Цилиндропоршневая группа, кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы

В состав системы ДВС, служащей для преобразования хими­ческой энергии топлива во вращательное движение вала, входят цилиндропоршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ). В зависимости от конструктивного оформ­ления КШМ возможны различные способы расположения ци­линдров (рис. 3.19).

Рассмотрим конструктивные элементы, входящие в состав ЦПГ и КШМ.

Поршень обеспечивает передачу усилий на шатун, гермети­зирует камеру сгорания, отделяя ее от картера двигателя и от­водит излишки теплоты в систему охлаждения. Форма и конструкция поршня, включая геометрические характеристики его днища и поршневого пальца, в значительной степени определя­ются формой камеры сгорания. Другие параметры зависят от типа процесса сгорания и связанного с ним максимального дав­ления в цилиндре. Приоритетным направлением конструирова­ния является создание облегченных поршней, способных в то же время противостоять значительным усилиям и рабочим тем­пературам.

Рис. 3.19. Рядное (а), V-образное (б), звездообразное (в), оппозитное (г), параллельное (д) и противопо­ложное (е) расположение цилинд­ров в соответствии с конструкцией кривошипно-шатунного механизма: 1 — шатун; 2 — кривошип

Для изготовления гильз цилиндров и поршней обычно при­меняют серый чугун и алюминий. Хотя поршень и гильза име­ют разные коэффициенты теплового расширения, зазор между ними должен быть минимальным, чтобы снизить шум и улуч­шить герметизацию камеры сгорания. Для уменьшения степе­ни расширения поршня при нагревании в него иногда устанав­ливают стальные пластины.

Поршневые кольца образуют плотное соединение между поршнем и цилиндром. Два верхних поршневых кольца — ком­прессионные, препятствующие прорыву газов из камеры сго­рания в картер. По меньшей мере одно кольцо маслосъемное, предотвращающее проникновение масла из картера в камеру сгорания. Из-за наличия больших радиальных давлений со стороны поршневых колец на стенки цилиндра и высоких ско­ростей скольжения эти пары являются основным источником трения в ДВС.

Шатун, обеспечивающий соединение поршня с коленчатым валом, подвергается воздействию высоких растягивающих, сжи­мающих и изгибающих усилий. Он имеет верхнюю и нижнюю головки, соединенные соответственно с поршневым пальцем и шатунной шейкой коленчатого вала. Длина шатуна определяет габариты двигателя.

Коленчатый вал вместе с шатунами обеспечивает преобра­зование возвратно-поступательного движения поршней во вра­щательное движение вала и передачу потребителям крутящего момента. Нагрузки, воздействующие на коленчатый вал, харак­теризуются высокой степенью цикличности и переменными значениями по длине коленчатого вала. Силы, изгибающие моменты и возникающая в результате их действия вибрация вы­зывают высокую концентрацию напряжений. Поэтому конст­рукция и колебательные характеристики коленчатого вала долж­ны выбираться на основе специальных расчетов [1, 23].

Для равномерного распределения рабочего давления все дизе­ли изготавливают с полноопорными коленчатыми валами (в этом случае коренные подшипники расположены между всеми ци­линдрами). Такая схема применима и для высокооборотных двигателей с искровым зажиганием. Число противовесов опре­деляется количеством коренных опор.

Нагрузка двигателя является основным критерием при выбо­ре материала и технологии изготовления коленчатых валов. Валы для высоконагруженных двигателей обычно изготавлива­ют горячей штамповкой. В небольших малонагруженных двига­телях применяют литые коленчатые валы. Их достоинства — меньшая масса и относительно низкая стоимость.

Вибрация коленчатого вала и изгибающие колебания в наи­большей степени проявляются только при работе двигателей с небольшим числом цилиндров, так как коленчатый вал и необ­ходимый в этом случае маховик создают колебательную систе­му с низкой собственной частотой колебаний. Для двигателей с числом цилиндров, равным трем и более, изгибающие колеба­ния не являются столь опасным фактором. В двигателях с боль­шим числом цилиндров важным фактором становятся крутиль­ные колебания системы, образуемой коленчатым валом, шату­нами и поршнями. Для уменьшения крутильных колебаний применяют гасители (например, резиновые или вязкостные демпферы колебаний).

Блок цилиндров и картер двигателя являются корпусными деталями, воспринимающими усилия, которые возникают при сгорании рабочей смеси и передаются на коленчатый вал и его подшипниковые опоры. В конструкцию блока входят гильзы ци­линдров, водяная рубашка охлаждения, а также герметизиро­ванные масляные полости и каналы.

Рабочие поверхности цилиндров двигателей с искровым за­жиганием иногда растачивают непосредственно в литом блоке. В дизелях применяют сухие или мокрые (омываемые охлажда­ющей жидкостью) гильзы цилиндров. Блоки цилиндров для двигателей грузовых автомобилей изготавливают преимуще­ственно из чугуна, а для создания двигателей легковых автомо­билей все более широкое применение находят легкие алюми­ниевые блоки.

Головка цилиндров обеспечивает герметизацию блока и ци­линдров в верхней части. В ней размещаются клапанный меха­низм, свечи зажигания и (или) форсунки. Днища поршней с ог­невыми поверхностями головки цилиндров образуют камеры сгорания. У большинства двигателей легковых автомобилей в головке цилиндров размещается привод клапанов газораспреде­лительного механизма.

В зависимости от организации подвода рабочей смеси и отво­да ОГ различают две конструктивные формы головок цилиндров: с односторонним расположением каналов, наиболее рацио­нальным для автомобилей с поперечным размещением двигате­ля, и расположением каналов с противоположных сторон.

На двигателях грузовых автомобилей часто применяют от­дельные головки для каждого цилиндра. Благодаря этому более равномерно распределяются нагрузки, упрощается герметиза­ция камеры сгорания, облегчается техническое обслуживание и ремонт. Применение раздельных головок в двигателях с воздуш­ным охлаждением позволяет улучшить циркуляцию воздуха и, следовательно, повысить эффективность охлаждения.

Рис. 3.20. Схемы приводов клапанов газораспределительного механизма:

а — штанговый привод; б — привод через коромысло; в — привод одним ку­лачковым валом; г — привод двумя кулачковыми валами; 1 — цилиндропоршневая группа; 2 — головка цилиндра; 3 —• кулачковый вал с коромыслами

На двигателях легковых и грузовых автомобилей небольшой грузоподъемности обычно устанавливают одну головку для всех цилиндров. Головки дизелей с жидкостным охлаждением для грузовых автомобилей часто изготавливают из чугуна. Хороший теплоотвод при малой массе обеспечивают алюминиевые голов­ки блоков.

Клапанный газораспределительный механизм включает в себя впускные и выпускные клапаны, пружины, обеспечиваю­щие их закрытие, и распределительный вал с приводом. В на­стоящее время почти все механизмы газораспределения являют­ся верхнеклапанными (рис. 3.20) и размещаются в головке бло­ка цилиндров. В дизелях и многих двигателях с искровым зажи­ганием клапаны располагаются параллельно оси цилиндра и обычно приводятся в действие от двух коромысел через толка­тели или каждый клапан — от своего коромысла.

Все большее распространение получают двигатели с искро­вым зажиганием, у которых впускные и выпускные клапаны располагаются напротив друг друга (с развалом). Это позволяет увеличить диаметры клапанов и оптимизировать конструкцию впускного и выпускного трактов. В форсированных двигателях все чаще применяют четыре клапана на один цилиндр и верхний распределительный вал с непосредственным приводом клапанов.

Материалы, используемые для изготовления клапанов, дол­жны обладать высокой термостойкостью; контактная поверх­ность седла клапана подвергается закалке. Для интенсификации теплопередачи выпускные клапаны заполняют натрием. Для повышения долговечности и улучшения уплотнения клапанов применяют системы их вращения [1]. Направляющие клапанов в двигателях высокой мощности должны обладать высокой теп­лопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами. Износ седла клапана может быть снижен при изготовлении его из чугуна или металлокерамического материала.

Кулачок распределительного вала должен обеспечивать подъем клапана на заданную высоту с наибольшей скоростью и плавностью хода. Клапанная пружина осуществляет его закры­тие, а также обеспечивает постоянный контакт сопрягаемых по­верхностей элементов от кулачка к клапану. Максимально допу­стимое контактное напряжение, составляющее 600...750 МПа, зависит от характеристик выбранных материалов.

Система наддува

Назначение наддува. Мощность двигателя может быть уве­личена дополнительной подачей топлива за счет предваритель­ного сжатия воздуха перед поступлением его в цилиндры дви­гателя, т.е. путем так называемого наддува.

Коэффициент наддува характеризует увеличение плотнос­ти нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлени­ем. Одним из главных факторов при выборе параметров надду­ва является вид используемой системы наддува, определяющий возможную степень повышения давления. В двигателях с искро­вым зажиганием степень наддува ограничивается детонацией. В дизелях ограничивающим фактором является максимально допустимое давление рабочего цикла. Поэтому двигатели с над­дувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двига­тели без наддува той же мощности. Рассмотрим основные сис­темы наддува.

Динамический наддув. При этом простейшем способе над­дува используются динамические свойства воздуха на впуске.

Инерционный наддув. Каждый цилиндр двигателя имеет специальный впускной канал определенной длины, который соединен с общей нагнетательной камерой.

Наддув с использованием специально сконструирован­ных (настроенных) впускных каналов. При таком варианте наддува группы цилиндров двигателя соединяются короткими трубопроводами с резонансными ресиверами, причем длины патрубков подбираются в соответствии с интервалами времени между последовательными вспышками в цилиндрах. Ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством спе­циально отрегулированных патрубков и работают подобно ре­зонаторам Гельмгольца.

Впускной трубопровод с изменяемой геометрией. Ряд за­рубежных фирм (BMW,Opel, Германия;Citroen, Франция;Ford, США) используют системы с динамическим наддувом, а также комбинацию разных систем наддува. Система с динамическим наддувом позволяет повысить коэффициент наполнения при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя. В систе­ме с изменяемой геометрией впускного трубопровода использу­ются заслонки, с помощью которых обеспечивается соединение или разобщение впускных каналов, соединяющих разные ци­линдры в соответствии с изменением частоты вращения колен­чатого вала.

Механический наддув. При механическом наддуве нагне­татель приводится в действие непосредственно от двигателя (обычно с фиксированным передаточным отношением). Для управления работой нагнетателя часто используются электро­магнитные муфты.

Преимущества механического наддува таковы: относитель­ная простота конструкции нагнетателей; не используются на­гретые до высокой температуры отработавшие газы, что в целом повышает надежность работы агрегатов наддува двигателя; практически мгновенное реагирование нагнетателя на изменение нагрузки, что очень важно для стабилизации подачи возду­ха на переходных режимах работы двигателя.

Недостатком механического наддува является необходимость затраты дополнительной мощности на приведение в действие нагнетателя, что сопровождается определенным перерасходом топлива.

Турбонаддув с использованием отработавших газов. В со­временных двигателях с турбонаддувом используется турбина, приводимая в действие ОГ. Она обеспечивает преобразование тепловой энергии ОГ в механическую работу, которая в ком­прессоре расходуется на сжатие воздуха перед впуском его в цилиндры двигателя. Агрегат, называемый турбокомпрессо­ром, является комбинацией турбины и центробежного комп­рессора.

Преимущества турбонаддува состоят в следующем: увеличе­ние удельной мощности двигателя; повышение крутящего мо­мента на частотах вращения коленчатого вала, близких к номи­нальной частоте; значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности; умень­шение выбросов токсичных продуктов с ОГ.

Недостатки турбонаддува: установка турбокомпрессора в од­ном тракте с горячими отработавшими газами требует примене­ния термостойких материалов; необходимо дополнительное пространство для размещения турбокомпрессора и промежуточ­ного охладителя воздуха; недостаточный крутящий момент при малых частотах вращения коленчатого вала; высокая чувстви­тельность дроссельного управления рабочим зарядом к конст­рукции турбокомпрессора.

Наддув с использованием энергии волн сжатия. Нагнета­тель имеет ротор, который сообщается одновременно с подава­емым воздухом и отработавшими газами.

Преимущества наддува с использованием энергии волн сжа­тия таковы: высокая чувствительность, так как обмен энергией между отработавшими газами и зарядом воздуха на впуске про­исходит при скоростях газовых потоков, близких к скорости зву­ка; обеспечение относительно высоких значений коэффициента сжатия воздуха при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя.

Недостатки наддува с использованием энергии волн сжатия: ограниченность пространства для размещения ротора из-за применения ременного привода и газоподводящих магистралей; необходимость увеличения подачи отработавших газов и проду­вочного воздуха; шумность при работе; высокая чувствитель­ность к повышению сопротивления в зоне низкого давления. Более подробно с конструкцией различных систем наддува мож­но ознакомиться по источнику [1].