Показатели двигателя внутреннего сгорания

В качестве показателя работоспособности цикла на практике используется не индикаторная работа L_i, которая определяется не только совершенством организации рабочих процессов, но и раз­мерностью двигателя, а удельный показатель p_i, который представля­ет собой индикаторную работу цикла, снимаемую с единицы рабочего объема p_i = L_i / V_h. Объем p_i имеет размерность давления и называется средним индикаторным давлением.

Индикаторный КПД, оценивающий экономичность действительного цикла, показывает, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q₁, преобразуется в индикаторную работу η_i = L_i / Q₁.

Ин­дикаторной мощностью называется индикаторная работа, получаемая за 1 с, N_i = L_i/t_ц, где t_ц — время реализации одного рабочего цикла. Если частота вращения коленчатого вала двигателя n, мин ^-1, то величина обратная (1/n) — время одного оборота в минутах и 60/n — в секундах. В этом случае t_ц=(60/n) 0,5 τ, где τ — коэффициент тактности, равный двум для двух- и четырем для четырехтактных двигателей. С учетом того, что L_i=p_iV_h при количестве цилиндров двигателя, равном i, мощность (кВт)

N_i = p_i · n · i · V_h / (30 τ).

Экономичность двигателя оценивается параметром, называемым удельным индикаторным расходом топлива g_i. Этот параметр показывает, какое количество топ­лива расходует двигатель на производство единицы индикатор­ной работы:

g_i = q_ц / L_i.

Величина g_i обычно выражается в г/(кВт·ч), поэтому в чис­лителе этого уравнения расход топлива задают в размерности кг/ч, а в знаменателе в кВт, вследствие чего

g_i = 10³ G_т / N_i.

К эффективным показателям двигателя, учитывающим как тепловые, так и механические потери в двигателе, относятся среднее эффективное давление, эффективная мощность, литро­вая мощность, эффективный КПД и удельный эф­фективный расход топлива.

Постоянное давление, которое, дейст­вуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную эффективной работе на коленчатом валу двига­теля за рабочий цикл, называют средним эффективным дав­лением р_е. Среднее эффективное давление меньше среднего индикатор­ного давления р_i на величину среднего давления механических потерь р_м, т. е. р_е = р_i – р_м.

Часть среднего индикаторного давления, расходуемого на меха­нические потери, называют средним давлением механических потерь. Исследованиями установлено, что

для четырехтактных дизельных двигателей

р_м = 1,1 + 0,13 С_п,

для четырехтактных карбюраторных двигателей

р_м = 0,42 + 0,12 С_п,

где С_п = Sn/30 — средняя скорость поршня, м/с.

Эффективной мощностью двигателя N_е называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двига­теля для получения полезной работы. Эффективная мощность меньше индикаторной N_i на величину мощности механических потерь N_м, т.е.

N_е = N_i – N_м.

Величина механических потерь зависит от конструкции, технологии изготовления и качества материала деталей двигателя. К механическим потерям относится мощность, затрачиваемая на преодоление трения между трущимися поверхностями деталей двигателя, на приведение в действие вспомогательных механизмов приборов и агрегатов, на насосные потери (потери на всасывание и выталкивание газов при очистке и зарядке) и на вентиляционные потери.

Механические потери в двигателе характеризуются механическим
КПД η_м, который представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной или отношение среднего эффективного давления к индикаторному, т. е.

η_м = N_e / N_i = p_e / p_i.

Для современных двигателей механический КПД составляет 0,72 ¸ 0,9.

Эф­фективную мощность можно определить, зная значение механического КПД,:

N_e = η_м N_i.

Эффективная мощность двигателя N_e (кВт) аналогично инди­каторной мощности может быть выражена через среднее эффек­тивное давление:

N_e = p_e · n · i · V_h / (30 τ).

М_к = р_е I V_h / (π τ), т.е. эффективный крутящий момент двигателя М_к пропорционален р_е.

Экономичность двигателя оценивается параметром, называемым удельным эффективным расходом топлива g_e, показывающим, какое количество топлива расходует­ся на производство единицы эффективной работы:

g_e = 10³ G_т / N_e.

Номинальную эффективную мощность, снимаемую с единицы рабочего объема двигателя, называют литровой мощностью:

N_л = N_e / i · V_h = p_e · n / (30 τ).

Чем выше литровая мощность, тем меньше рабочий объем и соответственно меньшие габариты и массу имеет двигатель при одинаковой номинальной мощности.

Эффективный КПД η_е оценивает степень использования теплоты топлива с учетом всех видов потерь.

Индикаторный и эффективный КПД связаны между собой соотношением η_е = η_i η_м.

Показатели, характеризующие тепловую и ди­намическую напряженность конструкции двигателя, используют для оценки его надежности и долговечности. Основным показателем является средняя скорость поршня С_п, которая оценивает механическую напряженность, так как определяет уровень нагруженности деталей двигателя инерционными силами, пропорциональными С_п, а также косвенно характеризует износ сопряженных элементов.

Поршневая мощность (кВт/дм²) определяет комплексную напряженность (тепловую и механическую)

N_п = N_е / (i · F_п).

Параметр N_п обозначающий эффективную мощность, приходящу­юся на единицу площади всех поршней, тесно связан с литровой мощностью двигателя, так как с учетом того, что i F_п = i V_h / S,

N_п = N_л · S = p_e · C_п / τ.

где р_е характеризует тепловую и механическую, а C_п — ди­намическую напряженность конструкции двигателя.

В группу массогабаритных показателей входит удельная мас­са (кг/кВт),

g_N = M_дв / N_е,

представляющая собой массу сухого дви­гателя M_дв, отнесенную к его номинальной эффективной мощ­ности, а также литровая масса (кг/л)

g_N = M_дв / (i · V_h).

Эти показатели связаны между собой через литровую мощ­ность:

g_N = g_л / N_л.

Параметр g_л у дизелей больше, чем у карбюраторных двигателей при одинаковом рабочем объеме в основном из-за большей массы элементов конструкции вследствие более высокой их тепловой, механической и динамической напряженности. Для дизелей ха­рактерны большие, чем в двигателях с искровым зажиганием, значения удельной массы , так как ди­зели без наддува имеют, как правило, меньшую N_л.

Методы форсирования двигателей

Степень форсированности оценивают по литровой мощности. Двигатели, имеющие высокие значения N_л, называют фор­сированными.

Под форсированием двигателя понимают комплекс технических мероприятий, способствующих повы­шению литровой мощности. Возможные способы форсирования двигателей следуют из выражения

N_л = N_e / i · V_h = p_e · n / (30 τ).

Из формулы следует, что литровая мощность увеличивается с увеличением номинальной частоты вращения n, среднего эффективного давления р_е или при применении двухтактного рабочего процесса. Увеличение литровой мощности посредством повышения n широко используется в карбюраторных двигателях со­временных моделей, у которых n достигает 6500 мин ^-1 и выше.

Номи­нальная частота вращения дизелей грузовых автомобилей, как правило, не превышает 2600 мин ^-1. По этой причине литровая мощность дизелей без наддува находится в пределах 12…15 кВт/л и существенно уступает аналогичному показателю карбюраторных двигателей, имеющих N_л = 20...50 кВт/л. В настоящее время появляется все большее количество дизелей с номинальной частотой вращения n = 4500...5500 мин ^-1 и литровой мощностью до 20 кВт/л.

Для карбюраторных двигателей форсирование по частоте вращения является одним из основ­ных способов повышения литровой мощности, в отличие от дизелей, для которых этот способ менее харак­терен.

Литровая мощность должна увеличиваться в два раза при переходе с четырехтактного рабочего цикла на двухтактный. В действительности же при этом N_л увеличивается всего лишь в 1,5...1,7 раза вследствие использования лишь части рабо­чего объема на процессы газообмена и вследствие снижения качества очист­ки и наполнения цилиндров, а также в результате дополнитель­ных затрат энергии на привод продувочного насоса.

Большая (на 50...70%) литровая мощность — существенное достоинство двухтактного двигателя, но недоиспользование части рабочего объема цилиндра для получения индикаторной работы приводит к тому, что они имеют заметно более низкие энергоэкономические показатели, чем аналогичные четырехтакт­ные двигатели.

Недостатки двухтактных ДВС:

сравните­льно большая тепловую напряженность элементов цилиндропоршневой группы из-за более кратковременного протекания про­цессов газообмена и, следовательно, меньшего теплоотвода от деталей, формирующих камеру сгорания;

больший теплоподвод в единицу времени, что объясняется вдвое более частым следованием процессов сгорания;

потеря части горючей смеси в период продувки цилиндра, что значительно снижает их экономичность.

Особое место занимает форсирование двигателей по среднему эффективному давлению р_е. При этом существенного увеличения N_л удается достигнуть лишь при увеличении тепловой нагруженности рабочего цикла путем подвода к рабочему телу большего количества теплоты. Однако при подаче в цилиндр большего количества топлива (возрастание цикловой подачи q_ц), необходимого для этого, требует для его полного сжигания и большего количества оки­слителя. На практике это реализуется увеличением количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр дви­гателя под давлением.

Этот способ носит название над­дува двигателя. При этом р_е возраста­ет практически пропорционально уве­личению плотности свежего заряда. На рис. 2.8 изображена схема двигателя с наддувом и механическим приводом компрессора от коленчато­го вала.

Рис.2.8. Схема наддува двигателя с приводным компрессором

Однако при такой системе наддува суще­ственно снижается эко­номичность двигателя, что обусловлено необхо­димостью затрат энер­гии на привод компрес­сора. Наибольшее рас­пространение в практи­ке современного двигателестроения получил газотурбинный наддув, схема которого показана на рис. 2.9. Здесь для привода центробежного компрессора используется энергия отработавших газов, срабатываемая в газовой турбине, конструктивно объединенной с комп­рессором в единый агрегат - турбокомпрес­сор.

Рис.2.9. Схема турбонаддува

Из-за отсутствия при газотурбинном наддуве механи­ческой связи агрегата наддува с коленчатым валом двигателя, заметно ухудшаются тяговые характеристики и при­емистость двигателя. Это связано с инерционностью системы роторов турбокомпрессора, а также с уменьшением энергии отработавших газов при малых нагрузках, в связи с чем, особенно в начале разгона, не обеспечивается подача в цилиндр нужного количества свежего заряда. Эти недостатки можно преодолеть использованием комбинированного наддува. Систе­ма комбинированного наддува выполняется в различных конст­руктивных вариантах и обычно представляет собой определен­ные комбинации газотур­бинного наддува и наддува с приводным компрессором.

Многоцилиндровые двигатели

На современных автомобилях при­меняют четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели. Наиболее распространенные схемы компоновок цилиндров двигателей представле­ны на рис. 2.10. При однорядных схемах компоновки (рис. 2.10, а) оси цилиндра занимают строго верти­кальное положение (двигатели автомобилей ВАЗ-2106 «Жигули», ГАЗ-24-10 и -3102 «Волга» и др.) или расположены под некоторым углом a к вертикали (рис. 13,6), нахо­дящимся в пределах 15—20° (двигатель автомобиля «Москвич-21412»). На большинстве грузовых авто­мобилей применяют двухрядную V-образную (под углом β) компоновку (рис. 2.10, в) цилиндров (дви­гатели автомобилей ЗИЛ-130, КамАЗ-5320, МАЗ-5335, Урал-4320 и ГАЗ-53-12). Двухрядная компо­новка (рис. 2.10, г) имеет углом 180° с противолежащими цилиндрами. Двигатели с таким расположением цилиндров называют оппозитными, они удобно располагаются под полом кузова, например, в автобу­сах.

Рис.2.10. Схемы компоновки цилиндров двигателей

Многоцилиндровые двигатели компонуются из нескольких одноцилиндровых двига­телей, которые конструктивно объединены в одно целое и имеют один общий коленчатый вал. За два оборота коленчатого вала в таком двигателе рабочих ходов будет столько, сколько у него цилиндров, а так как два оборота коленчатого вала соответствуют 720°, то такты рабочего хода будут чередоваться через равные уг­ловые интервалы Θ в зависимости от числа цилиндров i, следовательно, Θ = 720/i.

Например, в четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателях рабочие ходы происходят соответст­венно через 180, 120 и 90° пово­рота коленчатого вала. В каждом ци­линдре осуществляется один и тот же рабочий процесс, но одноименные такты происходят в разные моменты времени, при этом чередование тактов в цилиндрах дви­гателей должно обес­печивать равномерное распределение нагрузки на подшипники коленчатого вала и плавную работу двигателя.

Порядком работы двигателя называется последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах двигателя в течение рабочего цикла. Порядок работы двигателя указывают по чередованию тактов рабочего хо­да, начиная с первого цилиндра.

Тип двигателя и числа цилиндров определяют порядок работы двигателя. Так, у коленчатого вала рядного четырехцилиндрового двигателя (рис. 2.11, а) кривошипы расположены попарно под углом 180°, два крайних — под углом 180° к двум средним. Соответственно поршни цилиндров 1 и 4 при работе двигателя движутся одновре­менно в одном направлении, а порш­ни цилиндров 2 и 3 — в противо­положном.

Рис.2.11. Схемы кривошипно-шатунного механизма рядных двигателей: а – четырехцилиндрового; б – шестицилиндрового; 1-6 – цилиндры; I-VI – кривошипы коленчатого вала соответственно цилиндров 1-6

Порядок работы четырехцилиндровых двигателей может быть 1—3—4—2 (двигатели авто­мобилей семейств ВАЗ, «Москвич» и др.) или 1—2—4—3 (дви­гатели автомобилей ГАЗ-24-10 «Волга», УАЗ-3151).

Шатунные шейки коленчатого вала (рис. 2.11, б) в шестицилиндровом рядном дви­гателе расположены по­парно в трех плоскостях. Такты во всех цилиндрах двигателя в соот­ветствии с расположением кривоши­пов начинаются и кончаются не одно­временно, а смещаются в одной паре цилиндров относительно другой на угол 120 °, и, следовательно, рабо­чие ходы перекрываются на ¹/з хода поршня, что обеспечивает бо­лее равномерное вращение коленча­того вала.

По­рядком работы карбюраторного шестицилиндрового рядного двигателя является 1—5—3—6—2—4 (двигатели автомобилей ЗИЛ-157КД, ГАЗ-52-04). Возможны и другие порядки работы карбюратор­ного шестицилиндрового двигателя.

Наиболее совершенным для шестицилиндровых дизелей является V-образный вариант двигателя с развалом цилиндров под углом 90° (рис. 2.12, а) и с порядком работы 1—4—2—5—3—6 (двигатель ЯМЗ-236). Преимущества компоновочных схем этого типа по сравнению с компо­новочными схемами рядных двига­телей привело к широкому распростране­нию дизелей и карбюраторных дви­гателей с V-образным расположе­нием цилиндров.

Рис.2.12. Схемы кривошипного механизма V-образных двигателей: а – шестицилиндрового; б – восьмицилиндрового; 1-8 – цилиндры; I-VIII – кривошипы

коленчатого вала соответственно цилиндров 1-8

К преимуществам таких двигате­лей следует отнести их меньшую высоту и габаритную длину, что позволяет улучшить компо­новку автомобиля в целом.

Недостатками V-образных двига­телей являются более сложная от­ливка блока и увеличение габарит­ной ширины его по сравнению с ряд­ным двигателем.

Восьмицилиндровые V-образные двигатели (рис. 2.12, б) установлены на грузовых автомобилях ЗИЛ-130, ГАЗ-53-12, КамАЗ-5320 и др. Цилиндры в таких двигателях расположены в два ряда по ходу автомобиля, угол развала между рядами цилиндров составляет 90°. Один ряд цилиндров несколько смещен относительно дру­гого ряда, что обусловлено установ­кой двух шатунов на каждую шейку коленчатого вала.

В восьмицилиндровом V-образном двигателе порядок работы 1—5—4—2—6—3—7—8. При таком порядке работы рабочие ходы следу­ют один за другим с перекрытием на ¹/₂ хода поршня, что обеспе­чивает равномерное вра­щение коленчатого вала и урав­новешивание сил инерции, возникаю­щих в процессе работы восьмицилиндрового двигателя.

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

В состав кривошипно-шатунного механизма двигателя входят блок цилиндров, служащий остовом двигателя, цилиндры, головка блока цилиндров, поддон картера, поршни с кольцами и поршневыми пальцами, шатун, коленча­тый вал, маховик.

Блок и головка цилиндров

Блок цилиндров. У V-образных двигателей блок цилиндров (рис.3.1) представляет собой массивный литой корпус 3, снаружи и внутри которого монтируются все механизмы и си­стемы.

Рис.3.1. Блок цилиндров V-образного двигателя:

а – общий вид; б – вид сзади

В литых поперечинах картера 4, находящегося в нижней части блока, расположены опорные гнез­да для подшипников 6 коленчатого вала. Такую отливку часто называют блок-картером 5. В средней части блока цилиндров имеются отверстия 7 для установки подшипников скольжения под опор­ные шейки распределительного вала.

Плоскость разъема блока может проходить по оси коленчатого вала или быть смещенной относительно нее вниз. Стальной штампо­ванный поддон, служащий резервуа­ром для масла, крепится к нижней части блок-картера. По каналам в блоке масло из поддона подается к тру­щимся деталям двигателя.

Для повышения жесткости блока цилинд­ров на V-образных двигателях (ЗИЛ-130, ЗМЗ-53-11, ЯМЗ-238 и др.) его плоскость делают разъемной и распо­лагают ниже оси коленчатого вала. В отливке блока цилиндров имеет­ся рубашка для жидкостного охлаж­дения двигателя, представляющая собой полость 8 (рис. 3.1,б) между стенками блока и наружной по­верхностью вставных гильз 2. По обеим сторонам блока цилиндров расположены два канала 1 (рис. 3.1, а), через которые и подается ох­лаждающая жидкость в рубашку охлаждения. К передней части блока цилиндров крепится крышка распределительных шестерен, а к задней — картер сцеп­ления.

Блоки цилиндров отливаются из серого чугуна (у двигателей автомобилей семейств ЗИЛ, КамАЗ, МАЗ и ВАЗ) или из алюминиевого сплава (у двигателей автомобилей ГАЗ-3110 «Волга», «Москвич-21412»).

Рабочий цикл двигателя происходит замкнутом пространстве, образованном рабочей поверхностью цилиндров (рис. 3.2), которая является направляющей при движении поршня, и головкой блока цилиндров. Для плотного прилегания поршня и поршневых колец к ци­линдру и для уменьшения сил трения между ними внутреннюю полость цилиндров тщательно обрабатывают с высокой степенью точности и чис­тоты, поэтому она называется зер­калом цилиндра. На зеркале ци­линдров наносят мелкую (ромбовид­ную) сетку для лучшего удержания смазочного материала.

Цилиндры изго­товливают отдельно от блока 1 в виде вставных гильз или отливают как одно целое со стенками рубашки охлаждения 2 (рис. 3.2, б). Вставные гильзы подразде­ляются на «сухие» гильзы 5, запрес­сованные в расточенный блок (см. рис. 3.2, а), и сменные «мокрые» гильзы 7 (см. рис. 3.2,6—д), омываемые с на­ружной стороны охлаждающей жид­костью.

Верх­няя часть цилиндров сильно нагревается при сгорании рабочей смеси и подвергается окислительно­му воздействию продуктов сгорания, поэтому в верхнюю часть блока цилиндров или гильз, как правило, запрессовывают короткие вставки 3 — сухие гильзы длиной 40—50 мм (у двигателей автомобилей ЗИЛ-130, ГАЗ-3110 «Волга», ГАЗ-53-12 и др.). Вставки 3 (см. рис. 3.2, д) производят из легирован­ного чугуна, обладающего высокой износо- и коррозионной стойкостью.

Рис.3.2. Схемы цилиндров двигателя: а – с сухой гильзой;

б - с короткой сухой вставкой; в - д – с мокрыми гильзами

При установке мокрой гильзы ее бурт 6 (см. рис. 3.2, в) выступает над плоскостью разъема на 0,02— 0,15 мм. Это предназначено для уплотнения гильзы путем прижатия бурта через прокладку 4 (см. рис. 3.2, а) между блоком и головкой цилиндра. В нижней части гильза уплотняется двумя резиновы­ми кольцами 8 (см. рис. 3.2, г) (двигатели ЗИЛ-130, ЯМЗ-236, КамАЗ-740 и др.) или медными про­кладками 9 (см. рис. 3.2, д), уста­новленными по торцу нижнего пояса гильзы (двигатели автомобилей семейств ГАЗ, «Москвич» и др.).

Преимущественное применение в двигателях мокрых гильз связано с тем, что они обеспечивают лучший отвод тепла. В результате чего повышается работо­способность и срок службы деталей цилиндропоршневой группы, снижаются затраты, связанные с ремонтом двигателей.

Головка блока цилиндров. В головке блока ци­линдров расположены камеры сгорания (рис. 3.3), в которых установлены впускные и выпускные клапаны 1, свечи зажигания 2 или форсунки 5.

Де­тали и узлы привода клапанного механизма крепятся на головке блока цилиндров.

Рис.3.3. Формы камер сгорания: а - карбюраторных двигателей; б – дизелей;

I – цилиндрическая; II – клиновая; III – смещенная (Г-образная); IV – полусферическая; V и VI – неразделенные; VII и VIII – разделенные; 1 – клапан;

2 – свеча зажигания; 3 – насос-форсунка; 4 – камера сгорания; 5 – форсунка;

6 – предкамера; 7 – основная камера; 8 – вихревая камера

Форма камеры сгорания значительное влияние на процесс смесеобразования как в карбюратор­ных двигателях, так и в дизелях. В карбюраторных двигателях (рис. 3.3, а) наибольшее распространение получили цилиндрические I, клиновые II и полусфе­рические IV камеры с верхним расположением клапанов. У дизелей (рис. 3.3, б) широкое применение находят неразделенные V, VI и разделенные VII и VIII камеры сгорания, состоящие из вспомога­тельного небольшого пространства (предкамеры 6 или вихревой камеры 8) и основной камеры сгорания 7, соединенных между собой каналами.

У двигателей автомобилей КамАЗ каждый цилиндр снабжен отдельной головкой цилиндра. Двигатели с рядным расположе­нием цилиндров имеют одну общую головку цилиндров, двигатели с V-образным расположением цилинд­ров - две (двигатели ЗИЛ-130, ГАЗ-53-11) или четыре на каждые три цилиндра (двигатель ЯМЗ-240).

На рис. 3.4 показана головка цилиндра двигателя ЗИЛ-130, которая содержит камеры сгорания 1 с вставными седлами 3 впускных клапанов, седлами 4 выпускных клапанов и с отверстиями 2 для свечей зажигания 7 (см. рис. 3.4, 6).

Головка блока цилиндров крепится к бло­ку при помощи шпилек с гайками или болтами, которые затягивают рав­номерно в определенной последова­тельности с установленным для каж­дого двигателя моментом затяжки.

Рис.3.4. Головка блока цилиндров V-образного двигателя: а – вид со стороны камер сгорания; б – вид со стороны коромысел

Одна боковая поверхность имеет каналы 5 (см. рис. 3.4, а) для подвода горючей смеси и каналы 6 для циркуляции охлаж­дающей жидкости, а другая — каналы 8 (см. рис. 3.4, б) для отвода отработавших газов. В каждой каме­ре сгорания имеются отверстия для запрессовки направляющих втулок клапанов. Плоскость разъема между блоком цилиндров и головками уплотняют сталеасбестовыми про­кладками.

Поршневая группа и шатуны

Поршень воспринимает давление га­зов при такте рабочего хода и передает его через шатун на коленчатый вал. Поршень состоит из трех частей (рис. 3.5): дни­ща 5, уплотняющей части 6 с про­точенными в ней канавками для поршневых колец и юбки 7, которая соприкасается с по­верхностью зеркала цилиндра.

Рис.3.5. Поршни: а – карбюраторных двигателей;

б – дизелей КамАЗ; в – дизелей ЯМЗ

Днище поршня вместе непосредственно вос­принимает давление газов: оно мо­жет быть плоским (двигатели ЗИЛ-130, ГАЗ-53-11), выпуклым (двига­тель автомобиля «Москвич-21412») и фасонным (дизели ЯМЗ, КамАЗ). Наибольшее распространение в карбюраторных двигателях получили плоские днища (см. рис. 3.5, а) из-за простоты изготовления. Днище 5 и уплотняю­щая часть 6 составляют головку поршня, на которой располагаются компрессионные и маслосъемные кольца 3. Число колец зависит от частоты вращения коленчатого вала и от типа двигателя. Зазор между го­ловкой поршня и стенкой цилиндра находится в пределах 0,4—0,6 мм.

Направляющей при движении поршня в цилиндре является юбка 7 поршня, имеющая форму конуса овального сечения. С внутренней стороны она имеет охлаждающие ребра и прили­вы - бобышки 2 с отверстиями для поршневого пальца 8 (см. рис. 3.5, б). У некоторых двигателей на юбке поршня с одной стороны сделаны Т- или П-образные тепловые прорези, предупре­ждающие заклинивание поршня при нагревании. Зазор между его юбкой и зеркалом цилиндра требуется для свободного перемещения поршня. При нормальном тепловом состоянии (80-95 °С) для различ­ных моделей двигателей этот зазор равен 0,04-0,08 мм.

На поверхности поршня около торцов поршневого паль­ца делают местные углубления — холодильники 1 (см. рис. 3.5, а) для предотвращения задиров при нагреве, отводу тепла от поршня и улучшения условий его смазывания.

В днище поршня в дизелях с непосредственным впрыском (КамАЗ-740, ЯМЗ-238) распо­лагается камера сгорания (см. рис. 3.5, б, в), а юбка поршня имеет форму конуса овального сечения, но без прорезей, что делает ее достаточно прочной. Кроме того, в ниж­ней части юбки поршня отдельных двигателей (КамАЗ-740, ВАЗ-2108) имеются боковые выемки для прохо­да противовесов коленчатого вала. Для уменьшения силы инерции возвратно-поступательно движущих­ся масс поршни, как правило, изготовляют из легких кремнистых алюминиевых сплавов. Поршни на одном двигателе не должны отли­чаться по массе более чем на 2—8 г.

Для по­вышения износостойкости первой канавки днища поршня, подвергающегося воздействию вы­соких температур, под верхнее поршне­вое кольцо устанавливают чугунную кольцевую вставку (у двигателей ЗИЛ-130, КамАЗ-740 и др.).

Поршень при переходе через ВМТ смещается в боковом направлении от одной стенки цилиндра к другой, что сопровождается стуком. Для его устранения ось отверстия под порш­невой палец сдвигают на 1,6 мм от диаметральной плоскости поршня в правую сторону двигателя (по ходу движения автомобиля).

Боковое давле­ние во время рабочего хода должна испы­тывать та часть поршня, где нет тепловых прорезей. Поэтому на днище поршня делают метку 4 (см. рис. 3.5, а) или стрелку, которая при установке поршня в цилиндр, должна быть обращена к передней части двигателя.

Поршневые кольца предназначены для уплот­нения камеры сгорания и обеспе­чения герметичности соединения де­талей поршень - цилиндр - канав­ки. Также, при сгорании рабо­чей смеси значительное количество тепла поглощается поршнем и отво­дится от него поршневыми кольца­ми.

Поршневое кольцо (рис. 3.6) представляет собой плос­кую разрезную пружину с зазором, называющимся замком.

Рис.3.6. Поршневые кольца: а – типы поршневых колец;

б – расположение колец на поршне

Благодаря замку кольца могут свободно расширяться при их нагревании в процессе работы двигателя, а также появляется возможность устанавливать кольца на поршень.

Поршне­вые кольца делятся на компрессион­ные и маслосъемные.

Компрессионные кольца 1 (рис. 3.6, а) должны иметь опре­деленный зазор (0,02—0,07 мм) по высоте к канавке поршня. Уста­новленные в цилиндр поршневые кольца сжимаются до небольшого зазора в замке и плотно придавливаются к по­верхности цилиндра, что предотвра­щает прорыв газов в картер двига­теля и попадание масла со стенок цилиндра в камеру сгорания. Излишки масла со стенок цилиндра и отводит его в поддон картера осуществляет маслосъемное кольцо 2.

Поршневые кольца изготовляют из легированного чугуна, а для двигателей с большими динамичес­кими нагрузками — из специальной стали.

Для повышения износостойкости поверхность верхнего компрес­сионного кольца подвергают порис­тому хромированию, а остальные кольца для ускорения приработки покрывают тонким слоем олова или молибдена.

Чугунное маслосъемное кольцо 2 имеет в отличие от компрессионного про­рези 9 для прохода масла. Для отвода масла внутрь поршня в ка­навке поршня под маслосъемное кольцо сверлят один или два ряда отверстий. На некоторых двигателях устанавливают стальные составные маслосъемные кольца. Так в двига­теле ЗИЛ-130 на каждом поршне применяют три компрессионных кольца и одно составное маслосъемное. Составное маслосъемное кольцо состоит из двух стальных кольцевых дисков 3 и двух расширителей: осевого 4 и радиального 5.

Выточки 8 на внутренних цилинд­рических поверхностях колец должны быть обращены вверх, в сторону днища поршня. Наружная поверхность нижнего компрессионного кольца 6 имеет небольшую конусность, боль­шее основание которого обращено вниз. Это способствует лучшему уплотнению соединения поршень - цилиндр. У большинства двигателей зазор в замках двух верхних компрессион­ных колец и чугунного маслосъемного составляет 0,25-0,60 мм, в ниж­нем компрессионном кольце — 0,15-0,40 мм, а в замке кольцевых дис­ков составного маслосъемного коль­ца — 0,8-1,4 мм.

Замки всех колец при наличии чугунного маслосъемного кольца при установке на поршень распо­лагают по окружности под углом 90°. При установке стального состав­ного маслосъемного кольца на рав­ные угловые интервалы сдвигаются только замки компрессионных колец.

Поршневой палец служит для шарнирно­го соединения поршня с верхней головкой шатуна. Через пальцы передаются значительные усилия, поэтому их изготовляют из легированных или углеродистых сталей с последующей цементацией или закалкой то­ками высокой частоты. Поршневой палец 6 (рис. 3.7) - это толстостенная трубка с тща­тельно отшлифованной наружной по­верхностью, проходящая через верх­нюю головку шатуна и концами опирающаяся на бобышки 3 пор­шня 2.

Пальцы по способу соединения с шатуном и поршнем делятся на пла­вающие и закрепленные (обычно в головке шатуна). Плавающие поршневые пальцы получили наибольшее рас­пространение, так как они свободно поворачиваются в бобышках и во втулке 7, установленной в верхней головке шатуна. Стопорные кольца 5, распо­ложенными в выточках бобышек поршня, ограничива­ют осевое перемеще­ние поршневого пальца.

Рис.3.7. Шатунно-поршневая группа

Так как коэффи­циент линейного расширения алю­миниевого сплава и стали различен, в бо­бышках поршня при работающем двигателе возможны стуки. Для устранения этого явления палец в бобышках устанавливают с натягом 0,01-0,02 мм, нагревая поршень до температуры 80-90 °С, что обес­печивает поддержание нормального теплового зазора (0,01-0,03 мм) в этом сопряжении на всех режимах работы двигателя.

Шатунсоединяет поршень с кривошипом коленчатого вала и обеспечивает при такте ра­бочего хода передачу усилия от дав­ления газов на поршень к коленча­тому валу, а при вспомогательных тактах (впуск, сжатие, выпуск), нао­борот - от коленчатого вала к поршню. При работе двигателя шатун совер­шает сложное движение: он движет­ся возвратно-поступательно вдоль оси цилиндра и качается относитель­но оси поршневого пальца.

Шатун (см. рис. 3.7) состоит из стержня 9 дву­таврового сечения, верхней головки 8, нижней головки 13 и крышки 12. В стержне 9 шатуна при принуди­тельном смазывании плавающего поршневого пальца сверлится сквозное отвер­стие - масляный канал.

Шатун изготавливают из легированной или углеродистой ста­ли. Как правило, нижняя головка 13, должна быть разъемной в плоскости, перпендикулярной к оси шатуна. Если нижняя головка имеет значительные размеры и пре­вышает диаметр цилиндра (у дизе­лей ЯМЗ), плоскость разъема голов­ки делают под углом (косой срез).

Крышка шатуна обра­батывается совместно с нижней го­ловкой, поэтому перестановка крыш­ки с одного шатуна на другой не допускается. На шатунах и крышках с этой целью делают метки.

Для обеспечения высокой точности при сборке нижней головки шатуна его крышку 12 фиксируют шлифован­ными поясками болтов, которые затягивают гайками и стопорят шплинтами или шайбами. В ниж­нюю головку вставляют шатун­ный подшипник в виде тонкостенных стальных вкладышей 10, которые с внутренней стороны покрыты слоем антифрикционного сплава. От осевого смещения и провертывания вкладыши удерживаются выс­тупами (усиками) 11, которые входят в канавки нижней головки шатуна и его крышки.

Для периодического выбрызгивания масла на зеркало ци­линдра или на распределительный вал (у двигателей ЗИЛ-130, ЗМЗ-53-11) в нижней головке шатуна и во вкладыше делается отверстие 4.

Разница в массе шатунов для их лучшей уравновешенности не должна превышать 6-8 г.

Коленчатый вал и маховик

Силы давления газов на поршень, передающиеся ими на коленчатый вал, создают крутящий момент, который при помощи транс­миссии передается на колеса авто­мобиля. Коленчатый вал воспринимает также и силы инерции воз­вратно-поступательно движущихся и вращающихся масс кривошипно-шатунного механизма.

Коленчатый вал штампуют из легированных сталей или отливают из высокопрочных маг­ниевых чугунов (двигатели ЯМЗ, ЗМЗ, ВАЗ и др.).

Конструкция коленчатого вала (рис. 3.8) включает: коренные 6 и шатунные шейки 5, противовесы 17, задний конец с отверстием для установки шарико­подшипника ведущего вала короб­ки передач и фланца 13 для крепле­ния маховика, передний конец, на котором установлен храповик 20 пус­ковой рукоятки и шестерня 19 газо­распределения, шкив 1 привода вен­тилятора, жидкостного насоса и ге­нератора.

Рис.3.8. Коленчатый вал и маховик:

1—шкив; 2— маслоотражатель; 3— упорная шайба; 4— вкладыш коренного подшипника; 5—шатунная шейка; 6—коренная шейка; 7—щека; 8— смазочный канал; 9— шатун; 10— поршень; 11 — зубчатый венец маховика; 12— маслосбрасывающий гребень; 13 — фланец; 14 — маховик15— масляная полость; 16— заглушка; 17— противовес; 18 — крышка подшипни­ка; 19— шестерня газораспределения; 20— храповик

Щеки 7 с шатунными шейками 5 образуют кривошипы. Противовесы 17 служат для разгрузки коренных подшипников от центро­бежных сил. Противовесы изготовляют за одно целое со щеками, имеющими каналы 8 для подвода масла, или прикрепляют к ним болтами. У полноопорного коленча­таго вала с обеих сторон шатунной шейки 5 расположены ко­ренные шейки 6.

Работоспособность кривошипно-шатунного механизма повышается за счет большой жесткостью полноопорных коленчатых валов (двигатели автомобилей ЗИЛ-130, КамАЗ-740, ВАЗ-2108). Число коренных шеек зависит от типа и числа цилиндров двигателя. Например, в четырехцилиндровом двига­теле с рядным расположением ци­линдров их может быть три или пять, в шестицилиндровых — четыре или семь, в V-образных восьмицилиндровых — пять.

Для подвода масла в щеках 7 коленчатого вала прос­верлены наклонные каналы 8 от коренных подшип­ников к масл