Определение и краткая характеристика основных механизмов и систем (КШМ, ГРМ, системы топлива подачи, смазки, охлаждения)

В поршневых двигателях внутреннего сгорания изменение объема газов при

преобразовании теплоты в работу осуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма (рис.1.)

Рис.1. - Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

1 - цилиндр; 2 - поршень; 5 - шатун; 4 - кривошип

Кривошипно-шатунный механизм (к. ш. м.) состоит из неподвижного элемента — остова двигателя и подвижных — поршня 2, шатуна 3 и кривошипа 4.

Поршень — основной силовой элемент к. ш. м., совершающий возвратно-поступательное движение, непосредственно-участвующий в преобразовавши теплоты в работу путем изменена надпоршневого объема, воспринимающий давление газов и передающий силу этого давления кривошипу.

Кривошип — силовой элемент к. ш. м., совершающий вращательное движение, определяющий закон движения поршня, воспринимающий силу давления газов на поршень и передающий ее потребителю.

Шатун — связующий силовой элемент к. ш. м., совершающий сложное плоскопараллельное движение, участвующий в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное кривошипа (и наоборот), передающий силу давления газов от поршня к кривошипу.

Кроме основного назначения (преобразования теплоты в работу), кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя служит также для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение кривошипа. При работе кривошипно-шатунного механизма его элементы дважды за один оборот кривошипа занимают такие положения, при которых совпадают по направлению продольные оси кривошипа и шатуна и изменяется направление движения поршня. Такие положения к. ш. м. называются мертвыми, а точки, в которых находится при этом поршень,— мертвыми точками. Причем при максимальном удалении поршня от оси кривошипа он находится в верхней мертвой точке (в. м. т.), а при минимальном — в, нижней мертвой точке (н. м. т.).

Газораспределительный механизм (ГРМ) служит для своевременного впуска в цилиндры двигателя свежего заряда и выпуска из них отработавших газов. В двигателях внутреннего сгорания применяется клапанное, золотниковое и комбинированное газораспределение.

Клапанное газораспределение наиболее распространено и применяется во всех четырехтактных двигателях. В двухтактных двигателях обычно используется золотниковое газораспределение, причем зачастую золотником служит сам поршень (например, мотоциклетные двигатели). Иногда в двухтактных дизелях применяется клапанно-щелевое, т. е. комбинированное, газораспределение, когда впуск свежего заряда осуществляется через окна, открываемые и закрываемые поршнем, а выпуск — через клапаны.

Система охлаждения предназначена в основном для поддержания необходимого (оптимального) теплового режима работы двигателя. Перегрев двигателя приводит к уменьшению наполнения цилиндров свежим зарядом и уменьшению мощности, к повышению теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы, к детонационному сгоранию топлива (в карбюраторных двигателях). Переохлаждение ухудшает условия смесеобразования и сгорания, увеличивает вязкость масла и потери на трение, и т. п.

Конечной охлаждающей средой, в которую передается теплота от нагретых деталей двигателей наземных транспортных и тяговых машин, является окружающий воздух. В большинстве современных двигателей теплота передается в окружающий воздух посредством промежуточного жидкого теплоносителя. В связи с этим различают воздушную и жидкостную системы охлаждения. Если в системе охлаждения

предусмотрена непосредственная теплоотдача от нагретых деталей в охлаждающую среду! (воздух), ее называют воздушной. Если же система охлаждения передает тепло от деталей в воздух посредством промежуточного жидкого теплоносителя, ее принято называть жидкостной.

Рис.2.- Схема системы охлаждения

а — термосифонная; б — принудительная; в — воздушная;

1 — радиатор; 2 — пароотводная трубка; 3 — вентилятор; 4 — верхний патрубок;

5 — водяная рубашка; б — нижний патрубок; 7 — термостат; 8 — распределительная

труба; 9 — водяной насос; 10 — головка цилиндра; 11 — цилиндр; 12 — дефлектор;

13 — охлаждающие ребра

Система смазки служит для подвода масла к трущимся поверхностям деталей двигателя. Масло, поступающее к поверхностям трения, уменьшает потери на трение, охлаждает трущиеся поверхности деталей, очищает их от продуктов износа, служит для уплотнения, предохраняет детали двигателя от коррозии.

Необходимая интенсивность смазки деталей двигателя определяется условиями их работы: нагрузкой, температурой и скоростями относительного движения. В наиболее тяжелых условиях работают детали кривошипно-шатунного механизма и в частности подшипники коленчатого вала. Поэтому подшипникам необходимо подавать масло в таком количестве, чтобы оно не только обеспечивало надлежащую смазку, но и могло

отводить все тепло, выделяющееся в результате трения. Детали механизма газораспределения работают при сравнительно невысоких нагрузках и поэтому требуют менее интенсивной смазки.

По способу подачи масла к трущимся поверхностям деталей двигателя различают системы смазки: разбрызгиванием, под давлением и смешанные (комбинированные).

Смазка разбрызгиванием в чистом виде применялась ранее, а в настоящее время лишь в малых двухтактных (мотоциклетных) двигателях применяется ее разновидность. Масло в определенной пропорции (1:20 — 1:50) добавляется к топливу и при работе двигателя разбрызгивается потоком горючей смеси.

В современных автотракторных двигателях применяется комбинированная система смазки. Это означает, что к наиболее нагруженным деталям смазка подается под давлением, а к остальным — разбрызгиванием или самотеком.

Для осуществлений рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания нужна горючая смесь — смесь топлива с окислителем. В результате сгорания горючей смеси скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую, а затем в механическую, которая и приводит в движение автомобиль трактор.

В качестве двигателей внутреннего сгорания для автомобилей и тракторов настоящее время используют.

Двигатели с внешним смесеобразованием и воспламенением смеси от постороннего источника. В этих двигателях используют легко испаряемое топливо (жидкое или газообразное), а горючую смесь, как правило, приготовляют за пределами основного рабочего объема (цилиндра и камеры сгорания) двигателя в специальном приборе — карбюраторе. К этому же типу относятся двигатели с так называемой системой непосредственного впрыска легкого топлива во впускной трубопровод

Двигатели с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением топлива. В этих двигателях используется трудноиспаряемое топливо (дизельное топливо, соляровые масла и их смеси) и горючая смесь образуется в камерах сгорания двигателей. Поэтому конструкция камер сгорания дизелей оказывает непосредственное влияние на способ смесеобразования и воспламенения горючей смеси. В современных дизелях в зависимости от конструкции камер сгорания и способа подачи топлива используют неразделенные камеры с объемным или пленочным смесеобразованием и разделенные камеры сгорания — предкамерные и вихревые. К этому типу можно отнести бензиновые двигатели с впрыском топлива непосредственно в полость цилиндра.

Независимо от типов и видов двигателей внутреннего сгорания к их системе питания предъявляются требования, основными из которых являются.

1) Точное дозирование топлива и окислителя (воздуха) по циклам и цилиндрам.

2) Приготовление горючей смеси в строго определенный, как правило, очень малый отрезок времени.

3) Образование горючей, а затем и рабочей смеси, обеспечивающей полное сгорание топлива и отсутствие токсичных компонентов в продуктах сгорания.

4) Автоматическое изменение количества и состава горючей смеси в соответствии с изменением режима работы двигателя как скоростного, так и нагрузочного.

5) Надежный пуск двигателя в различных температурных условиях.

6) Стабильность установленной регулировки системы питания в течение длительного времени эксплуатации двигателя наряду с возможностью изменения регулировки в зависимости от условий эксплуатации и технического состояния двигателя.

7) Технологичность системы питания: простота и надежность конструкции, удобство монтажа, регулировки, обслуживания и ремонта.

Выполнение указанных требований в системах питания автомобильных и тракторных двигателей, в основном обеспечивается:

- для двигателей с внешним смесеобразованием карбюратором в карбюраторных двигателях, карбюратором-смесителем в газовых двигателях, электромагнитными форсунками и блоком управления в двигателях с впрыском легкого топлива во впускной

коллектор;

- для двигателей с внутренним смесеобразованием насосом высокого давления и форсункой или насосом-форсункой, а для двигателей с впрыском легкого топлива непосредственно в полость цилиндра электромагнитными форсунками и электронным

блоком управления — микропроцессором.

Практически все существующие системы впрыска можно разделить на три основные группы по месту впрыскивания легкого топлива:

- системы центрального впрыска, в которых одна электромагнитная форсунка осуществляет непрерывную подачу топлива во впускной коллектор над дроссельной заслонкой, обеспечивая топливом все цилиндры двигателя. В многоцилиндровых и V-образных двигателях устанавливаются две форсунки над каждой дроссельной заслонкой. По способу смесеобразования данные системы наиболее близки к системам топливоподачи и смесеобразования карбюраторных двигателей;

- системы распределительного впрыска над впускными клапанами. В этих системах могут применяться форсунки двух типов: электромагнитные форсунки циклового (дискретного) впрыскивания, а также форсунки непрерывного действия;

-системы распределенного впрыска непосредственно в полость цилиндра. Эти системы относятся к принципиально новым системам бензиновых двигателей — с внутренним смесеобразованием, аналогичным системам смесеобразования дизелей.

Преимуществом всех систем впрыскивания легкого топлива по сравнению с карбюраторными двигателями является раздельная подача и регулировка количества и качества топлива и воздуха, позволяющая более точно поддерживать необходимый состав топливовоздушной смеси в каждый момент времени в соответствии с постоянно изменяющимся режимом работы двигателя.

Вторым важнейшим преимуществом систем впрыска является использование самых последних достижений науки, техники и технологии: электронные блоки управления, в том числе микропроцессорные, электромагнитные быстродействующие форсунка, самые различные датчики, контролирующие количество и состав рабочей смеси и отработавших газов.

Указанные преимущества систем впрыска легкого топлива позволяют удовлетворять растущие экологические требования по сокращению токсичных выбросов в атмосферу, экономить топливо, повышать технико-экономические и мощностные характеристики двигателей, снижать их массогабаритные параметры.

Вместе с тем постоянно растет сложность изготовления двигателей, повышаются требования к качеству топлива и смазочным материалам, усложняется технология производства, растет количество прецизионных деталей, узлов, приборов и датчиков, используемых в двигателях, что безусловно повышает как стоимость самих двигателей, так и стоимость автомобилей в целом.

Современные топливные системы дизелей по способу управления топливоподачей подразделяются, так же как и системы бензиновых двигателей, на два типа: с механическими и электронными устройствами и приборами управления. Ниже приведена одна из возможных схем классификации систем топливоподачи дизелей.

В настоящее время двигателестроительные фирмы используют самые различные системы топливоподачи для оснащения дизелей. Сегодня идет поиск новых конструктивных решений при создании автомобильных и тракторных двигателей, в том числе дизелей, позволяющих в большей степени использовать новые средства управления и контроля. В этой связи следует учитывать, что с расширением применения

электромагнитных форсунок и электронных систем управления может увеличиваться оснащение дизелей аккумуляторными системами топливоподачи. Эти системы, имеющие постоянное давление топлива, наиболее приспособлены к цикличной подаче топлива по сигналам электронных управляющих импульсов различной длительности.

Рис.3.- Схема. Классификация систем дизелей

Топливная система дизеля включает следующие основные элементы: топливный бак, подкачивающий насос низкого давления, фильтры, насос высокого давления, форсунки, трубопроводы и датчики.

Расчет системы топливоподачи дизеля обычно сводится к определению параметров ее основных элементов: топливного насоса высокого давления и форсунок.

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит назначение основных механизмов ДВС?

2. В чем состоит назначение основных систем ДВС?

3. В чем разница между системами питания с внешним и внутреннем смесеобразованием?

4. В чем разница между ДВС с принудительным зажиганием и самовоспламенением?

5. Каковы основные требования, предъявляемые к системами питания ДВС?

Лекция 7