Поршневые кольца

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.

Коленчатый вал

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.

Маховик и уравновешивающий вал

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.

Прокладки и сальники

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.

Головка цилиндров

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.

Впускные и выпускные клапаны

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.

Газораспределительный механизм

OHC — газораспределительный механизм с верхним распределительным валом
DOHC — газораспределительный механизм с двумя верхними распределительными валами
OHV — газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов
CIH — газораспределительный механизм с распределительным валом в головке блока цилиндров


Типы и конструкция
Газораспределительный механизм обеспечивает открытие и закрытие впускных и выпуск-ных клапанов. Основными элементами газораспределительного механизма являются распределительный вал, компенсаторы зазоров в приводе клапанов, коромысла и клапаны. В зависимости от числа и расположения распределительных валов различают несколько типов газораспределительных механизмов.

Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов (OHV)
В двигателе с таким газораспределительным механизмом клапаны расположены в головке цилиндров, а распределительный вал находится в самом блоке рядом с коленчатым валом. Толкатель клапана соприкасается с кулачком распределительного вала. При повороте распределительного вала усилие от кулачка передается толкателю, а от него — штанге. Штанга воздействует на одно плечо коромысла, а другое плечо при этом нажимает на клапан. Существует несколько типов толкателей. Механический толкатель представляет собой полый цилиндр из чугуна, установленный в отверстие картера. Толкатель медленно вращается, благодаря чему равномерно изнашивается под действием кулачка распреде¬лительного вала.

В настоящее время применяются газораспределительные механизмы следующих типов: с одним верхним распределительным валом (OHC), с двумя верхними распределительными валами (DOHC), с распределительным валом в головке блока цилиндров (CIH).


Распределительный вал
Распределительный вал приводит в действие клапаны, открывая и закрывая впускные каналы для впуска топливовоздушной смеси в цилиндры и выпускные каналы для выпуска отработавших газов. На каждые два оборота коленчатого вала распределительный вал совершает один оборот. Кулачки распределительного вала имеют рабочие выступы. Их высота называется подъемом кулачка. Рабочий выступ, определяемый профилем кулачка, обеспечивает открытие клапана. Фазы газораспределения клапанов, т. е. моменты их открытия и закрытия, определяются рабочим углом кулачка, который заключен между началом и концом рабочего выступа. Важное значение для работы двигателя имеет перекрытие клапанов. При незначительном перекрытии клапанов обеспечивается плавный холостой ход и высокий крутящий момент при низкой частоте вращения коленчатого вала, однако с ростом оборотов динамические характеристики двигателя ухудшаются. При большом перекрытии клапанов ситуация меняется на противоположную: при высокой частоте вращения коленчатого вала наполнение цилиндров улучшается, но на низких оборотах ухудшаются динамические характеристики, а холостой ход становится неустойчивым. От распределительного вала могут приводиться распределитель зажигания, масляный насос, топливный насос или вакуумный насос (в дизельных двигателях). Распределительный вал вращается в опорах на подшипниках скольжения и смазывается маслом. Применяются распределительные валы двух типов: цельные и полые.

Толкатель клапана, компенсатор зазора в приводе клапана и коромысло

Компенсатор зазора и коромысло преобразуют вращательное движение распределительного вала в возвратно-поступательное движение клапана. Расстояние между концом стержня клапана и механизмом привода клапанов называется зазором в приводе клапана. Зазор должен присутствовать всегда, когда кулачок не нажимает на клапан для его открытия. Он регулируется винтом и контргайкой в коромысле или регулировочными шайбами. Необходимо постоянно проверять зазор и регулировать его. Вращаясь на оси, коромысла передают усилие клапанам. Они отливаются из стали или алюминиевого сплава или штампуются из стали. В большинстве современных двигателей применяются гидравлические компенсаторы зазоров в приводе клапанов, уменьшающие шум при работе двигателя и устраняющие необходимость регулировать зазор в приводе клапана. При работе двигателя масло из системы смазки двигателя подается в компенсатор. Зазор в приводе клапана устраняется под действием пружины и давления масла, а специальная система клапанов задерживает масло в компенсаторе, когда на него воздействует распределительный вал. Масло не сжимается, поэтому такой компенсатор действует аналогично цельному. При закрытом клапане в компенсатор поступает недостающее количество масла, благодаря чему поддерживается нулевой зазор. С гидрокомпенсаторами используются коромысла, штампованные из листового металла или отлитые из алюминия.

Ремень привода ГРМ, цепь привода ГРМ и шестеренчатый привод

Верхнерасположенный распределительный вал находится далеко от коленчатого вала, поэтому для его привода используется ремень, цепь или шестерни. Возможны также комбинированные варианты, например ремень и цепь или ремень и шестерня. В обычном цепном приводе ГРМ используется гидравлический натяжитель цепи. Для снижения уровня шума и вибрации в конструкцию привода включены направляющие. Гидравлические натяжители также встречаются в ременном приводе ГРМ. Зубчатый ремень изготавливается из стекловолокна или синтетического каучука, армированного металлокордом. Зубья ремня входят в зацепления с зубьями шкивов коленчатого и распределительного валов. Приводные ремни издают меньше шума, чем цепи, но требуют периодической регулировки натяжения вручную. По сравнению с цепями срок службы ремней меньше. Ремни привода ГРМ подлежат замене примерно через каждые 80 100 тыс. км пробега.

Система бесступенчатого изменения фаз газораспределения (CVVT)

На распределительный вал впускных или выпускных клапанов некоторых двигателей устанавливается система бесступенчатого изменения фаз газораспределения (CVVT), которая изменяет моменты открытия и закрытия клапанов, устанавливая оптимальные значения в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Работой системы управляет клапан регулирования подачи масла, который действует по сигналам ЭБУ двигателя. Лопасти ротора образуют 8 камер: по четыре камеры используются для поворота распределительного вала в сторону опережения и запаздывания открытия клапанов. Масло поступает в камеры опережения и запаздывания открытия клапанов по двум каналам в распределительном вале. Камеры опережения и запаздывания уплотнены тефлоном: это необходимо для герметизации камер относительно друг друга и создания в них требуемого давления. При остановке двигателя, низком давлении масла или неисправности цепи управления системы CVVT стопорный штифт удерживает ротор в положении наибольшего запаздывания. Когда давление масла поднимается примерно до 0,5 бар, стопорный штифт освобождает ротор. Клапан регулирования подачи масла установлен в головке цилиндров. Масло под давлением подается к этому клапану через фильтр, который также расположен в головке цилиндров. В клапане регулирования подачи масла имеется два канала: по одному масло под давлением поступает в одну камеру, а по другому масло сливается из противоположной камеры.


Фильтр
Фильтр расположен между масляным насосом и клапаном регулирования подачи масла в головке цилиндров.


Примечание
Фильтр не требует обслуживания. Однако в случае перегрева двигателя необходимо проверить, не деформирован ли он.