Устройство двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания состоят из механизмов кривошипно-шатунного и газораспределительного и систем: смазки, охлаждения, воздухопитания, питания, выпуска, пуска двигателя [6].

Кривошипно-шатунный механизм

Поршневая группа

Поршневую группу образует поршень в сборе с комплектом колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Назначение поршневой группы – воспринимать давление газов и через шатун передавать его на коленчатый вал, уплотнять надпоршневую полость цилиндра как от прорыва газов в картер, так и излишнего проникновения в нее смазочного масла.

В процессе работы двигателя элементы поршневой группы подвержены воздействию на них переменных тепловых и силовых нагрузок вследствие инерционных сил и сил от высоких давлений газов, возникающих при сгорании топлива. Поэтому детали поршневой группы имеют высокую тепловую напряженность, что учитывается при выборе их конструкции и материала элементов деталей поршневой группы. Элементы поршневой группы разрабатывают с учетом назначения и типа двигателя, но их общее устройство остается одинаковым.

Поршень. Поршень состоит из двух основных частей: верхней части – головки и нижней части – направляющей. Конструкции поршней приведены на рис.7.1. и рис.7.2.Назначение головки – формирование камеры сгорания, теплоотвод основной части теплоты, воспринимаемой поршнем от рабочего тела, и герметизация внутрицилиндрового пространства. Конструкция днища поршней определяется типом двигателя, принятым типом смесеобразования. Для бензиновых двигателей предпочтительна плоская форма днища, отличающаяся наименьшей тепловоспринимающей поверхностью. Это обеспечивает более низкую температуру поршня и лучшее наполнение цилиндра свежим зарядом, снижаются требования к октановому числу применяемого топлива.

Рис.7.1. Основные элементы поршня: 1 – головка; 2 –направляющая (юбка); 3 – днище; 4,5 – огневой и уплотнительный пояса; 6 – бобышки

 

Термостабилизация зазора между цилиндром и направляющей поршня при изменении режимов работы достигается:

1. У малофорсированных бензиновых двигателей на направляющих поверхностях выполняются разрезы Т-, П-образные или косые по всей длине направляющей на той ее стороне, которая не прижимается к цилиндру во время рабочего хода. В холодном состоянии зазор достаточно мал, что устраняет возможность появления стуков поршня о стенки цилиндра.

2. Применение специальных терморегулирующих вставок, размещаемых в верхней части юбки: автотермик, автотерматик, клероматик, диотерматик – в поршень при отливке заливаются стальные вставки, связывающие юбку с бобышками.

3.Для уменьшения работы трения, ускорения приработки, придания юбке высоких антифрикционных свойств, защиты от коррозии на ее рабочую поверхность наносят различные легкоплавкие покрытия (олово и др.).

Для изготовления поршней автотракторных ДВС применяют силумины – сплав алюминия и кремния. Поршни крупных форсированных дизелей изготавливают из специальных жаропрочных чугунов или сталей. В последние годы интенсивно ведутся работы по использованию керамики для изготовления поршней, которая наилучшим образом отвечает требованиям, предъявляемым к материалам поршневой группы.

Поршневой палец. Основные требования к конструкции пальца – высокая усталостная прочность, жесткость и износостойкость при минимальной массе. По способу защемления пальца в верхней головке шатуна различают поршневые пальцы плавающие и защемленные. Защемленные пальцы фиксируются в шатуне. Это позволяет увеличить длину опорной поверхности в бобышках поршня и уменьшить диаметр пальца, а следовательно, и массу верхней головки шатуна.

 

Рис.7.2.Конструкции поршней дизелей: 1 – ребра, соединяющие днище и бобышки поршня; 2 – бобышка; 3 – вырез под клапан

Однако отсутствие возможности перемещения пальца при работе приводит к одностороннему износу и к снижению срока работы пальца.

Поршневые кольца. По назначению кольца разделяются на компрессионные и маслосъемные. Наружную их образующую поверхность, скользящую по зеркалу цилиндра, называют рабочей стороной кольца. По аналогии внутреннюю образующую поверхность кольца называют внутренней стор оной, Торцовые или боковые поверхности соприкасаются со стенками канавок поршня и тоже являются рабочими поверхностями кольца, оказывающими существенное влияние на его эффективность. Расстояние между боковыми поверхностями есть высота кольца. Величину разности между радиусами наружной и внутренней образующими кольца называют радиальной толщиной кольца.

Назначение компрессионных колец – уплотнение цилиндра от прорыва газов из надпоршневой полости. Конструктивно они отличаются большим разнообразием.

В двигателях с искровым зажиганием наибольшее применение в качестве верхнего компрессионного кольца нашли кольца прямоугольного сечения с бочкообразной рабочей поверхностью. Для повышения срока службы наружную поверхность верхнего кольцо покрывают слоем хрома. Второе кольцо для снижения срока приработки покрывают слоем олова или применяют фосфатирование наружной поверхности. В качестве нижнего компрессионного применяют кольца, отличающиеся большим конструктивным многообразием. Маслосъемные кольца удаляют излишки масла со стенок цилиндра, препятствуют проникновению масла в камеру сгорания. Кольца в основном выполняют из специального серого высокопрочного чугуна. Введенные легирующие добавки хром, никель, молибден, ванадий повышают жаропрочность колец. Наиболее современные конструкции колец имеют молибденовые покрытия наружной поверхности, наносимые наплавкой или напылением в плазменной струе. Такое покрытие эффективно предотвращает “прижоги”, благодаря высокой температуры плавления молибдена, а получаемая при нанесении его пористая структура поверхности способствует удержанию масляной пленки. В последние годы стали устанавливать стальные маслосъемные кольца, обладающие повышенной износостойкостью.

Шатунная группа

К шатунной группе относят: шатун с верхней и нижней головками, шатунные болты, вкладыши.

Шатун служит связующим звеном между поршнем и кривошипом коленчатого вала (рис.7.3). Так как поршень совершает прямолинейное возвратно- поступательное движение, а коленчатый вал (КВ) – вращательное, то шатун совершает сложное движение. При работе шатуны подвергаются воздействию знакопеременных, носящих ударный характер нагрузок от действия сил давления газов и инерционных сил. Материал и конструкция шатуна должны обеспечить его высокую усталостную прочность и жесткость при минимальной массе. Таким требованиям удовлетворяют шатуны, стержень которых выполнен в виде двутавра. В конструкции шатуна выделяется три конструктивных элемента – верхняя головка, стержень и нижняя (кривошипная головка).

Рис.7.3. Конструкция шатуна: 1 – верхняя головка шатуна;

2 – бронзовая втулка; 3 – стержень шатуна; 4 – шатунный болт;