LabRaboty1-7

Поршень ДВС работает в очень тяжелых условиях. С одной стороны, он должен выдерживать высокие давления и температуру, возникающие в цилиндре при работе ДВС. С другой стороны, он испытывает значительные знакопеременные нагрузки от сил инерции, возникающих при изменении направления его движения. (Например, при минимальных оборотах коленвала ДВС, составляющих около 600 об/мин, поршень проходит свой путь от в.м.т. к н.м.т и обратно 10 раз в секунду, а при максимальных оборотах (6000 об/мин) – 100 раз!) Поэтому поршень ДВС должен быть одновременно и прочным, и легким. Кроме того, поршень должен достаточно плотно располагаться в цилиндре, но не должен заклинивать при нагревании. Для предотвращения заклинивания поршня внутри цилиндра ему (поршню) придают особую форму в продольном и поперечном сечениях, а также выполняют в юбке разрезы и углубления для компенсации неравномерного расширения поршня в различных направлениях.

Помимо поршня к подвижным деталям относятся поршневой палец, шатун, коленчатый вал и маховик. Они преобразуют возвратнопоступательное движение поршня во вращательное движение коленвала. Коленчатый вал состоит из нескольких колен, по одному на каждый цилиндр. Каждое колено включает в себя две коренные шейки, одну шатунную и объединяющие их элементы, называемые щеками. Шейки имеют цилиндрическую поверхность, являющуюся частью подшипника скольжения. Коренные шейки всех кривошипов (колен) лежат на одной оси и являются опорами для вращения коленвала. Шатунные шейки вращаются вокруг коренных под действием сил, передаваемых шатунами от поршней соответствующих цилиндров. (Расстояние от оси коренных до оси шатунных шеек называется радиусом кривошипа) Поршневые пальцы связывают верхние головки шатунов с поршнями. Нижние головки шатунов выполнены разрезными и надеты на шатунные шейки коленвала. На заднем конце коленвала закреплен маховик, обладающий определенной инертностью. Во время рабочих ходов в цилиндрах ДВС он накапливает энергию, необходимую для движения поршней во время вспомогательных тактов (впуска, сжатия и выпуска). Наличие маховика увеличивает равномерность вращения коленвала, то есть обеспечивает постоянство его угловой скорости.

Равномерность вращения коленвала не следует путать с уравновешиванием ДВС. Оно состоит в компенсации сил инерции, создаваемых движущимися деталями. Дело в том, что поршни с пальцами и верхними головками шатунов движутся с большой частотой и создают силы инерции, приводящие к значительным вибрациям ДВС внутри автомобиля. Для исключения этих вибраций силы инерции компенсируют с помощью противовесов, расположенных на коленчатом валу, а иногда еще и на специальных балансирных валах. Существуют ДВС (шестицилиндровые рядные), которые не требуют дополнительного уравновешивания, так как силы инерции в различных цилиндрах взаимно уравновешивают друг друга.

11

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Назначение кривошипно-шатунного механизма и каждой из его деталей. Общее устройство КШМ, подвижные и неподвижные детали. Материалы деталей КШМ.

2.Устройство блока цилиндров, варианты расположения цилиндров. Гильзы цилиндров и их крепление в блоке. Расположение рубашек охлаждения. Крепление двигателя на автомобиле.

3.Устройство головки блока цилиндров. Расположение рубашек охлаждения и каналов для подвода масла. Расположение каналов для подвода и отвода газов. Конструктивное исполнение камеры сгорания. Крепление головки блока к блоку цилиндров.

4.Устройство поршня, поршневых колец, поршневого пальца. Головка, днище и юбка поршня. Форма днища в бензиновых и дизельных двигателях. Ребра жесткости, бобышки, крепление поршневого пальца в поршне и в верхней головке шатуна. Форма поршня в продольном и поперечном сечениях, способы предотвращения заклинивания поршня внутри цилиндра при его нагревании.

5.Типы поршневых колец и их назначение и конструкция. Назначение радиального и осевого расширителей маслосъемных колец.

6.Устройство коленчатого вала. Коренные и шатунные шейки коленчатого вала, щеки, противовесы. Конструкция переднего и заднего концов вала, его фиксация от осевого смещения. Крепление коленчатого вала к блоку цилиндров.

7.Устройство шатуна, конструкция коренных и шатунных подшипников, назначение и материал вкладышей, их фиксация внутри подшипника.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Для чего предназначен КШМ?

2.Из каких деталей состоит КШМ?

3.Каково назначение блока цилиндров?

4.Какие существуют варианты расположения цилиндров в блоке цилиндров?

5.Как двигатель закреплён на автомобиле?

6.Из какого материала и каким методом изготавливаются блоки цилиндров?

7.Как гильзы цилиндров крепятся в блоке?

8.Чем сухие гильзы цилиндров отличаются от мокрых?

9.Для чего нужна головка блока цилиндров (ГБЦ)?

10.Как ГБЦ крепится к блоку цилиндров?

11.Зачем нужно уплотнение между ГБЦ и блоком цилиндров?

12.Какую форму может иметь камера сгорания?

13.Чем камеры сгорания дизельных двигателей отличаются от камер сгорания бензиновых ДВС?

14.Для чего предназначен поршень ДВС?

12

15.Что такое днище поршня?

16.Что такое головка поршня?

17.Что такое юбка поршня?

18.Как называются приливы в поршне, предназначенные для крепления в нём поршневого пальца?

19.Как поршневой палец фиксируется от осевого смещения?

20.Что такое плавающий поршневой палец?

21.Как шатун соединяется с поршнем?

22.К чему присоединена нижняя головка шатуна?

23.Для чего нужны поршневые кольца?

24.Чем маслосъемные кольца отличаются от компрессионных?

25.Как поршень уплотняется внутри цилиндра?

26.Как поршневые кольца крепятся на поршне?

27.Какую форму имеет поршень в продольном сечении?

28.Какую форму имеет поршень в поперечном сечении?

29.Как расположена ось поршневого пальца относительно оси симметрии поршня?

30.Почему поршень может заклинить внутри цилиндра при перегреве ДВС?

31.Как предотвращают заклинивание поршня внутри цилиндра при нагревании?

32.Из каких функциональных частей состоит шатун?

33.Для чего нужны шатуны?

34.Почему верхняя головка шатуна выполнена неразъемной, а нижняя разъединяется на две части?

35.Что такое шатунные вкладыши?

36.Зачем нужны шатунные вкладыши?

37.Почему недопустимо проворачивание вкладыша в нижней головке шатуна?

38.Как предотвращают проворачивание вкладышей в нижней головке шатуна?

39.Из каких функциональных элементов состоит коленчатый вал?

40.Для чего нужно отверстие в боковой стенке верхней головки шатуна?

41.Для чего нужно отверстие в боковой стенке нижней головки шатуна?

42.Как коленвал закреплен внутри блока цилиндров?

43.Как коленвал фиксируется от смещения в осевом направлении?

44.Чем коренные шейки коленвала отличаются по назначению от шатунных?

45.Зачем нужны отверстия на поверхности коренных и шатунных шеек коленвала?

46.Зачем нужен маховик?

47.К чему прикреплён маховик ДВС?

48.Какую функцию выполняют противовесы коленчатого вала?

49.Почему масса поршня должна быть минимальной?

50.Что такое кривошип?

51.Сколько колен включает в себя коленчатый вал?

13

СОДЕРЖАНИЕ ПРОТОКОЛА ОТЧЕТА

1.Схемы кривошипно-шатунных механизмов рядного и V-образного двигателей.

2.Схема коленчатого вала 4-х цилиндрового рядного ДВС.

3.Поперечный разрез поршня автомобильного двигателя.

Лабораторная работа № 3 ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить устройство и принцип действия газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя, а также особенности работы ГРМ в соответствии с фазами газораспределения.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для своевременного открытия и закрытия клапанов в соответствии порядком работы двигателя. Под порядком работы подразумевается последовательность чередования тактов в различных цилиндрах ДВС. Как известно, при такте впуска цилиндр заполняется свежим зарядом, при такте выпуска из него удаляются отработавшие газы, а на тактах сжатия и рабочего хода пространство внутри цилиндра остается герметичным, изолированным от атмосферы. Такой газообмен организуется путем открытия и закрытия клапанов, находящихся в головке блока цилиндров (ГБЦ). На такте впуска открыт впускной клапан, на такте выпуска – выпускной, на тактах сжатия и рабочего хода оба клапана закрыты.

Каждый клапан состоит из тарелки (или головки) и стержня. Тарелка своей конической поверхностью, называемой фаской, плотно прилегает к седлу, расположенному в ГБЦ. Поверхности седла и фаски плотно притерты друг к другу, что обеспечивает при закрытом клапане герметичное разобщение камеры сгорания и соответствующего канала в головке блока цилиндров (впускного или выпускного). Стержень клапана вставлен с минимальным зазором в направляющую втулку, что обеспечивает его прямолинейное движение при открытии-закрытии. Направляющая втулка клапана запрессована в ГБЦ.

На верхнем конце стержня клапана выполнена кольцевая проточка. В нее вставляются два сухаря, служащие для крепления упорной шайбы кла-

14

панной пружины. Для установки сухарей и шайбы на место пружину клапана необходимо предварительно сжать. После этого она, пытаясь распрямиться, удерживает сухари в проточке и, с другой стороны, прижимает клапан к седлу. Таким образом, в собранном состоянии все клапаны прижаты к своим седлам с помощью предварительно сжатых пружин и находятся в закрытом состоянии.

Для открытия клапанов используется кулачковый механизм. Кулачки всех клапанов объединены в один или несколько валов (по одному на каждый ряд клапанов), называемых распределительными. Распредвалы имеют привод от коленчатого вала. Кулачки расположены на них так, чтобы открывать и закрывать клапаны в соответствии с порядком работы ДВС. При вращении распредвала они поочередно набегают на толкатели клапанов, вынуждая их (клапаны) открываться, преодолевая сопротивление пружин. Когда кулачок сбегает с толкателя, пружина возвращает клапан обратно, то есть закрывает его.

Усилие от толкателя клапана может передаваться на торец стержня клапана либо непосредственно, либо через передаточный механизм, который включает в себя штанги толкателей и коромысла. Все зависит от того, где расположен распредвал внутри ДВС. В настоящее время применяются две схемы ГРМ: с нижним и с верхним расположением распредвала.

При нижнем расположении распредвал находится в блоке цилиндров, а усилие от кулачка передается на расположенные в ГБЦ клапаны через штанги и коромысла. Такая схема наиболее благоприятна для долговечной работы распредвала, поскольку он, во-первых, удален от нагретых частей ДВС, окружающих камеру сгорания, и, во-вторых: хорошо смазывается, так как расположен недалеко от источника смазки – масляного насоса. Однако в этом случае привод ГРМ обладает повышенной инертностью (из-за наличия дополнительный деталей), что не позволяет клапанам своевременно закрываться при работе ДВС на высоких оборотах. Поэтому нижнее расположение распредвала используется, в основном, на сравнительно тихоходных (до 2500…3500 об/мин) дизельных двигателях коммерческих автомобилей, где особенно важен ресурс ДВС.

При верхнем расположении распредвал закреплен на головке блока цилиндров, в непосредственной близости от клапанов. Такая схема снижает инертность привода клапанов и позволяет работать двигателю на высоких оборотах (порядка 6000 об/мин). Но в этом случае распредвал находится в наиболее нагретой части ДВС и вдали от источника смазки, что снижает его ресурс. Поэтому такая схема используется, в основном, в двигателях легковых автомобилей, предназначенных для индивидуальных владельцев.

Конструкция ГРМ оказывает большое влияние на наполняемость цилиндров, то есть на их способность максимально полно очищаться от отработавших газов и заполняться свежим зарядом. Она зависит не только от размера и количества клапанов, но и от так называемых фаз газораспреде-

15

ления. Дело в том, что газовая смесь, движущаяся по впускным и выпускным каналам ДВС, обладает определенной инертностью и упругостью. Периодическое открытие и закрытие клапанов возбуждает в этой среде продольные волны разряжения-сжатия. Эти волны можно использовать для повышения наполняемости цилиндров. Поэтому клапаны ГРМ открываются и закрываются не строго в начале и в конце каждого такта (то есть, не строго в мертвых точках движения поршня), а с некоторым опережением или запаздыванием. Графическое изображение моментов открытия и закрытия клапанов ГРМ в зависимости от угла поворота коленчатого вала

двигателя называется диаграммой фаз газораспределения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Назначение и принцип действия газораспределительного механизма.

2.Типы ГРМ по месту расположения клапанов и распределительного вала. Устройство, работа, преимущества и недостатки ГРМ каждого типа.

3.Конструкция деталей ГРМ.

3.1Устройство распредвала, его крепление в блоке цилиндров. Крепление шестерни привода распредвала.

3.2Толкатели, штанги толкателей, коромысла и их крепление в блоке цилиндров на головке блока.

3.3Конструкция клапанов, направляющих клапана, клапанных седел и пружин, их крепление в головке блока цилиндров. Различие конструкции впускных и выпускных клапанов. Назначение механизма вращения выпускных клапанов.

4.Диаграмма фаз газораспределения. Взаимосвязь между углом поворота коленчатого вала и положением поршня в цилиндре. Необходимость согласования открытия и закрытия клапанов с движением поршня. Цель опережения открытия клапанов и запаздывания их закрытия. Перекрытие клапанов. Оптимальные и неоптимальные фазы газораспределения. Необходимость изменения фаз при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя. Конструктивное обеспечение расчетных фаз газораспределения.

5.Назначение и регулировка теплового зазора в ГРМ, его влияние на работу двигателя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Для чего нужен газораспределительный механизм?

2.В течение каких тактов работы ДВС оба клапана ГРМ остаются закрытыми?

3.При каких тактах работы ДВС клапаны ГРМ открываются?

4.Что удерживает клапаны ГРМ в закрытом состоянии?

5.Под действием чего открываются клапаны ГРМ?

6.Из каких функциональных частей состоит клапан ГРМ?

16

7.Какая поверхность клапана ГРМ прижимается к седлу?

8.Где расположены сёдла клапанов ГРМ?

9.Как клапаны ГРМ закреплены в головке блока цилиндров?

10.Что такое направляющая клапана?

11.Зачем нужны клапанные пружины?

12.Как клапанная пружина закреплена на стержне клапана ГРМ?

13.Чем впускные клапаны отличаются по конструкции от выпускных?

14.Сколько клапанов ГРМ имеет каждый цилиндр?

15.С какой целью увеличивают количество клапанов ГРМ, приходящихся на один цилиндр?

16.Каковы преимущества и недостатки ГРМ с верхним расположением распредвала по сравнению с ГРМ с нижним расположением распредвала?

17.Какие детали ГРМ с нижним расположением распредвала отсутствуют в ГРМ с верхним расположением распредвала?

18.В каком случае используют два распредвала на один ряд цилиндров?

19.Как приводится во вращение распредвал при его нижнем расположении?

20.Как приводится во вращение распредвал при его верхнем расположении?

21.Как устроен распредвал?

22.Как крепится распредвал в двигателе при верхнем и нижнем его расположении?

23.Зачем нужны опорные шейки распредвала?

24.Чемкулачкивпускныхклапановотличаютсяоткулачковвыпускныхклапанов?

25.Для чего предназначены коромысла ГРМ?

26.Как коромысла ГРМ крепятся на двигателе?

27.Как толкатели клапанов ГРМ крепятся на двигателе?

28.Как штанги толкателей крепятся на двигателе?

29.Почему необходима синхронизация открытия и закрытия клапанов с вращением коленчатого вала ДВС?

30.Как осуществляется синхронизация открытия и закрытия клапанов с вращением коленчатого вала ДВС?

31.Почему шестерни привода распредвалов устанавливаются по меткам относительно шестерни привода ГРМ, расположенной на коленвале?

32.Почему ремень привода ГРМ выполнен не гладким, а зубчатым?

33.Что представляет собой диаграмма фаз газораспределения?

34.С какой целью клапаны ГРМ открываются не строго в мёртвых точках, а с некоторым опережением или запаздыванием?

35.Что такое наполняемость цилиндра?

36.С какой целью необходимо увеличивать наполняемость цилиндра?

37.Как продолжительность открытого состояния клапанов влияет на наполняемость цилиндра?

38.В какой момент рабочего цикла ДВС открывается впускной клапан?

39.В какой момент рабочего цикла ДВС закрывается впускной клапан?

40.В какой момент рабочего цикла ДВС открывается выпускной клапан?

17

41.В какой момент рабочего цикла ДВС закрывается выпускной клапан?

42.Что такое перекрытие клапанов?

43.В какой момент рабочего цикла ДВС происходит перекрытие клапанов?

44.За счёт чего осуществляется продувка цилиндра в момент перекрытия клапанов в ДВС без наддува?

45.Что такое свежий заряд в ДВС?

46.Какая сила заставляет свежий заряд поступать в цилиндр ДВС от момента прохождения поршнем н.м.т. до момента закрытия впускного клапана?

47.За счёт чего свежий заряд поступает в цилиндр ДВС при движении поршня от в.м.т. к н.м.т.?

48.С какой целью выпускной клапан ГРМ открывают раньше, чем поршень пройдёт н.м.т. и начнётся такт выпуска?

49.С какой целью выпускной клапан ГРМ закрывают позже, чем поршень пройдёт в.м.т. и закончится такт выпуска?

50.С какой целью впускной клапан ГРМ открывают раньше, чем поршень пройдёт в.м.т. и начнётся такт впуска?

51.С какой целью впускной клапан ГРМ закрывают позже, чем поршень пройдёт н.м.т. и закончится такт впуска?

52.Что произойдёт, если впускной клапан откроется раньше, чем это необходимо?

53.Что произойдёт, если впускной клапан откроется позже, чем это необходимо?

54.Что произойдёт, если выпускной клапан откроется раньше, чем это необходимо?

55.Что произойдёт, если выпускной клапан откроется позже, чем это необходимо?

56.Чем оптимальные фазы газораспределения отличаются от неоптимальных?

57.Как зависят оптимальные фазы газораспределения от частоты вращения коленвала?

58.Почему оптимальные фазы газораспределения зависят от частоты вращения коленвала?

59.Чем регулируемые фазы газораспределения лучше нерегулируемых?

60.Между какими деталями ГРМ находится тепловой зазор?

61.Для чего нужен тепловой зазор в ГРМ?

62.На холодном или на горячем ДВС проверяют тепловой зазор в ГРМ?

63.Чем вреден излишне большой тепловой зазор в ГРМ?

64.Чем вреден слишком малый тепловой зазор в ГРМ?

65.Как влияет увеличение и уменьшение теплового зазора ГРМ на фазы газораспределения?

СОДЕРЖАНИЕ ПРОТОКОЛА ОТЧЕТА

1.Схемы ГРМ с верхним и нижним расположением распределительного вала.

2.Диаграмма фаз газораспределения.

18

Лабораторная работа № 4 СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить устройство и принцип действия системы охлаждения ДВС

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ

Для нормальной работы ДВС необходимо поддерживать его температуру на определённом уровне, называемом оптимальным температурным режимом. Этот уровень, для применяемых на сегодняшний день конструкционных материалов, составляет порядка 90…120°C. Более высокая температура ДВС может привести к разрушению деталей из-за термических напряжений, схватывания и задиров трущихся поверхностей, увеличения интенсивности изнашивания в результате ухудшения условий смазывания и т. п. Чрезмерно низкая температура ДВС приводит к ухудшению условий для смесеобразования и воспламенения топлива, а также к увеличению механических потерь и износа деталей из-за увеличения вязкости моторного масла. Для поддержания оптимального температурного режима ДВС служит система охлаждения.

При холодном ДВС система охлаждения переносит тепло от поверхностей, контактирующих с горячими газами (стенок цилиндра и камеры сгорания, выпускных каналов ГБЦ) к менее нагретым деталям, помогая, таким образом, двигателю быстрее прогреться до нужной температуры. После этого она отводит тепло от нагретых деталей в атмосферу, поддерживая тем самым температуру ДВС на оптимальном уровне.

Перенос тепла осуществляется системой охлаждения за счёт циркуляции теплоносителя, называемого охлаждающей жидкостью. (Существуют воздушные системы охлаждения, в которых ДВС охлаждается потоком воздуха, но они не способны ускорить прогрев холодного двигателя.) В качестве охлаждающей жидкости используются вода или антифриз. Антифриз состоит из воды и этиленгликоля, образующих эвтектику с низкой температурой замерзания, а также содержит добавки (присадки), придающие антифризу дополнительные свойства (антикоррозионные, противовспенивающие и смазывающие).

Теплообменник между охлаждающей жидкостью и атмосферой называется радиатором. При движении автомобиля он обдувается набегающим потоком воздуха, отводя тепло от нагретой жидкости. Этот поток усиливается вентилятором охлаждения ДВС, который имеет либо механический (от коленчатого вала), либо электрический привод. Охлаждённая в радиаторе жидкость возвращается обратно в так называемые рубашки ох-

19

лаждения блока цилиндров и ГБЦ, где она омывает горячие поверхности и снова нагревается. Циркуляцию жидкости в системе обеспечивает водяной насос, приводимый в движение от коленвала ДВС.

При холодном ДВС охлаждать жидкость в радиаторе нет необходимости, поэтому он исключается из контура циркуляции жидкости. При этом жидкость циркулирует по так называемому малому кругу, т.е. внутри рубашек охлаждения двигателя. Переключение циркуляции жидкости с малого круга (без радиатора) на большой круг (с радиатором) и обратно осуществляется с помощью устройства, называемого термостатом. Он представляет собой тарельчатый клапан, открывающий или закрывающий проход жидкости в радиатор. Существуют так же трехпозиционные термостаты, которые после открытия большого круга могут ещё закрывать малый круг, т.е. имеют три позиции: "малый круг открыт, большой – закрыт", "оба круга открыты", "малый круг закрыт, большой – открыт". (В двухпозиционных термостатах существуют только первые две позиции.) Закрытие малого круга увеличивает поток жидкости, проходящей через радиатор, что увеличивает эффективность охлаждения.

Помимо закрытия термостата для ускорения прогрева ДВС могут использоваться жалюзи и отключение вентилятора системы охлаждения. Жалюзи перекрывают доступ наружного воздуха к радиатору и имеют ручное управление. Вентиляторы с электроприводом при низкой температуре охлаждающей жидкости автоматически отключаются бортовой электросистемой автомобиля, а вентиляторы с механическим приводом могут отключаться с помощью вязкостной муфты. В зависимости от конструкции муфты это отключение может происходить либо как автоматически, так и вручную, либо только автоматически. Существуют так же и неотключаемые вентиляторы охлаждения ДВС.

Как известно, при нагревании жидкость расширяется. Для компенсации этого явления в системе охлаждения имеется расширительный бачок с необходимым свободным пространством. В некоторых системах функцию расширительного бачка выполняет верхний бачок радиатора. Сверху бачок имеет заливное отверстие, закрытое пробкой.

Большинство систем охлаждения выполнены закрытыми, т.е. герметично разобщенными с атмосферой. Это позволяет повысить давление в системе выше атмосферного и, следовательно, увеличить температуру кипения жидкости. Диапазон рабочих температур ДВС при этом так же повышается на 15…20°C, что положительно сказывается на его работоспособности. (Кипение жидкости внутри системы охлаждения – опасное явление, т. к. пузырьки пара могут объединиться в паровые пробки, что приведёт к прекращению циркуляции жидкости и перегреву ДВС с последующим выходом его из строя. Кроме того, даже при незначительном кипении на стенках системы охлаждения образуется накипь, снижающая коэффициент теплопередачи и уменьшающая проходное сечение каналов.)

20