Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

Рис. 3

Схема работы двухтактного карбюраторного двигателя:

а – сжатие рабочей смеси и впуск горючей смеси в картер;

б – рабочий ход, выпуск отработавших газов и перепуск смеси из картера в цилиндр;

1 – впускное окно; 2 – выпускное окно; 3 - свеча зажигания; 4 - цилиндр;

5 - поршень; 6 – перепускное окно; 7 – канал; 8 – герметичный картер.

Первый такт.

Поршень 5 перемещается снизу вверх и боковой поверхности перекрывает перепускное отверстие 6, а затем и выпускное 2. В цилиндре происходит сжатие рабочей смеси, а в картер вследствие разрежения поступает горючая смесь. При подходе в верхнюю мертвую точку (ВМТ) подается искра и смесь сгорает.

Второй такт.

Образовавшиеся газы давят на поршень и он совершает рабочий ход, сначала в конце рабочего хода поршень открывает окно 2 и газы через глушитель уходят в атмосферу, опускаясь ниже поршень открывает перепускное окно 6 и горючая смесь по каналу 7 поступает в цилиндр вытесняя отработавшие газы (часть рабочей смеси уходит в атмосферу). Картер у такого двигателя сухой, т.е. масло в него не наливают. Масло в соотношении 1:20 (при обкатке); 1:15 заливают в бензин.

Наддув в дизелях.

Рис. 4

Схема работы газотурбинного компрессора дизелей семейства ЯМЗ:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – впускной клапан; 4 – впускной трубопровод;

5 – колесо центробежного компрессора; 6 – вал турбокомпрессора;

7 – корпус турбокомпрессора; 8 – колесо турбины; 9 – газоотводящий патрубок; 10 – выпускной клапан; 11 – поршневой палец; 12 – шатун.

Мощность повышается на 25-40 %, при этом несколько усложняется конструкция.

На автомобилях применяются четырехтактные двигатели. Двухтактные двигатели применяют на мотоциклах, пускателях для тракторов, лодочных двигателях.

Двухтактные двигатели имеют следующие преимущества:

1. Проще, так как нет клапанов.

2. Вращение более равномерно (на один оборот один рабочий ход).

3. Теоретически при одинаковых параметрах в два раза больше мощность (на самом деле в 1,6 раза).

Недостатки:

1. Часть топлива не сгорает.

2. Ход поршня меньше из-за наличия окон.

3. Плохая очистка от отработанных газов.

4.

Сравнение дизелей и карбюраторных двигателей.

Достоинства дизелей:

1. Меньший расход топлива на единицу мощности двигателя.

2. Меньше токсичность.

3. Больше крутящий момент при малых оборотах.

4. Отсутствует система зажигания.

Недостатки:

1. Затрудненный пуск зимой.

2. При одинаковой мощности больше масса, так как больше нагрузка.

3. Повышенный уровень шума.

Достоинства газовых двигателей:

1. Газ дешевле.

2. Меньше токсичных веществ.

 

Механизмы и системы двигателя.

 

Механизмы:

1. Кривошипно-шатунный.

2. Газораспределения.

Системы:

1. Охлаждения.

2. Смазки.

3. Питания.

4. Зажигания.

5. Пуска.

 

Кривошипно-шатунный механизм.

Воспринимает давление газов и преобразует поступательное движение поршня во вращательное коленвала.

Состоит из подвижных деталей:

1. Поршень с кольцами.

2. Поршневой палец.

3. Шатун.

4. Коленвал с маховиком.

 

И неподвижных:

1. Блок цилиндров.

2. Головка блоков.

3. Крышка блока распределительных зубчатых колес.

4. Поддон.

5. Крепежные детали.

Рис. 5

Схемы цилиндров двигателей:

а – без гильз, но с короткой вставкой (автомобили ЗИЛ-157КД, ГАЗ-52-04);

б и в – с мокрой гильзой (дизели ЯМЗ-236 и КамАЗ-740);

г - с мокрой гильзой, в которую запрессована короткая вставка (автомобиль ЗИЛ-130);

1 – блок цилиндров; 2 – водяная рубашка; 3 – вставка; 4 – гильза цилиндров;

5 – уплотнительные кольца (резиновые или медные, устанавливаемые под бурт); 6 – антикавитационное кольцо.

Блок цилиндров является остовом двигателя, это сложная отливка коробчатой формы (легированный серый чугун, алюминиевый сплав). После литья блок цилиндров подвергают искусственному старению. Блок цилиндров может быть отлит вместе с цилиндрами или иметь вставные цилиндры-гильзы.

Гильзы бывают мокрыми или сухими.

Вставные гильзы проще ремонтировать. Они сделаны из специального чугуна.

Внутреннюю поверхность цилиндра, внутри которой перемещается поршень, называют зеркалом цилиндра.

Эту поверхность подвергают закалке с нагревом токами высокой частоты для повышения износостойкости и долговечности и тщательно обрабатывают для уменьшения трения при движении в цилиндре поршня с кольцами.

Гильзы в блок цилиндров устанавливают так, чтобы охлаждающая жидкость не проникала в них и в поддон, а газы не прорывались из цилиндра. Предусмотрена возможность изменения длины гильз в зависимости от температуры двигателя. Для фиксации вертикального положения гильзы имеют специальный бурт для упора в блок цилиндров и установочные пояса. Мокрые гильзы в нижней части уплотняют резиновыми кольцами, размещаемыми в канавках блока цилиндров или медными кольцевыми прокладками, устанавливаемыми между блоком и опорной поверхностью нижнего пояса гильзы (рис. 5,г). Верхний торец гильзы выступает над плоскостью блока цилиндров на 0,02 — 0,15 мм, что способствует лучшему обжатию прокладки головки блока и надежному уплотнению гильзы, блока и головки блока.

При работе двигателя с пониженными температурами (50 — 60 °С) охлаждающей жидкости и масла часть продуктов окисления и особенно пары воды конденсируются на стенках цилиндров. Они растворяют продукты окисления (двуокиси) и образуют кислоты, вызывающие коррозию цилиндров. Кроме того, разрушается масляная пленка и увеличивается износ цилиндров и поршневых колец. Для повышения износостойкости цилиндров в некоторых двигателях применяют вставки 3 (рис.5), изготовленные из коррозионно-стойкого чугуна. Их запрессовывают в блок.

Для уменьшения абразивного износа, необходима герметизация спускного коллектора, воздушного фильтра, а также применять чистое масло, топливо (дизельное топливо 48часов отстоять) и своевременно менять фильтры.

Перегрев двигателя недопустим, т.к. в ВМТ повышенная температура и давление, следовательно, масло выгорит, что приведёт к повышенному износу от компрессионного кольца.

В дизелях наблюдаются случаи вибрации гильз цилиндров. Она возникает при переходе поршня двигателя через ВМТ, т. е. при перемещении («перекладке») его от одной стороны цилиндра к другой. Между поршнем и зеркалом цилиндра есть зазор, и перемещение поршня происходит с ударом. При этом изменяется давление на стенки цилиндра. Вибрация цилиндра вызывает его кавитационное изнашивание.

В переводе с латинского языка слово «кавитация» означает пустота. В потоке охлаждающей жидкости при вибрации гильз цилиндров образуются пузырьки воздуха (пустоты), которые под действием высокого давления разрушаются (замыкаются) с выделением большой энергии. Внешняя поверхность гильзы цилиндра, а также часть блока цилиндров, где замыкаются кавитационные пузырьки системы охлаждения, подвергаются разрушению. Для предотвращения кавитационного разрушения в гильзах двигателей (например, ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238) протачивают специальную канавку, в которую вставляют антикавитационное кольцо 6 (рис. 5) прямоугольного сечения. Оно расположено между гильзой и отверстием в блоке цилиндров, и, кроме того, через него нижний пояс гильзы опирается на кромку отверстия блока. В сборе с гильзой кольцо устанавливают в блок с натягом, что значительно уменьшает амплитуду колебаний гильзы цилиндра, а следовательно, и кавитационные разрушения ее и блока. Избежать кавитационного разрушения можно уменьшением вибрации гильз цилиндров, поддержанием нормального температурного режима двигателя и т. д.

Блок цилиндров растачивают вместе с крышками коренных подшипников. Плоскость разъёма смешена ниже оси коренных подшипников для жёсткости.

Головка цилиндра – крышка, закрывающая цилиндр. Материал, обработка –- как у блока цилиндра. Для V-образных двигателей используют две головки.

Верхнюю плоскость блока цилиндров и нижнюю плоскость головки блока тщательно обрабатывают для получения плотного соединения. Между этими плоскостями устанавливают сталеасбестовую уплотняющую прокладку, предотвращающую прорыв газов наружу и исключающую проникновение охлаждающей жидкости и масла в цилиндры. Перед установкой прокладки на двигатель обе ее стороны натирают графитом, предохраняющим ее от пригорания к блоку или головке. Гайки и болты крепления головки блока к блоку цилиндров затягивают равномерно в определенной последовательности.

Головка блока цилиндров двигателей с верхним расположением клапанов имеет более сложную конструкцию. В ней размещены вставные седла, свечи зажигания или форсунки, направляющие втулки, клапаны, коромысла, оси и другие детали. Кроме того, в головке блока имеются водяные рубашки, отверстия для штанг, подвода масла и каналы, по которым к цилиндрам поступает горючая смесь или воздух и отводятся отработавшие газы.

Форма камеры сгорания оказывает значительное влияние на смесеобразование, сгорание рабочей смеси и на степень сжатия двигателя. Камеры сгорания с верхним расположением клапанов более компактны и обеспечивают лучшее наполнение цилиндров горючей смесью при том же диаметре впускного клапана, чем камеры сгорания с нижним расположением клапанов. Полусферические (рис. 6, схема II)и клиновые (схема III)камеры получили распространение в карбюраторных двигателях. При нижнем расположении клапанов чаще применяют Г-образные (смещенные) камеры сгорания (схема IV).

Для улучшения смесеобразования в дизелях используют различные по форме и объему камеры сгорания. Дизели выпускают с неразделенными (схемы V и VI)и с разделенными (схемы VII и VIII)камерами сгорания. Первые двигатели иначе называют дизелями с непосредственным впрыскиванием топлива. Неразделенная камера сгорания 4 представляет собой пространство, заключенное между днищем поршня, когда он находится в ВМТ, и нижней плоскостью головки блока (один объем). Разделенные камеры сгорания (два объема) состоят из основной и вспомогательной (предкамеры 6 или вихревой 8) камер, соединенных между собой каналом.

Рис. 6.

Формы камер сгорания:

а – карбюраторных двигателей; б – дизелей;

І – цилиндрическая; ІІ – полусферическая; ІІІ – клиновая;

IV – смещенная (Г-образная); V и VI – неразделенные;

VII и VIII – разделенные;

1 – клапан; 2 - свеча зажигания; 3 – поршень; 4 – камера сгорания;

5 – форсунка; 6 – предкамера; 7 – основная камера; 8 – вихревая камера.

Поршень сделан из алюминиевого сплава, его подвергают Т/О – старению, т.к. необходима высокая теплопроводность, малая масса и антифрикционные свойства.

Поршень состоит из трех основных частей:днища, головки и юбки. На внешней поверхности головки поршня и юбке проточены канавки для установки компрессионных колеци маслосъемных колец.

Для увеличения прочности и улучшения отвода теплоты днище поршня дизеля изготовляют большой толщины и усиливают ребрами с внутренней стороны. Стенки же юбки отливают большей толщины, чем в карбюраторных двигателях. Обычно поршни дизелей имеют фигурные днища. Это улучшает процесс смесеобразования и позволяет придать камере сгорания необходимую форму.

При нагреве поршень расширяется больше, чем цилиндр, охлаждаемый жидкостью, поэтому возникает опасность заклинивания поршня. Чтобы избежать этого и обеспечить, нормальную работу двигателя, диаметр поршня должен быть меньше диаметра цилиндра, т.е. между поршнем и цилиндром необходим диаметральный зазор. Применяют поршни, у которых диаметр юбки больше диаметра головки, т.е. поршень имеет форму усеченного конуса. Для повышения упругости (устранения опасности заклинивания) юбку делают разрезной, предают ей овальную форму (большая ось овала должна быть перпендикулярна оси поршневого пальца) и т. д.

Поршни имеют разрезную юбку овального сечения (двигатели автомобилей ГАЗ-3102 «Волга», ГАЗ-53-12, ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-53А и др.). Во время работы двигателя поршень нагревается и юбка несколько деформируется в направлении оси поршневого пальца. Форма юбки приближается к цилиндрической, и зазор между поршнем и цилиндром становится минимальным. Вырезы на юбке уменьшают массу поршня. Поршни двигателя автомобиля ЗИЛ-130 имеют поперечные прорези под головкой, а на юбке поршня выполнен Т-образный разрез для компенсации расширения при нагреве. Иногда применяют поршни с усиленной юбкой — без вертикального разреза.

Если на юбках поршней имеются разрезы, то их устанавливают в двигателе так, чтобы боковое давление при рабочем ходе воспринимала та часть поршня, где нет разреза. При переходе поршня через ВМТ он перемещается от одной стенки цилиндра к другой, что сопровождается стуками. Для устранения этих стуков ось отверстия под палец смещают в сторону (на 1,5 — 2 мм) максимального бокового давления. Для улучшения приработки поршней к цилиндрам и устранения возможных задиров поршни покрывают тонким слоем олова. Отвод тепла происходит по пути «бобышки–кольца–цилиндр–охлаждающая жидкость».

Поршневые кольца.

Надеваемые на поршень поршневые кольца создают плотное, подвижное соединение между поршнем и цилиндром. Кольца бывают компрессионные и маслосъемные. Первые обеспечивают необходимую компрессию (сжатие) благодаря уменьшению количества газов, прорывающихся из камеры сгорания в картер, и отводят теплоту от головки поршня к стенкам цилиндра. Вторые — препятствуют проникновению масла из картера в камеру сгорания.

Рис. 7. Поршневые кольца:

а – формы поперечных сечений компрессионных колей и их положения в рабочем состоянии;

б – составное маслосъемное кольцо;

в – головка поршня двигателя автомобиля ЗИЛ-130 с поршневыми кольцами;

г – схема насосного действия компрессионных колец; д – схема работы маслосъемных колец;

I –кольцо прямоугольного сечения; II – кольцо с конической наружной поверхностью;

III – кольцо с фаской на внутренней стороне; IV – кольцо с выточкой на внутренней стороне;

1 – дискообразное кольцо; 2 – осевой расширитель; 3 – радиальный расширитель;

4 – замок кольца; 5 – компрессионные кольца; 6 – поршень;

7 – отверстие в канавке маслосъемного кольца; 8 – цилиндр; 9 - маслосъемное кольцо;

10 – прорезь в кольце; 11 – отверстие в поршне; сплошными стрелками показано направление движение поршня, штриховыми – масла.

Маслосъемные кольца (обычно не более двух) устанавливают на поршне ниже компрессионных колец. По конструкции они отличаются от компрессионных колец тем, что на их наружной поверхности имеются кольцевые канавки и сквозные прорези или отверстия для прохода масла.

Поршневые пальцы.

Поршень с верхней головкой шатуна соединяет поршневой палец. Он должен быть прочным, легким и износостойким, так как во время работы подвергается трению и большим механическим нагрузкам, переменным по величине и направлению. Пальцы изготовляют из углеродистой и малоуглеродистой стали в виде пустотелых трубок.

Пальцы из углеродистой стали закаливают на глубину 1 — 1,5 мм, м изготовленные из малоуглеродистой стали подвергают цементации на глубину 1 — 1,4 мм. После цементации пальцы закаливают и отпускают до определенной твердости. После такой термообработки наружная поверхность пальца твердая, а сердцевина вязкая. В бобышках поршня палец укреплен стопорными кольцами, удерживающими его от осевого смещения. Такой палец называют плавающим, так как он при работе двигателя может повертываться в верхней головке шатуна и бобышках поршня. Плавающие поршневые пальцы 2 (см. рис. 29)равномернее изнашиваются и поэтому долговечнее.

У работающего двигателя поршень из алюминиевого сплава расширяется больше, чем стальной палец, поэтому возможен его стук в бобышках поршня. Для устранения этого явления поршень перед сборкой с шатуном нагревают до 70 — 80°С, а затем в поршень и шатун вставляют палец, поворачивающийся при нагретом двигателе

Шатуны

Поршень с коленчатым валом соединяет шатун. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основными частями шатуна (рис. 31) являются верхняя головка 7 с запрессованной в нее бронзовой втулкой 5, стержень 4 и нижняя головка 9 с крышкой 10. Шатун воспринимает большие нагрузки, меняющиеся по величине и направлению. Он подвергается сжатию, изгибу и растяжению. Чтобы выдержать такие нагрузки, шатун должен быть прочным, жестким и легким для уменьшения сил инерции. Шатун штампуют из стали и подвергают термообработке (закалке и отпуску); его стержень имеет двутавровое сечение для увеличения прочности и жесткости.

В нижние головки шатунов устанавливают подшипники скольжения, состоящие из двух вкладышей 13 (верхнего и нижнего). Взаимозаменяемые тонкостенные вкладыши изготовляют из стальной ленты толщиной 1,3—1,8 мм — для карбюраторных двигателей и 2 — 3,6 мм — для дизелей, залитой антифрикционным сплавом (толщина слоя соответственно 0,25 — 0,4 и 0,3 — 0,7 мм) на алюминиевой основе с 25 — 30% олова. Применение сталеалюминевых вкладышей с тонким антифрикционным слоем обеспечивает надежную работу подшипника при малом задоре между шейкой вала и вкладышами.

Рис. 8. Шатун: 1 – гайка; 2 – болт; 3 и 14 – отверстия для масла; 4 – стержень шатуна; 5 – бронзовая втулка; 6 – отверстие для прохода масла к поршневому пальцу; 7 – верхняя головка шатуна; 8 – номер шатуна; 9 – нижняя головка шатуна; 10 – крышка нижней головки; 11 – стопная шайба; 12 – метка; 13 – вкладыши; 15 – усик; 16 – паз в головке шатуна.