Устройство ДВС автомобиля

Двигатель

1.1. Блок цилиндров и цилиндропоршневая группа

Блок цилиндров изгота­вливается с помощью литья с последующей механической обработкой. Нижняя часть блока цилиндров обычно обрабатывается для установки в блок коренных подшипников коленчатого вала и для присоединения поддона картера. Большое значение имеет расстояние между соседними цилиндрами. Увеличение расстояния дает возможность повы­сить жесткость блока и обеспечить возможность увеличения в дальнейшем рабочего объема двигателя путем увеличения диаметра цилиндров (наиболее простой способ получения моди­фикаций двигателей различной мощности). С другой стороны, это приводит к увеличению га­баритных размеров двигателя и его массы. В последнее время некоторые производители автомобильных двигателей изготавливают блоки цилиндров, в которых соседние цилиндры соприкасаются стенками (так называемые сиамские блоки). Такой способ дает возможность получить довольно жесткую конструкцию при сравнительно небольшом размере. Жесткость блока цилиндров в значительной степени определяет шумовые характеристики двигателя.

Долгое время единственным материалом для изготовления блоков цилиндров служил чу­гун. Этот материал недорог, он обладает высокими прочностью и жесткостью при хороших лить­евых качествах. Кроме того, обработанные хонингованием внутренние поверхности чугунных цилиндров обладают отличными антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью. Су­щественными недостатками чугуна являются его большая масса и низкая теплопроводность. Стремление конструкторов к созданию более легких двигателей привело к разработке конструк­ции блоков цилиндров из алюминиевых сплавов. Алюминий значительно уступает чугуну в жест­кости и износостойкости, поэтому блок из алюминия должен иметь большое количество ребер жесткости, а в качестве цилиндров обычно служат чугунные гильзы, которые вставляются в алюминиевый блок в процессе сборки, заливаются или запрессовываются в него при изготовлении. В конструкциях современных двигателей гильзы могут омываться охлаждающей жидкостью «мокрые гильзы» или не омываться «сухие гильзы» (рис. 1.1.1).

Устройство ДВС автомобиля

Рис. 1.1.1. Блок цилиндров двигателя Nordstar GM с «сухой» гильзой.

Использование в производстве со­временных технологий дает возможность изго­товления легких «алюминиевых» двигателей, у которых блок цилиндров не имеет чугунных гильз. В рабочих поверхностях ци­линдров в алюминиевых блоках электролитическим путем создается повышенное содер­жание кремния, а затем цилиндры подверга­ются химическому травлению для создания на рабочей поверхности цилиндров износо­стойкой пористой пленки чистого кремния, хорошо удерживающей смазку

            Рабочие поверхности цилиндров современных алюминиевых блоков двигателей могут иметь покрытие, наносимое плазменным напылением. Напыляемый на стенки цилиндра порошок подается через плазматрон (рис. 1.1 ). Такой способ позволяет исключить применение вставных или залитых в алюминиевый блок гильз цилиндров.

Преимуществами данного способа изготовления цилиндров по сравнению с обычными являются:

  • снижение массы по сравнению с конструкцией с вставными гильзами цилиндров;
  • уменьшение размеров двигателя по сравнению с чугунным блоком цилиндров за счет сужения перемычек между цилиндрами;
  • увеличение срока службы цилиндров благодаря износостойкому покрытию, наносимому плазменным напылением.

Устройство ДВС автомобиля

Рис. 1.1.2 Схема нанесение покрытия на стенки цилиндра плазматроном:

1 – струя плазмы с напыляемым порошком; 2 – плазматрон; 3 – рабочая поверхность цилиндра

Поршни. В настоящее время поршни бензиновых и дизельных автомобильных двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. При производстве поршня в отливку в процессе изготовления часто заклады­вают стальные вставки, которые повышают его жесткость и препятствуют темпера­турному расширению. Иногда стальную вставку располагают в канавке под верх­нее компрессионное (наиболее нагру­женное) поршневое кольцо.

Поршни стали зна­чительно короче. Большая часть юбки (рис. 1.1.3.) обрезается с каждой стороны, и остаются только две небольшие секции для того, чтобы предотвратить перекос поршня в цилиндре. Благодаря совершенству конструкции силы, воздействующие на поршень, сбалансированы таким образом, чтобы свести к минимуму тенденцию к повороту. Расстояние от днища порш­ня до верхней канавки под поршневое кольцо уменьшают с целью снижения возможности образования нагара в этой части. За счет уменьшения размеров сечений в конструкции поршня удалось значительно снизить его массу. Для уменьшения потерь на трение и повы­шения долговечности деталей КШМ на боковую поверхность поршня наносят слой антифрик­ционного материала, содержащего дисульфид молибдена или графит.

Для отвода тепла из зоны колец в поршне может быть предусмотрен охлаждающий канал 4, по которому циркулирует масло, подаваемое через форсунки при положении поршня вблизи нижней мертвой точки. В бобышках поршня устанавливаются латунные втулки 6, а в днище поршня делаются подклапанные выемки, исключающие соприкосновение клапана с поршнем.

Устройство ДВС автомобиля

 

Рис. 1.1.3. Поршень современного двигателя:

1 – подклапанные выемки; 2 – камера сгорания; 3 – высота жарового слоя; 4, 5 – охлаждающий канал; 6 – латунная втулка

Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют особую форму (рис.1.1.4), необ­ходимую для обеспечения процесса сгорания топлива.

Устройство ДВС автомобиля

Рис. 1.1.4 Поршень системы непосредственного впрыска

В современных дизельных двигателях, в связи с повышенным давлением  сгорания по сравнению с обычными двигателями, применяются трапецевидные поршни и шатуны (рис.1.1.5).

Устройство ДВС автомобиля

 

Рис. 1.1.5 Распределение усилий на поршне и шатуне:

а – с параллельными сопрягающимися поверхностями; б –  с трапецевидными

сопрягающимися поверхностями

В отличие от традиционной формы связи между поршнем и шатуном благодаря трапецевидной форме плоскостей сопряжения поршня и шатуна площадь нагруженных поверхностей отверстий в поршне и в шатуне под поршневой палец увеличивается. Благодаря такой форме поверхностей сила давления сгорания распределяется на большей площади, в результате чего поршневой палец и шатун нагружены меньше.

Поршневые кольца изготавливаются из специально модифицированного чугуна. Один из способов получения более компактных и легких поршней – выполнение колец более узкими и мелкими с компактным размещением их в верхней части головки поршня. При этом предъявляются повышенные требования к материалу, из которого они из­готовлены, и к точности их изготовления.

Шатуны. Наиболее распространенными в двигателях являются стальные шатуны. Они или штампуются (для уменьшения стоимости), или изготавливаются ковкой (более дорогие, но прочные), но в обоих случаях обязательно подвергаются упрочнению, в том числе и закалке. В некоторых последних моделях используются шатуны из алюминиевых сплавов и проводятся эксперименты по применению шатунов из композитных материалов, когда алюминий упрочняется керамическими волокнами. В высокофорсированных двигателях спортивных автомобилей, как правило, используются шатуны из сплава титана.

Поршневой палец может иметь возможность проворачиваться как в головке шатуна, так и в бобышках поршня. В этом случае он фиксируется от продольного перемещения специальны­ми стопорными кольцами, а между пальцем и внутренней поверхностью головки шатуна устанавливается втулка из антифрикционного материала. Такой поршне­вой палец называется «плавающим». Преимущество «плавающего» пальца –  его равномерный износ по окружности, а также большая надежность работы (на слу­чай заклинивания в шатуне или в бобышках). Поршневые пальцы «неплавающего» типа запрессованы в верхней головке шатуна и проворачиваются только в бобышках поршня. В этом случае стопорные кольца и втулка не нужны и конструк­ция получается проще и легче. Нижняя головка шатуна должна быть разбор­ной, чтобы иметь возможность соеди­нения с шейкой коленчатого вала, а две части шатуна соединяются болтами. Сейчас многие фирмы не разрезают нижнюю головку шатуна, а подвергают закаленные шатуны контролируемому раскалыванию нижней головки. Когда нижняя головка собирается, обе ее ча­сти стыкуются практически идеально, обеспечивая полное совпадение раз­лома во всех направлениях (рис.1.1.6).

Устройство ДВС автомобиля

Рис.1.1.6. Крышки коренных подшипни­ков коленчатого вала изготовленные методом отламывания

В настоящее время такой же способ применяют и при изготовлении крышек ко­ренных подшипников коленчатого вала.

Уравновешивание V-образных двигателей. Чтобы снизить вибрацию двигателя при его работе, необходимо уравновесить моменты, создаваемые силами инерции. Для этого предусмотрены противовесы, закрепленные на коленчатом валу болтами или выполненные при изготовлении вала, а также уравновешивающий вал (рис.1.1.7). Моментам сил инерции противостоят также противовесы на уравновешивающем вале и в шестерне его привода. Уравновешивающий вал приводится от коленчатого вала и вращается в противоположном ему направлении. Уравновешивающий вал используется также для привода масляного насоса.

Устройство ДВС автомобиля

Рис. 1.1.7 Уравновешивание двигателя V 10 TDI VW:

1 – гаситель крутильных колебаний; 2 – силиконовая жидкость; 3 – задающий диск частоты вращения коленчатого вала; 4 – противовес коленчатого вала; 5 – коленчатый вал; 6 – противовес уравновешивающего  вала; 7 – уравновешивающий вал; 8 – противовес уравновешивающего вала; 9 – шестерня привода масляного насоса

 

Противовесы изготовляются из сплава вольфрама, высокая плотность которого позволяет уменьшить их размеры.

Каким бы жестким ни был коленчатый вал, он подвергается крутильным колебаниям. Кру­тильные колебания можно представить как постоянное закручивание с последующим раскру­чиванием вала, что происходит при работе двигателя с определенной частотой. При совпадении частоты крутильных колебаний с частотой внешних сил может наступить резонанс, который приведет к резкому увеличению нагрузок, действующих на коленчатый вал, и, как следствие, к его поломке. Излом коленчатых валов (обычно в месте соединения щеки с коренной шей­кой) был частой причиной выхода из строя двигателей старых конструкций. Современные ко­ленчатые валы имеют высокую жесткость, и резонансные частоты находятся за пределами возможных частот вращения валов этих двигателей. Тем не менее, в конструкции двигателей часто применяют гасители крутильных колебаний, которые снижают до нужного уровня виб­роактивность коленчатого вала. Одним из способов гашения крутильных колебаний является разделение шкива или диска, установленного на коленчатом вале, на внутреннюю и наружную части – двухмассовый маховик (рис.1.1.8). Обе части соединить их уп­ругим материалом, который поглощает вибрации за счет внутреннего трения.

Устройство ДВС автомобиля

Рис. 1.1.8 Двухмассовый маховик

Другим способом является заполнение корпуса маховика силиконовой жидкостью (рис. указанный выше). Гашение крутильных колебаний коленчатого вала осуществляется за счет сил сдвига, действующих в силиконовой жидкости.

Крепление деталей двигателя. Крепление болт в болт. Одним из новых направлений в конструкции крепления головки бока и крышки подшипников распределительного вала является применение соединений болт в болте (рис.1.1.9). Корпус подшипников распределительных валов притягивается к головке цилиндров посредством коротких болтов, которые вворачиваются в расположенные в два ряда болты крепления головки к блоку цилиндров. Эти соединения позволяют увеличить компактность совместной конструкции головки цилиндров и корпуса подшипников распределительных валов и создают условия для уменьшения межцилиндровых расстояний.

Устройство ДВС автомобиля

Рис. 1.1.9 Соединение головки блока и корпуса подшипников распределительного вала «болт в болту» :

1 – корпус подшипников; 2 – головка цилиндров; 3 – болт крепления головки цилиндров; 4 – блок цилиндров.

Принцип анкерных связей. Чтобы снизить деформации цилиндров и обеспечить сохранение оптимальной формы их рабочих поверхностей, головка цилиндров некоторых двигателей притягивается к блоку с помощью анкерных болтов (рис.1.1.10). Соединение анкерных болтов производится посредством плавающих втулок, расположенных в блоке цилиндров и фиксируемых от проворачивания в нем. Болт крепления головки цилиндров вворачиваются в плавающую втулку с одной стороны, а нижний анкерный болт вворачиваются в нее с другой стороны.

Устройство ДВС автомобиля

Рис. 1.1.10 Крепление головки блока анкерными болтами:

1 – анкерный болт; 2 – блок цилиндров; 3 – плавающая втулка; 4 – болт крепления головки цилиндров; 5 – головка цилиндров

Привод механизмов двигателя. В V-образных двигателях, больших рабочих объемов, в связи с большими передающими усилиями на привод механизмов и систем двигателя могут применяться зубчатые шестеренчатые передачи (рис.1.1.11). По сравнению с ременной или цепной передачей шестерни позволяют передавать большие усилия при равных габаритах механизма. При этом отсутствуют явления, связанные с вытягиванием ремня или цепи, кроме того, зубчатые передачи не нуждаются в обслуживании.

Устройство ДВС автомобиля

 

Рис. 1.1.11 Привод агрегатов и механизмов V-образного двигателя на примере двигателя V 10 TDI VW:

1 – шестерня привода насоса гидроусилителя рулевого управления и компрессора кондиционера; 2 – шестерня коленчатого вала; 3 – шестерня распределительного вала первого ряда цилиндров; 4 – компенсационная шестерня; 5 – шестерня привода насоса охлаждающей жидкости; 6 – шестерня привода генератора; 7 – шестерня распределительного вала второго ряда цилиндров; 8 – болты крепления; 9 – шестерня привода масляного насоса, установленная на уравновешивающем валу

Модуль раздаточного механизма представляет собою комплект косозубых стальных шестерен с углом наклона 15°, что обеспечивает зацепления одновременно двух шестерен, установленных между двумя несущими корпусными плитами (рис.1.1.12). Чтобы обеспечить одинаковое тепловое расширение всех деталей модуля и сохранение боковых зазоров в зацеплениях шестерен, несущие плиты изготовляются из термически обработанного чугуна. Модуль раздаточного механизма притянут тремя болтами к модулю подшипников коленчатого вала, который также изготовляется из чугуна.

Шестерни распределительных валов связаны с раздаточным механизмом через компенсационное устройство. Распределительные валы установлены в алюминиевых головках цилиндров, а материалом несущих плит модуля раздаточного механизма является чугун. Так как при нагреве алюминий расширяется в большей степени, чем чугун, возникает необходимость в компенсации зазора в зацеплении шестерен. Для этого предусмотрена компенсационная шестерня 2, установленная в шарнирном корпусе между шестерней распределительного вала 3 и ведущей шестерней раздаточного механизма 5.

Устройство ДВС автомобиля

 

Рис.1.1.12 Устройство для компенсации теплового зазора:

а) – положение при холодном двигателе; б) – положение при горячем двигателе; 1 – модуль раздаточного механизма; 2 – компенсационная шестерня; 3 – шестерня распределительного вала; 4 – пластины; 5 – ведущая шестерня

При нагреве изменяется положение оси распределительного вала относительно модуля раздаточного механизма (рис. б). Компенсационная шестерня перемещается совместно с шарниром, соединяющим пластины компенсационного устройства, поэтому боковые зазоры в зацеплениях шестерен остаются неизменными.

 

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: