Камера сгорания
Камера сгорания образуется днищем (верхней частью) поршня, нижней частью головки блока цилиндров и стенками цилиндра. В этой замкнутой камере каждый час происходит процесс, равносильный взрыву 32 шашек динамита. Для надежной работы двигателя необходимы точность и прочность деталей.
Поршни и поршневые кольца
Поршень образует нижний край камеры сгорания и передает усилие от сгорания топлива на коленчатый вал (коленвал) посредством шатуна. Поршни бывают различных видов и конструкций. Виды могут отличаться по конструкции юбки поршня, по конструкции головки поршня, по технологическому процессу изготовления поршня и по сорту используемого металла.
Поршневые кольца устанавливаются вокруг верхней части поршня. Они образуют окружность чуть большего диаметра, чем окружность поршня. Когда концы дуги (окружности) встречаются внутри цилиндра, то образуется уплотнение, и это уплотнение удерживает отработанные газы от попадания в картер двигателя, а масло из картера — от попадания в камеру сгорания.
Конструкция юбки
Для поршней используются две основные конструкции юбки. Более старые поршни в двигателях с невысоким числом оборотов имеют полноценные юбки. Эта полноценная юбка увеличивает движущуюся инертность и движущуюся массу двигателя.
Когда коленвалы приобрели противовесы, а обороты двигателя увеличились выше уровня, имеющегося в косилках для газонов, на поршнях появились частичные (облегченные) юбки. Такая частичная юбка уменьшила вес поршня и обеспечила пространство для противовесов коленвала. Почти все современные двигатели используют поршни с частичными юбками. Уменьшенная движущаяся масса поршня с частичной юбкой позволяет увеличить максимальное число оборотов двигателя.
Конструкция головки блока цилиндров
У стандартных поршней обычно плоская головка (днище). Многие высокофорсированные двигатели, особенно предназначенные для гонок, используют поршни с выпуклым днищем. Во многих случаях установка этих выпуклых поршней не является преимуществом, так как они препятствуют распространению фронта пламени в камере сгорания. Когда поршень идет вверх в такте сжатия, выпуклость днища заполняет часть камеры сгорания в головке блока цилиндров. Это увеличивает степень сжатия. Хотя увеличение степени сжатия увеличивает потенциальную мощность двигателя, при этом есть тенденция увеличения температуры сгорания. Когда температура в камере сгорания превышает значение 1380*С, кислород и азот в камере сгорания образуют окись азота. Эти соединения являются одними из самых токсичных и тщательно контролируются экологическими нормами. Если вы решили двигатель, то проверьте, соответствуют ли выбранные вами поршни необходимым требованиям.
Процесс производства
Поршни могут быть литыми или кованными. Кованые поршни являются более прочными, более точно изготовленными, но и более дорогими. По этим причинам они используются в форсированных двигателях высокой мощности.
Металлургия
Поршни двигателей старых автомобилей изготавливались из литого чугуна. Поршни из чугуна соответствуют ненормальной движущейся массе. Эта масса отбирает у двигателя часть мощности и снижает его максимальные обороты.
В 1950-е — 60-е годы в массовом производстве автомобильных двигателей стали использоваться поршни из алюминия. Это позволило повысить максимальные обороты двигателя и уменьшить паразитные потери мощности за счет возвратно-поступательного движения массы поршня.
Типичный поршень не является идеально круглым, как отверстие цилиндра. Он имеет форму эллипса с про-дольной осью, называемой опорной осью, которая перпендикулярна короткой оси, называемой осью поршневого пальца. Такая конструкция поршня называется кулачковой шлифовкой (притиркой) и позволяет термическое расширение поршня вдоль оси поршневого пальца. Кроме этого, такая конструкция позволяет сжатие опорной оси поршня при такте рабочего хода. Когда выполняются измерения на поршне в процессе разборки, особенности конструкции следует учитывать.
Днище поршня может иметь различные конструкции. Каждая конструкция служит для решения определенных проблем. Для большинства ремонтных операций на двигателе вполне подходит поршень с гладким днищем. Поршни с выпуклым днищем очень популярны на форсированных двигателях. Выпуклость, однако, влияет на движение фронта пламени и увеличивает степень сжатия. Двигатели с высокой степенью сжатия обычно не очень хорошо работают на стандартном бензине, который предназначен для обычных автомобилей выпуска 90-х годов.
Шатуны
Шатун передает вертикальное усилие, получаемое от сгорания топлива в камере сгорания, и действующее | на поршень, на коленчатый вал. Хотя эти шатуны должны быть прочными, они должны передавать на коленвал как можно меньше своего собственного веса. Проще говоря, шатунам нужно быть легкими и прочными. Эту комбинацию легко оптимизировать; уровень оптимизации увеличивается вместе с ценой шатуна.
Процесс производства
Подобно поршням, шатуны могут быть литыми или кованными. Кованые шатуны более прочные и изготовлены точнее, следовательно, они обычно применяются для форсированных двигателей.
Металлургия
Шатуны для обычных автомобилей сделаны из литого чугуна. Такие шатуны соответствуют ненормальной I движущейся массе. Эта масса отбирает у двигателя мощность и максимальные обороты. Гоночные двигатели и 1 другие высокофорсированные двигатели используют алюминиевые шатуны.
В 1950-е — 60-е годы появились алюминиевые I шатуны на форсированных двигателях. Это позволило I повысить максимальное число оборотов и уменьшить! паразитные потери мощности из-за возвратно-поступательного движения шатунов большой массы.
У каждого шатуна есть большой конец и малый конец. Малый конец устанавливается в поршень в том месте, где мощность передается от поршня к шатуну через поршневой палец. Поршневой палец может быть запрессован в шатун и иметь плавающую посадку в поршне или может быть запрессован в поршень и иметь плавающую посадку в конце шатуна, или же может иметь полную плавающую посадку, т.е. плавающая посадка имеется как в поршне, так и в шатуне.
Большой конец шатуна соединен с коленвалом. По внутренней стороне большого конца шатуна расположены сменные вкладыши. Из-за большой нагрузки, приходящейся на вкладыши, они принадлежат к тем деталям двигателя, которые более всего склонны к повреждениям.
Коленчатый вал
Мощность, развиваемая двигателем, передается на трансмиссию с помощью коленчатого вала (коленвала). Можно сказать, что коленвал преобразует возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах во вращательное движение, требуемое для вращения колес авто-мобиля.
Вес около 2000 кг или даже 8000 кг (грузовик) передвигается через металлическую деталь диаметром около 10 см.
Коленвал может быть кованным или литым из различных сплавов. Хотя кованый коленвал обычно прочнее, он и дороже. Литой коленвал более чем подходящий для большинства обычных (не гоночных) применений.
После отливки или ковки поверхности подшипников обрабатываются, а затем шлифуются и полируются. На современных коленвалах используются противовесы, которые балансируют их с весом поршней и шатунов. Дальнейшая балансировка осуществляется с помощью удаления металла с противовесов.
Головка блока цилиндров имеет несколько функций. Она содержит камеры сгорания и обеспечивает подвод для топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Кроме этого, головка обеспечивает отвод выхлопных га-зов из камеры сгорания в выпускной коллектор. Каналы для газов открываются и закрываются клапанами. Со времен второй мировой войны эти клапаны располагаются в головке блока цилиндров.
Клапаны и привод клапанов
Клапаны управляют потоками топливовоздушной (рабочей) смеси и выхлопных газов в камеру сгорания и из нее. Впускной клапан открывается всякий раз, когда поршень идет вниз, чтобы втянуть топливо и воздух в камеру сгорания. Выпускной клапан открывается при движении поршня вверх, чтобы отработанные газы были вытеснены из камеры сгорания.
У большинства двигателей всего лишь два клапана на каждый цилиндр: один впускной и один выпускной. В попытках улучшить поток газов через камеру сгорания многие двигатели последних моделей используют по два или даже больше впускных или выпускных клапанов, или обоих видов клапанов в каждом цилиндре. Хотя, на первый взгляд, это делает двигатель более сложным, на самом деле это означает всего лишь большее количество деталей, но не увеличившуюся сложность.
Открывание клапанов на многих двигателях про-изводится с помощью толкателей (штанг) и коромысел. Как можно видеть по старым двигателям времен первой мировой войны, это старый метод, но он остается очень функциональным.
Обычно клапан большего размера является впускным клапаном. Впускной клапан открывается, чтобы впустить воздух и топливо в камеру сгорания. Клапан меньшего размера, называемый выпускным, открывается для выпуска газов после окончания процесса сгорания.
Распределительный вал (распредвал)
Распределительный вал состоит из серии яйцеобразных кулачков, ответственных за открывание и закрывание впускных и выпускных клапанов. В некоторых двигателях распредвал расположен внутри блока цилиндров. Связь между распредвалом и клапанами осуществляется толкателями и штангами.
Многие двигатели имеют распредвал, расположенный поверх клапанов. Распредвал более-менее непосредственно воздействует на клапаны. В таких двигателях единственными деталями, находящимися между распредвалом и клапаном, являются рокер (коромысло). Это исключает необходимость использования толкателей и штанг. Во многих двигателях нет даже рокеров. Исключение толкателей и штанг сокращает количество деталей двигателя, которые склонны к износу. Кроме этого, возможны более высокие обороты, так как отсутствие штанг исключает потенциальные отрицательные эффекты, которые могут повлиять на приемистость двигателя.
Распредвал приводится в движение от коленвала и синхронизирован с ним. Кулачки распредвала перемещают толкатели вверх и вниз, толкатели перемещают штанги, а штанги приводят в движение коромысла для открывания клапанов. Вообще говоря, чем больше подъем кулачков распредвала, тем большее количество воздуха под действием атмосферного давления может попасть в цилиндр, и чем больше продолжительность открывания, тем больше времени воздух поступает в цилиндр.
Конфигурации распредвала и газораспределительного механизма
Когда гонщик Чак Егер преодолел звуковой барьер на автомобиле в 1947 году, мысли конструкторов двигались вокруг плоских головок блоков цилиндров двигателей. В такой конфигурации клапаны расположены в блоке цилиндров. В 50-е годы в массовое производство было запущено серьезное новшество: двигатель с верхнерасположенными клапанами. Движение клапанов в головке блока цилиндров означает улучшение потоков впускных и выхлопных газов через камеру сгорания.
Хотя двигатели со штангами выпускаются уже очень долго и хотя они очень надежны, новые приоритеты и требования к автомобильным двигателям медленно вытесняют эту конструкцию.
Двигатель с верхнерасположенным распредвалом был разработан в 20-е годы XX века. Исключение штанг обеспечивает лучшее управление клапанами и меньшую инерционность внутри двигателя. Такая конфигурация известна под названием верхнерасположенного распредвала (ОНС). Некоторые более сложные конструкции двигателей используют отдельные верхнерасположенные распредвалы для впускных и выпускных клапанов. Эта конструкция называется двойным верхнерасположенным распредвалом (DOHC).
Шестерни газораспределительного механизма, цепи и зубчатые ремни
Цепь привода газораспределительного механизма (ГРМ) соединяет распредвал и коленвал и синхронизирует их работу. Показанная здесь цепь имеет обычную конструкцию. Специальные цепи (для форсированных двигателей) имеют роликовую конструкцию. Многие дорогие европейские двигатели использовали роликовые цепи в качестве стандартного оборудования. Звездочка большего размера является звездочкой распредвала; звездочка меньшего размера является звездочкой коленвала. Смещенная от центра круглая ступица на большой звездочке служит для привода топливного насоса. Такого привода нет на большинстве двигателей с впрыском топлива, так как они используют электрический топливный насос.
Многие двигатели с верхним распределительным валом используют цепь для соединения распредвала и коленвала, но в большинстве двигателей используется зубчатый ремень. Эксплуатация и старение стремятся осла-бить резиновые зубцы ремня, что может привести к повреждениям. Разрыв зубчатого ремня может привести к серьезным повреждениям поршней и деталей привода клапанов, если двигатель работает на высоких оборотах, а на некоторых двигателях — даже на холостом ходу.
Если открытые клапаны имеют отрицательный зазор с поршнем в положении верхней мертвой точки (ВМТ), и если система привода газораспределительного механизма (шестерни/цепь/зубчатый ремень) не обеспечивает правильную синхронизацию распредвала и коленвала (это может случиться при обрыве цепи и ремня), то могут произойти различные повреждения. Когда поршни встречаются с клапанами, то клапаны гнутся. Если вам повезло, то это все, что случится. Если же вам не повезло, то повреждение зубчатого ремня или приводной цепи выведет из строя головку блока цилиндров, клапаны, поршни и, возможно, блок цилиндров.
Из сказанного следует простой вывод: новый зубчатый ремень и несколько часов работы стоят намного дешевле, чем новый двигатель. Если руководство по ремонту вашего автомобиля рекомендует замену зубчатого ремня с определенной периодичностью (по пробегу или по времени), то следуйте неукоснительно этим рекомендациям.
Смотрите так же