Устройство кривошипно-шатунного механизма

Устройство кривошипно-шатунного  механизма

Блок цилиндров является основной деталью двигателя, к которой  крепятся все механизмы и детали. Блоки цилиндров отливают из чугуна или алюминиевого сплава. В той  же отливке выполнены картер и  стенки рубашки охлаждения, окружающие цилиндры двигателя. В блок цилиндров устанавливают вставные гильзы. Гильзы бывают «мокрые» (охлаждаемые жидкостью) и «сухие». На многих современных двигателях применяются безгильзовые блоки. Внутренняя поверхность гильзы (цилиндра) служит направляющей для поршней.

Блок цилиндров сверху закрывается  одной или двумя (в V-образных двигателях) головками цилиндров из алюминиевого сплава. В головке блока цилиндров (ГБЦ) размещены камеры сгорания, в  которых имеются резьбовые отверстия  для свечей зажигания (в дизелях – для свечей накала). В головках ДВС с непосредственным впрыском также имеется отверстие для форсунок. Для охлаждения камер сгорания вокруг них выполнена специальная рубашка. На головке цилиндров закреплены детали газораспределительного механизма. В ГБЦ выполнены впускные и выпускные каналы и установлены вставные седла и направляющие втулки клапанов. Для создания герметичности между блоком и ГБЦ устанавливается прокладка, а крепление головки к блоку цилиндров осуществлено шпильками с гайками. Головка цилиндров сверху закрывается крышкой. Между ними устанавливается маслоустойчивая прокладка.

  Поршень воспринимает давление  газов при рабочем такте и  передает его через поршневой  палец и шатун на коленчатый  вал. Поршень представляет собой  перевернутый цилиндрический стакан, отлитый из алюминиевого сплава. В верхней части поршня расположена головка с канавками, в которые вставляются поршневые кольца. Ниже головки выполнена юбка, направляющая движение поршня. В юбке поршня имеются приливы-бобышки с отверстиями для поршневого пальца.

При работе двигателя поршень, нагреваясь, расширится и, если между ним и  стенкой цилиндра не будет необходимого зазора, заклинится в цилиндре. Если же зазор будет слишком большим, то часть отработанных газов будет  прорываться в картер. Это приведет к падению давления в цилиндре и уменьшению мощности двигателя. Поэтому головку поршня выполняют меньшего диаметра, чем юбку, а саму юбку в поперечном сечении изготавливают не цилиндрической формы, а в виде эллипса с большей осью в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу. На юбке поршня имеется разрез. Из-за овальной формы и разреза юбки предотвращается заклинивание поршня при работе прогретого двигателя. Общее устройство поршней принципиально одинаково, но их конструкции могут отличаться в зависимости от особенностей конкретного двигателя.

Поршневые кольца подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца уплотняют поршень в цилиндре и служат для уменьшения прорыва  газов из цилиндров в картер, а  маслосъемные снимают излишки масла со стенок цилиндров и предотвращают проникновение масла в камеру сгорания. Кольца, изготовленные из чугуна или стали, имеют разрез (замок). Количество колец в разных двигателях может быть разным.

Поршневой палец шарнирно соединяет поршень с верхней головкой шатуна. Палец изготовлен в виде пустотелого цилиндрического стержня, наружная поверхность которого закалена токами высокой частоты. Осевое перемещение пальца в бобышках поршня ограничивается разрезными стальными кольцами.

Шатун служит для соединения коленчатого  вала с поршнем. Шатун состоит  из стального стержня двутаврового сечения, верхней неразъемной и  нижней разъемной головок. В верхней  головке установлен поршневой палец, а нижняя головка крепится на шатунной шейке коленчатого вала. Для уменьшения трения в верхнюю головку шатуна запрессовывается втулка, а в нижнюю, состоящую из двух частей, устанавливаются тонкостенные вкладыши. Обе части нижней головки скрепляются двумя болтами с гайками. К головкам шатуна при работе двигателя подводится масло. В V-образных двигателях на одной шатунной шейке коленвала крепится два шатуна.

Коленчатый вал изготавливается  из стали или из высокопрочного чугуна. Он состоит из шатунных и коренных шлифованных шеек, щек и противовесов. Задняя часть вала выполнена в виде фланца, к которому болтами крепится маховик. На переднем конце коленчатого вала закрепляется ременной шкив и звездочка привода распредвала. В шкив может быть интегрирован гаситель крутильных колебаний. Наиболее распространенная конструкция представляет собой два металлических кольца, соединенных через упругую среду (резина-эластомер, вязкое масло).

Количество и расположение шатунных шеек зависят от числа цилиндров  и их расположения. Шатунные шейки  коленвала многоцилиндрового двигателя выполнены в разных плоскостях, что необходимо для равномерного чередования рабочих тактов в разных цилиндрах. Коренные и шатунные шейки соединяются между собой щеками. Для уменьшения центробежных сил, создаваемых кривошипами, на коленчатом валу выполнены противовесы, а шатунные шейки сделаны полыми. Поверхность коренных и шатунных шеек закаливают токами высокой частоты. В шейках и щеках имеются каналы, предназначенные для подвода масла. В каждой шатунной шейке имеется полость, которая выполняет функцию грязеуловителя. В грязеуловители масло поступает от коренных шеек и при вращении вала частицы грязи, находящиеся в масле, под действием центробежных сил отделяются от масла и оседают на стенках. Очистка грязеуловителей осуществляется через завернутые в их торцы резьбовые пробки только при разборке двигателя. Перемещение вала в продольном направлении ограничивается упорными шайбами. В местах выхода коленчатого вала из картера двигателя имеются сальники и уплотнители, предотвращающие утечку масла.

В работающем двигателе нагрузки на шатунные и коренные шейки коленчатого вала очень велики. Для уменьшения трения шейки вала расположены в подшипниках скольжения, которые выполнены в виде металлических вкладышей, покрытых антифрикционным слоем. Вкладыши состоят из двух половинок. Шатунные подшипники устанавливаются в нижней разъемной головке шатуна, а коренные – в блоке и крышке подшипника. Крышки коренных подшипников прикручиваются болтами к блоку цилиндров и стопорятся во избежание самоотвертывания. Чтобы вкладыши не провертывались, в них делают выступы, а в крышках, седлах и головках шатунов – соответствующие им уступы.

Маховик уменьшает неравномерность  работы двигателя, облегчает его  пуск и способствует плавному троганию автомобиля с места. Маховик изготовлен в виде массивного чугунного диска и прикреплен к фланцу коленвала болтами с гайками. При изготовлении маховик балансируется вместе с коленчатым валом. Для того чтобы при разборке двигателя балансировка не нарушилась, маховик устанавливается на несимметрично расположенные штифты или болты. Таким образом исключается его неправильная установка. В некоторых двигателях для снижения крутильных колебаний, передаваемых на КПП, применяются двухмассовые маховики, представляющие собой два диска, упруго соединенные между собой. Диски могут смещаться относительно друг друга в радиальном направлении. На ободе маховика наносятся метки, по которым устанавливают поршень первого цилиндра в в.м.т. при установке зажигания или момента начала подачи топлива (для дизелей). Также на обод крепится зубчатый венец, предназначенный для зацепления с бендиксом стартера.

Для уменьшения вибрации в рядных двигателях применяются балансирные  валы, расположенные под коленчатым валом в масляном поддоне.

   Картер двигателя отливается  заодно с блоком цилиндров. К нему крепятся детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. Для повышения жесткости внутри картера выполнены ребра, в которых расточены гнезда коренных подшипников коленчатого вала. Снизу картер закрывается поддоном, выштампованным из тонкого стального листа. Поддон используется как резервуар для масла и защищает детали двигателя от загрязнения. В нижней части поддона имеется пробка для слива моторного масла. Поддон крепится к картеру болтами. Для предотвращения утечки масла между ними устанавливается прокладка.

Неисправности кривошипно-шатунного  механизма

К признакам неисправности КШМ  относятся: появление посторонних  стуков и шумов, падение мощности двигателя, повышенный расход масла, перерасход топлива, появление дыма в отработанных газах.

Стуки и шумы в двигателе возникают  в результате износа его основных деталей и появления между  сопряженными деталями увеличенных  зазоров. При износе поршня и цилиндра, а также при увеличении зазора между ними возникает звонкий  металлический стук, хорошо прослушиваемый при работе холодного двигателя. Резкий металлический стук на всех режимах работы двигателя свидетельствует об увеличении зазора между поршневым пальцем и втулкой верхней головки шатуна. Усиление стука при резком увеличении числа оборотов коленчатого вала свидетельствует об износе вкладышей коренных или шатунных подшипников, причем стук более глухого тона указывает на износ вкладышей коренных подшипников. При большом износе вкладышей возможно резкое падение давление масла. В этом случае эксплуатировать двигатель нельзя.

Падение мощности двигателя возникает  при износе или залегании в  канавках поршневых колец, износе поршней  и цилиндров, а также плохой затяжке  головки цилиндров. Эти неисправности  вызывают падение компрессии в цилиндре. Компрессию проверяют при помощи компрессометра на теплом двигателе. Для этого выкручивают все свечи, и на место одной из них устанавливают наконечник компрессометра. При полностью открытом дросселе прокручивают двигатель стартером в течение 2-3 секунд. Таким образом последовательно проверяют все цилиндры. Величина компрессии должна быть в пределах, указанных в технических данных двигателя. Разница в компрессии между отдельными цилиндрами не должна превышать 1 кГ/см2.

Повышенный расход масла, перерасход топлива, появление дыма в отработанных газах (при нормальном уровне масла в картере) обычно появляются при залегании поршневых колец или износе колец и цилиндров. Залегание кольца можно устранить без разборки двигателя, залив в цилиндр через отверстие для свечи зажигания специальную жидкость.

Отложение нагара на днищах поршней  и камер сгорания снижает теплопроводность, что вызывает перегрев двигателя, падение  мощности и повышение расхода  топлива.

Трещины в стенках рубашки охлаждения блока и головки блока цилиндров могут появиться в результате замерзания охлаждающей жидкости, заполнения системы охлаждения горячего двигателя холодной охлаждающей жидкостью или в результате перегрева двигателя. Через трещины в блоке цилиндров охлаждающая жидкость может попадать в цилиндры. При этом цвет выхлопных газов становится белым.

Устройство двигателя внутреннего  сгорания бензинового - это в общем  случае связка кривошипно-шатунного  механизма (КШМ), газораспределительного механизма (ГРМ) и систем, обслуживающих их работу:

охлаждения

смазки 

питания и выпуска отработавших газов

зажигания

пуска двигателя

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного  движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Он состоит  из блока цилиндров (блока картера), головки блока цилиндров и  поддона картера.

Блок цилиндров  отливается единым с цилиндрами, поверхности  которых затем обрабатываются хонингованием.

Внутри  блока цилиндров расположены  поршни с надетыми на них поршневыми кольцами.

Поршни соединены с коленчатым валом шатунами. Шатун своей верхней (малой) частью крепится изнутри к  поршню с помощью поршневого пальца. К коленчатому валу он крепится своей  широкой частью, соединенной шейкой коленчатого вала через шатунный подшипник в виде баббитового вкладыша. Коленчатый вал пяти-опорный, крепится снизу к блоку цилиндров через коренные подшипники. На коленчатый вал насажен маховик. Маховик – это массивный диск, по ободу которого крепится зубчатый венец, необходимый для соединения маховика со стартером при пуске двигателя.

Маховик обеспечивает плавность трогания автомобиля с места, вывод поршней  из мертвых точек и движение поршней  во вспомогательных тактах рабочего процесса.

В головке блока цилиндров расположены  узлы газораспределительного механизма. Кроме того, блок цилиндров и головка блока цилиндров имеют единую рубашку охлаждения. Это пространство между стенками цилиндров и наружными стенками двигателя, заполняемое охлаждающей жидкостью системы охлаждения.

Поддон картера, который крепится снизу к блоку цилиндров, предназначен для хранения запаса моторного масла с погруженным в него масляным насосом.

Принцип действия, рабочий процесс  и устройство двигателя  на примере  одноцилиндрового четырехтактного  двигателя.

Рабочий процесс двигателя  – это совокупность периодически повторяющихся в определенной последовательности, процессов внутри цилиндра двигателя.

Каждый такт – это процесс, происходящий за один ход поршня, т.е. за одно движение поршня от одной мертвой точки  до другой мертвой точки. Мертвая точка (МТ) – это верхнее или нижнее положение поршня, при котором его скорость равна нулю. Этих точек две. Соответственно ВМТ – верхняя МТ и НМТ – нижняя МТ.  Когда поршень находится в НМТ, то пространство цилиндра, образующееся над ним, составляет рабочий объем цилиндра. Сумма рабочих объемов всех цилиндров составляет ЛИТРАЖ.

Когда поршень находится в ВМТ, то пространство головки блока цилиндров, образующееся над ним составляет объем камеры сгорания.

Таким образом, при нахождении поршня в НМТ все образующееся над ним пространство составляет полный объем цилиндра, который чисто арифметически составляет сумму рабочего объема и объема камеры сгорания.

Отношение полного объема к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. Чем больше объем цилиндров двигателя, тем больше мощность самого двигателя, а чем больше степень сжатия, тем больше мощность и экономичность двигателя.

НМТ, ВМТ

Рабочий процесс состоит из четырех  тактов: ВПУСК, СЖАТИЕ, РАБОЧИЙ ХОД (сгорание – расширение), ВЫПУСК.

В камеру сгорания двигателя выведены два клапана ГРМ. Один из них  впускной, а другой - выпускной. Впускной клапан обеспечивает впуск в цилиндр горючей смеси. Горючая смесь образуется в системе питания и представляет собой смесь паров бензина и воздуха в определенном между собой соотношении. Выпускной клапан обеспечивает выпуск отработавших в двигателе газов, образующихся в результате сгорания в цилиндре смеси, в атмосферу через выпускной коллектор и систему выпуска отработавших газов. Оба эти клапана не могут быть одновременно открыты, так как нельзя одновременно и впускать смесь и выпускать газы, следовательно, открываются они поочередно. Но закрыты одновременно, они должны быть в двух тактах из четырех.

Такт ВПУСК.

Поршень находится в ВМТ и  движется вниз к НМТ. Открывается впускной клапан и под действием разрежения, создаваемого ходом поршня через открытый клапан внутрь цилиндра поступает горючая смесь. Эта смесь, попав в цилиндр, смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего цикла и образует РАБОЧУЮ СМЕСЬ.  Именно она и сгорает потом в цилиндре.

Такт СЖАТИЕ.

Поршень движется от НМТ вверх ВМТ  при обоих закрытых клапанах. Когда  он достигнет ВМТ,  рабочая смесь  будет сжата до объема камеры сгорания со степенью сжатия.

Такт РАБОЧИЙ ХОД.

Сжатая рабочая смесь уже нагрета до такой степени, что готова мгновенно воспламениться. В этот момент на свече зажигания выведенной в камеру сгорания пробегает искра. Рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает. При ее сгорании выделяется тепло, преобразующее смесь в газы. Сила этих газов намного выше, чем давление, с которым была сжата смесь. Под действием силы давления этих газов поршень начинает движение вниз к НМТ при обоих закрытых клапанах. Это движение передается от поршня через шатун на коленчатый вал, вызывая его принудительное вращение. Результатом этого вращения будет появление на маховике крутящего момента (М кр.).

Такт ВЫПУСК.

Поршень движется от НМТ вверх к  ВМТ и через открывшийся выпускной  клапан выдавливает отработавшие газы в атмосферу через систему  выпуска отработавших газов.

Таким образом, можно сказать, что  из четырех тактов только один –  рабочий ход является полезным, а  три остальных – вспомогательные, обеспечивающие такт рабочий ход.

Рабочий процесс, происходящий в одном  цилиндре, точно так же происходит в остальных цилиндрах, но сдвинут по началу первых тактов в соответствии с порядком работы цилиндров.

Чаще всего он такой – 1 – 3 – 4 – 2. см. таблицу ниже, но может и  отличаться сообветственно частному устройству двигателя.1 2 3 4

Впуск Сжатие Выпуск Раб. Ход.

Сжатие Раб. Ход. Впуск Выпуск

Раб. Ход. Выпуск Сжатие Впуск

Выпуск Впуск Раб. Ход. Сжатие

Система охлаждения

При сгорании рабочей смеси в  цилиндрах двигателя температура  газов достигает 2500о С. Это вызывает сильный нагрев деталей и может привести к:

заклиниванию поршней в цилиндре

обгоранию головок клапанов

выгоранию смазки

выплавлению вкладышей подшипников

потере мощности двигателя.

Для предупреждения этого в двигателе  необходимо поддерживать определенный тепловой режим, что обеспечивается системой охлаждения.

Система охлаждения может быть воздушной, когда охлаждение двигателя достигается  набегающим потоком воздуха, и жидкостной с элементами воздушной (комплексной).

Температура охлаждающей жидкости поддерживается в пределах 80о С-90о  С на всех режимах работающего двигателя.

При воздушном охлаждении тепловой режим двигателя определяется температурой масла в системе смазки - 90о  С-120о С.

На рассматриваемых автомобилях  система охлаждения жидкостная, закрытая, с принудительной циркуляцией  охлаждающей жидкости.

Заполняется система охлаждения раствором  Тосол А-40, который при температуре  ниже -40о С превращается в густую массу.

Система охлаждения двигателя включает в себя:

Рубашку охлаждения блока и головки  цилиндров.

Радиатор с заливной горловиной

Расширительный бачок

Термостат

Соединительные патрубки и шланги

Сливные пробки (краники)

Водяной насос центробежного типа

Вентилятор

Датчик и указатель температуры  охлаждающей жидкости.

Радиатор:

Состоит из нижнего и верхнего латунных бачков, припаянных к сердцевине. Патрубки бачков соединяют радиатор с рубашкой охлаждения блока цилиндров и центробежным насосом.

Центробежный насос:

Обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости в системе охлаждения.

Вентилятор: четырехлопастной, пластмассовый, служит для создания направленного потока воздуха через сердцевину радиатора. Лопасти вентилятора вместе с приводным шкивом крепятся болтами к ступице вала центробежного насоса.

Вентилятор может иметь специальный  электрический двигатель, который  приводит его во вращение при достижении охлаждающей жидкостью определенной температуры, и останавливается, когда ее температура опускается ниже установленного уровня.

Принцип работы системы охлаждения:

Центробежный насос приводится во вращение от шкива коленчатого  вала через ременную передачу всегда, когда работает двигатель. Захватывает жидкость из нижней части радиатора и нагнетает ее в рубашку охлаждения головки блока и блока цилиндров.

Термостат служит для ускорения  прогрева двигателя после его  пуска и автоматического поддержания теплового режима при движении.

Устанавливается перед входом охлаждающей  жидкости в насос. Двухклапанный, неразборный. Внутри корпуса помещен термоэлемент. Термочувствительный элемент состоит  из стакана с резиновой вставкой, а между стенками стакана помещается твердый наполнитель ЦЕРЕЗИН (кристаллический воск), обладающий большим коэффициентом объемного расширения.

При температуре менее 80о С термоэлемент находится в нижнем положении  и клапан закрыт. Вода циркулирует  по малому кругу (только в рубашке охлаждения). Двигатель быстро прогревается и при 80о С-90о С элемент расширяется и открывает давлением клапан, и вся жидкость проходит через радиатор по большому кругу.

Полностью клапан открывается при  температуре 95о С. Набегающим потоком  воздуха при движении автомобиля жидкость, проходящая по тонким трубочкам радиатора, охлаждается и опускается в его нижнюю часть, откуда захватывается насосом. Когда автомобиль стоит с работающим двигателем или движется с малой скоростью основную роль в охлаждении играет вентилятор. Он затягивает воздух извне через радиатор, а своей реактивной струей дополнительно охлаждает двигатель.

Кроме того, на автомобилях без  кондиционера система используется для обогрева салона автомобиля. Для  этого от рубашки охлаждения отводится с помощью трубочек горячая жидкость к расположенному в салоне специальному радиатору отопителя. Для регулирования потока жидкости используется специальный кран отопителя, а воздух через этот радиатор циркулирует по салону с помощью специального возле радиатора расположенного вентилятора, либо извне, через воздухозаборник.

Система смазки

Система смазки

Назначение системы смазки заключается  в подводе к трущимся деталям  достаточного количества масла, необходимого для уменьшения трения  между сопряженными деталями, охлаждения их поверхностей, удалении частиц металла, образующихся вследствие износа, и защиты деталей от коррозии.     

Система смазки двигателя состоит  из:

Запаса моторного масла, расположенного в поддоне картера

Масляного фильтра

Системы каналов и проточек, поводящих  масло к трущимся частям.

Датчика, расположенного на двигателе  и указателя давления масла, расположенного на панели приборов управления.

Системы вентиляции картерных газов.

Масляный насос: служит для создания давления масла в системе и подачи его к трущимся поверхностям деталей. Насос шестеренчатый. Состоит из корпуса,  двух шестерен (ведомая-ведущая),  приводного вала и  оси.

Привод  осуществляется непосредственно от коленчатого вала.

Масляный  фильтр: служит для очистки масла от продуктов износа. Фильтр состоит из корпуса,  фильтрующего элемента (основной бумажный, дополнительный пластмассовый),  перепускного и противодренажного клапанов. (Резиновый клапан, пропускает масло в корпус, но не позволяет вытекать из корпуса).

Перепускной клапан обеспечивает подачу неочищенного масла к смазывающим поверхностям, минуя фильтр в случае загрязнения  фильтрующего элемента.

Принцип работы системы смазки.

Моторное  масло под давлением, созданным  насосом, подается в фильтр. Очищенное масло от фильтра поступает по каналам и проточкам ко всем точкам смазки, откуда самотеком опускается в поддон картера. Для измерения уровня масла имеется специальный щуп, однако измерять уровень необходимо до пуска двигателя или примерно через 30 минут после его остановки.

Вентиляция  картера необходима для поддержания  в нем нормального давления и  удаления паров бензина и газов. Отсос картерных газов в смесительную камеру карбюратора осуществляется через специальный золотник, расположенный  на оси дроссельной заслонки.

Масло, используемое в системе смазки, может быть минеральным, полусинтетическим и синтетическим. Смешивать между собой эти  масла нельзя. Можно полностью  заменить одно масло на другое.