Классификация автомобильных двигателей

Перспективы развития автомобильных двигателей

3. Развитие двигателестроения в разных странах имеет свои особенности, обусловленные различным уровнем промышленного потенциала, состоянием топливных ресурсов, традициями и спросом. Однако основные направления поисков при этом остаются общими. Сегодняшние усилия специалистов направлены в основном на разработку и изготовление современных легких и компактных, мощных и экономичных двигателей, в отработавших газах которых содержался бы минимум токсичных веществ. В последнее время значительно повысились и требования к уровню шума и вибрации. Таково настоятельное веление экологии.

За рубежом отмечают, что даже при интенсивных поисках и исследованиях, приводящих к созданию новых типов двигателей, часто весьма необычных, поршневые двигатели внутреннего сгорания останутся основным типом транспортных двигателей как в XX, так и в начале XXI века. Несмотря на их солидную историю ДВС (бензиновый двигатель недавно отпраздновал свой столетний юбилей), инженерная мысль постоянно находит что-то новое или даже вновь возвращается к забытому старому.

Как снизить трение

5.
Поиски путей повышения механического КПД привели в первую очередь к стремлению максимально уменьшить площади трущихся поверхностей, снизить затраты мощности на привод вспомогательных механизмов, применять смазочные масла с пониженной вязкостью и определенными присадками.

 

Современный четырехцилиндровый быстроходный бензиновый двигатель

6.

7. Многие ведущие фирмы, разрабатывающие и производящие двигатели для транспортных средств, исследуют возможности улучшения качества обработки внутренних поверхностей цилиндров и облегчения возвратно-поступательно движущихся частей. Последнее приводит к уменьшению сил инерции, что позволяет уменьшить диаметр шеек коленчатого вала и соответственно снизить потери на трение в подшипниках скольжения.

Делаются попытки снизить трение в паре цилиндр-поршень. Например, предлагается изготовлять поршни с площадками трения, выступающими над поверхностью направляющей части поршня на 25 мкм. Две такие площадки делают на противоположных сторонах диаметра под нижним поршневым кольцом и по одной на нижней части юбки симметрично плоскости качания шатуна. Общая площадь трения поршня о стенки цилиндра при этом уменьшается на 40—70% (в зависимости от длины юбки поршня) по сравнению с поршнями обычной конструкции. Для создания лучших условий гидродинамической смазки и сохранения устойчивого масляного клина между трущимися поверхностями кромки этих контактных площадок были скошены под углом 1°.

Стендовые испытания показали, что в бензиновых двигателях и дизелях с такими модифицированными поршнями потери на трение уменьшаются на 7—11%, достигается экономия топлива при работе на полной нагрузке на 0,7—1,5%, а эффективная мощность возрастает на 1,5—2%.

Важно не только снизить потери на трение, но и повысить надежность трущихся пар. Современная технология открывает широкие возможности: износостойкие и антикоррозионные покрытия, термомеханическая обработка поверхностей, плазменное напыление порошкообразных твердых сплавов и многое другое.

Материалы будущего

9.
Завтрашний день моторостроения все теснее связывается с использованием легких сплавов, композиционных и пластических материалов, керамики.

Так, в прошлом году выпуск западными фирмами двигателей с блоками цилиндров из алюминиевых сплавов достиг 50% от общего производства, а головок цилиндров из легких сплавов — 75%. Практически все быстроходные двигатели малого и среднего рабочего объема комплектуются поршнями из алюминиевых сплавов.

Японские автомобильные фирмы используют на серийно выпускаемых двигателях головки блока из сплава алюминия с титаном.

В США ведутся работы по изготовлению блоков методом штамповки из низкоуглеродистой стали толщиной всего 2,3 мм. Это удешевляет производство и дает экономию в весе по сравнению с чугунным блоком (вес штампованного стального блока не превышает веса блока, отлитого из алюминиевого сплава). Для деталей двигателя, работающих в условиях большого перепада температур, проводятся эксперименты по армированию алюминиевых сплавов волокнами бора.

Работы по созданию деталей двигателя из композиционных материалов с волоконным армированием (главным образом, шатунов и поршневых пальцев) начаты в ФРГ. Во время предварительных испытаний шатуны выдержали 10 млн. циклов сжатия-растяжения без разрушения. Такие шатуны на 54% легче обычных стальных. Сейчас они уже испытываются в реальных условиях работы двигателя.

Двумя американскими фирмами в рамках совместной программы «пластмассовый двигатель» разработан 4-цилиндровый двигатель с рабочим объемом 2,3 л, который имеет два распредвала и шестнадцатиклапанную головку блока (по 4 клапана на цилиндр). Блок и головка цилиндров, поршни (с термостойким покрытием), шатуны, детали газораспределения и поддон изготовлены из волокнистых пластических масс. Это позволило уменьшить удельный вес двигателя с 2,25 до 0,70 кг/кВт, на 30% снизился уровень шума.

Двигатель развивает эффективную мощность 240 кВт и имеет массу 76,4 кг (в гоночном варианте). Аналогичный двигатель из стали и чугуна весит 159 кг. Общая доля пластмассовых деталей составляет 63%.

В этом «пластмассовом» двигателе применяется стандартная система смазки и традиционная водяная система охлаждения. Самая крупная деталь — блок цилиндров — была изготовлена из композиционного материала (эпоксидная смола с графитовым волокном). В двигателе широко использован высококачественный термопласт «Торлон», который по химическому составу аналогичен полиамиду. Предполагается, что широкое применение этого термопласта может начаться через 10 лет.

Что может керамика

11.
Современные бензиновые и дизельные двигатели лишь треть энергии, полученной при сжигании топлива, преобразуют в механическую. Остальная часть уходит на теплообмен, теряется вместе с отработавшими газами. Увеличить термический КПД двигателя, его топливную экономичность и уменьшить выброс токсичных веществ в атмосферу возможно путем повышения температуры процесса в камере сгорания. Для этого требуются детали, выдерживающие более жесткий температурный режим. Таким, поистине «революционным» материалом для двигателей оказалась керамика.

Однако единого мнения о целесообразности ее широкого применения нет. Добиться совершенства структурных свойств этих материалов пока еще не удалось. Цены керамических материалов высоки. Технология их обработки, включающая, например, алмазное шлифование, сложна и дорога. Обрабатывать керамические детали из-за чувствительности их к внутренним дефектам сложно. Детали из керамики разрушаются не постепенно, а сразу и полностью. Однако все это не означает, что от керамики нужно отказаться. Новый материал весьма интересен и перспективен: он позволяет повысить рабочую температуру двигателей внутреннего сгорания с 700° до 1100°С и создать дизель с термическими КПД≈48 % (напомним, что у обычного дизеля он составляет ≈36%).

В США, например, сконструирован, изготовлен и испытан 6-цилиндровый дизель без традиционной системы охлаждения с рядом деталей, имеющих жаропрочное покрытие из оксида циркония. Этот двигатель мощностью 170 кВт и рабочим объемом 14 л был установлен на 4,5-тонном грузовом автомобиле. За пробег в 10 000 км он показал средний удельный расход топлива на 30—50% меньше, чем у обычных автомобилей этого класса.

Японские фирмы, которые ведут наибольший объем исследовательских работ по керамическим материалам и за 10 лет экспериментов затратили уже около 60 млн. дол., настроены более оптимистично. Предполагается, что «неподвижные» керамические детали для дизелей будут запущены в серийное производство с текущего года, а вся номенклатура керамических деталей — к 1990 г. Доля керамических материалов в деталях двигателей составит к 2000 г. от 5 до 30%.

Керамика всегда была и останется хрупкой. Вопрос заключается в том, чтобы с помощью новейших технологических процессов увеличить ее прочность и стойкость до величин, обеспечивающих работоспособность двигателей. По мнению ученых, основные успехи применения высокопрочной керамики будут достигнуты не после появления новых материалов, а при разработке и внедрении новых прогрессивных технологических приемов и методов формирования материалов с заранее заданными свойствами.

Разработанные керамические покрытия для деталей камер сгорания и подшипников могут стать важным этапом на пути создания «монолитных» деталей, полностью изготовленных из керамики. Одним из наиболее перспективных направлений в создании высокоэффективных керамических материалов считается применение лазеров для формирования частиц материала с одинаковыми размерами (формовочные порошки с частицами разной величины резко снижают прочностные свойства деталей из керамики). Успешное решение всех «керамических» проблем окажет значительное влияние на экономику двигателестроения. Себестоимость ДВС можно будет снизить не только потому, что исходные материалы станут дешевле, а затраты на производство сократятся, но и благодаря тому, что двигатели станут более простыми по конструкции. Отказ от радиаторов (холодильников), водяных насосов, их приводов, водяной рубашки блока цилиндров резко снизит массу и габариты двигателей.

Более того, можно будет отказаться от привычных смазочных материалов. Не исключено, что новые смазочные материалы будут твердыми или даже газообразными, их можно будет применять в условиях высоких температур.

12.

13. Первоначальные варианты подобных устройств имели существенный недостаток — уменьшали поступление рабочей смеси на 20%. В результате большой экспериментальной работы удалось снизить падение расхода до 10%, что считается вполне приемлемым и компенсируется повышением эффективности основного процесса.

Разработано специальное вихреобразующее устройство «Секон», создающее в цилиндре двигателя два противоположно направленных осевых вихря. Необходимый эффект обеспечивается имеющими довольно сложную форму разнопрофильными выступами, сделанными на седле впускного клапана. Использование этого устройства на мотоциклетном двигателе «Сузуки» при крайне незначительном падении мощности снижает расход топлива на 6,5—14,0%.

В современных ДВС все более широко применяются различные варианты организации (в конце такта сжатия) радиального движения потока смеси к оси цилиндра. Это делается при помощи образования каких-то вытеснительных поверхностей на днище поршня и на головке цилиндра, т. е. в зоне камеры сгорания (КС). Наиболее совершенной является система «Мэй Фэйрболл», применяемая на двигателях «Ягуар-5,3Л» со степенью сжатия 11,5. На частичных нагрузках этот двигатель устойчиво работает при значениях а до 1,5 благодаря тому, что поток смеси после входа через впускной клапан закручивается, сжимается вихреобразным движением и в ходе сжатия наиболее богатая его часть концентрируется у свечи зажигания.

 

4. Основные параметры и выходные характеристики двигателя.
сравнительная оценка бензиновых и дизельных двигателей

На большинстве автомобилей установлен двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Устройство его достаточно сложно даже для специалиста, тем более для рядового водителя-непрофессионала. Однако при покупке машины всегда всегда идёт речь о характеристиках двигателя. Неспециалист обычно теряется перед выбором автомобиля вообще или конкретной его версии в частности. Попробуем разобраться в основных технических характеристиках двигателя внутреннего сгорания

Сколько цилиндров?

В современных автомобилях от 2 до 16. Этот достаточно серьезный показатель. Так, два двигателя с одинаковым объемом и мощностью могут сильно различаться по другим параметрам.

Расположение цилиндров

Два типа: рядное (последовательное) и V-образное (двухрядное), когда на одном коленчатом валу цилиндры расположены с обеих сторон. В этом случае важную роль играет угол развала цилиндров. Большой угол развала понижает центр тяжести, облегчает охлаждение и подачу масла, но при этом снижаются динамические характеристики и увеличивается инерционность. Малый угол позволяет снизить вес и инерционность, но ведёт к более быстрому перегреву.
Радикальная разновидность — оппозитный двигатель с углом развала в 180°. В этом случае все его преимущества и недостатки максимальны. Еще одна разновидность — W-образный (четырёхрядный; два синхронизированных и включенных в общую систему привода V-образных двигателя).

Весьма редкий тип двигателя - рядно-V-образный, являющийся синтезом этих двух разновидностей. Цилиндры расположены последовательно, но с отклонением по обе стороны, что способствует лучшему охлаждению.

Вообще говоря, между два основных типа двигателей различаются массой и габаритами. НОднако важно, что наименьший уровень шума и вибраций достигается, когда в одном ряду четное количество цилиндров.

Объем камер сгорания

Иначе говоря, объем двигателя. Он напрямую влияет абсолютно на все остальные характеристики ДВС. В большинстве случаев увеличение объема ведет к увеличению мощности и, естественно, расхода топлива.

Материал двигателя

Обычно три варианта — чугун или другие ферросплавы (наибольшая прочность, но большой вес);. алюминий и его сплавы (малый вес и средняя прочность); магниевые сплавы (наименьший вес, высокая прочность, но очень высокая цена).
Эти характеристики, вообще говоря, говорят лишь о ресурсе и шумах и вибрации двигателя.

На практике более важны выходные характеристики:

· Мощность. Она измеряется в лошадиных силах (л.с. — традиционная единица измерения) или киловаттах (кВт). Именно она определяет скорость и время разгона автомобиля.

· Крутящий момент Создаваемое двигателем максимальное тяговое усилие. Измеряется в Ньютон-метрах (Н·м). Косвенно влияет на скорость и разгон и прямо — на «эластичность» двигателя т. е. способность ускоряться на низких оборотах.

· Максимально допустимое число оборотов коленчатого вала в минуту (об/мин)
Показывает, сколько оборотов коленвала в минуту сможет выдержать двигатель без потери в ресурсной прочности. Чем больше число оборотов, тем более резкий и динамичный характер имеет автомобиль.

Однако не менее важны расходные характеристики:

· Расход топлива. Обычно измеряется в литрах на 100 километров. Расход в городском, загородном и смешанном вариантах различен.

· Тип топлива. Марка потребляемого бензина или дизельного топлива (ДТ). В современных автомобилях возможно использование любых марок, но при снижении октанового числа падают ресурсная прочность и мощность, а при повышении сверх нормы — повышается мощность, но снижается ресурс. Также при повышении октанового числа увеличивается теплоотдача, что может привести к раннему перегреву. Пример марок топлива: А-76, А-92, АИ-98, А-95Евро, ДТ, ДТ Евро, ДТ Супер.

· Расход масла. Измеряется в литрах, но на 1000 км. Максимальный показатель — 1л/1000км для исправной машины.

· Марка потребляемого масла. Обычно обозначется ххWхх. Первое число - густота масла, второе — его вязкость. Например — 0W40 и 5W40 - синтетические масла, 10W40 — полусинтетическое масло, 15W40 и 20W40 - минеральные масла.. Более густые и вязкие масла улучшают прочность и надежность двигателя, менее густые — улучшают динамические выходные характеристики.

Внимание! Масла типа 70W90 или 95W100 являются трансмиссионными и ни в коем случае не могут быть использованы в двигателе - это гарантированно приведет к неисправности двигателя!

· Ресурсная прочность, т. е. как часто двигателю необходимо техническое обслуживание. Обычно в пределах 5 000—30 000 км пробега. Предельный пробег позволяет примерно определить полный срок службы, после гарантийного пробега прекращаются гарантийные обязательства.

Это основные потребительские характеристики.

Однако надо отметить широкий ряд более сложных характеристик:

· Тип топливной системы — бензиновые и дизельные двигатели. Бензиновые обычно имеют большую мощность, но дизельные отличаются более низким расходом и большим крутящим моментом.

· Тип бензиновой системы впуска. У современных автомобилей электронная система впрыска (инжекции) топлива, которая позволяет добиться большего КПД. У более старых в большинстве карбюраторная система впуска топлива. Карбюратор не распыляет, как инжектор, топливо в камере сгорания, а вбрасывает в нее струю, что увеличивает расход топлива, снижает КПД и делает управление, менее удобным.
Обычно карбюратор устанавливается на двигатель один, многокарбюраторные двигатели более характерны для тюнинговых и спортивных моделей.

· Тип бензиновой системы впрыска — с одноточечным и многоточечным впрыском. Одноточечная система уже практически не используется, поскольку падение мощности намного превышает снижение расхода топлива.Многоточечный — распределенный и прямой впрыск. При распределенном впрыске в камере сгорания создается равномерная смесь, что обеспечивает стабильность работы на любых режимах и неприхотливость.
Прямой (непосредственный) впрыск, как это ни парадоксально, повышает и мощность, и ресурсную прочность, снижает расход топлива. Но в этом случае высока стоимость, требуется топливо высокого качества и наблюдается нестабильность работы на малых оборотах и при холодном старте.
Недостатки обеих систем компенсируются комбинированным (двойным) впрыском. Он заключается в применении обеих систем раздельно — при изменении режимов работы электроника «выбирает» нужную.

· Дизельная система впрыска
Хотя дизельный двигатель проще бензинового, система его впрыска сложнее, построены по другому принципу:
ТНВД — наиболее простая система дизельного впрыска с невысокими достоинствами. Система с насос-форсунками. В этом случае каждая форсунка впрыска является еще и насосом, подающим топливо в камеру сгорания. Характеристики в этом случае получше, но стабильная работы двигателя также проблематична. Обе системы по отдельности почти не используются.
Комбинация ТНВД и насос-форсунок — общая топливная рампа высокого давления Common Rail. ТНВД подает топливо в рампу, где оно подвергается компрессии и под высоким давлением впрыскивается в камеру сгорания. Это лучшая сейчас система, так как она обеспечивает высокие мощностные характеристики и низкий расход топлива.
Совершенствование предыдущей — аккумуляторно-возвратная рампа Common Rail второго поколения. Сжатие в рампе происходит за счет накопления топлива, а излишки поступают обратно в ТНВД — это уменьшает насосные потери мощности и расход топлива.

· Форсунки впрыска — механические или пьезотронные. Они не влияют на характеристики двигателя, но пьезотронные дают более плавный рабочий цикл и они легче в настройке.

· Клапанов на впуске/выпуске от 2 до 5 на цилиндр. Чем больше клапанов, тем плавнее работа и больше мощность, хотя при этом незначительно увеличивается расход топлива.

Механизм газораспределения

Простейший - статический механизм. Динамические — с изменяемой высотой подъема клапанов или изменяемыми фазами газораспределения.
Изменение высоты подъёма клапанов позволяет переключаться между двумя режимами движения — например экономичным и скоростным. Изменение фаз газораспределения обеспечивает более ровную работу во всем диапазоне рабочих оборотов коленвала.

Есть немало и других особенностей двигателей, но они меньше влияют на их характеристики.

Вопрос о том, какой тип двигателя лучше: бензиновый или дизельный, волнует всех автолюбителей без исключения. Так где же истина? Выявим преимущества и слабые места каждого агрегата.

Бензиновый и дизельный двигатель относятся к двигателям внутреннего сгорания. В них тепловая энергия превращается в механическую. Топливо сгорает непосредственно в цилиндре. Способы приготовления горючей смеси различаются у бензиновых и дизельных двигателей.

Разница в устройстве

В бензиновом двигателе она готовится в карбюраторе или системе инжектора. Затем смесь подается в цилиндр и сжимается. В момент, близкий к моменту максимального сжатия топливо-воздушной смеси, смесь поджигается от электрической искры.

В дизельном двигателе смесь готовится в цилиндре. Для начала его заполняют чистым воздухом. В процессе сжатия в цилиндре возрастает давление и температура. При достижении ими максимальной величины происходит вспрыскивание дизельного топлива. Высокая температура в камере сгорания заставляет его воспламеняться.

Устройство двигателей имеет незначительные отличия. Для любого их вида общими элементами являются системы: питания, газораспределения, смазки, охлаждения, зажигания (для бензинового двигателя) и кривошипно-шатунный механизм.

Кривошипно-шатунный механизм у обоих двигателей имеет одинаковое строение. Единственное отличие — различные требования к прочности его составляющих. Детали дизельного двигателя более массивные, так как в процессе эксплуатации они подвергаются большей нагрузке. Из-за высокого давления внутри цилиндра дизельные поршни снабжены дополнительным компрессионным кольцом.

Существуют различия в расположении камеры сгорания. У бензинового двигателя она расположена в головке блока цилиндров, у дизеля — в днище поршня.

Система газораспределения у обоих вариантов аналогична. Клапаны у дизеля изготавливаются из жаропрочных материалов. Это обусловлено высокой температурой внутри камеры сгорания.

Нет значительных отличий и в системах смазки и охлаждения. Иногда у дизелей устанавливается дополнительный масляной фильтр со сменными элементами.

Чем отличается дизельный двигатель от бензинового, так это системой питания. Отличия связаны со способом образования горючей смеси и характеристиками топлива. Основная функция системы питания бензинового двигателя — обеспечение подачи топливо-воздушной смеси в определенной пропорции.

Основное назначение системы питания дизеля — создание высокого давления в момент впрыскивания топлива в цилиндр. В ней установлены дополнительные фильтры, так как для осуществления реакции сгорания необходимо исключительно чистое топливо. Дизельный двигатель «боится» попадания воздуха в топливо, поэтому оснащен устройства удаления излишнего воздуха.

Система зажигания есть только у бензинового двигателя. Основная ее цель — преобразование низкого напряжения в высокое и получение искры.

Блок-картер

Блок-картер — основной элемент остова двигателя. Он подвергается значительным силовым и тепловым воздействиям и должен обладать высокой прочностью и жесткостью. В блок-картере устанавливают цилиндры, опоры коленчатого вала, некоторые устройства механизма газораспределения, различные узлы смазочной системы с ее сложной сетью каналов и другое вспомогательное оборудование. Блок-картер изготавливают из чугуна или алюминиевого сплава литьем.

Цилиндр

Цилиндры представляют собой направляющие элементы кривошипно-шатунного механизма. Внутри их перемещаются поршни. Длина образующей цилиндра определяется ходом поршня и его размерами. Цилиндры работают в условиях резко изменяющегося давления в надпоршневой полости. Их стенки соприкасаются с пламенем и горячими газами, имеющими температуру до 1500… 2 500 °С.

Цилиндры должны быть прочными, жесткими, термо- и износостойкими при ограниченном количестве смазки. Кроме того, материал цилиндров должен обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках. Обычно цилиндры изготавливают из специального легированного чугуна, но могут применяться также алюминиевые сплавы и сталь. Внутреннюю рабочую поверхность цилиндра, называемую его зеркалом, тщательно обрабатывают и покрывают хромом для уменьшения трения, повышения износостойкости и долговечности.

В двигателях с жидкостным охлаждением цилиндры могут быть отлиты вместе с блоком цилиндров или в виде отдельных гильз, устанавливаемых в отверстиях блока. Между наружными стенками цилиндров и блоком имеются полости, называемые рубашкой охлаждения. Последняя заполняется жидкостью, охлаждающей двигатель. Если гильза цилиндра своей наружной поверхностью непосредственно соприкасается с охлаждающей жидкостью, то ее называют мокрой. В противном случае она называется сухой. Применение сменных мокрых гильз облегчает ремонт двигателя. При установке в блок мокрые гильзы надежно уплотняются.

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отливают индивидуально. Для улучшения теплоотвода их наружные поверхности снабжают кольцевыми ребрами. У большинства двигателей воздушного охлаждения цилиндры вместе с их головками крепят общими болтами или шпильками к верхней части картера.

В V-образном двигателе цилиндры одного ряда могут быть несколько смещены относительно цилиндров другого ряда. Это связано с тем, что на каждом кривошипе коленчатого вала крепятся два шатуна, один из которых предназначен для поршня правой, а другой — для поршня левой половины блока.

Блок цилиндров

На тщательно обработанную верхнюю плоскость блока цилиндров устанавливают головку блока, которая закрывает цилиндры сверху. В головке над цилиндрами выполнены углубления, образующие камеры сгорания. У двигателей жидкостного охлаждения в теле головки блока предусмотрена рубашка охлаждения, сообщающаяся с рубашкой охлаждения блока цилиндров. При верхнем расположении клапанов в головке имеются гнезда для них, впускные и выпускные каналы, отверстия с резьбой для установки свечей зажигания (у бензиновых двигателей) или форсунок (у дизелей), магистрали смазочной системы, крепежные и другие вспомогательные отверстия. Материалом для головки блока обычно служит алюминиевый сплав или чугун.

Плотное соединение блока цилиндров и головки блока обеспечивается с помощью болтов или шпилек с гайками. Для герметизации стыка с целью предотвращения утечки газов из цилиндров и охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения между блоком цилиндров и головкой блока устанавливается прокладка. Она обычно изготавливается из асбестового картона и облицовывается тонким стальным или медным листом. Иногда прокладку с обеих сторон натирают графитом для защиты от пригорания.

Нижняя часть картера, предохраняющая детали кривошипно-шатунного и других механизмов двигателя от загрязнения, обычно называется поддоном. В двигателях сравнительно малой мощности поддон служит также резервуаром для моторного масла. Поддон чаще всего выполняется литым или изготавливается из стального листа штамповкой. Для устранения подтекания масла между блок-картером и поддоном устанавливается прокладка (на двигателях небольшой мощности для уплотнения этого стыка часто используется герметик — «жидкая прокладка»).

Остов двигателя

Соединенные друг с другом неподвижные детали кривошипно-шатунного механизма являются остовом двигателя, воспринимающим все основные силовые и тепловые нагрузки, как внутренние (связанные с работой двигателя), так и внешние (обусловленные трансмиссией и ходовой частью). Силовые нагрузки, передающиеся на остов двигателя от несущей системы ТС (рама, кузов, корпус) и обратно, существенно зависят от способа крепления двигателя. Обычно он крепится в трех или четырех точках так, чтобы не воспринимались нагрузки, вызванные перекосами несущей системы, возникающими при движении машины по неровностям. Крепление двигателя должно исключать возможность его смещения в горизонтальной плоскости под действием продольных и поперечных сил (при разгоне, торможении, повороте и т.д.). Для уменьшения вибрации, передающейся на несущую систему ТС от работающего двигателя, между двигателем и подмоторной рамой, в местах крепления, устанавливаются резиновые подушки разнообразных конструкций.

Поршневую группу кривошипно-шатунного механизма образует поршень в сборе с комплектом компрессионных и маслосъемных колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Ее назначение заключается в том, чтобы во время рабочего хода воспринимать давление газов и через шатун передавать усилие на коленчатый вал, осуществлять другие вспомогательные такты, а также уплотнять надпоршневую полость цилиндра для предотвращения прорыва газов в картер и проникновения в него моторного масла.

Поршень

Поршень представляет собой металлический стакан сложной формы, устанавливаемый в цилиндре днищем вверх. Он состоит из двух основных частей. Верхняя утолщенная часть называется головкой, а нижняя направляющая часть — юбкой. Головка поршня содержит днище 4 (рис. а) и стенки 2. В стенках проточены канавки 5 для компрессионных колец. Нижние канавки имеют дренажные отверстия 6 для отвода масла. Для увеличения прочности и жесткости головки ее стенки снабжены массивными ребрами 3, связывающими стенки и днище с бобышками, в которых устанавливается поршневой палец. Иногда оребряют также внутреннюю поверхность днища.

Юбка имеет более тонкие стенки, чем у головки. В ее средней части расположены бобышки с отверстиями.

Днища поршней могут быть плоскими (см. а), выпуклыми, вогнутыми и фигурными (рис. б—з). Их форма зависит от типа двигателя и камеры сгорания, принятого способа смесеобразования и технологии изготовления поршней. Самой простой и технологичной является плоская форма. В дизелях применяются поршни с вогнутыми и фигурными днищами (см. рис. е—з).

При работе двигателя поршни нагреваются сильнее, чем цилиндры, охлаждаемые жидкостью или воздухом, поэтому расширение поршней (особенно алюминиевых) больше. Несмотря на наличие зазора между цилиндром и поршнем, может произойти заклинивание последнего. Для предотвращения заклинивания юбке придают овальную форму (большая ось овала перпендикулярна оси поршневого пальца), увеличивают диаметр юбки по сравнению с диаметром головки, разрезают юбку (чаще всего выполняют Т- или П-образный разрез), заливают в поршень компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна, или принудительно охлаждают внутренние поверхности поршня струями моторного масла под давлением.

Поршень, подвергающийся воздействию значительных силовых и тепловых нагрузок, должен обладать высокой прочностью, теплопроводностью и износостойкостью. В целях уменьшения инерционных сил и моментов у него должна быть малая масса. Это учитывается при выборе конструкции и материала для поршня. Чаще всего материалом служит алюминиевый сплав или чугун. Иногда применяют сталь и магниевые сплавы. Перспективными материалами для поршней или их отдельных частей являются керамика и спеченные материалы, обладающие достаточной прочностью, высокой износостойкостью, низкой теплопроводностью, малой плотностью и небольшим коэффициентом теплового расширения.

Поршневые кольца

Поршневые кольца обеспечивают плотное подвижное соединение поршня с цилиндром. Они предотвращают прорыв газов из надпоршневой полости в картер и попадание масла в камеру сгорания. Различают компрессионные и маслосъемные кольца.

Компрессионные кольца (два или три) устанавливают в верхние канавки поршня. Они имеют разрез, называемый замком, и поэтому могут пружинить. В свободном состоянии диаметр кольца должен быть несколько больше диаметра цилиндра. При введении в цилиндр такого кольца в сжатом состоянии оно создает плотное соединение. Для того чтобы обеспечить возможность расширения установленного в цилиндре кольца при нагревании, в замке должен быть зазор 0,2…0,4 мм. С целью обеспечения хорошей приработки компрессионных колец к цилиндрам часто применяют кольца с конусной наружной поверхностью, а также скручивающиеся кольца с фаской на кромке с внутренней или наружной стороны. Благодаря наличию фаски такие кольца при установке в цилиндр перекашиваются в сечении, плотно прилегая к стенкам канавок на поршне.

Маслосъемные кольца (одно или два) удаляют масло со стенок цилиндра, не позволяя ему попадать в камеру сгорания. Они располагаются на поршне под компрессионными кольцами. Обычно маслосъемные кольца имеют кольцевую канавку на наружной цилиндрической поверхности и радиальные сквозные прорези для отвода масла, которое по ним проходит к дренажным отверстиям в поршне (см. рис. а). Кроме маслосъемных колец с прорезями для отвода масла используются составные кольца с осевыми и радиальными расширителями.

Для предотвращения утечки газов из камеры сгорания в картер через замки поршневых колец необходимо следить за тем, чтобы замки соседних колец не располагались на одной прямой.

Поршневые кольца работают в сложных условиях. Они подвергаются воздействию высоких температур, а смазывание их наружных поверхностей, перемещающихся с большой скоростью по зеркалу цилиндра, недостаточно. Поэтому к материалу для поршневых колец предъявляются высокие требования. Чаще всего для их изготовления применяют высокосортный легированный чугун. Верхние компрессионные кольца, работающие в наиболее тяжелых условиях, обычно покрывают с наружной стороны пористым хромом. Составные маслосъемные кольца изготавливают из легированной стали.

Поршневой палец

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой трубку, проходящую через верхнюю головку шатуна и установленную концами в бобышки поршня. Крепление поршневого пальца в бобышках осуществляется двумя стопорными пружинными кольцами, расположенными в специальных канавках бобышек. Такое крепление позволяет пальцу (в этом случае он называется плавающим) проворачиваться. Вся его поверхность становится рабочей, и он меньше изнашивается. Ось пальца в бобышках поршня может быть смещена относительно оси цилиндра на 1,5…2,0 мм в сторону действия большей боковой силы. Благодаря этому уменьшается стук поршня в непрогретом двигателе.

Поршневые пальцы изготавливают из высококачественной стали. Для обеспечения высокой износоустойчивости их наружную цилиндрическую поверхность подвергают закалке или цементации, а затем шлифуют и полируют.

Поршневая группа состоит из довольно большого числа деталей (поршень, кольца, палец), масса которых по технологическим причинам может колебаться; в некоторых пределах. Если различие в массе поршневых групп в разных цилиндрах будет значительным, то при работе двигателя возникнут дополнительные инерционные нагрузки. Поэтому поршневые группы для одного двигателя подбирают так, чтобы они несущественно отличались по массе (для тяжелых двигателей не более чем на 10 г).

Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:

· шатуна

· верхней и нижней головок шатуна

· подшипников

· шатунных болтов с гайками и элемент