Устройство и принцип работы двухтактного поршневого двигателя

                   Устройство и принцип работы двухтактного поршневого двигателя. 

Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя  с кривошипно-камерной продувкой.

 В процессе  первого такта (рис. 4, а) при  движении поршня от н.м.т. к  в.м.т. закрываются продувочное 7 и выпускное 2 окна и в надпоршневом пространстве сжимается рабочая смесь, а в кривошипной камере создается разрежение. Как только нижняя кромка поршня откроет впускное окно 3, горючая смесь из карбюратора через него поступит в кривошипную камеру. При подходе поршня к в.м.т. (рис. 4, б) над ним находится сжатая рабочая смесь, а под ним, в кривошипной камере картера, свежий заряд горючей смеси при небольшом разрежении. В конце первого такта сжатая рабочая смесь в надпоршневом пространстве воспламеняется искрой запальной свечи 8.  

 Начинается  второй такт (рис. 4, в). Под действием  расширяющихся газов поршень  движется к н.м.т. и воздействует  на коленчатый вал через шатун  5, т. е. совершается механическая  работа. При движении к н.м.т.  поршень закрывает впускное окно своей нижней кромкой, а верхней открывает выпускное окно. При этом в кривошипной камере картера происходит сжатие горючей смеси, давление которой повышается до 0,15-0,17 МПа. Через выпускное окно под давлением 0,4-0,5 МПа и с большой скоростью отработавшие газы выходят наружу. Давление отработавших газов в цилиндре быстро падает до 0,10- 0,12 МПа и верхняя кромка поршня открывает продувочное окно (рис. 4, г). Горючая смесь под давлением поступает в цилиндр, вытесняя из него остатки отработавших газов. Процесс заполнения цилиндра горючей смесью с одновременным удалением из него отработавших газов называется продувкой цилиндра.  

 При движении  поршня к в.м.т. закрывается  продувочное окно я продувка  заканчивается. После этого в  цилиндре начинается сжатие и рабочий цикл повторяется снова.  

 Таким образом,  в двухтактном двигателе рабочий  цикл совершается за один оборот  коленчатого вала, которому соответствуют  два хода поршня. Основным процессом  в первом такте является сжатие  рабочей смеси, а во втором рабочий ход.

 Рис. 4. Схема  работы двухтактного карбюраторного  двигателя:  а - сжатие, б - расширение, в - выпуск, г - продувка; 1 - цилиндр, 2, 3 и 7 - выпускное, впускное и  продувочное окна, 4 - кривошипная  камере картера, 5 - шатун, 6 - поршень, 8 - свеча  

 На рис. 5 показана  схема работы двухтактного дизеля  со щелевым газораспределением  и контурной продувкой.  

 Рис. 5. Схема  работы двухтактного дизеля:  а - сжатие, б - расширение, в - выпуск, г - продувка  

 Первый такт  соответствует перемещению поршня от н.м.т. к в.м.т. При движении поршня вверх (рис. 5, а) воздух, заключенный в цилиндре, сжимается. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое благодаря высокой температуре воздуха самовоспламеняется и сгорает.  

 Второй такт  соответствует перемещению поршня  от в.м.т. к н.м.т. Под давлением  газов поршень движется вниз, совершая рабочий ход (рис. 5, б). В конце рабочего хода (за 65-70°  угла поворота кривошипа до  н.м.т.) поршень своей верхней кромкой  открывает выпускные (выхлопные) окна и отработавшие газы выходят из цилиндра в выпускной коллектор (рис 5, в). Давление в цилиндре при этом быстро падает.  

 Продолжая  движение вниз, поршень за 45-50°  угла поворота кривошипа до  н.м.т. начинает открывать продувочные  окна (рис. 5, г). К этому моменту давление в цилиндре приблизительно равно давлению продувочного воздуха, который поступает в цилиндр и вытесняет отработавшие газы. Процесс продувки продолжается до тех пор, пока поршень, пройдя н.м.т., при обратном ходе не закроет продувочные окна.  

 При дальнейшем  движении поршня к в.м.т. часть  воздуха выталкивается из цилиндра  через открытые выпускные окна. После закрытия выпускных окон  начинается сжатие, в конце которого  в камеру сгорания впрыскивается  топливо, и затем рабочий цикл повторяется снова в той же последовательности.  

 Рассмотрим  схемы различных типов продувки  в двухтактных дизелях (рис. 6). Все существующие типы продувок  в зависимости от характера  движения продувочного воздуха  подразделяют на две основные  системы - контурную и прямоточную.  

 Контурные  системы продувки. Эти системы  характеризуются тем, что поступающий  через впускные окна воздух  движется по определенному контуру,  вытесняя отработавшие газы через  выпускные окна. Воздух поднимается  сначала снизу вверх по контуру рабочего цилиндра, затем поворачивает на 180° и движется в обратном направлении. Контурные системы продувки могут быть разбиты в зависимости от расположения окон в цилиндре на группы. Рассмотрим их.  

 Рис. 6. Схема  различных типов продувки:  а-поперечная щелевая. 6 - петлевая, в - клапанная поперечная, г - прямсаочная. бесклапанная; 1 - поршень, 2 и 3- выпускные и продувочные окна, 4- автоматичесий клапан, 5 - ресивер

 При поперечной  щелевой продувке (рис. 6, а) выпускные  окна 2 расположены против продувочных 3, но немного выше их для более полной очистки цилиндра от отработавших газов. Недостатком этой продувки является потеря части воздушного заряда, который вытесняется поршнем через выпускные окна после закрытия продувочных окон, что снижает мощность дизеля. Поперечная щелевая продувка надежна в работе, проста по конструктивному выполнению и поэтому широко применяется в современных дизелях.  

 При петлевой  продувке (рис. 6, б) выпускные 2 и  продувочные 3 окна Расположены  в два ряда, одни над другими. При движении поршня к н.м.т. сначала открываются выпускные окна и отработавшие газы начинают выходить наружу, затем - продувочные окна и воздух, поступающий в цилиндр, направляется вниз благодаря особой конструкции сечений продувочных окон. Воздух обтекает вогнутую поверхность поршня и двигается вверх, описывая таким образом петлю. При своем движении воздух вытесняет продукты сгорания через выпускные окна.  

 Во время  движения к в.м.т. поршень сначала  закрывает продувочные окна, а  затем выпускные. Преимущества и недостатки петлевой продувки те же, что и поперечной щелевой. Петлевая продувка применяется у дизелей большой мощности.  

 При клапанной  поперечной продувке (рис. 6, в) продувочные  и выпускные окна расположены  друг против друга на одной высоте. Продувочные окна 3 выполнены наклонными вверх и соединены с автоматическим клапаном 4, который регулирует впуск воздуха в цилиндр. При движении поршня к н.м.т. одновременно открываются оба типа окон и через выпускные начинается выпуск отработавших газов.  

 Однако воздух  в цилиндр пойдет только тогда,  когда давление в нем снизится, станет ниже давления в ресивере 5 и автоматический клапан откроет  окна 3. При движении поршня к  в. м. т. продувка прекратится  одновременно с выпуском, так  как поршень перекрывает все окна. После этого начинается процесс сжатия воздуха.  

 Основным  преимуществом этого способа  является малый общий расход  воздуха при продувке и большое  количество свежего заряда воздуха,  поступающего за цикл в цилиндр,  в связи с чем несколько возрастает мощность дизеля.  

 Прямоточная  система продувки. Особенность этой  системы состоит втом, что в  процессе продувки поток воздуха  движется только в одном направлении.  Рассмотрим прямоточную бесклапанную  продувку (рис. 6, г). Этот способ продувки  применяют в дизелях с противоположно движущимися поршнями. Выпускные и продувочные окна располагают по всей окружности цилиндра. Нижний поршень открывает выпускные окна, а верхний - продувочные. Выпускные окна располагают выше, чем продувочные, поэтому выпуск отработавших газов начинается несколько раньше начала продувки.  

 Двухтактные  двигатели внутреннего сгорания  по сравнению с четырехтактными  имеют ряд преимуществ: упрощенную  конструкцию (отсутствие клапанного  механизма газораспределения), большую  мощность (при одинаковых диаметре цилиндра, ходе поршня и частоте вращения коленчатого вала) из-за вдвое большего количества рабочих ходов. Кроме того, в двухтактном двигателе коленчатый вал вращается более равномерно, поскольку на каждый его оборот приходится один рабочий ход. Это позволяет обходиться без утяжеленных маховиков.  

 Недостатками  двухтактных двигателей являются  повышенный удельный расход топлива  (часть топлива уходит с отработавшими  газами во время продувки) и  плохая очистка цилиндра от  продуктов сгорания, что ведет к уменьшению наполнения его горючей смесью и снижению мощности двигателя. Кроме того, высокая частота рабочих ходов двигателей приводит к повышенному нагреву деталей кривошипно-шатунного механизма и их ускоренному износу. 
 

                             Конструкция и работа газораспределительного механизма с верхним    расположением распределительного вала. 

Газораспределительные механизмы независимо от расположения распределительных валов в двигателе  включают в себя клапанную группу, передаточные детали и распределительные валы с приводом. 

В клапанную  группу входят впускные и выпускные  клапаны, направляющие втулки клапанов и пружины клапанов с деталями крепления. 

Передаточными деталями являются толкатели, направляющие втулки толкателей, штанги толкателей, коромысла, ось коромысел, рычаги привода клапанов, регулировочные шайбы и регулировочные болты. Однако при верхнем расположении распределительного вала толкатели, направляющие втулки и штанги толкателей, коромысла и ось коромысел обычно отсутствуют. 

На рисунке1 представлен  газораспределительный механизм двигателя  с верхним расположением клапанов, с верхним расположением распределительного вала с цепным приводом и с двумя  клапанами на цилиндр. Он состоит  из распределительного вала 14 с корпусом 13 подшипников, привода распределительного вала, рычагов 11 привода клапанов, опорных регулировочных болтов 18 клапанов 1 и 22, направляющих втулок 4, пружин 7 и 8 клапанов с деталями крепления.

Рисунок 1 – Газораспределительный  механизм легкового автомобиля с цепным приводом 

1, 22 – клапаны; 2 – головка; 3 – стержень; 4, 20 –  втулки; 5 – колпачок; 6 – шайбы; 7, 8, 17 – пружины; 9 – тарелка; 10 –  сухарь; 11 – рычаг; 12 – фланец; 13 –  корпус; 14 – распределительный вал; 15 – шейка; 16 – кулачок; 18 – болт; 19 – гайка; 21 – пластина; 23 – кольцо; 24, 27, 28 – звездочки; 25 – цепь; 26 – успокоитель; 29 – палец; 30 – башмак; 31 – натяжное устройство 

Распределительный вал обеспечивает своевременное  открытие и закрытие клапанов. Распределительный  вал – пятиопорный, отлит из чугуна. Он имеет опорные шейки 15 и кулачки 16 (впускные и выпускные). Внутри вала проходит канал, через который подводится масло от средней опорной шейки к другим шейкам и кулачкам. К переднему торцу вала крепится ведомая звездочка 24 цепного привода. Вал устанавливается в специальном корпусе 13 подшипников, отлитом из алюминиевого сплава, который закреплен на верхней плоскости головки блока цилиндров. От осевых перемещений распределительный вал фиксируется упорным фланцем 12, который входит в канавку передней опорной шейки вала и прикрепляется к торцу корпуса подшипников. 

Привод распределительного вала осуществляется через установленную  на нем ведомую звездочку 24 двухрядной роликовой цепью 25 от ведущей звездочки 28 коленчатого вала. Этой цепью также вращается звездочка 27 вала привода масляного насоса. Привод распределительного вала имеет полуавтоматический натяжной механизм, состоящий из башмака и натяжного устройства. Цепь натягивается башмаком 30, на который воздействуют пружины натяжного устройства 31. Для гашения колебаний ведущей ветви цепи служит успокоитель 26. Башмак и успокоитель имеют стальной каркас с привулканизированным слоем резины. Ограничительный палец 29 предотвращает спадание цепи при снятии на автомобиле ведомой звездочки распределительного вала. 

Клапаны открывают  и закрывают впускные и выпускные  каналы. Клапаны установлены в  головке блока цилиндров в  один ряд под углом к вертикальной оси цилиндров двигателя. Впускной клапан 1 для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью имеет головку большего диаметра, чем выпускной клапан. Он изготовлен из специальной хромистой стали, обладающей высокой износостойкостью и теплопроводностью. Выпускной клапан 22 работает в более тяжелых температурных условиях, чем впускной. Он выполнен составным. Его головку делают из жаропрочной хромистой стали, а стержень – из специальной хромистой стали. 

Каждый клапан состоит из головки 2 и стержня 3. Головка имеет конусную поверхность (фаску), которой клапан при закрытии плотно прилегает к седлу из специального чугуна, установленному в головке блока цилиндров и имеющему также конусную поверхность. 

Стержень клапана  перемещается в чугунной направляющей втулке 4, запрессованной и фиксируемой  стопорным кольцом 23 в головке  блока цилиндров, обеспечивающей точную посадку клапана. На втулку надевается маслоотражательный колпачок 5 из маслостойкой резины. Клапан имеет две цилиндрические пружины: наружную 8 и внутреннюю 7. Пружины крепятся на стержне клапана с помощью шайб 6, тарелки 9 и разрезного сухаря 10. Клапан приводится в действие от кулачка распределительного вала стальным кованным рычагом 11, который опирается одним концом на регулировочный болт 18, а другим – на стержень клапана. Регулировочный болт имеет сферическую головку. Он ввертывается в резьбовую втулку 20, закрепленную в головке блока цилиндров и застопоренную пластиной 21, и фиксируется гайкой 19. Регулировочным болтом устанавливается необходимый зазор между кулачком распределительного вала и рычагом привода клапана, равный 0,15 мм на холодном двигателе и 0,2 мм на горячем двигателе (прогретом до 75…85 °C). Пружина 17 создает постоянный контакт между концом рычага привода и стержнем клапана.

Принцип работы 

Газораспределительный механизм (ГРМ) работает следующим образом. При вращении распределительного вала его кулачки в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя поочередно набегают на рычаги 11. Рычаги, поворачиваясь одним концом на сферических головках регулировочных болтов 18, другим концом воздействуют на стержни клапанов, преодолевают сопротивление пружин 7, 8 и открывают клапаны. При дальнейшем повороте распределительного вала кулачки сходят с рычагов, которые возвращаются в исходное положение под действием пружин 17, а клапаны закрываются под действием пружин 7 и 8. 

При работе двигателя  распределительный вал вращается  в два раза медленнее, чем коленчатый вал. Это связано с тем, что  за период рабочего цикла двигателя, протекающего за два оборота коленчатого  вала, впускной и выпускной клапаны  каждого цилиндра должны открываться по одному разу. 

Нормальная работа газораспределительного механизма (ГРМ) во многом зависит от теплового зазора между кулачками распределительного вала и рычагами привода клапанов. Этот зазор обеспечивает плотное  закрытие клапанов при их удлинении в результате нагрева во время работы. При недостаточном тепловом зазоре или его отсутствии происходит неполное закрытие клапанов, что приводит к утечке газов, быстрому обгоранию фасок головок клапанов и снижению мощности двигателя.

Привод распределительного вала 

Особенностью  привода распределительного вала (рисунок 3) является применение ременной передачи. Привод распределительного вала осуществляется через установленный на нем зубчатый шкив 4 ремнем 5 от зубчатого шкива 1 коленчатого вала. С помощью этого ремня также вращается зубчатый шкив 8 вала привода масляного насоса.

Рисунок 2 – Ременный привод распределительного вала 

1, 4, 8 – шкивы; 2 – болты; 3 – ролик; 5 – ремень; 6 – кронштейн; 7 – пружина 

Ремень –  зубчатый, изготовлен из резины, армированной стекловолокном. Зубья ремня имеют трапециевидную форму. Ремень натягивается с помощью натяжного ролика 3, закрепленного на кронштейне 6. Натяжение ремня регулируют пружиной 7 на неработающем двигателе при ослабленных болтах 2 крепления кронштейна натяжного ролика. Привод распределительного вала работает без смазки и снаружи закрыт тремя пластмассовыми крышками. 

Газораспределительный механизм двигателя, представленный на рисунке 4, состоит из распределительного вала 2 с двумя корпусами 1 подшипников, привода распределительного вала, толкателей 4, регулировочных шайб 3, направляющих втулок 6, клапанов 7, пружин 5 клапанов с деталями крепления.

Рисунок 3 – Газораспределительный  механизм (а) с верхним расположением  распределительного вала и его привод (б): 

1 – корпус; 2 – распределительный вал; 3 –  шайба; 4 – толкатель; 5 – пружина; 6 – втулка; 7 – клапан; 8, 9, 11 –  шкивы; 10 – ролик; 12 – ремень; 13 –  ось 

Распределительный вал чугунный, литой, пятиопорный. В  задней части вала 2 находится эксцентрик для привода топливного насоса. Корпуса 1 подшипников распределительного вала отлиты из алюминиевого сплава. В них находятся верхние половины опор под шейки распределительного вала: две в переднем корпусе и три в заднем. Толкатели 4 клапанов – стальные, цилиндрические, передают усилия от кулачков распределительного вала на клапаны. В верхней части толкателей имеется гнездо для установки регулировочной шайбы. Регулировочные шайбы 3 – плоские, стальные, толщиной 3,00…4,25 мм с интервалом через каждые 0,05 мм. Подбором толщины этих шайб регулируется тепловой зазор между шайбой и кулачком распределительного вала. Клапаны 7 (впускной, выпускной) отличаются по конструкции и изготовлены из разных сталей. Впускной клапан имеет головку большего диаметра, чем выпускной. Он выполнен из хромоникельмолибденовой стали. Выпускной клапан – составной, сварен из двух частей. Головка клапана изготавливается из жаропрочной хромоникельмарганцовистой стали, а стержень – из хромоникельмолибденовой стали. Направляющие втулки 6 клапанов – чугунные, запрессовываются и фиксируются стопорными кольцами в головке блока цилиндров. 

Пружины 5 (наружная, внутренняя) прижимают клапан к седлу  и не дают ему отрываться от толкателя. Они также исключают возникновение  резонансных колебаний деталей. 

Привод распределительного вала производится через установленный  на нем зубчатый шкив 11 ремнем 12 от зубчатого  шкива 8 коленчатого вала. Этим же ремнем вращается зубчатый шкив 9 насоса охлаждающей  жидкости. Ремень – зубчатый, резиновый, армирован стекловолокном. Зубья ремня имеют полукруглую форму. Ремень натягивается роликом 10, который вращается на эксцентриковой оси 13, установленной на шпильке, закрепленной в головке блока цилиндров. При повороте эксцентриковой оси относительно шпильки изменяется натяжение ремня. Привод распределительного вала работает без смазочного материала. Он закрыт двумя крышками – передней пластмассовой и задней стальной. 

При вращении распределительного вала его кулачок набегает на шайбу 3 и толкатель 4. Толкатель действует на стержень клапана 7, преодолевает сопротивление пружин 5 и открывает клапан. При дальнейшем повороте кулачок сходит с толкателя, который возвращается в исходное положение под действием пружин 5, закрывающих клапан.

                                                головка блока цилиндров

Головка блока  отливается либо из легированного чугуна, либо из алюминиевого сплава. После  процесса литья, головка блока цилиндров  подвергается искусственному старению по определенной технологии, для снятия остаточного напряжения. Для однорядного двигателя предусмотрена общая ГБЦ. Для V-образных двигателей ГБЦ отдельная для каждого ряда цилиндров. Конструктивно нижняя плоскость ГБЦ выполняется чуть шире, для более надежного уплотнения с блоком цилиндров. Помимо этого, для уплотнения места соединения ГБЦ и блока применяются прокладки головки блока цилиндров. 

Монтаж и крепление  ГБЦ с блоком происходит посредством  направляющих шпилек и болтов крепления  головки. Крепление ГБЦ – процедура  ответственная и выполняется, применительно к каждой модели двигателей в соответствии с мануалом от производителя. Болты крепления головки блока цилиндров имеют свою последовательность затяжки и прилагаемую силу затяжки. Затяжка болтов ГБЦ производится только при помощи динамометрического ключа. Здесь не нужна сила, здесь нужна технология. 

ГБЦ с нижним расположением клапанов имеет более  простую конструкцию, в сравнении  с ГБЦ двигателя с верхним  расположением клапанов.

Задачи и устройство головки блока цилиндров 

Перечисление  основных узлов и систем ГБЦ, сразу же помогает понять, какие основные задачи возлагаются на головку блока в процессе эксплуатации. 

Крышка головки  блока цилиндров выполняет защитную функцию. Кроме того, в ней размещена  маслозаливная горловина для  моторного масла. Уплотнение при креплении крышки к ГБЦ осуществляется при помощи резиновой прокладки многоразового использования.

Прокладка головки  блока цилиндров обеспечивает уплотнение в месте прилегания ГБЦ к блоку  цилиндров. Эта прокладка одноразового использования. Поэтому замена прокладки ГБЦ осуществляется всегда, при ремонте или обслуживании. На прокладке экономить не стоит. Дороже обойдётся.

Полость для  размещения натяжителя цепи и привода  распредвала находится в передней части ГБЦ.

Резьбовые отверстия  для свечей зажигания или форсунок предусмотрены в корпусе головки.

Камеры сгорания

Место для газораспределительного механизма (ГРМ).

В верхней части  ГБЦ предусмотрены места для: втулок клапанов, опорных шайб клапанных  пружин и корпусов подшипников распредвала.

Кроме того, в  корпусе предусмотрены отверстия для крепления впускного и выпускного коллекторов. 

При изготовлении ГБЦ в нее монтируются направляющие втулки клапанов и сёдла. Технология их монтажа заключается в том, что холодные детали вставляют в  нагретый корпус головки. Таким образом, после уравнивания температур, достигается большее натяжение в соединении деталей.

Обслуживание  и ремонт головки блока цилиндров 

Во время эксплуатации двигателя основная задача водителя – систематически следить за тем, чтобы в месте соединения ГБЦ и блока не образовывались подтёки масла или охлаждающей жидкости. Второе важное условие нормальной эксплуатации – не допускать перегревов двигателя, иначе головку блока может повести. Ремонт ГБЦ может проводиться как без ее снятия, например, для замены маслосъёмных колпачков или регулировки клапанов. Так и со снятием головки блока для более масштабных ремонтных работ: притирка клапанов,  замена направляющих втулок, удаление нагара и т.д. 

Все ремонтные  работы, снятие и установка головки  блока цилиндров должны выполняться не по аналогии или памяти, а в строгом соответствии с требованиями производителя относительно данного типа двигателя. Успехов вам в изучении устройства головки блока цилиндров.

                                   Система смазки с сухим картером

Система смазки с сухим картером. Двигатели некоторых  автомобилей и других транспортных машин, предназначенных для работы в условиях пересеченной местности, оборудуют системой смазки с сухим  картером. В таких системах масло  из поддона постоянно откачивается одним или двумя насосами в бак-отстойник, а оттуда подается в систему смазки отдельным насосом. Это устраняет возможность вытекания масла из картера, особенно через сальники коленчатого вала при резких наклонах автомобиля. Схема системы смазки с сухим картером показана на рис. 1, б.

Рис. 1 - Принципиальные схемы систем смазки автомобильных  двигателей: 

а) четырехтактного  карбюраторного и дизеля; б) система  смазки с «сухим» картером: в) двухтактного карбюраторного с кривошипно-камерной продувкой 

Масло, вытекающее из зазоров между трущимися поверхностями, собирается в наиболее глубокой части  поддона 21, откуда откачивается насосами 33 в изолированный от поддона  масляный бак 30. Производительность откачивающих (одного или двух) масляных насосов  всегда превышает производительность нагнетающего насоса 32, подающего масло в систему смазки. Вызывается это тем, что в масляный бак вместе с маслом попадает большое количество воздуха и картерных газов. Для удаления последних из бака в нем предусматривают сапун 31 или вентиляционную трубку. Масло, поступающее в двигатель, прокачивается через фильтр 34. 

                                      Список используемой литературы

В.Н.Белокуров, О.В.Гладков, А.А.Захаров, А.С.Мелик-Саркисьянц /избранные главы/ 

 «Автомобиль.Основы  конструкции».Учебник.2-е изд.- 1.Вишняков  Н.Н.,Вахламов В.К.,Нарбут А.Н.,Шлиппе  И.С.,Островцев А.Н. М.:Машиностроение,1986.

.Осепчугов  В.В.,Фрумкин А.К.Автомобиль (Анализ  конструкции и элементы расчета):Учебник.-М.:Машиностроение,1989.

Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г