Устройство двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания состоят из механизмов кривошипно-шатунного и газораспределительного и систем: смазки, охлаждения, воздухопитания, питания, выпуска, пуска двигателя [6].

Кривошипно-шатунный механизм

Поршневая группа

Поршневую группу образует поршень в сборе с комплектом колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Назначение поршневой группы – воспринимать давление газов и через шатун передавать его на коленчатый вал, уплотнять надпоршневую полость цилиндра как от прорыва газов в картер, так и излишнего проникновения в нее смазочного масла.

В процессе работы двигателя элементы поршневой группы подвержены воздействию на них переменных тепловых и силовых нагрузок вследствие инерционных сил и сил от высоких давлений газов, возникающих при сгорании топлива. Поэтому детали поршневой группы имеют высокую тепловую напряженность, что учитывается при выборе их конструкции и материала элементов деталей поршневой группы. Элементы поршневой группы разрабатывают с учетом назначения и типа двигателя, но их общее устройство остается одинаковым.

Поршень.Поршень состоит из двух основных частей: верхней части – головки и нижней части – направляющей. Конструкции поршней приведены на рис.7.1. и рис.7.2.Назначение головки – формирование камеры сгорания, теплоотвод основной части теплоты, воспринимаемой поршнем от рабочего тела, и герметизация внутрицилиндрового пространства. Конструкция днища поршней определяется типом двигателя, принятым типом смесеобразования. Для бензиновых двигателей предпочтительна плоская форма днища, отличающаяся наименьшей тепловоспринимающей поверхностью. Это обеспечивает более низкую температуру поршня и лучшее наполнение цилиндра свежим зарядом, снижаются требования к октановому числу применяемого топлива.

Рис.7.1. Основные элементы поршня: 1 – головка; 2 –направляющая (юбка); 3 – днище; 4 ,5 – огневой и уплотнительный пояса; 6 – бобышки

Термостабилизация зазора между цилиндром и направляющей поршня при изменении режимов работы достигается:

1. У малофорсированных бензиновых двигателей на направляющих поверхностях выполняются разрезы Т-, П-образные или косые по всей длине направляющей на той ее стороне, которая не прижимается к цилиндру во время рабочего хода. В холодном состоянии зазор достаточно мал, что устраняет возможность появления стуков поршня о стенки цилиндра.

2. Применение специальных терморегулирующих вставок, размещаемых в верхней части юбки: автотермик, автотерматик, клероматик, диотерматик – в поршень при отливке заливаются стальные вставки, связывающие юбку с бобышками.

3.Для уменьшения работы трения, ускорения приработки, придания юбке высоких антифрикционных свойств, защиты от коррозии на ее рабочую поверхность наносят различные легкоплавкие покрытия (олово и др.).

Для изготовления поршней автотракторных ДВС применяют силумины – сплав алюминия и кремния. Поршни крупных форсированных дизелей изготавливают из специальных жаропрочных чугунов или сталей. В последние годы интенсивно ведутся работы по использованию керамики для изготовления поршней, которая наилучшим образом отвечает требованиям, предъявляемым к материалам поршневой группы.

Поршневой палец.Основные требования к конструкции пальца – высокая усталостная прочность, жесткость и износостойкость при минимальной массе. По способу защемления пальца в верхней головке шатуна различают поршневые пальцы плавающие и защемленные. Защемленные пальцы фиксируются в шатуне. Это позволяет увеличить длину опорной поверхности в бобышках поршня и уменьшить диаметр пальца, а следовательно, и массу верхней головки шатуна.

Рис.7.2.Конструкции поршней дизелей: 1 – ребра, соединяющие днище и бобышки поршня; 2 – бобышка; 3 – вырез под клапан

Однако отсутствие возможности перемещения пальца при работе приводит к одностороннему износу и к снижению срока работы пальца.

Поршневые кольца. По назначению кольца разделяются на компрессионные и маслосъемные. Наружную их образующую поверхность, скользящую по зеркалу цилиндра, называют рабочей стороной кольца. По аналогии внутреннюю образующую поверхность кольца называют внутренней стороной, Торцовые или боковые поверхности соприкасаются со стенками канавок поршня и тоже являются рабочими поверхностями кольца, оказывающими существенное влияние на его эффективность. Расстояние между боковыми поверхностями есть высота кольца. Величину разности между радиусами наружной и внутренней образующими кольца называют радиальной толщиной кольца.

Назначение компрессионных колец – уплотнение цилиндра от прорыва газов из надпоршневой полости. Конструктивно они отличаются большим разнообразием.

В двигателях с искровым зажиганием наибольшее применение в качестве верхнего компрессионного кольца нашли кольца прямоугольного сечения с бочкообразной рабочей поверхностью. Для повышения срока службы наружную поверхность верхнего кольцо покрывают слоем хрома. Второе кольцо для снижения срока приработки покрывают слоем олова или применяют фосфатирование наружной поверхности. В качестве нижнего компрессионного применяют кольца, отличающиеся большим конструктивным многообразием. Маслосъемные кольца удаляют излишки масла со стенок цилиндра, препятствуют проникновению масла в камеру сгорания. Кольца в основном выполняют из специального серого высокопрочного чугуна. Введенные легирующие добавки хром, никель, молибден, ванадий повышают жаропрочность колец. Наиболее современные конструкции колец имеют молибденовые покрытия наружной поверхности, наносимые наплавкой или напылением в плазменной струе. Такое покрытие эффективно предотвращает “прижоги”, благодаря высокой температуры плавления молибдена, а получаемая при нанесении его пористая структура поверхности способствует удержанию масляной пленки. В последние годы стали устанавливать стальные маслосъемные кольца, обладающие повышенной износостойкостью.

Шатунная группа

К шатунной группе относят: шатун с верхней и нижней головками, шатунные болты, вкладыши.

Шатун служит связующим звеном между поршнем и кривошипом коленчатого вала (рис.7.3). Так как поршень совершает прямолинейное возвратно- поступательное движение, а коленчатый вал (КВ) – вращательное, то шатун совершает сложное движение. При работе шатуны подвергаются воздействию знакопеременных, носящих ударный характер нагрузок от действия сил давления газов и инерционных сил. Материал и конструкция шатуна должны обеспечить его высокую усталостную прочность и жесткость при минимальной массе. Таким требованиям удовлетворяют шатуны, стержень которых выполнен в виде двутавра. В конструкции шатуна выделяется три конструктивных элемента – верхняя головка, стержень и нижняя (кривошипная головка).

Рис.7.3. Конструкция шатуна: 1 – верхняя головка шатуна;

2 – бронзовая втулка; 3 – стержень шатуна; 4 – шатунный болт;