Справочник автолюбителя - читать онлайн

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания могут быть поршневыми и беспоршневыми (например, газотурбинными). В поршневом двигателе сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит внутри цилиндра. В газотурбинном двигателе топливо сгорает в специальной камере, а тепловая энергия превращается в механическую на лопатках газовой турбины.

На подавляющем большинстве современных автомобилей устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания.

По способу смесеобразования и воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на две группы:

а) с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, от электрической искры (бензиновые и газовые);

б) с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре путем высокого сжатия (дизели).

Карбюраторный бензиновый двигатель (рис. 3.2.1, а) имеет кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм и системы охлаждения, смазки, питания и зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Он состоит из цилиндра со съемной головкой 1, поршня 3 с поршневыми кольцами, поршневого пальца 13, шатуна 12, соединенного верхней головкой с поршнем и нижней головкой с коленчатым валом 11, маховика 7, закрепленного на заднем конце коленчатого вала, и картера. Поршень 3 перемещается в цилиндре прямолинейно вниз и вверх. Коленчатый вал 11 вращается в подшипниках, установленных в картере, отлитом за одно целое с цилиндром. Снизу двигатель закрыт поддоном 9, используемым как резервуар для масла.

Рис. 3.2.1. Схема устройства карбюраторного двигателя (а), мертвые точки и объемы цилиндра (б):

1 — головка цилиндров, 2 – свеча зажигания, 3 – поршень, 4 – водяной насос, 5 – толкатель, 6 — распределительный вал, 7 – маховик, 8 – масляный насос, 9 – поддон, 10 — распределительные шестерни, 11 — коленчатый вал, 12 — шатун, 13 – поршневой палец, 14 — впускной клапан, 15 – карбюратор, 16 — выпускной клапан, 17 — коромысло, 18 — штанга; S — ход поршня, V_c – объем камеры сгорания, V_n — полный объем цилиндра, В. м. т. – верхняя мертвая точка, Н. м. т. – нижняя мертвая точка

Верхнее крайнее положение поршня в цилиндре (рис. 3.2.1, б) называется верхней мертвой точкой (в. м. т.), нижнее положение – нижней мертвой точкой (н. м. т.). Расстояние, проходимое поршнем от одной до другой мертвой точки, называется ходом поршня S.

Перемещение поршня от одной мертвой точки до другой вызывает поворот коленчатого вала на половину оборота.

Объем V_c над поршнем, находящимся в в. м. т., называется объемом камеры сгорания, а объем V_a над поршнем, находящимся в н. м. т., – полным объемом цилиндра.

Объем V_n, освобождаемый поршнем при его перемещении от в. м. т. к н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра.

Если диаметр цилиндра и ход поршня выразить в дециметрах, то рабочий объем цилиндра получим в кубических дециметрах или литрах.

Рабочий объем всех цилиндров многоцилиндрового двигателя называют литражом. Его подсчитывают умножением рабочего объема одного цилиндра на число цилиндров двигателя.

Отношение полного объема цилиндра V_n к объему камеры сгорания V_c называется степенью сжатия.

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем смеси или воздуха, находящихся в цилиндре, при перемещении поршня от н. м. т. к в. м. т.

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременное заполнение цилиндра горючей смесью (или воздухом) и удаление продуктов сгорания. Этот механизм (рис. 3.2.1) состоит из впускного 14 и выпускного 16 клапанов, пружин, направляющих втулок клапанов, толкателей 5, штанг 18, коромысел 17, распределительного вала 6, установленного в подшипниках картера, и шестерен 10, приводящих вал 6 во вращение от коленчатого вала 11.

Система охлаждения, имеющая водяной насос 4, служит для отвода тепла от стенок цилиндра и головки 1, сильно нагревающихся при сгорании горючей смеси в цилиндре двигателя.

Система смазки, включающая масляный насос 8 и фильтры для очистки масла, обеспечивает смазку трущихся деталей двигателя, а также частичное их охлаждение.

Система питания предназначена для приготовления горючей смеси, подачи ее в цилиндр двигателя и удаления продуктов сгорания. В карбюраторном двигателе для приготовления смеси служит карбюратор 15. Кроме карбюратора в систему питания входят топливный бак, топливный насос, фильтры для очистки воздуха и топлива, впускной и выпускной трубопроводы, глушитель шума выпуска.

Система зажигания необходима для воспламенения горючей смеси в цилиндре двигателя. Она включает источник электрической энергии, катушку зажигания, прерыватель тока низкого напряжения, провода и свечи зажигания, электрическая искра от которой воспламеняет горючую смесь.

Процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня, называется тактом. Совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре, т. е. впуск горючей смеси, сжатие ее, расширение газов при сгорании и выпуск продуктов сгорания, называется рабочим циклом.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, то двигатель называется четырехтактным.

Первый такт – впуск (рис. 3.2.2, а). Поршень 3 перемещается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан 1 открыт, выпускной клапан 2 закрыт. В цилиндре создается разрежение 0,07—0,09 МПа (0,7–0,9 кгс/см²) и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Горючая смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предшествующего цикла, и образует рабочую смесь. Чем лучше наполнение цилиндра горючей смесью, тем выше мощность двигателя.

Температура смеси в конце впуска 350–400 К (75– 125 °C).

Второй такт – сжатие (рис. 3.2.2, б). Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 0,9–1,5 МПа (9—15 кгс/см²) и 500–750 К (350–500 °C).

Третий такт – расширение, или рабочий ход (рис. 3.2.2, в). В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 3–5 МПа (30–50 кгс/см²), а температура 2300–2700 К (2100–2500 °C).

Рис. 3.2.2. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:

а – впуск, б — сжатие, в – расширение, г – выпуск; 1 — впускной клапан, 2 – выпускной клапан, 3 — поршень

Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун – на коленчатый вал, создавая крутящий момент, заставляющий вал вращаться. В конце расширения начинает открываться выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0,3–0,5 МПа (3–5 кгс/см²), а температура – до 1200–1500 К (1000–1200 °C).

Четвертый такт – выпуск (рис. 3.2.2, г). Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 0,11—0,12 МПа (1,1–1,2 кгс/см²), а температура – до 1000–1100 К (700–800 °C).

Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в указанной последовательности. Рабочим является только один такт – расширение, впуск и сжатие являются подготовительными, а выпуск – заключительным тактами.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начнет работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

При впуске (рис. 3.2.3, а) поршень движется от в. м. т. к н. м. т., открыт впускной клапан. За счет образующегося разрежения в цилиндр поступает чистый воздух. Давление 0,085—0,095 МПа (0,85—0,95 кгс/см²), температура 310–340 К (40–70 °C).

При такте сжатия (рис. 3.2.3, б) поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Давление и температура воздуха повышаются, достигая в конце такта 3,5–5,5 МПа (35–55 кгс/см²) и 700–900 К (450–650 °C).

Когда поршень подходит к в. м. т., в цилиндр через форсунку 1 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое насосом высокого давления 2 (рис. 3.2.3, е).

При рабочем ходе впрыснутое в цилиндр дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. С появлением первых очагов пламени начинается процесс сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры.

Рис. 3.2.3. Рабочий цикл четырехтактного дизеля:

а – впуск, б – сжатие, в – расширение, г – выпуск;

1 — форсунка, 2 — топливный насос высокого давления

Когда поршень от в. м. т. начинает опускаться, сгорание в течение некоторого промежутка времени протекает при почти постоянном давлении. Максимальное давление газов достигает 5–9 МПа (50–90 кгс/см²), а температура – 1800–2200 К (1600–2000 °C). В конце расширения давление снижается до 0,2–0,4 МПа (2–4 кгс/см²), а температура – до 1000–1200 К (800-1000 °C).

При такте выпуска (рис. 3.2.3, г) поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., открыт выпускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 0,11—0,12 МПа (1,1–1,2 кгс/см²).

После окончания такта выпуска начинается новый рабочий цикл.

Вследствие более высоких значений степени сжатия дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные двигатели. Кроме того, они используют более дешевые сорта нефтяного топлива и менее опасны в пожарном отношении, чем бензин. С другой стороны, дизели имеют большую массу, чем карбюраторные двигатели, поэтому их устанавливают преимущественно на автомобилях большой и особо большой грузоподъемности. В то же время, на импортных легковых автомобилях часто встречаются малогабаритные дизельные двигатели, имеющие хорошие динамические показатели и просто-таки фантастическую экономичность.

В одноцилиндровом четырехтактном двигателе один рабочий ход совершается за два оборота коленчатого вала, поэтому коленчатый вал вращается неравномерно, несмотря на наличие маховика.

Современные автомобильные двигатели выполняют четырех-, шести– и восьмицилиндровыми и реже десяти-и двенадцатицилиндровыми. Расположение цилиндров может быть однорядным (рис. 3.2.4, а) и двухрядным V-образным (рис. 3.2.4, б).

При том же литраже V-об-разное расположение цилиндров позволяет уменьшить габариты двигателя по сравнению с рядным расположением цилиндров, а следовательно, более удобно расположить место водителя и органы управления. На рис. 3.2.4, в показана нумерация цилиндров V-образного восьмицилиндрового двигателя.

Рис. 3.2.4. Многоцилиндровые двигатели:

а — рядное расположение цилиндров, б – V-образное расположение цилиндров, в – нумерация цилиндров V-образного восьмицилиндрового двигателя; 1–8 – номера цилиндров

В многоцилиндровом четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала (720°) рабочих ходов будет столько, сколько цилиндров имеет двигатель. Исходя из условия равномерности вращения коленчатого вала необходимо, чтобы чередование рабочих ходов в разных цилиндрах соответствовало 720//, где / – число цилиндров.

Таким образом, в четырех-, шести и восьмицилиндровых двигателях рабочие ходы должны происходить соответственно через 180, 120 и 90° поворота коленчатого вала.

Мощность, развиваемую газами внутри цилиндров двигателя, называют индикаторной, а мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя, – эффективной.

Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе и приведение в действие газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора тока и других вспомогательных механизмов.

Величины крутящего момента и эффективной мощности тем больше, чем больше литраж двигателя (диаметр и число цилиндров, длина хода поршня), наполнение цилиндров горючей смесью и степень сжатия. Эффективная мощность карбюраторного двигателя зависит также от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки двигателя, сорта топлива, состава горючей смеси и момента искрового разряда между электродами свечи. У дизелей эффективная мощность зависит от момента впрыска топлива, качества распыливания и продолжительности подачи топлива.

Механическим коэффициентом полезного действия двигателя называют отношение эффективной мощности к индикаторной. Он тем больше, чем меньше потери на трение в двигателе и приведение в действие вспомогательных механизмов двигателя. Величина механического КПД автомобильного двигателя составляет 0,70—0,85.

Эффективным КПД двигателя называют отношение теплоты, превращенной в полезную работу, к теплоте, которая могла бы выделиться при полном сгорании топлива. Величина эффективного КПД карбюраторных двигателей составляет 0,21—0,28, а дизелей 0,29—0,42.

3.2.1. Блок и головка цилиндров

Кривошипно-шатунный механизм двигателя воспринимает давление газов при такте расширения и преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипно – шатунный механизм многоцилиндрового двигателя состоит из блока цилиндров, головок цилиндров, поршней с кольцами, поршневых пальцев, шатунов, коленчатого вала, вкладышей, маховика и поддона картера.

Цилиндр с головкой образует пространство, в котором осуществляется рабочий цикл двигателя. Стенки цилиндра направляют движение поршня.

Цилиндры многоцилиндровых двигателей отливают из серого чугуна или алюминиевого сплава в виде одной целой детали – блока цилиндров. За одно целое с блоком цилиндров отливают верхнюю часть картера двигателя.

В отливке блока цилиндров выполнена рубашка охлаждения, окружающая цилиндры, а также постели для коренных подшипников коленчатого вала, подшипников распределительного вала и места для крепления других узлов и приборов. У V-образного восьмицилиндрового двигателя блок цилиндров 5 (рис. 3.2.5) имеет два ряда цилиндров (по четыре цилиндра в каждом), расположенных под углом 90°.

Рис. 3.2.5. Головка и блок цилиндров У-образного восьмицилиндрового двигателя:

1 – головка правого ряда цилиндров, 2 — гильза цилиндра, 3 – прокладка гильзы, 4 — направляющий поясок для гильзы, 5 – блок цилиндров, 6 – прокладка крышки распределительных шестерен, 7 – сальник переднего конца коленчатого вала, 8 – крышка распределительных шестерен, 9 — прокладка головки цилиндров

Для повышения износостойкости стенок цилиндров и упрощения ремонта и сборки в блок запрессовывают сменные гильзы из кислотостойкого чугуна. Уменьшение износа верхней части гильз достигается установкой в них износостойких вставок. Уплотнение гильз в блоке достигается резиновыми кольцами или прокладками 3.

Тщательно обработанная внутренняя поверхность гильз (или цилиндров) называется зеркалом.

Головка 1 цилиндров закрывает цилиндры сверху и служит для размещения камеры сгорания. Головки отливают из алюминиевого сплава или чугуна. Двигатели с рядным расположением цилиндров имеют одну головку цилиндров, двигатели с V-образным расположением – две или четыре (на каждую группу цилиндров). У некоторых двигателей головки цилиндров раздельные, на каждый цилиндр.

В головку цилиндров запрессовывают направляющие втулки и седла клапанов. Плоскость разъема между головками и блоком цилиндров уплотняют сталеасбестовыми прокладками 9. Между головкой цилиндров и крышкой клапанов устанавливают пробковые или резиновые прокладки.

3.2.2. Поршневая группа

В поршневую группу входят поршни, поршневые кольца и поршневые пальцы. Поршень 1 (рис. 3.2.6) представляет собой металлический стакан, донышком обращенный вверх. Он воспринимает давление газов при рабочем ходе и передает его через поршневой палец 21 и шатун 23 на коленчатый вал. Отливают поршни из алюминиевого сплава.

Рис. 3.2.6. Детали кривошипно-шатунного механизма У-образного двигателя:

1 – поршень, 2 — вкладыши коренных подшипников коленчатого вала, 3 – маховик, 4 – коренная шейка коленчатого вала, 5 – крышка заднего коренного подшипника, 6 – пробка, 7 – противовес, 8 — щека, 9 — крышка среднего коренного подшипника, 10 — передняя шейка коленчатого вала, 11 – крышка переднего коренного подшипника, 12 — шестерня, 13 — носок коленчатого вала, 14 — шкив, 15 — храповик, 16 – упорная шайба, 17 — биметаллические шайбы, 18 — шатунные шейки коленчатого вала, 19 — вкладыши шатунного подшипника, 20 — стопорное кольцо, 21 — поршневой палец, 22 — втулка верхней головки шатуна, 23 — шатун, 24 — крышка шатуна, 25 — сальник, 26 – маслоотгонная канавка, 27 — маслосбрасывающий гребень, 28 — дренажная канавка

Поршень имеет днище, уплотняющую и направляющую (юбка) части. Днище и уплотняющая часть составляют головку поршня. Днище поршня вместе с головкой цилиндра ограничивает камеру сгорания. В головке поршня проточены канавки для поршневых колец.

Поршни двигателя обычно изготовлены из высококремнистого алюминиевого сплава, имеют вставки из жаропрочного чугуна под верхнее компрессионное кольцо, в толстостенном днище поршня может быть выполнена камера сгорания.

Уплотняющая часть поршня имеет диаметр, увеличивающийся к низу. Юбка поршня имеет две бобышки (приливы) с отверстиями для поршневого пальца 21. Каждая бобышка связана с днищем поршня двумя ребрами.

Юбка поршня обычно имеет прорези, которые предупреждают заедание поршня при нагреве и позволяют уменьшить зазор между гильзой цилиндра и поршнем. Заклинивание поршня исключает также придание юбке овальной формы. Диаметр поршня в плоскости, перпендикулярной оси пальца, делают больше, чем в направлении оси поршневого пальца. При нагревании поршень расширяется сильнее в направлении оси поршневого пальца, где в бобышках сосредоточена наибольшая масса металла. Поэтому овальный поршень при нагреве получит цилиндрическую форму.

Отверстие под поршневой палец располагается не по оси симметрии поршня, а смещено на 1,5 мм вправо по ходу автомобиля. Этим уменьшается сила удара поршня о стенки гильзы при переходе его через в. м. т. в процессе сгорания – расширения газов.

Для улучшения приработки поршней к гильзам цилиндров и предохранения их от задиров юбку поршня покрывают тонким слоем олова или коллоидного графита.

Поршневые кольца устанавливают в канавки, расположенные в головке поршня. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца уплотняют поршень в гильзе цилиндров и предотвращают прорыв газов через зазор между юбкой поршня и стенкой гильзы. Маслосъемные кольца, кроме того, снимают излишки масла со стенок гильз и не допускают попадания его в камеры сгорания.

Поршневые кольца изготавливают из чугуна или стали. Для установки на поршень кольца имеют разрез, называемый замком. Маслосъемное кольцо 2 (рис.3.2.7, а) отличается от компрессорных колец 1 сквозными прорезями для прохода масла. В канавке поршня для маслосъемного кольца сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня.

В целях повышения износостойкости поверхность верхнего поршневого кольца подвергают пористому хромированию. Остальные кольца для ускорения приработки покрывают тонким слоем олова. Нижнее компрессионное кольцо двигателя может быть покрыто молибденом.

На наружной и внутренней поверхностях компрессионных колец выполняют фаски или канавки (рис. 3.2.7, б).

Поршневой палец 21 (рис. 3.2.6) служит для соединения поршня с шатуном и представляет собой короткую трубку. Пальцы изготовляют из легированной цементированной стали или из углеродистой стали, закаленной токами высокой частоты. Наиболее распространены «плавающие» пальцы, свободно поворачивающиеся во втулке 22 верхней головки шатуна и в бобышках поршня. От осевого смещения поршневой палец предохраняется стопорными кольцами 20, вставляемыми в выточки обеих бобышек поршня.

Рис. 3.2.7. Поршневые кольца двигателей:

а — внешний вид, б — расположение колец на поршне, в — составное маслосъемное кольцо; 1 — компрессионное кольцо, 2 — маслосъемное кольцо, 3 — плоские стальные диски, 4 — осевой расширитель, 5 — радиальный расширитель

3.2.3. Шатун и коленчатый вал

Шатун 23 (рис. 3.2.6) передает усилие от поршня к коленчатому валу при рабочем ходе и в обратном направлении при вспомогательных тактах. Он состоит из верхней головки, стержня двутаврового сечения и разъемной нижней головки, закрепляемой на шатунной шейке 18 коленчатого вала. Шатун 23 и его крышку 24 изготовляют из легированной или углеродистой стали. В верхнюю головку шатуна запрессовывают одну или две втулки 22 из оловянистой бронзы, а в нижнюю вставляют тонкостенные стальные вкладыши 19, залитые слоем антифрикционного сплава. Нижняя головка шатуна и крышка 24 соединяются двумя болтами, гайки которых шплинтуются или стопорятся с помощью контргаек.

Вкладыши шатунных подшипников двигателей обычно выполнены из сталеалюминиевой ленты, антифрикционный слой которой представляет собой алюминиевый сплав, в котором содержится (в %): 0,8–1,3 меди, 19–24 олова, до 0,3 железа, остальное – алюминий. Вкладыши иногда изготовляют из стальной ленты, покрытой слоем свинцовистой бронзы и тонким слоем свинцовистого сплава.

От провертывания в нижней головке шатуна вкладыши удерживаются выступами (усиками), которые входят в канавки, выфрезерованные в шатуне и его крышке.

Коленчатый вал воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатунами, и преобразует их в крутящий момент. Он имеет (рис. 3.2.6) коренные шейки 4