Рис. 1.3. Конструкция поршневого двигателя внутреннего сгорания: 1 - поршневой палец; 2 - клапан; 3 - прокладка ГБЦ; 4 - подшипник скольжения распределительного вала; 5 - распределительный вал; 6 - крышка ГБЦ; 7 - детали привода клапана; 8 - корпус ГБЦ; 9 - поршень; 10 - маховик; 11 - коленчатый вал (КВ); 12 - коренной подшипник КВ; 13 - шатунный подшипник КВ; 14 - шатун; 15 - масляный поддон картера блока цилиндров; 16 - цилиндр; 17 - приводной ремень ГРМ; 18 - блок цилиндров
Следует заметить, что не во всех двигателях распределительный вал находится в корпусе ГБЦ, в некоторых, в основном устаревших, конструкциях он находится в подшипниковых гнездах блока цилиндров. Привод клапанов в этом случае осуществляется с помощью направляющих стаканчиков, штанг и коромысел, а распределительный вал приводится в действие шестерней, непосредственно связанной с шестерней коленчатого вала.
Блок двигателя отливается из чугуна или алюминиевого сплава, в нижней части которого, под названием картер (многие путают и называют этим словом масляный поддон блока), располагаются гнезда под подшипники скольжения (вкладыши) коленчатого вала.
Коленчатый вал (рис. 1.4) является одной из основных частей двигателя и состоит из щек 1, коренных 2 и шатунных шеек 3. В передней части вала находится шейка 4 под шестерню привода ГРМ (иногда масляного насоса) и шкив привода вспомогательных агрегатов (генератор, помпа и т. д.). В заднем торце вала расположено гнездо под подшипник ведущего вала коробки передач (КПП) 4 и посадочная поверхность под маховик, который за счет своей массы сглаживает толчки от поршней и обеспечивает безостановочный их «проход» через мертвые точки.
Рис. 1.4. Коленчатый вал двигателя: 1 - шейка привода ГРМ и вспомогательных агрегатов; 2 - щека; 3 - шатунная шейка; 4 - коренная шейка; 5 - противовес; 6' - пробка шламонакопителя; 7 - посадочная поверхность под ступицу маховика
Маховик представляет собой массивное металлическое колесо с зубчатым венцом для зацепления с ведущей шестерней стартера во время запуска двигателя.
Коленчатый вал в основной массе двигателей отливается из высокопрочного чугуна и для 4-цилиндрового двигателя имеет четыре шатунные и пять коренных шеек, закаленных токами высокой частоты (на глубину около 3 мм). Столь глубокая закалка производится для того, чтобы при Последующих ремонтах была возможность восстановить поверхность изношенных или поврежденных шеек путем перешли-фовки на уменьшенный размер, при этом применяются ремонтные, уменьшенные по внутреннему размеру вкладыши.
Вертикальное перемещение поршня ограничивается радиусом кривошипа коленчатого вала. В двух его крайних положениях скорость поршня равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а крайнее нижнее его положение называется нижней мертвой точкой (НМТ).
Расстояние между двумя крайними положениями при движении поршня называют ходом поршня (обычно обозначается латинской буквой S). При этом ход поршня равен двойному радиусу R кривошипа: S=2R.
Что касается рабочего объема двигателя, то он складывается из объемов всех цилиндров, величину объема каждого цилиндра (обозначается как Vh) характеризует пространство между двумя мертвыми точками верхней части поршня (НМТ и ВМТ).
Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания, значение ее объема обозначается как Vc.
Сумма рабочего объема Vh и объема камеры сгорания Vc составляет полный объем цилиндра Va. Эта величина, как правило, отражается в кубических сантиметрах (см³).
Такой параметр, как степень сжатия (Е), определяют исходя из формулы:
Е = (Vc + Vh) Vc = Va/Vc.
Значение степени сжатия влияет на мощность и экономичность двигателя, а также характеризует степень его новизны. Чем больше степень сжатия, тем, как правило, новее конструкторская разработка. Не обошлось при этом и без побочных явлений: чем выше степень сжатия, тем двигатель требовательнее к октановому числу топлива.
Уяснив конструкцию двигателя внутреннего сгорания, можно смело переходить к принципу его работы,
Действие поршневого ДВС основано на использовании разницы, давлений между днищем поршня (давление газов от сгоревшей топливовоздушной смеси) и его нижней частью (где практически присутствует атмосферное давление). Под действием разницы этих давлений поршень будет перемещаться вниз, совершая полезную работу. Для того чтобы двигатель работал непрерывно и мог совершать эту самую полезную работу, его цилиндры необходимо пополнять свежей топливовоздушной смесью и вовремя удалять продукты сгорания. Эти задачи выполняет механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием ответственных за это клапанов.
Работа четырехтактного бензинового двигателя осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (или рабочего хода) и выпуска:
1. Такт впуска (рис. 1.5). Впуск горючей смеси осуществляется после выпуска из цилиндров отработавших газов от предыдущего цикла. Причем некоторое количество этих газов так и не удаляется из цилиндра, при их смешивании со свежей порцией топливовоздушной смеси образуется реальная рабочая смесь.
Рис. 1.5. Такт впуска четырехтактного поршневого двигателя: 1 - впускной клапан; 2 - выпускной клапан; 3 - поршень; 4 - впускной коллектор; 5 - цилиндр; 6 - коленчатый вал; 7 - выпускной коллектор
Впускной клапан 1 начинает открываться с небольшим опережением, еще до прихода поршня 3 в ВМТ. Делается это для того, чтобы получить к моменту прихода поршня к ВМТ наибольшее проходное сечение впускного окна.
По мере того, как поршень перемещается от ВМТ к НМТ (при этом впускной клапан 1 открывается, выпускной клапан 2 закрыт, а коленчатый вал 6 поворачивается на 180°), в цилиндре создается разряжение. Вследствие этого свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается поршнем через впускной коллектор 4 в цилиндр 5.
2. Такт сжатия (рис. 1.6). После того, как поршень достигает НМТ, можно считать, что цилиндр полностью заполнен горючей смесью, и при дальнейшем вращении коленчатого вала (еще на 180°) поршень перемещается от НМТ к ВМТ, сжимая ее вплоть до достижения поршня ВМТ (оба клапана 1 и 2 при этом закрыты). По мере уменьшения объема над днищем поршня температура и давление рабочей смеси повышаются.
Рис. 1.6. Такт сжатия четырехтактного поршневого двигателя: 1 - впускной клапан; 2 - выпускной клапан; 3 - поршень; 4 - впускной коллектор; 5 - цилиндр; 6 - коленчатый вал; 7 - выпускной коллектор
3. Такт расширения (или рабочий ход) (рис. 1.7). В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры (подающейся несколько раньше, чем поршень достигнет ВМТ) и относительно быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения коленчатый вал, приводимый энергией сгораемой топливовоздушной смеси, поворачивается еще на 180°, совершая тем самым полезную механическую работу.
Рис. 1.7. Такт расширения четырехтактного поршневого двигателя: 1 - впускной клапан; 2 - выпускной клапан; 3 - поршень; 4 - впускной коллектор; 5 - цилиндр; 6 - коленчатый вал; 7 - выпускной коллектор
В конце рабочего хода поршня (при приближении его к НМТ) открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура до 950-1200°C.
4. Такт выпуска (рис. 1.8). Во время этого такта коленчатый вал совершает поворот на 180°, поршень перемещается от НМТ к ВМТ, выталкивая продукты сгорания в выпускной коллектор 7 (при этом выпускной клапан открыт, а впускной закрыт).
Рис. 1.8. Такт выпуска четырехтактного поршневого двигателя: 1 - впускной клапан; 2 - выпускной клапан; 3 - поршень; 4 - впускной коллектор; 5 - цилиндр; 6 - коленчатый вал; 7 - выпускной коллектор
Работа четырехтактного дизельного двигателя также осуществляется за два оборота коленчатого вала, но при этом имеются существенные отличия от работы бензинового двигателя:
1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре образуется разряжение и через воздушный фильтр в его полость (при этом впускной клапан открыт) поступает атмосферный воздух при температуре 30-60°C и давлении немного ниже атмосферного.
2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ (впускной и выпускной клапаны при этом закрыты), сжимая вследствие этого поступивший воздух. Для надежного воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления.
Материал скопирован с ресурса: www.PEUGEOTBOOK.ru
3. Такт расширения (или рабочий ход). Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, начинается процесс сгорания с быстрым повышением температуры и давления (в этот момент оба клапана закрыты). При этом максимальное давление газов достигает 6-10 МПа, а температура 1800-2000°C. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ, тем самым совершая полезную работу.
4. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ (выпускной клапан открыт, а впускной закрыт), выталкивая в выпускной коллектор отработавнные газы, температура которых снижается к этому моменту до 700°C.
После завершения последнего такта рабочий цикл повторяется заново, в той же самой последовательности.
В конце этой главы рассмотрим конструкцию и принцип работы роторно-поршневого двигателя Ванкеля, который не только не собирается сходить с конвейерного производства, но, как показывает последняя спортивная модель японской фирмы «Mazda» («Mazda RX-8»), значительно улучшил свои технические характеристики, а по такому немаловажному показателю, как надежность, вплотную подошел к своим поршневым собратьям.
Особенностью этого двигателя (рис. 1.9) является применение вращающегося по определенной траектории треугольного ротора 1 с выемками в качестве камеры сгорания. Ротор работает внутри статора 2, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде — сложной геометрической кривой, с таким расчетом, чтобы между краями ротора при его движении и рабочей поверхностью статора всегда был одинаковый зазор. Постоянство зазора обеспечивают две шестерни: первая 3 с внутренним зацеплением жестко закреплена на самом роторе, которая при его движении «обкатывает» вторую 4, неподвижно закрепленную на торцевой крышке 5 статора. Ротор делит «цилиндр» на три равные изолированные полости, которые при его движении циклически изменяют свой объем, тем самым позволяя осуществить впуск топливовоздушной смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск отработавших газов по аналогии с поршневыми ДВС. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами 6, которые прижимаются к поверхности цилиндра плоскими ленточными пружинами, а после запуска двигателя — дополнительно давлением сжатого газа и центробежными силами.
Рис. 1.9. Конструкция РПД: 1 - ротор; 2 - статор; 3 - шестерня ротора; 4 - шестерня статора; 5 - крышка статора; 6 - уплотнители ротора; 7 - вал ротора; 8 - впускное окно; 9 - выпускное окно; 10 - карбюратор; 11 - масляный поддон; 12 - свеча зажигания
Ротор крепится на некое подобие коленчатого вала 7, единственным коленом которого является эксцентрик. К валу крепится маховик и механизм сцепления, ничем не отличающиеся от аналогичных узлов, применяемых на обычном поршневом двигателе.
Принцип работы РПД практически не отличается от принципа работы обычного поршневого двигателя, те же 4 такта (правда, не за два оборота вала, а за один), те же самые системы питания, зажигания, смазки, охлаждения и запуска. Отсутствует лишь механизм газораспределения, который с успехом заменяет сам ротор, перекрывая в нужный момент впускные и выпускные окна статора.
В следующей главе читатель узнает о среднем ресурсе основных составляющих автомобильного ДВС. Эта информация поможет ориентироваться в остаточном ресурсе деталей как во время эксплуатации автомобиля, так и во время капитального ремонта двигателя.