противоположном направлении в два раза быстрее коленчатого вала. Таким образом, образуемая уравновешивающим валом сила инерции снижает или даже полностью устраняет вибрацию двигателя.

Сообщение

Прокладки и сальники

: Прокладки и сальники; Screenshot_14.jpg (293.47 КБ) 4496 просмотров

Прокладки — это уплотнительный материал, зажимаемый между двумя сопрягаемыми деталями и предотвращающий утечку через это соединение жидкостей и газов. Большинство прокладок можно использовать только один раз. Они изготавливаются из мягкого материала, такого как пробка, резина, нитрил, бумага, жаростойкие материалы или графит, или мягких сплавов и металлов, например латуни, меди, алюминия или мягкой листовой стали. Эти материалы могут использоваться по отдельности или в сочетании с другими материалами для получения требуемого уплотнения. Выбор материала и конструкции прокладки зависит от материала, из которого изготовлены сопрягаемые детали, и их фор-мы, а также от давления и температуры. Прокладка головки цилиндров уплотняет стык головки и блока цилиндров и предотвращает утечку давления из камер сгорания. К про-кладкам головок цилиндров современных двигателей предъявляются такие требования, как стойкость к воздействию высоких температур и детонации. Такие прокладки называют анизотропными. Их конструкция обеспечивает быстрый отвод тепла от двигателя к охлаждающей жидкости. Основой прокладок служит стальной каркас, который с двух сторон покрыт специальным материалом, обеспечивающим необходимую степень уплотнения при различных значениях крутящего момента двигателя. Кроме того, в конструкцию некоторых прокладок входят жаропрочные кольца из нержавеющей стали, уплотняющие камеры сгорания, предотвращая утечку тепла и давления. На обе стороны многих прокладок также наносится специальное покрытие на основе силикона для дополнительного уплотнения при запуске и прогреве двигателя в холодную погоду. Прокладка головки цилиндров уплотняет также масляные каналы и направляет поток охлаждающей жидкости между блоком цилиндров и головкой блока. Для предотвращения утечек и коррозии прокладки имеют буртики и кольца.

Некоторые материалы могут разбухать, улучшая тем самым уплотнение. Например, если масло под крышкой головки цилиндров попадает на край прокладки, она увеличивается в размерах примерно на 30%, что повышает усилие герметизации между головкой цилиндров и крышкой и позволяет избежать утечек. Вращающие детали прокладками не уплотняются — в этом случае они износились бы очень быстро. Для герметизации таких деталей применяются сальники. Наиболее распространены кромочные сальники, представляющие собой резиновые кольца, которые прижимаются к уплотняемому валу цилиндрической винтовой пружиной, называемой пружинными кольцом. По такому же принципу сконструирован сальник, уплотняющий стержень клапана, чтобы масло не попало в камеру сгорания. Вращающиеся или скользящие валы допускается также уплотнять кольцевыми уплотнениями, однако они не отличаются такой долговечностью, как сальники. Современные сальники изготавливаются из различных материалов. Некоторые из них дополнительно пропитываются специальными веществами, повышающими их уплотняющие способности на валах, подверженных износу. При капитальном ремонте узлов и механизмов сальники заменяют новыми.

Сообщение

Головка цилиндров

: Головка цилиндров; Screenshot_15.jpg (292.5 КБ) 4495 просмотров

Типы и конструкция
Головка цилиндров крепится болтами к верхней части блока цилиндров. Ее внутренняя поверхность образует верхнюю часть камеры сгорания. В рядных двигателях для всех цилиндров используется одна головка. В V образных и оппозитных двигателях каждый ряд цилиндров имеет отдельную головку. Как и блоки цилиндров, головки изготавливаются из чугуна или алюминиевого сплава. Алюминиевый сплав предпочтительнее, так как в этом случае головка цилиндров получается более легкой. Кроме того, алюминий обладает большей теплопроводностью, чем чугун. Большинство деталей камеры сгорания — клапаны, свечи зажигания и форсунки — располагаются в головке цилиндров. В ней также делаются каналы для прохода топливовоздушной смеси из впускного коллектора к впускным клапанам и отработавших газов от выпускных клапанов к выпускному коллектору, а также каналы для охлаждающей жидкости между головкой и блоком цилиндров. Внутренняя поверхность головки цилиндров, т. е. верхняя часть камеры сгорания, сконструирована таким образом, чтобы улучшить завихрение топливовоздушной смеси и предотвратить оседание части топлива на поверхностях камер сгорания или стенках цилиндров. На такте сжатия между поршнем и головкой цилиндров образуются так называемые «зоны завихрения», улучшающие перемешивание топливовоздушной смеси.

На бензиновых двигателях чаще всего можно встретить камеры сгорания трех форм:

• полусферической;

• овальной;

• клиновой.

В полусферической камере сгорания впускные клапаны располагаются с одной стороны, а выпускные — с другой. Такое решение обеспечивает перекрестный поток: топливовоздушная смесь поступает в цилиндр с одной стороны, а отработавшие газы выходят из цилиндра с другой стороны. Кроме того, такое расположение клапанов позволяет использовать относительно большие клапаны и каналы. Свеча зажигания находится посередине полусферы, благодаря чему обеспечивается меньшее пространство для распространения фронта пламени, чем в камере другой формы, и следовательно, процесс сгорания протекает более быстро и с большим КПД. На большинстве легковых автомобилей устанавливаются двигатели с полусферическими камерами сгорания.
Применяются также цилиндрические овальные камеры сгорания. Клапаны располагаются вертикально в ряд, что упрощает их привод. Свеча зажигания устанавливается с другой стороны, в результате чего укорачивается путь пламени.
В клиновой камере сгорания свеча зажигания располагается в самой высокой ее части. Клапаны установлены вертикально и под углом. По сравнению с камерами сгорания других форм такие камеры сгорания имеют меньшую площадь поверхности и, следовательно, меньше места для конденсации топлива. В результате этого не сгорает лишь малая часть топлива, что снижает содержание углеводорода в отработавших газах.

Камеры сгорания дизельных двигателей бывают двух типов: с непосредственным и предкамерным впрыском. Оба типа камер обеспечивают завихрение впускаемого потока воздуха, что необходимо для тщательного смешивания сжатого воздуха и впрыскиваемого топлива. В двигателях с непосредственным впрыском топлива внутренняя поверхность головки цилиндров плоская, а сама камера сгорания представляет собой углубление в днище поршня.
В двигателях с предкамерным впрыском днище поршня плоское или имеет небольшое углубление. В таких двигателях основная камера сгорания заключена между днищем поршня и поверхностью головки цилиндров, в которой имеется еще одна небольшая камера, называемая вихрекамерой, в которую впрыскивается топливо. Вихрекамера имеет сферическую форму и соединена с основной камерой наклонным каналом. На такте сжатия такая форма камеры обеспечивает завихрение потока воздуха и лучшее перемешивание его с топливом, что повышает КПД процесса сгорания.

Сообщение

Впускные и выпускные клапаны

: Впускные и выпускные клапаны; Screenshot_16.jpg (244.57 КБ) 4494 просмотра

В четырехтактных бензиновых и дизельных двигателях клапаны располагаются в головке цилиндров. Через впускные клапаны проходит только смесь воздуха и топлива, поэтому они подвергаются воздействию более низких температур, чем выпускные клапаны. У впускного клапана тарелку делают большего диаметра, чем у выпускного, так как давление на впуске меньше давления на выпуске. Двигатели разных моделей отличаются количеством клапанов. Двигателям с двумя и более впускными клапанами свойственно лучшее наполнение цилиндров. Дополнительный впускной клапан увеличивает проходное сечение впускных каналов, следовательно, в цилиндр поступает больше топливовоздушной смеси. То же самое касается и выпускных клапанов: два клапана на выпуске позволяют увеличить выпускные каналы, что облегчает выход отработавших газов из цилиндра. Клапан подвергается очень значительным нагрузкам даже при нормальном режиме работы двигателя. Для повышения стойкости клапана к износу, прожиганию и коррозии его поверхность подвергается специальной обработке. Так, например, впускные клапаны изготавливаются из стали с хромом или кремнием для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости или магния и никеля для повышения прочности. Выпускные клапаны сделаны из сплавов на основе никеля. Клапан состоит из двух частей: стержня и тарелки. Клапан установлен в отверстии в головке цилиндров. Тарелка плотно прилегает к седлу. В процессе работы головка цилиндров нагревает седло. Часть тепла передается стержню клапана, а от него — направляющей втулке, поэтому стержень является самой холодной частью клапана. Седло клапана и направляющая втулка охлаждаются жидкостью, протекающей по рубашке вокруг впускных каналов. Открываясь и закрываясь, клапан поворачивается на небольшой угол, поэтому каждый раз он садится на новое место.

Благодаря этому на фаске и седле клапана не оседает нагар. Кроме того, это предотвращает заклинивание клапана в направляющей втулке и равномерно распределяет тепло по всему седлу. Клапан перемещается в направляющей втулке и полностью концентричен седлу. Направляющая втулка представляет собой полую цилиндрическую деталь. Сначала в головке блока цилиндров сверлятся отверстия, а затем в них запрессовываются направляющие втулки. В головку цилиндра из алюминиевого сплава необходимо вставить чугунные направляющие втулки, в противном случае добиться необходимой контактной поверхности для стержня клапана будет невозможно. В большинстве двигателей используются сменные направляющие втулки, запрессованные в отверстия в головке цилиндров. В некоторых двигателях направляющие втулки отлиты в головке цилиндров. Затем в них просверливается отверстие, соответствующее диаметру стержня клапана. В верхней части направляющей втулки имеется маслоотражательный колпачок. Клапанная пружина обеспечивает закрытие клапана и плотное прилегание тарелки к седлу для предотвращения утечек газов. Используются клапанные пружины двух типов: пружины с переменным шагом навивки и двойные пружины.