Работа восьмицилиндрового V-образного двигателя

Угол развала (угол между рядами цилиндров) равен 90° (рис 2.6, б). Так как одноименные такты в цилиндрах начинаются через 90° угла по­ворота коленчатого вала, то и шатунные шейки также располагаются под углом 90°, т. е. крестообразно. На первой шейке крепятся шатуны первого и пятого цилиндров, на второй — второго и шестого, на треть­ей — третьего и седьмого и на четвертой — четвертого и восьмого. Та­кая конструкция обеспечивает чередование одноименных тактов через каждые 90° угла поворота коленчатого вала, что способствует его равно­мерному вращению. Порядок работы восьмицилиндрового двигателя 1—5—4—2—6—3—7—8. Работа данного двигателя показана в табл. 2.4. В любой момент времени в двух цилиндрах происходят одинаковые ра­бочие процессы, поэтому двигатель работает равномерно.

Таблица 2.4. Работа V-образного восьмицилиндрового двигателя

Оборот коленча­того вала	Угол пово­рота ко­ленчатого вала, °	Цилиндры
первый	второй	третий	четвертый	пятый	шестой	седьмой	восьмой
Первый	0-90	Рабо­чий ход	Впуск	Выпуск	Сжатие	Сжатие	Впуск	Выпуск	Рабо­чий ход
90-180	Сжатие	Впуск	Рабо­чий ход	Выпуск
180-270	Выпуск	Рабочий ход	Сжатие	Впуск
270-360	Рабо­чий ход	Сжатие	Выпуск	Впуск
Второй	360-450	Впуск	Выпуск	Рабо­чий ход	Сжатие
450-540	Выпуск	Рабо­чий ход	Впуск	Сжатие
640-630	Сжатие	Впуск	Выпуск	Рабо­чий ход
630-720	Впуск	Выпуск	Сжатие	Рабо­чий ход

Преимущества и недостатки многоцилиндровых двигателей

Число цилиндров определяется рабочим объемом и порядком рабо­ты двигателя. Преимущества многоцилиндрового двигателя:

• равномерность работы и уравновешенность масс КШМ;

• улучшенное охлаждение двигателя;

• выше степень сжатия вследствие меньшего рабочего объема одно­
го цилиндра;

• меньше масса подвижных деталей, что снижает нагрузки и их из­нашивание;

• больше частота вращения коленчатого вала, а следовательно,
больше мощность двигателя;

• меньше масса самого двигателя.

Масса шестицилиндрового двигателя по сравнению с четырехцилиндровым меньше на 14 %, а двенадцатицилиндрового —на 40 %. Недостатки многоцилиндрового двигателя:

• сложная конструкция, больше деталей;

• ниже жесткость коленчатого вала и предрасположенность к кру­тильным колебаниям;

• больше длина двигателя;

• больше тепловых потерь (в охлаждающую среду) и, как следствие,
снижение КПД.

Кроме того, в дизелях ухудшаются пусковые качества и процесс смесеобразования.

Контрольные вопросы

1.Что такое рабочий цикл двигателя? Из каких тактов он состоит?

2.Дайте сравнительную оценку карбюраторных двигателей и дизелей.

3.Как протекают рабочие процессы в карбюраторном двигателе и дизеле?

4.Перечислите недостатки одноцилиндровых двигателей.

5.Что называется порядком работы двигателя?

6.В чем заключаются преимущества и недостатки V-образных двигателей?

7.Перечислите преимущества и недостатки многоцилиндровых двигателей.

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

К кривошипно-шатунному механизму предъявляются следующие требования: высокие прочность, жесткость, износостойкость, неболь­шая масса, плотная посадка поршня в цилиндре, уравновешенность вращающихся деталей.

Все детали КШМ делятся на две группы: неподвижные и подвиж­ные. К неподвижным деталям относятся корпус (картер и цилиндры), головка блока цилиндров и поддон картера. Подвижными частями яв­ляются поршни с кольцами и поршневыми пальцами, шатуны, колен­чатый вал и маховик.

Неподвижные детали КШМ

Корпус КШМ

Корпус КШМ объединяет в себе картер и цилиндры (цилиндр). Он является базовой частью (остовом) двигателя. На нем устанавливаются все механизмы и системы двигателя, и посредством него двигатель ус­танавливается на автомобиле.

Корпус двигателя может иметь три исполнения:

• картер, к которому крепятся отдельные цилиндры;

• картер, к которому крепятся цилиндры, объединенные в один
блок цилиндров;

• блок-картер, в котором все элементы отлиты как одно целое.

В настоящее время с отдельными цилиндрами производят только двигатели воздушного охлаждения, так как изготовление блока цилинд­ров с охлаждающимися ребрами (высотой до 18 мм) представляет зна­чительные технологические трудности.

Применение отдельных блоков цилиндров в современных автомо­бильных двигателях также ограничено. Они чаще всего используются в мощных дизелях, картеры и цилиндры которых изготовляют из лег­ких сплавов. В большинстве автомобильных двигателей применяются блок-картеры несколько более сложные в изготовлении, но обладаю­щие наиболее высокой жесткостью.

В зависимости от того, какие элементы корпуса двигателя восприни­мают основную нагрузку, существуют следующие варианты силовых схем:

• с несущим блоком цилиндров (рис. 3.1, а);

• с несущими цилиндрами;

• с несущими силовыми шпильками (рис. 3.1, б).

Рис. 3.1. Силовые схемы двигателей с жидкостным охлаждением: а — с несущим блоком ци­линдров; б — с несущими силовыми шпильками; Р_г — сила давления газов

Первый вариант получил наибольшее распространение. Здесь на­грузки от рабочих газов воспринимаются стенками цилиндров, рубаш­кой охлаждения (полости для прохода охлаждающей жидкости), голов­кой блока цилиндров, поперечными перегородками картера, которые заканчиваются коренными опорами.

Второй вариант используется в двигателях с отдельными цилиндра­ми, соединенными с картером и головкой блока цилиндров короткими болтами или шпильками. В этом случае под действием давления рабо­чего тела стенки цилиндров и рубашки охлаждения, если она имеется, испытывают напряжение разрыва.

В третьем варианте блок цилиндров (или отдельные цилиндры), го­ловка блока цилиндров и крышки коренных подшипников стягиваются длинными силовыми шпильками, ввернутыми в перегородки картера.

Блок-картеротливают из чугуна или алюминиевого сплава. Блок-картер V-образного двигателя показан на рис. 3.2.

Горизонтальная перегородка делит блок-картер на верхнюю и ниж­нюю части. В верхней части блока и горизонтальной перегородке име­ются отверстия под цилиндры или гильзы цилиндров. В вертикальных перегородках картера есть отверстия под подшипники коленчатого вала, которые обрабатывают в сборе с крышками подшипников. Поэто­му крышки подшипников не взаимозаменяемы. Для того чтобы повы­сить жесткость блок-картера, крышки коренных опор у некоторых дви­гателей дополнительно крепят к картерной части блока поперечными стяжными болтами.

В блок-картере выполнены отверстия для деталей механизма газо­распределения, имеются плоскости для крепления фильтров, насосов и других механизмов.

Рис. 3.2. Блок-картер V-образного двигателя: 1 — корпус; 2 — отверстие под коленчатый вал; 3 — отверстие под распределительный вал; 4 — каналы для подвода охлаждающей жидкости;

5 — гильзы

Блок-картеры могут быть с цилиндрами, выполненными непосред­ственно в блоке, и со сменными гильзами цилиндров.

Гильзы цилиндров могут быть «мокрыми» или «сухими»: «мок­рые» — если их наружные стенки омываются охлаждающей жидкостью, «сухие» — запрессовываются в расточенные отверстия цилиндров и не имеют контактов с охлаждающей жидкостью.

Для увеличения жесткости блок-картера двигателя выполняют сле­дующее:

• объединяют все основные элементы в единый силовой каркас,
имеющий пространственную конфигурацию (рис. 3.3);

• увеличивают число несущих перегородок, расположенных в од­
ной плоскости с коренными опорами коленчатого вала;

• делают дополнительное оребрение перегородок и стенок;

• располагают плоскости разъема картера ниже оси коленчатого вала;

• используют V-образную компоновку;

Рис. 3.3. Блок-картер двигателя ЯМЗ-238: а — поперечный разрез; б — продольный разрез

• применяют туннельный картер.

Наиболее жесткую конструкцию имеет блок-картер с неразъемным туннельным картером (рис. 3.4), который обычно применяется при ис­пользовании в качестве коренных опор подшипников качения. В этом случае коленчатый вал монтируется с торца двигателя и наружные обоймы подшипников устанавливаются в расточенных гнездах картера. Туннельный блок-картер наиболее сложен в производстве.

а) б)

Рис. 3.4. Туннельный блок-картер: а — продольный разрез; б — поперечный разрез

Себестоимость блок-картера, выполненного из серого чугуна, ниже блок-картера из алюминиевого сплава. Серый чугун обладает хорошими литейными качествами, прочен и легко обрабатывается. Отливки из серого чугуна не склонны к короблению и образованию трещин.

Если чугунные блоки отливаются в земляные формы, то блоки из алюминиевого сплава изготовляются литьем под давлением в разборные металлические формы. При этом обеспечиваются высокие точность и производительность. Существенным недостатком алюминиевых блоков является их повышенное тепловое расширение, что в процессе работы может вызвать искажение форм.

Вероятность деформации блок-картера при эксплуатации во многом определяется технологией его изготовления.

Искажение формы может произойти при неудачном выборе схемы КШМ двигателя, неравномерном нагреве, а также вследствие механической и особенно термической перегрузки двигателя при работе.

Кроме того, это может произойти при сборке двигателя, если не соблюдать рекомендуемый порядок и моменты затяжки болтов и гаек крепления головки блока цилиндров и крышек коренных подшипников.

Недопустимые деформации элементов блок-картера вплоть до разрушения могут произойти при его заправке холодной охлаждающей жидкостью при разогретом двигателе, а также при замерзании воды в рубашке охлаждения.

Гильза цилиндра

Гильза цилиндра является направляющей втулкой движущегося поршня и образует вместе с головкой цилиндра полость, в которой осуществляется рабочий цикл.

Гильза подвержена воздействию горячих газов, воспринимает и пе­редает в систему охлаждения значительное количество теплоты, а также выдерживает высокое давление газов.

Поршень, перемещаясь внутри гильзы, оказывает на ее рабочую поверхность значительное давление. В верхней части гильзы из-за изменения направления движения поршня происходит разрыв масляной пленки, возникает граничное трение. Кроме того, верхний пояс гильзы в результате воздействия продуктов сгорания высокой температуры подвергается электрохимической коррозии. В результате переменного давления со стороны рабочей полости цилиндра стенки гильзы, особенно при недостаточной толщине, могут совершать колебания в радиальном направлении. Это сопровождается изнашиванием и даже разрушением как самой гильзы, так и стенок блока.

С учетом вышеизложенного к гильзам предъявляются следующие требования:

• большая жесткость и высокая прочность стенок и посадочных поясков;

• высокая износостойкость;

• полная герметизация стыков и сопряжений;

• простота конструкции и технологичность.

Для плотного прилегания поршня и поршневых колец к цилиндру и уменьшения сил трения между ними внутреннюю полость цилиндров обрабатывают с большой степенью точности и высоким значением шероховатости, поэтому она называется зеркалом цилиндра.

В качестве материала для изготовления гильзы цилиндра чаще всего используется серый чугун, который хорошо удерживает смазочный материал и отличается высокой износостойкостью. Для повышения износостойкости в сплав добавляют хром, молибден, фосфор, ванадий, медь.

На рис. 3.5 представлены гильзы различной конструкции.

Применение гильз упрощает требования к изготовлению самого блока цилиндров. Кроме того, при выходе из строя одного из цилиндров не требуется замена всего блок-картера.

«Сухие» гильзы изготовляются двух видов: с верхним опорным буртом (см. рис. 3.5, б) и без него.

Толщина стенок «сухих» гильз от 2 до 4 мм. «Сухие» гильзы могут также выполняться в виде короткой вставки 3 (см. рис. 3.5, а) в верхней части цилиндра, которая подвержена наибольшему изнашиванию. Такие вставки изготовляют из кислотоупорного высоколегированного чугуна, обладающего высокой износостойкостью. При установке «мокрой» гильзы ее бурт 6 (см. рис. 3.5, в) выступает над привалочной плоскостью блока на 0,05—0,15 мм. Это позволяет уплотнять ее, зажимая бурт через прокладку 4 между блоком и головкой блока цилиндров.

Рис. 3.5. Цилиндры двигателей: а — с «сухой» гильзой и короткой вставкой; б — с «сухой» гильзой; в—д — с «мокрыми» гильзами; / — блок цилиндров; 2 — рубашка охлаждения; 3 — вставка; 4 — прокладка; 5 — «сухая» гильза; 6 — бурт; 7 — «мокрая» гильза; 8 — уплотнительные кольца; 9 — медная прокладка

-

Герметизация рубашки охлаждения в кольцевых канавках нижнего направляющего пояса осуществляется уплотнительными кольцами 8 из резины или каучука (см. рис. 3.5, г) либо медными прокладками 9 (см. рис. 3.5, д). Эта же прокладка используется для регулировки положения гильзы по высоте.

Необходимая жесткость гильзы достигается выбором толщины ее стенок (5—8 мм), а также плотной посадкой гильзы в зоне ее центрирующих поясков в верхней и нижней плоскостях.

Коренные подшипники

Коренные подшипники, на которых устанавливается коленчатый вал в блок-картере, работают в тяжелых эксплуатационных условиях, характеризующихся значительными динамическими нагрузками со стороны шеек коленчатого вала и высокой частотой вращения. При этом в результате трения подшипники нагреваются, и их трущиеся поверхности подвергаются механическому изнашиванию.

К коренным подшипникам предъявляются следующие требования:

• уменьшение трения и теплоотвода;

• соосность опор коленчатого вала;

• высокая жесткость;

• высокая надежность.

В ДВС автомобилей могут применяться коренные подшипники качения (обычно роликовые) и скольжения. Наибольшее распространение получили подшипники скольжения, так как применение подшипников качения связано с усложнением конструкции блок-картера и повышенным гидродинамическим сопротивлением качению роликов по слою смазочного материала при высоких частотах вращения.

Коренные подшипники скольжения выполняются разъемными. Верхняя опорная часть их расположена в перегородке картера, а нижняя выполнена в виде крышки и фиксируется болтами или шпильками. Подшипники скольжения выполняются в виде тонкостенных сменных вкладышей, которые устанавливаются в соответствующих гнездах кар­тера с натягом.

Тонкостенные вкладыши представляют собой изогнутую в полукольцо стальную ленту, на внутреннюю поверхность которой нанесен антифрикционный слой — высокооловянистый алюминиевый сплав, содержащий 17,5—22,5 % олова; 0,7—1,3 % меди; по 0,7 % железа, кремния, марганца; остальное — алюминий.

В двигателях с повышенной нагрузкой на подшипники (как правило, дизели) в качестве антифрикционного слоя вкладышей используется свинцовистая бронза, содержащая 30 % свинца.

Особенность коренных вкладышей — наличие на их рабочей поверхности отверстий и кольцевых канавок для обеспечения непрерывной подачи масла к шатунным подшипникам.

Рис. 3.6. Крепление крышек коренных подшипников коленчатого вала с использованием фиксирующих элементов:

а — выступов; б — поверхностей и стяжных шпилек; в — штиф­тов; г — втулок; 1 — основная силовая шпилька; 2 — фиксирующие выступы крышки; 3 — стяжная сквозная шпилька; 4 — фиксирующая поверхность; 5 — стяжной болт; 6 — штифт; 7 — втулка

Для предотвращения проворачивания вкладышей применяют отогнутые выступы — «усики», которые при сборке упираются в плоскости разъема.

Для обеспечения необходимой жесткости крышки коренных подшипников выполняются достаточно массивными с дополнительными ребрами и утолщениями и крепятся к картеру (рис. 3.6) с большим моментом затяжки.

Для того чтобы исключить деформацию, высоконагруженные крышки коренных подшипников дизелей соединяют с картером дополнительными вертикальными или горизонтальными болтами. Во избежание боковых смещений крышки фиксируют обычно установочными штифтами или втулками либо призонными болтами. Посадка крышки по торцевым плоскостям, выфрезерованным в приливах картера, обеспечивает большую жесткость всему узлу подшипника.