Текст книги "Автомобиль"

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ ВПРЫСКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Как известно за рубежом, а также на отечественных автомобилях находят широкое применение прогрессивные системы, улучшающие их параметры (мощность, экономичность, токсичность):,одной из которых относятся разные системы впрыска топлива. Они являются альтернативные схеме карбюраторных двигателе, работающим на бензине и обладающими основными факторами прогресса в данной области.

Их отличительная особенность заключается в использовании вместо механического элемента, предназначенного для приготовления топливо-воздушной смеси (карбюратора, причем достаточно сложного по конструкции) гидравлической топливной системы среднего давления с форсунками впрыска, топливным насосом (гидравлическим или электробензонасосом),электронным блоком и комплексом датчиков.

В системах данного типа существуют так же и другие вспомогательные элементы, которые также усложняют функциональные структурные схемы, однако определяют основное направление развития техники в этой области на длительную перспективу. Кроме того, необходимо отметить, что системы впрыска за рубежом так и получили название «электронные карбюраторы», начиная со старых моделей «Феникс» и «Мультек».

Для улучшения процесса сгорания поршневые двигатели внутреннего сгорания могут иметь различные формы камер сгорания: в виде определенной формы углублений в поршне; вытеснители, выплавленные в поршнях; камеры обычного типа, сферические, шатровые, предкамеры и пр. Это относится в большинстве своем и к карбюраторным, и к дизельным четырехтактным двигателям. Двухтактные двигатели обычно имеют простую форму камеры сгорания или полусферическую, а поршень – простого типа. Рабочая камера роторно-поршневого типа – сегментного вида, а для газотурбинных двигателей она представляет собой открытую камеру сгорания. К наиболее современным и экономичным камерам сгорания бензиновых двигателей внутреннего сгорания относятся предкамеры (или форкамерно -факельное зажигание). Для дизельных двигателей ее форма может быть очень разнообразна, а экономичность и мощностные параметры повышаются с помощью других устройств, в первую очередь за счет турбонаддува. Для двухтактных двигателей важную роль играет расположение впускных и выпускных окон и организация продувки, а на экономичность оказывает значительное влияние наличие клапана (золотника) на впуске.

Блоки цилиндров двигателей

Все двигатели имеют литой блок цилиндров, головку блока цилиндров, крышку клапанной коробки, поддон картера, прокладки и пр. Это основные корпусные детали, обеспечивающие возможность и надежность его функционирования. В блоке цилиндров устанавливаются гильзы цилиндров (в преобладающем большинстве «сухие». Двухтактные двигатели имеют головку блока цилиндров и гильзы с ореберением для воздушного охлаждения, а также, как правило, разъемный посередине блок-картер с элементами сцепления, коробки передач и прочее

Материалом изготовления блоков цилиндров обычно являются чугун или литьевой алюминий, головки блоков цилиндров отливаются из алюминия, и тем более оребренные для воздушного охлаждения. Чугун может выдерживать высокие температурные нагрузки, а литьевой алюминий позволяет изготовить сложные, в т ом числе оребренные формы, у которых очень большая поверхность охлаждения и большой теплоотвод.

Гильзы цилиндров или вышлифовываются в блоке путем доводки после литья этой формы блока и его закалки («сухие» гильзы),или имеют отдельную вставную форму в блок цилиндров с возможностью их замены («мокрые» гильзы).Блоки цилиндров могут иметь отлитую внутри рубашку охлаждения.

Типичными элементами двигателей являются основные системы кривошипно-шатунный механизм, механизмы газораспределения, система охлаждения, смазочная система, система питания и выпуска отработавших газов, система зажигания и электрического пуска.

Узлы кривошипно-шатунного механизма

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней, воспринимающих давление газов, во вращательное давление коленчатого вала. Детали кривошипно-шатунного механизма разделяются на неподвижные и подвижные. Детали первой группы перечислены ранее.

К подвижным деталям относятся поршень с кольцами и поршневым пальцем, шатун, коленчатый вал и маховик. Кроме того, существуют также крепежные детали. Поршни для карбюраторных и дизельных двигателей имеют несколько отличаются.

В частности, для бензиновых двигателей современные поршни имеют очень, короткую юбку и выполнены из алюминия. Кроме того, в днище поршня могут быть клапанные углубления, а на поршне имеется два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Для дизельных двигателей поршни также в основном изготавливаются из алюминия, однако они имеют длинную, чуть овальную юбку для уменьшения задиров о зеркало цилиндра. В поршне имеется либо впадины под клапаны, либо вытеснители, либо определенная форма камеры сгорания, а также он имеет три компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Иногда на поршень наносится предупредительная маркировка эксцентриситета пальца (для правильной установки поршня). Поршни для двухтактных двигателей имеют обычно длинную юбку.

Поршни шатунов имеют литую пространственную форму с внутренними выплавленными бобышками, в которые вставляется шлифованный палец шатуна. С его помощью осуществляется сборка системы и передача усилия от поршня к маховику. Одновременно при вращении коленвала поршень толкается шатуном вверх. Все движение поршней вверх-вниз осуществляется внутри цилиндров. Шатун имеет высокопрочный стержень с бобышкой вверху для установки поршня на пальце и разьемным отверстием с крышкой для шатунного подшипника снизу. Он изготавливается ковкой из чугуна или стали.

Сам коленчатый вал изготавливается из чугуна путем ковки его колен в необходимую форму разворотов, а также может быть изготовлен сварным из специальных сталей. В теле коленчатого вала сверлятся внутренние длинные отверстия, связанные между собой в один канал. по которому подается масло под давлением для смазки подшипников скольжения (вкладышей) коренных опорных подшипников самого коленчатого вала и непосредственно шатунов. Сами подшипники скольжения, т.е. вкладыши выполняются из стальных полуколец с нанесенным на их поверхность антифрикционным материалом (бабитовые. вкладыши).Они могут работать лишь в условиях смазки под давлением или хотя бы подачей ее разбрызгиванием к узлам трения..

Поэтому двигатели, имеющие в коленчатых валах сверления для масляного канала работают долговечнее и требуют меньше замен вкладышей двигателя. Однако существуют так же коленчатые валы без внутренних высверленных каналов, но в блоке цилиндров имеются выплавленные внутренние обьемы с отверстиями возле самих вкладышей (хотя бы коренных),что представляет собой масляные каналы системы смазки из которых впрыскивается масло под давлением к этим узлам трения. Кроме того, системы смазки имеют масляный поддон, в котором вращается коленчатый вал и омывается самой смазкой, т.е. происходит «саморазбрызгивание» и смазка узлов трения. Поэтому наличие системы смазки с насосами давления для обеспечения работы двигателя-обязательное условие работы двигателя. Вкладыши двигателей имеют несколько ремонтных размеров и разделяются на коренные и шатунные.

Их сборка или замена осуществляется при разборке двигателя, его кривошипно-шатунного механизма путем снятия крышек вкладышей шатунов или шатунных шеек.

На мотоциклах применяются коленчатые валы разборной конструкции, на которых устанавливаются не подшипники трения, а подшипники качения (шариковые или роликовые), а смазка осуществляется внутри корпуса блока цилиндров обтекающей через его топливо-воздушной смесью, в состав которой обязательно добавляется масло. Такие конструкции разборных коленчатых валов стали применяться и для двигателей легковых автомобилей. Поэтому современные двигатели так же могут иметь подшипники качения хотя бы для шатунов. Современные конструкционные материалы могут обеспечить их прочность и долговечность при высоких давлениях сгорающих в камере сгорания газов при их расширении.

Любой коленчатый вал поршневого двигателя имеет коленчатую структуру с шейками подшипников и противовесами (щеками),которые обязательно уравновешываются при установке двигателя путем высверливания и удаления таким образом части металла из него до тех пор пока весь вал не будет равномерно вращаться на измерительном стенде. Это обязательное условие, иначе появится неравномерность работы двигателя, что приведет не только к высокой его вибрации, но и отказу его работы. Поэтому при изготовлении и сборке двигателя– уравновешивание коленчатого вала обязательная операция.

Коленчатый вал и маховик имеет литую форму с подшипниками скольжения (или качения на форсированных спортивных двигателях).

Важнейшим элементом кривошипно-шатуного механизма двигателя без которого так же невозможна его работа является маховик, который укрепляется на заднем фланце двигателя со стороны сцепления и коробки передач. Без маховика двигатель практически не будет работать, – его неравномерность будет наиболее высокой. Маховик представляет собой тяжелый инерционный диск с высверленным в нем отверстиями с целью окончательного его уравновешивания, удаления дисбаланса и вибрации. На маховик укрепляется сцепление трансмиссии. Маховик выполняется из стали и укрепляется с помощью болтов на фланце коленвала. Поверхность маховика шлифуется со стороны нажимного диска сцепления для обеспечения ровной и гладкой поверхности для работы буксования сцепления при переключениях передач или трогании с места и т. п.

Таким образом вся система кривошипно-шатунного механизма работает по инерционной схеме. Когда в одном цилиндре осуществляется рабочий ход за счет расширения горящих газов, требуется продолжение вращения его коленчатого вала, что осуществляется и за счет инерции тяжелого маховика. Поэтому требование к уравновешенности и инерционности кривошипно-шатунного механизма самого двигателя – самые высокие. Вибрация двигателя поэтому не допускается и сводится к минимуму. Для увеличения работоспособности двигателя поэтому применяются многоцилиндровые схемы, а не двухцилиндровые. С увеличением количества цилиндров уменьшается требование к массе маховика, т.к.он не может быть свертяжелым (иначе он может выгнуть или свернуть свой фланец крепления).В связи с этим рядные двигателя стремятся делать не менее 3—4 цилиндровых, а V-образные предпочтительны для двигателей большой мощности, т.е. для грузовых автомобилей в первую очередь. Но для поршневых компрессоров, которые так же имеют маленький коленчатый вал маховик не требуется, так как осуществляется его принудительное вращение с помощью, например, ременчатого шкивного привода от самого двигателя.

Газораспределительный механизм

Механизм газораспределения служит для открытия и закрытия клапанов, обеспечивая наполнение цилиндров горючей смесью (для карбюраторных двигателей) или воздухом (для дизелей),выпуск отработавших газов и изоляцию цилиндров во время тактов сжатия и рабочего хода, т. е. для непосредственной организации и обеспечения возможности функционирования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания. В двухтактных двигателях газораспределение осуществляется за счет работы хода поршня или смешанной системы газораспределения (при помощи схем продувок цилиндров).В роторно-поршневом двигателе организуется впуск и выпуск за счет окон расположенных в корпусе вращения самого ротора, а рабочий цикл осуществляется за один оборот рабочего ротора практически без сжатия топливо-воздушной смеси и поэтому сам рабочий цикл является уникальным трехтактным.

Назначением газораспределительного механизма: он служит организация подачи рабочей смеси, уже приготовленной для сгорания в цилиндры двигателей и выпуска отработавших газов в соответствии с фазами работы каждого отдельного цилиндра двигателя по применяемому для него рабочему циклу. Поэтому газораспределительный механизм, имеющий клапанные устройства своевременно открывает и закрывает соответственно впускные и выпускные клапана и обеспечивает эти процессы при вращении коленчатого вала двигателя. т.е. синхронно с ним.

Для этого он имеет привод от коленчатого вала либо в виде шестеренчатого зацепления с распределительным валом и штанговыми толкателями при его нижнем расположении, либо с помощью цепного или ременчатого привода к нему при верхнем его расположении. Последний способ является наиболее современным, а привод осуществляется с помощью эластичного прочного ремня. В свою очередь распределительный вал с помощью своих кулачков, развернутых на необходимые углы осуществляет непосредственное своевременное открытие и закрытие самих клапанов цилиндров двигателей за счет нажатия на их торцы. Это непосредственный способ регулирования подачи смеси на впуск и удаления газов на выпуске. Распределительные валы таким образом в основном располагаются как и клапана в головке блока цилиндров, поэтому головка блока цилиндров имеет соответствующую выплавляемую форму с закреплением на ней не только клапанов, но и самого распределительного вала. Эта более сложная литьевая форма выполняется из алюминия. При нижнем расположении распределительного вала на легковых двигателях в блоке цилиндров необходимо выполнить литьевое отверстие и для него, что гораздо сложнее. Кроме того, штанги толкателей привода клапанов имеют тонкие стержни, которые при длительной работе гнутся и поэтому недолговечны, а регулировки фаз открытия клапанов еще более усложняются и не могут обеспечить тонкие регулировки. Но преимуществом в этом случае является то, что привод распредвала осуществляется шестернями практически беззазорно и безизносно: например с помощью косозубого зубчатого зацепления, поэтому вытяжка цепи или ремня никак не влияет на смещение фаз газораспределения.

Клапаны осуществляют впуск и выпуск необходимого количества рабочей смеси или отработавших газов. Для обеспечения их нужной производительности их стремяться сделать большими по размеру, или увеличить из количество (в этом случае площадь открытия проходного сечения становится больше). При этом существуют необходимые системы их привода, но основными являются подпружиненные устройства с фиксаторами самих клапанов, механизмами их доворота и пр. Например, применяются не только коромысла с регулировкой зазоров, но и просто беззазорные механизмы с заменяемыми пятками толкателей или гидрокомпенсаторы зазоров (т.е. гидропривод толкателей клапанов).

Распределительные валы изготавливаются из специальных высокопрочных износостойких сталей, но так же как и коленвалы обычно имеют подшипники скольжения с подводимой под давлением смазкой. Но для двигателей большой мощности для них также все же применяются подшипники качения (как правило роликового типа).

Фазы открытия клапанов четко синхронизируются с поворотом коленчатого вала для каждого отдельного цилиндра за счет разворотов кулачков распределительного вала и его привода. Поэтому форма кулачков имеет определенные размеры, что бы быстро открывать и закрывать клапана с помощью возвратных пружин. Если клапана будут зависать, то открытые кромки клапанов станут обгорать при выпуске отработавших газов с высокой их температурой. При еще более длительных задержках двигатель вообще не сможет работать. так как требует определенное опережение зажигания и моменты отсечек фаз рабочего цикла. Точно также применяются жесткие требования к работе привода распределительного вала, поэтому для современных двигателей цепь привода или ремень обязательно имеют натяжительные устройства, которые частично компенсируют их вытяжку, износы и пр. Только в комплексе всех этих элементов газораспределительный механизм может правильно функционировать и обеспечивать необходимую работу двигателя. Не смотря на то, что для их приводов применяются эластичные ремни – все современные системы применяют именно их, а долговечность и прочность осуществляется высокой. Это основное преимущество современных типов приводов в газораспределительных механизмах.

Основные элементы механизмов газораспределения: распределительный вал с системой его привода в виде шестеренчатого, цепного или ременчатого привода, клапанные устройства, включающие в себя непосредственно клапаны, толкатели, пружинные и центрирующие устройства со стопорными механизмами и механизмами, обеспечивающими непосредственный поворот клапана или компенсацию зазора между клапаном и толкателем (коромыслом), вал оси коромысел, рычажки коромысел, элементы их установки и укрепления, чашки (стаканы) толкателей и пр.

Кроме того, существуют многочисленные элементы в виде крепежных изделий (шпоночные или шлицевые соединения с гайками и контргайками, болты и гайки), подшипников скольжения или качения в специальной крышке клепанной коробки, обеспечивающих надежную и долговечную работу. Для двухтактных двигателей на впуске могут быть установлены клапанные или золотниковые устройства в виде пластин с отверстиями или ротационных механизмов.

Клапанные механизмы могут быть с верхним или нижним расположением клапанов (по расположению стержня клапана, но последняя схема относится в основном к старым типам двигателей). Первая схема нашла сейчас наибольшее распространение. Этому же соответствует, как правило, верхнее или нижнее расположение распределительного вала. Наиболее удачной конструкцией на сегодня является верхнее расположение распределительного вала с приводом от коленчатого вала с помощью эластичного зубчатого ремня или цепи.

При верхнем расположении распределительного вала удается расположить также большее число клапанов на один цилиндр за счет, например, установки двух распределительных валов на мощных двигателях. При этом механизмы привода клапанов представляют собой подшипники скольжения (трения) кулачков распределительного вала и стаканов непосредственно клапанов. Для устройства минимальных зазоров применяются сменные шайбы в углублениях стаканов и механизмы компенсации зазора (в том числе и гидро-компенсации). Клапаны имеют, как правило, одну или две пружины: внутреннюю – малого диаметра, и наружную – большого. Сборка и установка клапанов на двигателях любой конструкции осуществляется за счет известного устройства с шайбой с углублением и двух полусухарей, входящих в зацепление с выточкой в стержне клапана.

Для улучшения охлаждения клапанов, иногда внутри стержня герметично размещаются соли натрия, которые способствуют этому. При нижнем расположении распределительного вала привод коромысел клапанов, осуществляется с помощью штанг и роликовых бегунков по кулачковому профилю.

Распределительные валы, как правило, устанавливаются на бронзовых подшипниках скольжения, а на спортивных автомобилях – на шарикоподшипниках, что несмотря на увеличение массы двигателя приводит к увеличению его мощности и приемистости.

Система охлаждения

Система охлаждения двигателя предназначена для принудительного отвода теплоты в окружающий воздух, т. е. для обеспечения нормального температурного режима работы. Существуют две системы охлаждения: – жидкостная – с помощью охлаждающей жидкости; – воздушная – с помощью оребрения головки блока цилиндров. В перспективе возможно применение керамических материалов для блока цилиндров, которые хорошо отводят теплоту.

При жидкостном охлаждении применяется несколько конструктивных приспособлений: двухконтурная система охлаждения, сифонное регулирование, радиатор со специальными пробками для возможности изменения давления внутри него, бачок (резервуар) охлаждающий жидкости, вентилятор с приводом, водяной насос (для большинства отечественных и зарубежных конструкций – типа крыльчатки), а также иногда устанавливается система подогрева двигателя перед пуском (особенно для автомобилей, эксплуатирующихся в зимних условиях).

Принцип работы системы охлаждения построен на необходимости отвода теплоты от двигателя. Двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми и подведенная при сгорании топливовоздушной смеси теплота должна отводиться от двигателя и преобразовываться в работу. Если бы вся теплота сгоревшей смеси преобразовалась в его температуру-то двигатель не смог бы работать. Точно также и часть теплоты не может полностью оставаться в самом двигателе. Принцип преобразования тепловой энергии сгорания топлива состоит в том, что она преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, но в двигателе остается при данном термическом процессе тепло нагревающее его. Но что бы двигатель мог нормально работать нужно отвести и эту часть тепла от самого двигателя. Уменьшение температуры самого двигателя сильно увеличивает его работоспособность и долговечность. Таким образом, отвод теплоты, образующейся при сгорания топлива в цилиндрах двигателей является обязательным условием его работоспобности Чем выше теплоотвод, уменьшение наружных температур, -тем выгоднее и лучше все основные показатели двигателей однозначно. Система охлаждения таким образом служит для принудительного отвода тепла от поверхности самого двигателя.

При воздушном охлаждении это осуществляется за счет оребрения наружных поверхностей в первую очередь головок блока цилиндров, но самого блока цилиндров. Это достаточно сложно и массово применялось ранее. Сейчас осталось только для мотоциклов или большегрузных дизелей. При обтекании воздухом поверхностей оребрения естественно их тепло интенсивно отводится наружу от самого двигателя, но для легковых автомобилей это практически невозможно, так как у них имеется почти герметичный моторный отсек и требуется интенсивный отвод с помощью воздушных вентиляторов, которые в этом случае не справятся.

Поэтому для легковых автомобилей применяется жидкостная система охлаждения при имеющемся обязательно воздушном наружном вентиляторе. Если температура двигателя очень высокая-он перестает работать-это основная причина невозможности применения для легковых автомобилей только воздушной системы охлаждения. Наоборот для жидкостной системы охлаждения применяются жесткие требования к работоспособности двигателя: не допуская его перегрева вообще. Поэтому блоки цилиндров двигателей, а так же их головки имеют внутренние каналы при литье для системы охлаждения.

Чем больше обьем охлаждающей жидкости, помещающейся в них вместе с радиатором-тем лучше теплоотвод. Но на практике и этих обьемов не достаточно, иначе двигатель может оказаться громоздким и очень тяжелым. Поэтому современные системы охлаждения двигателей так же имеют и специальные алюминиевые радиаторы и электровентиляторы – иначе система охлаждения не справляется со своей задачей при высоких нагрузках. Так же жесткие требования предьявляются к основным конструкционным материалам самих двигателей, т.е. к блоку и головке блока цилиндров, но они изготавливаются или из чугуна или алюминия.

Чугун выдерживает саму тепловую нагрузку, а алюминий обычно способствует быстрому отводу теплоты, но самих этих материалов все же недостаточно. Двигатель при работе и больших нагрузках может сильно нагреться и перестать работать. Поэтому внешняя температура поверхности двигателя так же является показателем работоспособности.

Для регулирования охлаждения двигателя обычно применяется двухконтурная система охлаждения с малым и большим циклами охлаждающей жидкости. При малом цикле охлаждающей жидкости она находится внутри рубашки двигателя. При большом цикле она через открывающийся сифонный элемент поступает к радиатору.

Существуют различные типы для данных систем: термосифонная циркуляция, принудительная циркуляция, герметически закрытая система и т. д.

Система охлаждения должна при этом обеспечивать и устойчивый пуск двигателя. При пуске двигателя требуется наоборот высокая температура внутри двигателя., т.е. уменьшенный теплоотвод при этом наружу. Для этих целей применяется двухконтурная система с малым и большим контурами за счет термосифонного регулирования с помощью простого элемента-термостата. Поэтому при пуске двигателя охлаждающая жидкость циркулирует только через радиатор и патрубки ее подвода к блоку цилиндров. Внутри самого двигателя в этом случае находящаяся охлаждающая жидкость не участвует в кругообороте и поэтому быстро может нагреться, что принципиально важно для самого пуска. Когда двигатель начинает работать он сперва должен разогреться и перейти в устойчивое рабочее состояние, начать работать равномерно и только после этого может накапливать излишнюю температуру, поэтому термостат при нагреве охлаждающей жидкости внутри блока цилиндров выше 85 градусов открывается за счет расширения термоэлемента внутри и охлаждающая жидкость начинает циркулировать по большом кругу через радиатор, блок цилиндров и головку блока цилиндров. Она прокачивается внутри с помощью водяных насосов с крыльчатками, вращение которых осуществляется от шкивных ременчатых приводов коленвала. Система охлаждения имеет пробки радиаторов и расширительных бачков, ограничивающих внутреннее избыточное давление, поэтому она допускает избыточное давление и повышает внутреннюю температуру кипения охлаждающей жидкости до 110—120 градусов, поэтому система охлаждения не может допускать выше этого перегрев наружных поверхностей двигателя. В этом случае происходит интенсивное испарение находящейся внутри двигателя охлаждающей жидкости и он перестает работать. Поэтому температура кипения применяемой охлаждающей жидкости является критерием работоспособности двигателя. Самая высокая температура двигателя возможна только для большегрузных дизелей, имеющих капотированный изолированный корпус самого двигателя.

Все радиаторы для современных двигателей легковых автомобилей для улучшения теплоотвода и перегрева двигателей стремяться изготавливать из алюминия, а также при этом применяют 1—2 электровентилятора для обдува его наружной поверхности. Для улучшения пуска двигателей особенно зимой для грузовых автомобилей и некоторых легковых автомобилей больших классов применяются простые системы предпусковых подогревателей, как отдельные дополнительные устройства.