Робочий цикл одноциліндрового чотирьохтактного карбюраторного двигуна

При такті впуску циліндр двигуна заповнюється пальною сумішшю (тобто сумішшю палива і повітря у певній пропорції). Вона готується за межами циліндра у спеціальному приладі – карбюраторі.

При такті стиску стискається не повітря, а робоча суміш. Оскільки ступінь стиску малий (6…9), тиск і температура газів у кінці цього такту менший, ніж у дизельного двигуна; температура робочої суміші становить 250…400 ⁰ С, а тиск – 0,5…1,2 МПа. Робоча суміш в кінці такту стиску не самозаймається, а примусово запалюється від електричної іскри (двигун має систему запалювання). У кінці згоряння температура газу досягає 2000…2500 ⁰ С, а тиск – 2,5…3,5 МПа.

Таблиця 5. 2. Схема роботи чотирьохтактного карбюраторного двигуна.

Такт	Поршень	Клапани	Циліндр	Температура в кінці такту, 0С	Тиск в кінці такту, МПа
Впуск	П ↓	Вп. відкр. Вип. закр.	ПС. заходить	80…130	0,08…0,09
Стиск	П ↑	Вп. закр. Вип. закр.	ПС. стискається	250…400	0,5…1,2
				2300…2500	4…6
Розширення	П ↓	Вп. закр. Вип. закр.	РС. горить	800…1200	0,4…0,6
Випуск	П ↑	Вп. закр. Вип. відкр.	ВГ. виходять	750…800	0,1…0,12

Робочий цикл чотиритактного газового двигуна протікає аналогічно до карбюраторного, але газоповітряна суміш готується не в карбюраторі, а в карбюраторі – змішувачі чи спеціальному газовому змішувачі.

З наведених робочих циклів карбюраторних і дизельних двигунів видно, що тільки один такт є робочим, а всі інші : впуск, стиск і випуск – допоміжні. Під час робочого ходу виконується корисна робота, але частина її затрачається на виконання допоміжних тактів. Це здійснюється за допомогою маховика. Одержавши поштовх при робочому ході маховик продовжує обертатися по інерції і обертає колінчастий вал, який в свою чергу приводить в рух поршень. Цим і забезпечується виконання допоміжних тактів та відносно рівномірне обертання колінчастого вала двигуна.

Багатоциліндрові двигуни

Для пояснення принципу роботи двигуна було розглянуто схеми одноциліндрових карбюраторного і дизельного двигунів. Але на практиці такі двигуни на автомобілях не використовують, тому що, незважаючи на наявність маховика, вони працюють дуже нерівномірно. А якщо зробити двигун одноциліндровим такої потужності, як це вимагають умови руху автомобіля, то його маса була б великою. Відповідно маса інших робочих деталей (шатуна, колінчастого вала) теж була б великою. При їх русі (поступальному або обертальному діяли б інерційні сили, що залежать від частоти обертання. За цих умов одноциліндрові двигуни були б тихохідними. Ось чому на сучасних автомобілях використовують багатоциліндрові двигуни.

Багатоциліндрові двигуни добре зрівноважені. За рахунок більшої кількості циліндрів забезпечується рівномірне обертання колінчастого вала з порівняно легким маховиком.

Щоб багатоциліндровий двигун працював рівномірно, такт розширення (робочого ходу) повинен проходити в циліндрах через рівні проміжки часу чи рівні кути повороту колінчастого валу. Для визначення цього кута необхідно тривалість циклу, виражену в градусах повороту колінчастого вала, поділити на кількість циліндрів двигуна.

В чотирьохтактному чотирьохциліндровому двигуні такт розширення циліндрів проходить через 180 ⁰ (720 ⁰ : 4) по відношенню до попереднього, тобто через півоберта колінчастого вала. Таким чином за кожні два оберти колінчастого вала (за робочий цикл) такти розширення проходять в усіх чотирьох циліндрах.

Кривошипи колінчастих валів двох – і чотирьохциліндрових двигунів розміщенні в одній площині під кутом 180 ⁰, 6 – і 12 – циліндрових – під кутом 120 ⁰, 8 – циліндрових під кутом 90 ⁰.

Послідовність чергування тактів розширення в циліндрах двигуна називають порядком роботи.

Порядок роботи залежить від розміщення циліндрів, взаємного положення кривошипів колінчастого вала і послідовності закриття і відкриття клапанів механізму газорозподілу.

Розміщення циліндрів багатоциліндрових двигунів може бути однорядним чи двохрядним.

Рис. 5. 3. Схема розміщення циліндрів двигунів:

а – однорядного; б – однорядного з нахилом до вертикалі; в – V – подібного; г – з протилежно лежачими циліндрами.

1 – циліндри; 2 – головка блока; 3 – блок циліндрів; 4 – піддон.

В однорядних двигунів циліндри розміщуються вертикально чи під кутом до вертикалі, а в двохрядних – під кутом один до одного. Якщо в двигунах з двохрядним розміщенням циліндрів кут між циліндрами менший ніж 180⁰, їх називають V – подібними. Коли кут дорівнює 180⁰ – двигуни називають опозитними.

Для 2 – циліндрових двигунів порядок роботи 1 – 2 – 0 – 0, для 4 –циліндрових – 1 – 3 – 4 – 2 або 1 – 2 – 4 – 3. Зі збільшенням кількості циліндрів рівномірність обертання колінчастого вала збільшується, оскільки підключаються робочі ходи інших циліндрів за один оберт колінчастого вала. На 6 – циліндрових рядних двигунах порядок роботи 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4, а на V – подібних 1 – 4 – 2 – 5 – 3 – 6. На 8 – циліндрових рядних двигунах порядок роботи 1 – 6 – 2 – 5 – 8 – 3 – 7 – 4, а на V – подібних – 1 – 5 – 4 – 6 – 3 – 7 – 8.

На 6 – циліндрових рядних і V – подібних двигунах має місце нерівномірне чергування робочих ходів. Кутовий інтервал між робочими ходами становить 90 ⁰, 150 ⁰, 90 ⁰, 150 ⁰ тощо.

Головною енергетичною характеристикою багатоциліндрового двигуна є потужність.

Потужність двигуна – це кількість роботи, яку він здатний виконати за одиницю часу. Розрізняють індикаторну та ефективну потужність. Індикаторною називають потужність згоряння газів всередині циліндрів. Ефективна потужність це та, яку двигун може розвинути на колінчастому валу.

Відношення ефективної потужності N_e до індикаторної N_i називають механічним коефіцієнтом корисної дії двигуна.

h = N_e / N_i

Коефіцієнт корисної дії сучасних карбюраторних двигунів становить 0,7…0,85, а дизельних – 0,7…0,92.

Показником економічності двигуна є питома ефективна витрата палива, тобто кількість палива в грамах, що витрачається двигуном на одержання протягом 1 години ефективної потужності в 1 кВт.

В технічній характеристиці двигуна звичайно зазначають мінімальну питому витрату палива, яка становить для дизелів 200…300 г/ кВт – год., а для карбюраторних двигунів – 265…305 г/ кВт – год.

Кривошипно – шатунний механізм

Кривошипно – шатунний механізм призначений для сприймання сил тиску газів і передачі їх механізмам трансмісії, а також для перетворення прямолінійного зворотно – поступального руху поршня в обертальний рух колінчастого вала.

Кривошипно – шатунний механізм багатоциліндрового двигуна складається з нерухомих і рухомих деталей.

До нерухомих (корпусних) деталей належать: блок циліндрів, головка блока, картер, піддон і картер маховика.

Поршні з компресійними (ущільнювальними) і маслознімними кільцями, поршневими пальцями, шатуни в комплекті з втулками у верхній головці і шатунними підшипниками в нижній головці, колінчастий вал з підшипниками і маховик складають рухомі деталі кривошипно – шатунного механізму.

Рис. 5. 4 . Поздовжній розріз двигуна МеМЗ 245:

1 – головка циліндрів; 2 – кришка головки циліндрів; 3, 4 – прокладка і кришка масловідділювача; 5 – фланець карбюратора для кріплення повітряного фільтра;

6 – паливний насос; 7 – розподільний вал; 8 – ведуча шестерня приводу датчика – розподільника; 9 – кулачок приводу паливного насоса; 10 – корпус приводу датчика розподільника і паливного насоса; 11 – відвідний патрубок; 12 – блок циліндрів;

13 – натискний диск зчеплення; 14 – ведений диск зчеплення; 15, 38 – болти;

16 – маховик; 17, 28, 36 манжети; 18 – тримач манжети; 19 – колінчастий вал;

20 – вкладиші корінних підшипників колінчастого вала; 21 – упорні півкільця корінного підшипника колінчастого вала; 22 – вкладиш середнього корінного підшипника колінчастого вала; 23 – масло заспокоювач; 24 – приймач масляного насоса; 25 – вкладиш нижньої головки шатуна; 26 – масляний картер; 27 – масляний насос; 29 шків приводу генератора; 30 – ведучий шків колінчастого вала; 31 – гайка; 32 – шпонка; 33 – шатун з поршнем, поршневими кільцями і пальцем; 34 – натяжний ролик; 35 – шків приводу розподільного вала; 37 – стопорна шайба; 39, 40 – внутрішній і зовнішній кожухи плоско зубчастого паса.

Розглянемо особливості конструкції окремих деталей на прикладі двигуна МеМЗ – 245.

Блок циліндрів двигуна відлитий із сірого чавуну, об’єднаний в одне ціле з циліндрами.

Рис. 5. 5. Блок циліндрів двигуна:

1 – місце нанесення розмірної групи циліндрів; 2 – штуцер кріплення масляного фільтра;

s₁ – вісь колінчастого вала.

Висока жорсткість блока циліндрів забезпечується тим, що площина роз’єму картера блока з масляними картером розміщена нижче осі колінчастого вала на 53 мм. Відстані між осями першого – другого, третього – четвертого циліндрів дорівнюють 81 мм, а між другим і четвертим 86 мм і між ними по всій висоті циліндрів виконані протоки для охолоджувальної рідини, чим забезпечується інтенсивне відведення теплоти, покращується охолодження поршнів і поршневих кілець, знижується температура моторної оливи і зменшується деформація блока від нерівномірного нагрівання.

В нижній частині блока циліндрів використано п’ять опор для вкладишів корінних підшипників колінчастого вала. Кришки корінних підшипників обробляють під вкладиші разом з блоком і тому вони не взаємозамінні. Для забезпечення правильного їх розміщення при складанні необхідно враховувати, що на них нанесені мітки відповідних опор. Кожна кришка кріпиться двома болтами із зусиллям затягування 70…85 Н × м. В блоці і кришках корінних підшипників виконані кільцеві канавки для підведення масла до корінних вкладишів. Нумерація опор підшипників і відповідних кришок та циліндрів ведеться від переднього торця блока циліндрів.

По периметру нижньої частини виготовлений оброблений фланець, до якого болтами прикріплений литий картер (піддон).

Герметизація внутрішньої порожнини блока в місцях стику передньої і задньої кришок та масляного картера здійснюється прокладками.

В залежності від фактичного діаметру циліндра отриманого в процесі доводки, для більш точного забезпечення оптимальної величини зазору між циліндрами і поршнями (0,05…0,07 мм) циліндри за діаметром поділяють на п’ять розмірних груп ( А, Б, В, Г, Д через 0,01 мм ). При виготовленні нового двигуна поршні нормального діаметра підбирають до відповідних циліндрів по групах. Групи позначаються посередині верхньої частини блока з лівої сторони.

Рис. 5. 6. Головка циліндрів і схема регулювання зазорів:

1 – коромисло; 2 гайка; 3 – регулювальний гвинт коромисла клапана; 4 – вісь коромисел;

5 – головка циліндрів; 6 – кулачок розподільного вала; 7 – стопорне кільце;

8 – напрямна втулка; 9 – клапан; 10 – сідло клапана; 11 – опорна шайба внутрішньої і зовнішньої пружин; 12 і 13 – зовнішня і внутрішня пружини; 14 – патрубок; 15 – масло відбивний ковпачок клапана; 16 – тарілка пружини клапана; 17 – сухарі тарілки клапана;

18 – наконечник регулювального гвинта коромисла; 19 – розподільний вал;

20 – ущільнювальна манжета; 21 – пробка; 22 – упорна шайба; 23 – пружина осі коромисел; 24 – стопорний гвинт; 25 – заглушка масляного каналу; 26 – шестерня приводу датчика – розподільника ведуча; 27 – кулачок приводу паливного насоса; 28 – корпус приводу датчика розподільника і паливного насоса; 29 – прокладка; 30 – штифт;

С – зазор для клапанів: впускних 0, 13...0, 17 мм, випускних 0, 28...0, 32 мм.

Головка циліндрів (рис. 5. 6.) вилита з алюмінієвого сплаву спільною для всіх циліндрів. Головка кріпиться до блока 10 болтами. Між блоком та головкою встановлена азбестометалічна прокладка товщиною 1,2 мм.

Затягування болтів головки проводять на холодному двигуні при температурі 15…25 ⁰С в два прийоми: спочатку моментом 35…40 Н× м і остаточно з моментом 83…86 Н× м, притримуючись послідовності вказаній рис. 5. 7.

Рис. 5.7. Схема затягування гайок кріплення головки циліндрів:

1 – маховик

Необхідне ущільнення забезпечується тільки за рахунок деякого попереднього натягу, що враховує різницю коефіцієнтів лінійного розширення стальних болтів і алюмінієвої головки циліндрів.

В головці циліндрів виконанні клиноподібні камери згоряння, впускні і випускні канали, різьбові отвори для встановлення свічок запалювання і протоки охолоджувальної рідини. Сідла 10 (рис. 5. 6. ) і напрямні втулки клапанів виготовляють з спеціального жаростійкого чавуну. Сідла запресовують в головку циліндрів, нагріту до температури 165…175 ⁰ С.

З лівої сторони головки розміщені впускні і випускні клапани, а з правої – різьбові отвори для свічок запалювання.

Розміщення клапанів, а значить осей сідел і втулок, однорядне під кутом 21 ⁰.

В головці виконані перемички, в яких розточені гнізда під вісь коромисел і опорні шийки розподільчого вала. Опорні гнізда розподільного вала змащуються під тиском.

В спеціальну розточку переднього гнізда встановлена манжета 20

(рис. 5. 6 ) для ущільнення шийки розподільного вала. Задня частина головки оброблена і до неї через ущільнювальну прокладку 29 закріплений корпус 28 приводу датчика – розподільника і бензинового насоса.

Прилегла до блока площина головки і клинові камери згоряння механічно оброблені. Верхня частина головки закривається кришкою, закріпленою гвинтами. Необхідне ущільнення стику досягається прокладкою між головкою і кришкою.

Масляний картер (рис. 5. 4.) відлитий з магнієвого сплаву. Він закриває двигун знизу і служить резервуаром для оливи. Кріпиться картер до нижнього фланця блока двигуна болтами з різьбою М6. Ущільнення досягається встановленням прокладки товщиною 3 мм.

Порожнина масляного картера коритоподібної форми має виділену передню частину, в якій розміщується маслоприймач.

Для запобігання надмірного розпліскування оливи при їзді в картері вилиті вертикальні поперечні перегородки, а верхня частина закривається штампованим маслозаспокоювачем. В нижній частині картера відлита бонка з різьбою М18 для маслозливної пробки.

Поршні 1 (рис. 5.8.) вилиті з алюмінієвого сплаву з терморегулювальним кільцем, юбки поршнів нерозрізні. Маса поршня 315 ± 2 г.

Днища поршнів плоскі, але у центрі під кутом 21⁰ є дві заглибини діаметром 36 мм і глибиною 7,8 мм. Ці заглибини в поршнях зроблені для запобігання впирання клапанів у поршні при провертанні колінчастого вала у випадку, якщо плоскозубчастий пас приводу розподільного вала переустановлений, а також при його прокручуванні чи пошкодженні.

Рис. 5.8. Шатун з поршнем в зборі:

1 – поршень; 2 – поршневий палець; 3 – втулка шатуна; 4 – кришка шатуна; 5 – вкладиші; 6 – гайка болта кришки шатуна; 7 – болт кришки шатуна; 8 – шатун; 9 – маслознімне кільце в зборі; 10 і 11 – нижнє і верхнє компресійні кільця; 12 – стопорне кільце; 13 – місця маркування шатуна, бобишки поршня і поршневого пальця; 14 – клеймо номера циліндра

Юбка поршня має бочкоподібну еліпсну форму, більша основа якого розміщена на відстані 53 мм від верхнього торця (контрольний розмір юбки поршня), а більша вісь еліпса лежить в площині перпендикулярній до осі поршневого пальця.

Поршні по зовнішньому діаметрі розбиті на 5 груп (А, Б, В, Г, Д).

Вісь отвору під поршневий палець 2 (рис. 5.8) зміщена відносно діаметральної площини на 1,5 мм.

При складанні стрілка, розміщена на днищі кожного поршня, на всіх поршнях повинна бути направлена до передньої частини двигуна, тобто до носка колінчастого вала.

Для встановлення поршневих кілець служать три кільцеві канавки. В двох верхніх встановлюють компресійні кільця 10 і 11, а в нижній – складне маслознімне 9. Нижня канавка з’єднана з внутрішньою порожниною поршня отворами, через які надлишкове масло, яке знімається кільцем 9, відводиться в піддон. В залежності від діаметра отвору під поршневий палець поршні сортують на три групи через 0,004 мм і маркуються фарбою на бобишці 13 (червона, жовта, зелена).

Поршневі пальці 2 стальні, плаваючі із зовнішнім діаметром 20 мм, довжиною 61 мм і товщиною стінки 4 мм.

Від осьового переміщення палець фіксується пружинними стопорними кільцями.

Пальці виготовлені з високою точністю і за зовнішнім діаметром поділяються на три розмірні групи, які позначаються фарбою (червона, зелена, жовта).

При складанні палець, поршень і шатун комплектуються з деталей тільки однієї розмірної групи.

Зовнішня поверхня пальця підлягає цементації і термічній обробці для досягнення високої поверхневої твердості.

Поршневі кільця і їх розміщення показано на рис. 5.10. На кожному поршневі встановлюють по три кільця: два компресійних, виготовлених з спеціального чавуну – верхнє 1 хромоване з округленими кромками, нижнє 2 фосфатоване, і одного спеціального маслознімного трьохелементного, який складається з двох стальних дисків 3 та осьового і радіального розширювачів 4. На зовнішній циліндричній поверхні другого компресійного кільця виконана прямокутна фаска. На поршень кільце встановлюється фаскою вниз.

Стальні диски маслознімного кільця збирають оливу, яка через розширювач і канавки стікає в масляний картер.

Рис. 5.10. Розміщення поршневих кілець на поршні:

1 – верхнє компресійне кільце; 2 – нижнє кільце; 3 – диски масло знімного кільця;

4 – розширювач маслознімного кільця;

На ділянці а з обох боків не повинно бути замків компресійних кілець і замків дисків маслознімних кілець. Розміщення замків компресійних кілець – I, II; дисків верхнього – III; нижнього – IV і розширювача масло знімного кільця V

Монтажний зазор в замку кілець, стиснених в циліндрі, повинен бути, 0,21…0,55 мм для компресійних і 0,9…0,15 мм для дисків маслознімних кілець.

При встановленні поршнів в циліндри замки кілець повинні бути розставлені як показано на рис. 5.11.

Шатун 8 (рис. 5.8.) стальний, кований, з стержнем двохтаврового перерізу. У верхню головку шатуна запресована бронзова втулка 3, в залежності від внутрішнього діаметра якої шатуни поділяють на три розмірні групи через 0,004 мм, біля головки наноситься маркування фарбою (червона, зелена, жовта). За цими маркуваннями підбирають палець до верхньої головки шатуна.

Нижня головка шатуна роз’ємна, її кришка кріпиться двома болтами з різьбою М 9х 1 і гайками.

Гайки 6 шатунних болтів при складанні затягуються рівномірно, при остаточному затягуванні слід прикласти момент 50…56 Н × м.

Для забезпечення центрування болти 7 мають конічну ділянку біля головки.

Остаточна обробка отвору в нижній головці шатуна під вкладиші проводиться в складеному вигляді. Тому перестановка кришок 4 з одного шатуна на інший недопустима.

Щоб при складанні не поміняти кришки шатунів, на шатуні і відповідній йому кришці наноситься номер циліндра. При складанні цифри на шатуні і кришці повинні знаходитись з однієї сторони.

Шатуни в зборі з кришками підбираються за масою. Маса шатуна в зборі 540 ± 4 г.

В нижній головці шатуна встановлюються взаємозамінні тонкостінні сталеалюмінієві вкладиші 5, які утримуються від провертання виступами, які є в тілі шатуна. Зазор між шатунними шийками колінчастого вала і вкладишами шатуна дорівнює 0,030…0,076 мм.

Рис. 5. 11. Колінчастий вал в зборі:

1 – колінчастий вал; 2 – пробка

Колінчастий вал двигуна повноопорний, відлитий з спеціального високоміцного чавуну. Номінальний діаметр корінних шийок вала 50 мм, шатунних – 45 мм. Для підвищення стійкості проти спрацювання робочі поверхні корінних і шатунних шийок загартовані струмами високої частоти на глибину 2…3 мм.

Колінчастий вал динамічно відбалансований (допустимий дисбаланс не перевищує 15 г× см).

В тілі колінчастого вала просвердлені масляні канали, олива до шатунних шийок подається від 1, 2, 3 і 5 – ої корінної шийок. Технологічні виходи просвердловин закриті закрученими в них пробками 2.

Осьова фіксація колінчастого вала виконується упорними півкільцями 21 (рис. 5. 4), встановленими в торцях підшипника 3 – ої корінної шийки в блоці. Осьовий зазор в цьому з’єднанні становить 0,054…0,306 мм.

Рис. 5. 12. Носок колінчастого вала з шківом:

1 – колінчастий вал; 2 – сегментна шпонка; 3 – гайка; 4 – шайба; 5 – ведучий шків колінчастого вала; 6 – внутрішній кожух плоско зубчастого паса; 7 – корпус масляного насоса; 8 – прокладка; 9, 10 – ведена і ведуча шестерні масляного насоса; 11 – манжета;

12 – кришка масляного насоса; 13 – шків привода генератора

На передньому кінці колінчастого вала (рис. 5. 12) знаходиться ведучий шків 5 приводу газорозподілу і шків 13 пасової передачі на генератор. Обидва вони встановлюються на сегментній шпонці 2 і затягуються гайкою 3 на торці вала з моментом 100…125 Н× м. Шків має мітку для встановлення запалювання і регулювання зазорів клапанного механізму.

Носок колінчастого вала ущільнений манжетою 11, яка запресована в корпус масляного насоса 7.

Рис. 5.13. Задній кінець колінчастого вала:

1 – колінчастий вал; 2 – задня манжета колінчастого вала; 3 – тримач манжети;

4 – прокладка тримача; 5 – болт; 6 – маховик; 7 – шайба болтів кріплення маховика;

8 – болт кріплення маховика; 9 – зубчастий обід маховика; 10 – захисний кожух

Задній кінець колінчастого вала ущільнений манжетою 2, встановленою в тримачі манжети. На задньому торці колінчастого вала до фланця болтами закріплений маховик.

Вкладиші шатунних підшипників – тонкостінні, сталеалюмінієві. Верхні і нижні вкладиші взаємозамінні (для запобігання прокручування на них виконані вусики).

Вкладиші корінних підшипників – тонкостінні, сталеалюмінієві, з радіальними отворами для проходу масла. Верхні і нижні вкладиші кожного підшипника однакові (для запобігання прокручування мають виступи – вусики).

Вкладиші 1, 2, 4 і 5 – го підшипників (ширина 17,76…18,00 мм) мають на внутрішній поверхні кільцеві канавки для безперервної подачі оливи до шатунних шийок.

Вкладиші 3 – го корінного підшипника такої канавки не мають і відрізняються більшою шириною (21,76…22,00 мм).

Для заміни зношених чи пошкоджених вкладишів в запасні частини поставляються вкладиші корінних і шатунних підшипників номінального і трьох ремонтних розмірів комплектно (в кількості, необхідній на один двигун).

Маховик – вилитий з чавуну, на колінчастому валу встановлений на фланці і кріпиться через шайбу 7 шістьма болтами 8, один з яких зміщений.

Рис. 5. 14. Маховик:

1 – обід маховика; 2 – штифти встановлення кожуха зчеплення; 3 – діагностичний штифт ВМТ

Болти, які кріплять маховик, затягують з моментом 70…90 Н× м. На маховику встановлений штифт 3 (рис. 5.14) подачі імпульсу на діагностичний датчик ВМТ і напресований стальний зубчастий обід 1.

Маховик проходить динамічне балансування, допустимий дисбаланс при цьому не більше 10 г× см.