Двигатель с возвратно-поступательным движением поршней

Двигатель с возвратно-поступательным движением поршней

 

В двигателях внутреннего сгорания возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала посредством кривошипно-шатунного механизма. В настоящее время в автомобильных и тракторных двигателях наибольшее распространение получил центральный кривошипно-шатунный механизм.

 

 

 

Кроме кривошипно-шатунного механизма, являющегося главным компонентом, от­вечающим за создание крутящего момента, огромное влияние на к.п.д. двигателя вну­треннего сгорания оказывает конструкция головки блока цилиндров (см. табл. «Компоненты двигателя внутреннего сгорания» ).

Кривошипно-шатунный механизм и блок цилиндров с картером двигателя

 

Кривошипно-шатунный механизм включает следующие компоненты: поршни, поршневые кольца, шатуны и коленчатый вал. Общим для всех компонентов кривошипно-шатунного ме­ханизма является их поступательное и враща­тельное движение. Трибологическая конструк­ция кривошипно-шатунного механизма уже давно доказала свою важность ввиду ее на­дежности и низких потерь на трение.

Табл. «Компоненты двигателя внутреннего сгорания»

 

Компоненты двигателя внутреннего сгорания

 

Поршень

 

Ввиду высоких механических и тепловых на­грузок, которые поршень испытывает, он является очень сложным компонентом двига­теля внутреннего сгорания. Геометрия днища и поверхностей поршня оказывают огромное влияние на процессы смесеобразования и сгорания топлива. Основным назначением поршня является передача усилий на шатун. При этом в поршне возникают сложные ме­ханические напряжения в сочетании с очень высокими локальными температурами, дости­гающими и превышающими 300 °С.

Формы поршней дизельных двигателейРоль днища поршня особенно важна на дизельных двигателях. При высокой степени сжатия и обычно плоской головке блока цилиндров в днище поршня должна поме­щаться практически вся камера сгорания. В настоящее время с успехом используются поршни с различными формами днища. При­меры форм днища поршней для дизельных двигателей показаны на рис.»Формы поршней дизельных двигателей» .

Форма днища поршня в значительной сте­пени определяет форму камеры сгорания и одновременно влияет на прочность головки поршня — фактор, являющийся крайне важ­ным для передачи усилия на поршневой па­лец. Это в особенности относится к алюмини­евым поршням, которые в настоящее время являются предпочтительным выбором, бла­годаря их высокой температурной стойкости, малой массе и высокому допустимому пико­вому давлению.

Поршневые пальцы в поршнях дизельных двигателей, испытывающих высокие на­грузки, устанавливаются в латунных втулках.

В дизельных двигателях, кроме алюми­ниевых, также могут использоваться сталь­ные или даже чугунные поршни. Стальные поршни используются там, где пиковые давления превышают 200 бар. Важной отли­чительной особенностью стали является ее относительно низкая теплопроводность.

Для поршней современных двигателей с турбонаддувом с высокими пиковыми давле­ниями и выходными мощностями требуются дополнительные каналы охлаждения поршня (рис. «Конструкции поршней различных двигателей» ). При этом моторное масло через вер­тикально расположенный инжектор впрыски­вается в канал охлаждения поршня. Впуск и выпуск канала охлаждения поршня находятся на нижней стороне поршня.

 

Конструкции поршней различных двигателей

 

Формы и конфигурации поршневых колецПоршневые кольца образуют плотное соединение между поршнем и цилиндром и надежно разобщают между собой камеру сгорания и картер двигателя (рис. «Формы и конфигурации поршневых колец» ). Кроме уплотнения поршневые кольца также выпол­няют важную задачу передачи тепла через стенки цилиндра и контроля поступления масла в камеру сгорания.

Обычно устанавливаются три кольца; верх­нее кольцо служит в качестве компрессион­ного, а нижнее — в качестве маслосъемного. Среднее кольцо часто выполняет обе эти функции. Поскольку фильтры твердых частиц со временем засоряются золой, которая явля­ется продуктом сгорания масла, расход масла и правильное прилегание поршневых колец к стенкам цилиндра являются крайне важными факторами.

 

Шатун

 

Шатун (рис. «Шатун двигателя легкового автомобиля» ) соединяет поршень с коленча­тым валом. Он передает силы, развиваемые газами и силы инерции на шатунную шейку коленчатого вала. Шатун испытывает напря­жения растяжения, сжатия и изгиба. Шатун также содержит подшипники для соединения с коленчатым валом и поршневым пальцем. Поэтому он должен иметь очень жесткую кон­струкцию, в особенности в областях головок, содержащих подшипники. По этой причине шатуны имеют двутавровый профиль тела и изготавливаются методом ковки из отпущен­ной стали. Также с успехом могут применяться металлокерамические материалы. Иногда, для условий низких нагрузок (двигателей с искро­вым зажиганием), в качестве материала для шатунов используется отожженный чугун. Реже на V-образных двигателях встречается комбинация «стандартных» и вилкообразных шатунов, позволяющая получить точное рас­положение оппозитных цилиндров.

Шатун двигателя легкового автомобиляДлина шатуна определяется величиной ра­бочего хода поршня и радиусом противовеса (геометрическим путем наружного контура, называемым «скрипкой шатуна» ). На коммер­ческих автомобилях с относительно большим отношением рабочего хода к диаметру отвер­стия цилиндра (более 1,1) и большими диа­метрами подшипников обычными являются разъемные большие головки шатунов с косым разъемом. Это позволяет снять поршень без снятия коленчатого вала. Однако, угловой разъем вызывает значительные усилия сдвига, даже когда шатун находится в вертикальном положении в верхней мертвой точке. Эти уси­лия обычно поглощаются зубцами, канавками и пружиной или посредством поверхностного растрескивания. Растрескивание большой головки шатуна достигается под действием «разрывной сепарации» — чрезвычайно вы­соких (гидравлических) усилий растяжения и в результате целенаправленного ослабления поперечного сечения у большой головки ша­туна. Крышка подшипника большой головки шатуна и шатун могут устанавливаться только в комплекте.

Сквозные болты могут использоваться с гайками или без гаек. Правильная установка вкладышей подшипников при посадке обе­спечивается переходными втулками или кольцами.

Ориентация шатуна в боковом направле­нии может осуществляться на коленчатом вале, со стороны большой головки шатуна, или в поршне, со стороны малой головки.

Малая головка шатуна должна поглощать значительные усилия, поэтому часто выполня­ется с формованным отверстием, во избежание смещения. Для дизельных двигателей, с их высокими пиковыми давлениями и большими силами, развиваемыми рабочими газами, вы­бирается специальная форма малой головки шатуна, обеспечивающая большую поверхность контакта с поршневым пальцем без ослабления поршня. Эта форма может быть трапецеидаль­ной (узкая вверху и широкая внизу) или ступен­чатой (узкий буртик вверху и широкий внизу).

Конструкция шатуна разрабатывается с уче­том результатов расчетов сил, развиваемых рабочими газами и сил инерции (см. «Кон­струкция коленчатого вала»). Также выпол­няется расчет продольного изгиба. При этом необходимо рассчитать продольный изгиб в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, как изгиб шарнирно опертой балки, и из­гиб в плоскости, параллельной оси коленча­того вала (продольной плоскости двигателя), как изгиб балки, заделанной двумя концами. Критичные сечения в области перехода от ста­бильной в отношении размеров малой головки к двутавровому профилю тела обычно рассчи­тываются с использованием метода FEM (ме­тод конечных элементов). При этом не следует недооценивать или игнорировать нагрузки со стороны крышек подшипников.

 

 

Коленчатый вал

 

Коленчатый вал (рис. «Коленчатый вал двигателя автомобиля» ) служит для преоб­разования возвратно-поступательного дви­жения поршней во вращательное движение. Энергия поступательного движения транс­формируется в крутящий момент, который затем может быть передан на сцепление.

Коленчатый вал двигателя автомобиляКоренные подшипники коленчатого вала закреплены в картере двигателя, в то время как на шатунных шейках устанавливаются ша­тунные подшипники. Напротив щек с шатун­ными шейками устанавливаются противо­весы, которые могут быть литыми, коваными или могут крепиться болтами. В зависимости от типа двигателя коренные подшипники ко­ленчатого вала устанавливаются после каж­дого цилиндра, например, на рядных дизель­ных двигателях и двигателях с искровым зажиганием с высокими нагрузками или только после каждого второго кривошипа ко­ленчатого вала (на двигателях с искровым за­жиганием с низкими нагрузками). На V-образных двигателях обычно одна шатунная шейка используется для двух соседних шату­нов на одном кривошипе. Это также относится к вильчатым шатунам, позволяющим выпол­нить точную установку двух оппозитных бло­ков цилиндров. В целях обеспечения равно­мерных интервалов зажигания на V-образных 6-цилиндровых двигателях с углом 90° между цилиндрами, все шире используется конструк­ция с «раздельной шейкой», позволяющая выполнить смещение двух соседних шатунных шеек на 30° в очень ограниченном простран­стве без коренного подшипника между ними. Такая конструкция применяется даже в ди­зельных двигателях коммерческих автомоби­лях, испытывающих высокие нагрузки.

Коленчатые валы обычно изготавливаются методом ковки (в зависимости от размера — штамповки или свободной ковки); для двига­телей с невысокими нагрузками — в основном из чугуна (с шаровидным графитом). На боль­ших двигателях также используются состав­ные коленчатые валы. Отверстия для подачи смазочного масла к шатунным подшипникам расположены таким образом, чтобы не соз­давать дополнительных механических напря­жений.

Распределение напряжений в коленчатом валеСилы, развиваемые рабочими газами, и силы инерции (см. конструкцию кривошипно­-шатунного механизма) вызывают в коленча­том вале напряжения изгиба (рис. «Распределение напряжений в коленчатом вале» ). Если коренные подшипники установлены после каждого кривошипа, изгибающие нагрузки от­носительно невелики, благодаря тангенциаль­ным силам. Однако, следует обратить особое внимание на переход между шатунной шейкой и щекой коленчатого вала, поскольку именно здесь возникают самые большие напряжения. При большом количестве коренных подшип­ников зажим коленчатого вала теоретически представляет собой статически сверхопреде­ленную систему, однако при моделировании предполагается, что система имеет статически определенное состояние, которое правильно описывает критическое состояние.

Еще одним важным фактором являются крутильные колебания, которые, за счет переменных сил, прилагаемых со стороны каждого отдельного цилиндра (силы круче­ния, см. «Конструкция коленчатого вала») возбуждают всю систему коленчатого вала, и ввиду его значительной длины могут вызвать его собственный резонанс.

Колебательная система, состоящая из поршня, шатуна и коленчатого вала, является сложной системой с постоянно изменяющи­мися крутящими усилиями. Чем дальше от оси вала находятся противовесы, тем большее имеет место возбуждение. По этой причине, в некоторых случаях тяжелые металлические противовесы крепятся болтами. Простое мо­делирование может быть выполнено, предпо­лагая, что коленчатый вал является безынер­ционным упругим валом с присоединенными эквивалентными массами. Затем колебатель­ная система может быть определена с исполь­зованием такого параметра, как жесткость торсионного вала. Определенной собственной демпфирующей способностью обладают ли­тые валы. Таким образом, коленчатый вал ис­пытывает изменяющиеся в пространстве и во времени торсионные нагрузки.

Крутильные колебания коленчатого вала, которые также называют крутильными ко­лебаниями 2-го порядка (см. демпфер коле­баний коленчатого вала) следует уменьшить при помощи подходящих демпферов. Это необходимо для защиты коленчатого вала от чрезмерно высоких нагрузок.

Блок цилиндров и картер двигателя

 

Картер служит опорой для передачи усилий, возникающих при сгорании рабочей смеси, на коленчатый вал, а также опорой для подшип­ников коленчатого вала. В конструкцию блока, обычно отливаемого заодно с картером, входят гильзы цилиндров, водяная рубашка и гермети­зированные масляные полости и каналы. Блок цилиндров и картер также должны поглощать силы реакций и обеспечивать место для уста­новки многих дополнительных компонентов.

Обычно для поглощения сил используется жесткая конструкция (концепция опорной балки); эта структура служит для обеспече­ния прямого, линейного и свободного от из­гибающего момента потока сил. Обычно это достигается за счет усилительных ребер, а в случае конструкции с болтовыми соедине­ниями — за счет сквозных болтов.

Головка блока цилиндров обычно крепится к блоку болтами, как отдельный компонент, а на больших двигателях к блоку крепятся отдельные головки цилиндров. Часто ис­пользуются четыре болта на одну головку, причем два болта являются общими для двух соседних цилиндров. На двигателях с вы­сокими пиковыми давлениями (свыше 200 бар) могут использоваться шесть или восемь болтов. Это необходимо для как можно бо­лее равномерного распределения давления на прокладку головки блока цилиндров.

Крышки подшипников коленчатого вала обычно крепятся к картеру болтами снизу. В конструкции со сквозными болтами длинный болт проходит от головки блока цилиндров до крышки подшипника. Преимущество этой кон­струкции заключается в том, что она позволяет использовать стали с высоким пределом проч­ности на разрыв, которые могут передавать уси­лия растяжения лучше, чем литые материалы.

В целях обеспечения достаточной жест­кости картер обычно вытянут вниз по бокам, ниже уровня коленчатого вала. Иногда для снижения веса и увеличения жесткости может использоваться отдельная рама («опорная плита»). Иногда боковые стенки дополни­тельно крепятся горизонтально расположен­ными болтами в области подшипников колен­чатого вала в целях еще большего увеличения жесткости. Снизу к блоку крепится масляный поддон, который иногда также оказывает эф­фект увеличения жесткости. Однако это от­носится только к литым масляным поддонам.

Опорная поверхность поршня может быть образована отдельным компонентом (гиль­зой), в особенности при необходимости в за­мене на протяжении срока службы картера, например, на коммерческих автомобилях с большим общим пробегом (так называемая «мокрая гильза», поскольку она омывается охлаждающей жидкостью). Однако опорную поверхность для поршня также может образо­вывать непосредственно литой картер, в осо­бенности из алюминиевого сплава или чугуна.

На современных двигателях картеры имеют очень высокий уровень функциональности и, следовательно, являются очень сложными компонентами. Часто литой картер содержит корпус масляного насоса, выполняет функции маслоохладителя, содержит корпус термостата системы охлаждения, установочные опоры уравновешивающего вала и кронштейны для крепления тех или иных принадлежностей.

Кроме коленчатого вала, картер является компонентом, на долю которого приходится основная доля веса двигателя. Поэтому в настоящее время прилагаются большие уси­лия, направленные на снижение веса картера за счет применения материалов, иных чем обычный серый чугун. К таким материалам относятся алюминиевые сплавы, которые, однако, в связи с ограниченным в тепловом отношении сроком службы, используются в основном для изготовления картеров неболь­ших двигателей легковых автомобилей. Об­щепринятым экономичным технологическим процессом изготовления алюминиевых кар­теров стало литье под давлением, в то время как в остальных случаях применяется литье в песчаные формы. Картеры из алюминиевого сплава обычно имеют конструкцию «откры­той плиты», т.е. на поверхность разъема с головкой блока цилиндров выходят каналы водяной рубашки и возврата масла. Что ка­сается чугунных картеров, верхняя сторона картера делается закрытой в целях макси­мального увеличения жесткости.

Также предпринимались попытки изготав­ливать картеры из магния в целях еще боль­шего снижения веса, однако это оказалось слишком дорогостоящим. По этой причине используется «гибридная» концепция ма­териалов, где несущие функции выполняет алюминий, а экранирующие — магний.

Дальнейшее повышение прочности также осу­ществляется за счет применения других видов чугуна. Так, в последнее время более широко стал использоваться уплотнённый серый чугун (CGI). Для создания высокопрочной (и трудно обрабатываемой) структуры с шаровидным графитом вместо обычного пластинчатого графита применяются специальные про­цессы термообработки и охлаждения чугуна. Это дает возможность сделать стенки картера двигателя тоньше и уменьшить его вес.

Картер также выполняет очень важную функцию шумопоглощения. Поскольку он часто бывает непосредственно соединен с ка­мерой сгорания, поглощая большие усилия, развиваемые рабочими газами, и силы инер­ции, и имеет относительно большую площадь поверхности, крайне важно, чтобы эта по­верхность была жесткой. Стандартными сред­ствами повышения жесткости являются ребра жесткости и галтовка, которые также помо­гают предотвратить мембранный эффект.

 

 

Переменная степень сжатия

 

Переменная степень сжатия желательна как на двигателях с искровым зажиганием для снижения тенденции к детонации в диапазоне высоких нагрузок, так и на дизельных двига­телях с целью снижения пиковых давлений при полной нагрузке. Однако, к настоящему времени на дизельных двигателях не было реализовано каких-либо механических или гидравлических систем регулирования сте­пени сжатия. Причиной этого являются вы­сокие нагрузки, испытываемые дизельными двигателями в связи с более высокими пи­ковыми давлениями, и более высокие гради­енты давления по сравнению с двигателями с искровым зажиганием.

Конструкции систем регулирования сте­пени сжатия (VCR) можно разделить на сле­дующие:

  • Решения, связанные с конструкцией поршня (гидравлическое исполнительное устройство, перемещающее верхнюю сек­цию поршня относительно нижней секции);
  • Решения, связанные с изменением длины шатуна (смещение картера, сочлененный шатун, эксцентриковый подшипник малой головки шатуна);
  • Изменение положения картера относи­тельно положения головки блока ци­линдров (поворот или осевое смещение картера, эксцентриковый подшипник ко­ленчатого вала);
  • Соединительный рычаг для изменения эф­фективного хода поршня (многозвенный ры­чажный механизм привода коленчатого вала, изменение рабочего объема с вариацией е);
  • Дополнительные переменные объемы (до­полнительный переменный объем в го­ловке блока цилиндров).

 

Системы регулирования степени сжатия на двигателях с искровым зажиганием позво­ляют изменять степень сжатия ε в диапазоне от 7 до 14.

 

 

Головка блока цилиндров

 

Основные функции головки блока цилиндров заключаются в подаче в цилиндры свежей смеси, выпуске отработавших газов и погло­щении давления в цилиндрах.

Головка блока цилиндров обеспечивает гермети­зацию верхней части картера и блока цилиндров. На двигателях с искровым зажиганием она со­держит клапаны и свечи зажигания, на двигате­лях с искровым зажиганием с прямым впрыском топлива — также топливные форсунки. На ди­зельных двигателях в головке блока цилиндров размещены топливные форсунки и, возможно, свечи предпускового подогрева. Совместно с днищами поршней, головка блока цилиндров образует камеру сгорания. На большинстве дви­гателей легковых автомобилей в головке блока Цилиндров размещается привод клапанов газораспределительного механизма.

Головка блока цилиндров выполняет раз­личные функции и испытывает нагрузки сложной формы. Кроме точного управления газообменом и движением заряда топлива, которые непосредственно влияют на со­став отработавших газов, к.п.д. и выходную мощность двигателя, проблема заключается прежде всего в охлаждении горячей стороны головки блока цилиндров и ограничении сложных механических и тепловых нагрузок.

Головки блока цилиндров с различным расположением трактов впуска и выпускаВ зависимости от направления движения рабочей смеси на впуске и отработавших га­зов на выпуске применяются две основные Формы головок цилиндров. В головке блока Цилиндров с односторонним расположением каналов впускные и выпускные каналы вы­ходят на одну и ту же сторону головки (рис. b, «Головки блока цилиндров с различным расположением трактов впуска и выпуска» ). Это уменьшает пространство, необхо­димое для размещения каналов, хотя более короткие тракты создают преимущества при использовании наддува без промежу­точного охлаждения. Также такая головка рациональна в автомобилях с поперечным расположением двигателей.

В головке блока цилиндров с расположением каналов с разных сторон впускные и выпуск­ные каналы находятся на противоположных сторонах двигателя (рис. а«Головки блока цилиндров с различным расположением трактов впуска и выпуска» ), что обеспе­чивает диагонально направленные потоки впускных и отработавших газов. К преимуще­ствам схемы относится простота конструкции впускных и выпускных трактов, а также менее сложные способы уплотнения. Обычно вы­бор конструкции головки блока цилиндров определяется в основном особенностями автомобиля.

Расположение клапановЭтот выбор также определяет компоновку клапанного механизма. Современные много­клапанные механизмы требуют использова­ния головок с диагональным расположением клапанов. Основным преимуществом такого расположения клапанов является простое создание интенсивных завихрений в цилин­дре. Параллельное расположение клапанов требует для создания завихрений более вы­соких усилий на концах каналов (рис. «Расположение клапанов» ).

В современных легковых автомобилях практически исключительно применяются рядные, цельные головки блока цилиндров. Для V-образных двигателей принято устанав­ливать отдельную головку блока цилиндров на ряд. Отдельные головки цилиндров пока что часто применяются в двигателях коммер­ческих автомобилей, на которых распредели­тельный вал с толкателями иногда устанавли­вается в блоке цилиндров.

В отличие от легковых автомобилей, на которых головка блока цилиндров часто изготавливается из алюминия, что дает преимущество в отношении веса и отвода тепла из камеры сгорания, на коммерческих автомобилях применяются головки блока цилиндров из чугуна. Это обусловлено тем, что легкие сплавы не обладают усталост­ной прочностью, необходимой для работы в условиях высоких пиковых давлений и при большом диаметре цилиндров.

Головка блока цилиндров подвергается очень высоким нагрузкам. С одной стороны частые изменения температуры и сопрово­ждающее их тепловое расширение вызывает механические напряжения, которые могут быть скомпенсированы только посредством соответствующих конструктивных мер (от­дельные головки цилиндров, полости в мно­гоцилиндровых головках и т.д.). Термоме­ханическая стойкость головки определяется количеством профилей тепловой нагрузки.

В многоклапанных конструкциях особенно высокие температуры имеют место в области между выпускными клапанами. При полной нагрузке здесь достигаются критические температуры свыше 350°С. Такие же вы­сокие температуры имеют место в области днища поршня (рис. «Распределение температур в поршне двигателя при полной нагрузке» ). Чугунные головки имеют склонность к развитию коррозии под действием горячих газов, т.е. поверхностного окисления, которое может перейти в опасное растрескивание.

 

Распределение температур в поршне двигателя при полной нагрузке

 

Важные функции выполняет прокладка головки блока цилиндров, расположенная между картером двигателя и головкой блока цилиндров. Во-первых, она должна служить уплотнением камеры сгорания даже в случае высоких давлений в цилиндрах, а во-вторых- обеспечивать поток моторного масла и охлаждающей жидкости между картером и головкой. Как правило, для уплотнения ка­меры сгорания используются металлические материалы; эти металлические прокладки плотно прилегают к поверхности за счет пла­стичной деформации и обеспечивают уплот­нение за счет своей эластичности. Также применяются прокладки из эластомерных материалов или геометрически оптимизиро­ванные прокладки из листового металла.

Чтобы обеспечить равномерное прижатие прокладки головки блока цилиндров, можно увеличить количество болтов головки. На двигателях коммерческих автомобилей ко­личество болтов достигает восьми на один цилиндр.

Двигатели без прокладки головки блока цилиндров являются исключением, по­скольку в этом случае требуется чрезвычайно высокая чистота и точность обработки сопря­гающихся поверхностей картера и головки блока цилиндров.

Клапанный газораспределительный механизм

 

Функцией клапанного газораспределитель­ного механизма на четырехтактном двига­теле является управление процессами га­зообмена. Механизм содержит впускные и выпускные клапаны, пружины, обеспечиваю­щие их закрытие и распределительный вал с приводом (рис. «Конструкции клапанного механизма» ). Широко распространены следующие схемы:

Если распределительный вал установлен внутри блока, коромысло перемещается не непосредственно кулачком вала, а штангой и коромыслом (см. рис.  1, «Конструкции клапанного механизма» ).

 

Конструкции клапанного механизма

 

При верхнем расположении распредели­тельного вала с приводом клапанов при по­мощи рычажного толкателя силы при подъ­еме кулачка воспринимаются и передаются установленным в головке блока качающимся рычажным толкателем, перемещающимся между кулачком и клапаном. Кроме передачи усилий и поглощения боковых сил промежу­точный рычажный толкатель служит для уве­личения хода клапана (рис. 2, «Конструкции клапанного механизма»  ).

В случае сдвоенных коромысел, приводи­мых в движение кулачком, оси их поворота расположены между распределительным ва­лом и клапаном, при этом каждое коромысло действует в качестве передающего усилие элемента. Коромысло обычно конструиру­ется так, чтобы оно увеличивало перемеще­ние клапана (рис.  3, «Конструкции клапанного механизма» ).

Верхнее расположение клапанов, приво­димых цилиндрическим толкателем: непо­средственно от распределительного вала толкатель перемещается в головке блока цилиндров возвратно-поступательно и вос­принимает поперечное усилие со стороны кулачка с одновременной передачей воз­действующего усилия на стержень клапана (рис. 4, «Конструкции клапанного механизма» ).

 

 

Компоновка клапанного механизма

 

Компоновка клапанного механизма и кон­струкция камеры сгорания тесно взаимосвя­заны. Сегодня почти все механизмы газора­спределения являются верхнеклапанными и размещаются в головке блока. В дизелях и многих двигателях с искровым зажиганием клапаны располагаются параллельно оси цилиндра и обычно приводятся от двух ко­ромысел через толкатели или каждый клапан приводится от своего коромысла. Все боль­шее распространение получают двигатели с искровым зажиганием, у которых впускные и выпускные клапаны располагаются напро­тив друг друга (с развалом). Это позволяет увеличить диаметры клапанов и оптимизи­ровать конструкцию впускного и выпускного трактов. Здесь наиболее часто применяются двойные клапанные коромысла, приводимые от верхнего распределительного вала. В фор­сированных двигателях все чаще применяют четыре клапана на один цилиндр и верхний распределительный вал с непосредственным приводом клапанов.

Диаграмма фаз газораспределения

 

На диаграмме работы клапанного механизма (рис. «Диаграмма фаз газораспределения» ) показаны моменты открытия и за­крытия клапанов, кривые высоты подъема клапанов скорости и ускорения перемещения клапанов.

 

Диаграмма фаз газораспределения

 

Типичные значения ускорения клапанов на двигателях легковых автомобилей (с верхним расположением распределительного вала): s» = 60…65 мм (b/ω2) —> 6400 м/с2 при 6000 мин-1 для механизмов с одинарными и сдвоенными коромыслами. s = 70…80 мм (b/ω2) —> 7900 м/с2 при 6000 мин-1 для механизмов с верхним рас­положением толкателей.

Для двигателей тяжелых коммерческих авто­мобилей с распределительным валом, уста­новленным в блоке цилиндров: s» = 100… 120 мм (b/ω2) —> 2000 м/с2 при 2400 мин-1.

Клапан, направляющая клапана и седло клапана

 

Материалы, применяемые для изготовления клапанов, должны обладать высокой термо­стойкостью; контактная поверхность седла клапана часто подвергается закалке. Для интенсификации теплопередачи выпускные клапаны заполняют натрием. Для увеличения долговечности и улучшения уплотнения получили широкое распространение системы вращения клапана (rotocaps).

Направляющие клапанов в двигателях вы­сокой мощности должны обладать высокой теплопроводностью и хорошими антифрик­ционными свойствами. Они обычно запрес­совываются в головку блока и снабжаются уплотнениями со стороны привода для уменьшения расхода масла.

Износ седла клапана может быть снижен путем его изготовления из чугуна или метал­локерамического материала с последующей прессовой посадкой его в головку цилиндров.

 

 

Конструкция кулачков и динамика работы клапанного механизма

 

Кулачок должен обеспечивать подъем кла­пана на заданную высоту с наибольшей ско­ростью и плавностью. Клапанная пружина осуществляет закрытие клапана, а также поддерживает постоянный контакт между поверхностью кулачка и клапаном. Возника­ющие динамические нагрузки накладывают ограничения на высоту подъема клапана и профиль кулачка.

Изредка встречаются конструкции, в ко­торых используется собственный механизм возврата клапанов (Desmotronic). Их преиму­щество заключается в более высоких скоро­стях движения клапанов. При этом кривая движения клапана приближается к идеаль­ной прямоугольной форме. Фрикционное со­единение между распределительным валом, промежуточными элементами и клапаном должно обеспечиваться обычными пружи­нами. Небольшой зазор может иметь место только, когда подъем кулачка неактивен. На современных двигателях применяются гидравлические устройства компенсации изменения зазоров клапанов. В противном случае требуется периодическая регулировка зазоров. Для впускных и выпускных клапанов величина зазора составляет 0,1-0,2 мм.

Привод распределительного вала

 

На четырехтактных двигателях распредели­тельный вал должен быть соединен с колен­чатым валом таким образом, чтобы за один оборот коленчатого вала распределительный вал совершал пол-оборота.

На современных двигателях легковых ав­томобилей с верхним расположением рас­пределительного вала (валов) для его при­вода используются цепные или ременные передачи (зубчатые ремни). В обоих случаях требуется натяжитель, воздействующий на свободный пробег цепи или ремня в целях предотвращения неконтролируемой вибра­ции.

Ввиду минимального пространства между поршнем и клапаном на современных двига­телях, крайне важно, чтобы привод распре­делительного вала работал абсолютно на­дежно, поскольку в случае его повреждения столкновение поршней с клапанами может привести к серьезной поломке двигателя.

По этой причине нажимные пальцы на­правляющих натяжителя в цепной или ре­менной передаче, которые являются изна­шивающимися частями, требуют регулярной замены. Современные двойные цепи очень долговечны и подвержены только минималь­ному износу. Недостатками цепей являются необходимость в смазке и удлинение во время работы. Большое преимущество це­пей, однако, заключается в том, что они не могут соскочить со звездочек, и для них не существует опасности разрыва.

Зубчатые передачи для привода распре­делительных валов обычно применяются на двигателях коммерческих автомобилей или двигателях с распределительным валом, установленным в блоке цилиндров. Однако на двигателях с верхним расположением рас­пределительного вала такое техническое ре­шение является очень дорогостоящим, хотя и очень долговечным, и надежным.

Иногда применяется вертикальный вал, ось которого перпендикулярна к осям колен­чатого и распределительного валов.

 

 

Подача масла в двигатель

 

Кроме смазки всех критичных компонентов кривошипно-шатунного механизма, головки блока цилиндров и других компонентов си­стема подачи масла служит для удаления местных загрязнений, остаточных продуктов сгорания топлива и частиц металла, образую­щихся в результате износа, которые филь­труются масляным фильтром. Дополнитель­ные функции включают рассеивание тепла в областях, испытывающих тепловые нагрузки, таких как подшипники скольжения коленча­того вала или охлаждаемые маслом поршни, и демпфирование вибраций в подшипниках.

"Схема системы подачи масла в двигателе"В обычной системе смазки (см. «Смазка двигателя») шестеренчатый масляный на­сос подает определенный объем масла из масляного поддона. Масло проходит через масляный фильтр (см. рис. а,  «Схема системы подачи масла в двигателе» ). Из со­ображений безопасности полнопоточный масляный фильтр часто снабжается пере­пускным клапаном и клапаном контроля дав­ления. Маслоохладитель, устанавливаемый на двигателях, работающих в условиях высо­ких нагрузок, имеет воздушное или водяное охлаждение. Поток масла проходит через масляные каналы и под действием силы тяжести сливается обратно в масляный под­дон, обычно расположенный под картером двигателя. Поэтому принудительную смазку иногда также называют «смазкой из мокрого поддона». В дополнение к непосредственной подаче масла, осуществляемой масляным на­сосом, вращательное движение коленчатого вала способствует образованию в картере масляного тумана.

В отличие от обычной системы смазки, иногда применяется более дорогостоящая система смазки «из сухого поддона» (см. рис. Ь, «Схема системы подачи масла в двигателе» ). Преимущества этой системы за­ключаются в гарантированной подаче масла в условиях высоких поперечных ускорений или бокового наклона и свободном выборе расположения системы подачи масла. Она также позволяет уменьшить высоту двига­теля и увеличить расход масла, что улучшает охлаждение двигателя.

Смазка путем добавки масла в топливо и проточная смазка, часто используемые на двухтактных двигателях и двигателях Ванкеля, в настоящее время в автомобилестрое­нии не являются актуальными.

Система охлаждения двигателя

 

Чтобы избежать тепловых перегрузок, сгора­ния смазочного масла на направляющей по­верхности поршня и неуправляемого сгорания горючей смеси, из-за перегрева отдельных деталей, все части двигателя, располагаемые вокруг камеры сгорания (гильза цилиндра, го­ловка блока, клапаны и, в некоторых случаях, сами поршни), должны интенсивно охлаж­даться (См. также «Охлаждение двигателя»).

Так как вода или другие охлаждающие жидкости обладают высокой теплоемкостью и обеспечивают эффективный отвод теплоты от нагретых поверхностей, большинство со­временных двигателей имеют жидкостные системы охлаждения. Кроме того, в условиях очень высоких местных температур можно за счет местного испарения охлаждающей среды достичь дополнительного охлаждаю­щего эффекта, который, совместно с конден­сацией в более холодных соседних областях, снижает нежелательные высокие градиенты температуры.

 

 

Схема системы жидкостного охлаждения

 

Схема системы жидкостного охлажденияНаиболее распространенной является система с рециркуляцией воздуха/охлаждающей жидкости (рис. «Схема системы жидкостного охлаждения» ). Система со­держит замкнутый охлаждающий контур, позволяющий применять антикоррозионные и низкозамерзающие присадки (антифризы) — охлаждающая жидкость прокачивается насосом через двигатель и радиатор.

При движении автомобиля поток охлаждающего воздуха проходит через радиатор свободно и/или с помощью вентилятора. Темпера­тура охлаждающей жидкости регулируется термостатическим клапаном (термостатом), обеспечивающим, при необходимости, ее перепуск, минуя радиатор.

Системы воздушного охлаждения в на­стоящее время не имеют широкого распро­странения. Строгие требования к содержа­нию вредных веществ в выбросах требуют эффективного охлаждения двигателей с высокой удельной выходной мощностью. Это практически недостижимо при помощи систем воздушного охлаждения, которые, хотя и являются надежными и малообслуживаемыми, как правило не обеспечивают требуемой эффективности.

Еще одним их крупным недостатком является высокий уро­вень шума. Охлаждающие ребра действуют в качестве резонаторов и вызывают заметное увеличение уровня шума.

Успокоитель вибрации коленчатого вала

 

Коленчатый вал подвержен высокочастот­ным колебаниям (крутильные колебания 2-го порядка), особенно в области резонансных частот. Для предотвращения опасного резо­нанса служат успокоители вибрации колен­чатого вала.

Конструкция успокоителей вибрации ко­ленчатого вала варьируется от простых махо­виков, которые через эластичные, например, резиновые прокладки создают антивибраци­онную систему, к более сложным маховикам с масляным демпфированием, в которых демпфирующий эффект создается за счет вязкости масла и поверхностей трения, и да­лее к сложным поглотителям вибрации ма­ятникового типа (Sarazen (Франция), Chilton (США)). Успокоитель вибрации обычно уста­навливается на свободном конце коленчатого вала (переднем).

Крутильные колебания 1-го порядка, т.е. вибрации, вызываемые зажиганием и силами инерции, и способные возбуждать вибрацию ведущего вала и других компонентов транс­миссии, демпфируются при помощи сдво­енных маховиков или иных устройств. При помощи таких успокоителей можно сгладить такие явления, как прихватывание сцепле­ния, вибрация в трансмиссии и рывки при трогании с места, поскольку все последую­щие компоненты — сцепление, трансмиссия и ведущие валы — представляют собой коле­бательную систему. В сдвоенном маховике две массы соединяются друг с другом при помощи пружин. Успокоителями вибраций также часто снабжается сцепление. Оба ком­понента естественно должны быть настроены совместно.

Разработка конструкции и настройка успо­коителей вибрации являются достаточно сложными. На стадии окончательного ана­лиза необходимо выполнить испытания, как на автомобиле, совместно со всей кинема­тической цепью привода (низкочастотные резонансные колебания 1-го порядка), так и на испытательном стенде (высокочастотные резонансные колебания 2-го порядка колен­чатого вала).

В следующей статье я расскажу о типах двигателей с возвратно-поступательным движением поршней.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *