Устройство военной автомобильной техники - читать онлайн

2.1. Общее устройство карбюраторного и дизельного двигателей

2.1.1. Устройство и принцип работы одноцилиндрового двигателя

Одноцилиндровый двигатель (рис. 2.1) состоит из: картера; цилиндра; головки цилиндра; коленчатого вала; маховика; шатуна; поршня; пальца; впускного и выпускного клапанов.

В поршневом ДВС преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу происходит внутри цилиндра двигателя. В двигателе с внешним смесеобразованием в замкнутое пространство, образованное стенками цилиндра, его головкой и днищем поршня, через впускной клапан при перемещении поршня вниз всасывается горючая смесь. Смесь состоит из жидкого топлива, смешанного в определенной пропорции с воздухом. При перемещении поршня вверх смесь сжимается и воспламеняется от постороннего источника тепла. При сгорании смеси выделяется большое количество тепла, вследствие чего газы, образовавшиеся при сгорании смеси, нагреваются и давление их сильно возрастает. Под действием давления газовый поршень, перемещаясь вниз, с помощью шатуна вращает коленчатый вал, совершая при этом полезную работу, при обратном ходе поршня вверх отработавшие газы удаляются из цилиндра через открытый выпускной клапан. Рассмотренный процесс периодически повторяется, чем обеспечивается работа двигателя и получение на коленчатом валу необходимого для движения автомобиля усилия.

Рис. 2.1. Одноцилиндровый двигатель

Изменение направления движения поршня происходит в нижней и верхней мертвой точках.

ВМТ называют самое верхнее положение поршня и кривошипа. НМТ называют самое нижнее положение поршня и кривошипа.

Ходом поршня (рис. 2.1) называется расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ). По величине ход поршня равен двум радиусам кривошипа, двигатели, у которых ход поршня меньше диаметров цилиндра, называются короткоходным. Эти двигатели более долговечны, так как уменьшены инерционные нагрузки.

Тактом называют процесс, происходящий в цилиндре при движении от одной мертвой точки к другой.

Камерой сгорания (сжатия) называется объем пространства в цилиндре над поршнем при положении его в ВМТ (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Ход поршня и объемы цилиндров

Рабочим объемом называется объем, освобождаемый цилиндром при перемещении поршня от ВМТ к НМТ.

Полным объемом называется объем камеры сжатия и рабочего объема, вместе взятые.

Литражом двигателя называется рабочий объем всех цилиндров, выраженный в литрах.

Степенью сжатия называют отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, чем выше степень сжатия двигателя, тем больше его экономичность.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя совершается за два оборота КВ или четыре хода поршня и состоит из тактов: впуска; сжатия; расширения (рабочего хода); выпуска.

Такт впуска. При этом цилиндр заполняется горючей смесью, поршень движется от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, а выпускной закрыт, при этом объем над поршнем увеличивается, и в цилиндре создается разряжение. Горючая смесь поступает в цилиндры двигателя и смешивается с отработавшими газами. Получившаяся смесь называется рабочей смесью. Когда поршень доходит до НМТ, впускной клапан закрывается, так как впускной трубопровод обладает гидравлическим сопротивлением, то давление в цилиндре не успевает за поршнем зарастать до атмосферного и равномерно, примерно 0,7–0,8 атм. при увеличении числа оборотов двигателя, это давление снижается. Температура в конце запуска равна 90—125 °C.

Такт сжатия. При этом происходит сжатие рабочей смеси, что необходимо для увеличения скорости сгорания и деления газов в цилиндре. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты. В конце такта рабочая смесь сжимается до объема камеры сгорания, благодаря чему улучшаются испарение и перемешивание паров бензина с воздухом, и соответственно предельные значения степени сжатия ограничиваются свойством применяемого топлива. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 10–12 атм., а температура до 450–500 °C.

Такт расширения (рабочий ход). При этом такте происходит воспламенение рабочей смеси, поршень под действием давления газов перемешается от ВМТ до НМТ. Через шатун приводится во вращение КВ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. При рабочем ходе давление достигает 35–40 атм., а температура – 2000 °C. В конце рабочего хода давление падает до 3–4 атм., а температура снижается до 1100–1200 °C.

Такт выпуска. При этом такте происходит очищение цилиндра от отработавших газов. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, впускной клапан закрыт, выпускной открыт. При движении поршня к ВМТ отработавшие газы через выпускной клапан выталкиваются в атмосферу. Так как выпускной тракт имеет гидравлическое сопротивление, то не все отработавшие газы выходят в атмосферу, и давление газов в цилиндре составляет 1,05—1,15 атм., а температура с 700–800 °C понижается до 300–400 °C.

При дальнейшем вращении КВ перечисленные такты непрерывно чередуются в такой же последовательности.

Таким образом, в четырехтактном одноцилиндровом двигателе КВ под действием давления газов вращается только при такте расширения. Для совершения вспомогательных тактов к КВ необходимо приложить внешний момент, для этого на КВ устанавливают маховик. Так как он обладает значительной массой, то маховик при рабочем ходе накапливает кинетическую энергию и продолжает далее вращаться по инерции. Вместе с маховиком вращается и коленчатый вал, который перемещает поршень в течение всех вспомогательных тактов.

Наличие маховика также способствует более равномерному вращению КВ и выводу КШМ из мертвых точек.

2.2. Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы ЗИЛ-131

Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня, воспринимающего давление газов, во вращательное движение коленчатого вала.

Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две группы: неподвижные и подвижные.

К первым относятся: блок цилиндров; головка блока; прокладка головки блока; поддон. Ко второй группе деталей относятся: поршень с кольцами и поршневым пальнем (рис. 2.3); шатун; коленчатый вал (рис. 2.4); маховик. Блок цилиндров (блок-картер) является основой двигателя. На нем и внутри него располагаются основные детали механизмов и систем двигателя.

Рис. 2.3. Поршень с шатуном:1 — кольцевые диски маслосъемного кольца; 2 — осевой расширитель; 3 – радиальный расширитель; 4 – нижнее и среднее компрессионные кольца; 5 – верхнее компрессионное; 6 — стопорное кольцо; 7 – поршневой палец; 8 — стрелка на днище поршня; 9 — поршень; 10 — шатун; 11 — метка на стержне шатуна; 12 — бобышка на крышке шатуна

Блок отлит из серого чугуна. В блоке имеется горизонтальная перегородка, которая делит блок на верхнюю и нижнюю части. В горизонтальной перегородке расточены отверстия для установки гильз цилиндров, оси которых расположены под углом 90 °C. Внутренняя рабочая поверхность гильз, тщательно обработанная и отшлифованная, называется зеркалом. Между стенками гильз и стенками блока имеется полость, называемая водяной рубашкой, которая заполняется жидкостью, охлаждающей двигатель, поэтому гильзы называют мокрыми.

Рис. 2.4. Коленчатый вал

При этом гильзу внизу уплотняют двумя резиновыми кольцами, размещенными в канавках гильз. Гильзу необходимо уплотнять и вверху, чтобы газы не прорвались из цилиндра. В ДВС предусмотрена возможность изменения длины гильзы в зависимости от температуры. В целях фиксации вертикального положения гильза имеет специальный бурт для упора в плоскость блока и установленные пояса. Верхний торец гильзы выступает под плоскостью блока на 0,02-ОД 6 мм, что способствует более лучшему обжатию прокладки головки блока и надежному уплотнению гильзы, блока и головки блока.

Продукты горения содержат агрессивные вещества, которые вызывают коррозию цилиндров. Для повышения их износостойкости применяется антикоррозийная вставка. Это усложняет технологию двигателя, но намного продлевает его ресурс, при этом левый ряд цилиндров смещен вперед на 29 мм относительно правого ряда. Это обусловлено тем, что на одной шатунной шейке КВ установлены два шатуна.

Поперечные вертикальные перегородки внутри блока совместно с его задней и передней стенками обеспечивают ему необходимую жесткость. В этих перегородках расточены гнезда под верхние половины коренных подшипников. Нижние половины установлены в крышках, прикрепленных к блоку болтами. Снизу к картеру на уплотняющей площадке прикреплен стальной штамповочный поддон. Плоскость разъема картера находится ниже оси коленчатого вала на 60 мм, что обеспечивает блоку необходимую жесткость. В поддоне установлен маслоприемник и имеется сливное отверстие, закрытое магнитной пробкой.

С правой стороны в приливе картера установлен масляный насос. С левой стороны закреплена трубка с маслоизмерительным щупом.

На передней части установлены водяной насос и крышка распределительных шестерен.

К задней плоскости крепится чугунный картер маховика и сцепления, к которому крепится стартер.

Головка является крышкой, закрывающей цилиндры, двигатель ЗИЛ-131 имеет отдельные головки для каждого рада цилиндров. Головки отлиты из алюминиевого сплава. Каждая головка устанавливается на секции на двух направляющих штифтах и крепится к блоку тринадцатью болтами через сталеасбестовую прокладку, предотвращающую прорыв газов наружу и попадание охлаждающей жидкости в цилиндры. При установке прокладки на двигатель обе ее стороны натирают графитом, что предохраняет ее от пригорания. В головке под цилиндрами расположены полностью обработанные камеры сгорания полуклиновой формы; седла клапанов; направляющие втулки клапанов; оси коромысел с коромыслами; впускные и выпускные каналы; резьбовые гнезда под свечи зажигания.

Двойные стенки отливки головки образуют водяную рубашку, сообщающуюся с водяной рубашкой блока.

К выпускным клапанам головок с наружной стороны присоединяются выпускные трубопроводы. К впускным каналам головок с внутренней стороны присоединяются впускные трубопроводы.

Клапанный механизм на головках закрыт стальными штампованными крышками, которые крепятся шпильками с гайками. Под крышки установлены прокладки. Между головками над блоком закреплена отлитая из алюминиевого сплава крышка, в которой расположены впускные каналы системы питания и водяные каналы системы охлаждения. С впускными каналами соединен карбюратор, закрепленный на крышке. Кроме того, на крышке крепятся маслозаливная горловина с воздушным фильтром и центробежный масляный фильтр.

Под крышкой между рядами цилиндров расположены гнезда под опоры распределительного вала и толкателей и главные масляные магистрали.

Давление газов во время рабочего хода воспринимает поршень и передает его через палец и шатун коленчатому валу. В цилиндре поршень движется неравномерно. В крайних положениях (НМТ и ВМТ) его скорость равна нулю, около середины хода достигает максимального значения. В результате этого возникают большие силы инерции, на величину которых влияет масса поршня и угловая скорость КВ. Кроме механических нагрузок поршень подвергается воздействию высоких температур в период сгорания топлива и расширения образовавшихся газов. Он нагревается также вследствие трения его боковой поверхности о стенки цилиндра.

Поршень изготовлен из алюминиевого сплава АЛ-30. Он состоит из трех частей (рис. 2.3): днище; головка; юбка. Днище поршня плоское. На нем для правильной сборки с шатуном и установки в цилиндры есть лыска. Также на днище выбиваются метки по размеру и массе. В головку поршня помещены три компрессионных и одно маслосъемное кольцо. В верхнюю часть головки залита чугунная вставка, в которой проточена канавка для верхнего компрессионного кольца, что улучшает условия его работы. Кольца отлиты под давлением из легированного чугуна и имеют прямой замок. На верхней внутренней кромке каждого кольца сделана выточка, которая уменьшает насосное действие колеи. В свободном состоянии кольца больше внутреннего диаметра цилиндра поэтому кольцо, поставленное в канавку поршня и введенное в сжатом состоянии в цилиндр, разжимаясь, плотно прилегает к зеркалу цилиндра. Зазор между кольцом и канавкой – 0,02—0,08 мм, а в замке— у верхнего – 0,25—0,6 мм, у нижнего – 0,15—0,7 мм, что позволяет кольцу расширяться при нагревании. Без зазора кольцо в канавке заклинит. С выточкой кольцо выгибается в канавке, что почти исключает его перемещение в ней. Чтобы улучшить приработку колец и повысить их износоустойчивость, два верхних кольца покрыты пористым хромом, а нижнее подвергнуто электрическому лужению.

Маслосъемное кольцо сборное. Оно состоит из двух стальных кольцевых дисков с хромированной рабочей поверхностью; осевого расширителя; радиального расширителя. Кольцо установлено в нижнюю канавку поршня, имеющую радиальные отверстия в его стенке для прохода масла. Составное кольцо оказывает давление на стенки цилиндра и очищает его от излишков масла.

С 1977 года ЗИЛ выпускает двигатели с бесшплинтовым креплением гаек болтов шатуна. Новый комплект: болт – гайка – шайба взаимозаменяем со старым комплектом болт – гайка – шплинт, момент затяжки 8–9 кг-см.

В средней части юбки расположены приливы момент затяжки 8–9 кг-см бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца. Так как зазор между поршнем и цилиндром 0,03—0,05 мм, а алюминий расширяется больше чугуна, то зазор исключает заклинивание поршня при нагревании. П-образный разрез препятствует отводу тепла от головки к юбке поршня. При установке поршня в цилиндр его вырез должен быть обращен в сторону переднего вала.

Поршень устанавливают в цилиндр холодного двигателя с минимальным зазором по большой оси овала, располагаемой в плоскости сечения шатуна. При нагревании поршень расширяется преимущественно в направлении малой оси овала. Здесь между поршнем и цилиндром большой зазор, и заклинивание исключено.

Для лучшего уравновешивания двигателя поршни подбирают одинаковой массы. Разница массы поршней одного двигателя не должна превышать 2–8 г. Поршень с верхней головкой шатуна соединяет поршневой палец. Он должен быть легким, прочным и износостойким, так как во время работы подвергается большим механическим нагрузкам и трению. Палец изготовлен из высококачественной стали в виде пустотелой трубки, поршневой палец закален ТВЧ, закреплен в отверстиях бобышек двумя стопорными пружинными кольцами. Поршневой палец плавающего типа устанавливается в бобышки с натягом. Сборка проводится при нагреве поршня в масле цилиндра вправо на 1,6 мм, что уменьшает стук поршня в мертвых точках при перекладывании его от стенки к стенке цилиндра.

Шатун (рис. 2.3) служит для соединения поршня с КВ. Он превращает возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение КВ. Основными частями шатуна являются: верхняя головка с запрессованной в ней бронзовой втулкой; стержень; нижняя головка с крышкой.

Шатун должен быть прочным, жестким и легким. Кованый шатун со стержнем двутаврового сечения изготовлен из стали. Для смазки поршневого пальца в верхней головке шатуна просверлено отверстие. В нижней головке шатуна имеется боковое отверстие для разбрызгивания масла. Съемная крышка нижней головки крепится к шатуну двумя болтами. Нижнюю головку шатуна и крышку растачивают вместе для получения отверстия правильной цилиндрической формы, поэтому крышку нельзя переворачивать или переставлять на другие шатуны. В нижней головке установлены взаимозаменяемые тонкостенные сталеалюминиевые вкладыши. От проворачивания, сдвигания вкладыши фиксируются в головке шатуна отогнутыми усиками, входящими в соответствующие пазы головки. Во вкладышах имеются масляные канавки и отверстия, для достижения хорошей уравновешенности двигателя шатуны подбирают одинаковой массы для данного двигателя и с соответствующим распределением ее между верхней и нижней головками. Разница в массе шатунов не должна превышать 0 г. Для правильной сборки шатуна с поршнем и крышкой имеются метки.

Коленчатый вал (рис. 2.4) с помощью шатунов воспринимает силы, действующие на поршень от давления газов. Развиваемый на КВ крутящий момент передается механизмам трансмиссии автомобиля.

Коленчатый вал пятиопорный, изготовлен из стали вместе с противовесами методом штамповки; шейки вала закалены ТВЧ на глубину 3,0–6,5 мм. Вал имеет четыре кривошипа с шатунными шейками, к каждой из которых крепятся два шатуна. В шатунных шейках высверлены грязеуловительные камеры, закрытые пробками на резьбе и соединенные с масляными каналами. Вал установлен в стенках и перегородках блока на сталеалюминиевые вкладыши. Крышки коренных подшипников изготовлены из кованого чугуна. Передний подшипник КВ является установочным. По обеим сторонам его расположены сталебабитовые упорные шайбы. Осевой зазор КВ в установочном подшипнике равен 0,1–0,2 мм.

Упорная шайба КВ удерживается от проворачивания шпонкой, установленной в теле носка КВ, а упорные шайбы переднего коренного подшипника— выступами, входящими в прямоугольный паз крышки.

На переднем коште (носке) КВ закреплены на шпонках: упорная шайба коленчатого вала; стальная распределительная шестерня, ступица, шкив привода, вентилятор. Маслоотражатель прижат между распределительной шестерней и ступицей привода вентилятора. В торец ввернут храповик для пусковой рукоятки.

Вал со ступицей шкива входит в крышку распредшестерен, в которой установлен самоподвижный сальник.

На задней шейке КВ имеется маслосбрасывающий гребень, входящий в канавку подшипника, имеющий сливное отверстие.

Маховик (рис. 2.5) служит для: накопления энергии при рабочем ходе; вращения КВ при вспомогательных тактах; уменьшения неравномерности вращения вала; облегчения пуска двигателя; трогания автомобиля с места. Маховик центрируется по фланцу вала. Одно из крепежных отверстий на маховике и фланце смещенного по окружности на 2°, что обеспечивает точное соединение маховика с валом КВ в сборе с маховиком и сцеплением, подвергают динамической и статической балансировке, чтобы не вызвать вибрации двигателя и не ускорить износ коренных вкладышей.

Рис. 2.5. Маховик

Несмотря на хорошую уравновешенность двигателей, во время их работы возникают вибрации, которые не должны передаваться на раму. Поэтому крепление должно обеспечивать уменьшение вибраций, передаваемых на раму, и предотвратить возникновение напряжений на блоке при перекосах рамы вследствие движения автомобиля по неровной дороге.

Двигатель ЗИЛ-131 крепится в трех точках: одна опора спереди; две сзади (лапы картера сцепления).

Передняя опора состоит из: кронштейна, соединенного крышкой распредшестерен; двух резиновых подушек верхних и двух нижних распорных втулок подушек; защитного колпака верхних подушек; болтов крепления двигателя.

Задние опоры состоят из: лапы картера маховика; кронштейна, приклепанного к лонжерону рамы; резиновой подушки (башмака);

болта крепления опоры; болта крепления двигателя; крышки; регулировочных прокладок.

Кроме того, для удержания двигателя от продольного смещения при выключении сцепления, резком разгоне автомобиля или торможении двигатель соединен с передней поперечиной рамы реактивной тягой.