4. Принцип действия газотурбинного и роторно-поршневого двигателя.

Газотурбинный двигатель.(ГТД)

В ГТД всасываемый воздух проходит через фильтр и глушитель шума перед конденсацией в радиальном компрессоре и последующим нагревом в теплообменнике. Теплообменник обычно выполн-ся в виде вращающегося регенератора. Сжа­тый и предварительно нагретый газ затем нагнетается в камеру сгорания, где происходит дальнейшее повыш.его темп-ры за счёт сгорания в этой камере впрыскиваемого газообразного, жидкого или эмульгированного топлива. Продукты сгора­ния поступают на одно-, двух- или трёхступенчатую турбину, установленную на одном, двух, или трёх валах. Радиальная или осевая турбина сначала обеспечивает привод компрессоров и вспомогат.устройств, а затем оставшаяся мощность рас­ходуется на привод ведущего вала через тяговую турбину, редуктор и трансмиссию. После частич.охлаждения в поцессе расширения газы пропускаются через газовую секцию теплообменника, где большая часть остаточной теплоты передаётся в окруж.воздух. Сами газы затем пропускаются через выпускной тракт, где они также могут нагреваться и передавать те­плоту системе отопления а/м.

Преимущества газовой турбины: низкая токсичность, очень плавная работа, многотопливность, увеличенные интервалы между обслуживаниями. Недостатки: высокая стоимость изготовления, неудовлетворит.работа на неустановившихся ре­жимах, высокий расход топлива, неприемлема для привода маломощных установок.

Схема работы газовой турбины:

1-фильтр и глушитель; 2-радиальный компрессор; 3-камера сгорания; 4-теплообменник; 5-выпускное окно; 6-шестерёнча­тый редуктор; 7-тяговая турбина; 8-регулируемые направляющие лопатки турбины; 9- компрессорная турбина; 10-пуско­вое устройство (стартер); 11-вспомогательное оборудование привода; 12-масляной насос в системе смазки.

Роторный двигатель Ванкеля.

Роторный двигатель – это поршневой двигатель, в кот.КШМ заменён приводным эксцентриковым элементом, связанным с вращающимся поршнем. Поршень при вращении образует камеры сгорания.

При виде сбоку ротор имеет форму треугольника с выпуклыми сторонами. Ротор устанавл-ся внутри овального корпуса с каналами для охлаждающей жидкости. При вращении ротора три его вершины обкатываются по стенке корпуса, образуя три взаимно герметизируемых камеры с изменяемым рабочим объёмом (А, Б, С), располагаемые через 120⁰ по дуге ок­ружности. Каждая из этих камер обеспечивает реализацию полного четырёхтактного цикла сгорания при каждом полном обороте ротора; т.е. за один полный оборот треугольного ротора двигатель заканчивает четырёхтактный процесс три раза, в эксцентриковый элемент осуществляет равное число оборотов.

Принцип действия роторного двигателя:

1-ротор; 2-зубчатое колесо с внутренним зацеплением; 3-свеча зажигания; 4-закреплённая в корпусе шестерня; 5-опорная поверхность эксцентрика.

а: Камера А засасывает топливо-воздушную смесь, в камере В осущ-ся сжатие этой смеси, а выпуск продуктов сгорания производится из камеры С. Улучшение прохода газов обеспечивают углубления в боковых поверхностях ротора..

b: Камера А заполняется новым зарядом, расширение продуктов сгорания производится в камере В, что обеспечивает вращение эксцентрикового вала через ротор; процесс выпуска продуктов сгорания продолжается из камеры В. Следую­щая фаза сгорания осущ-ся снова так, как это показано на рис. В позиции «а», камера С занимает место камеры А. Таким образом, ротор при повороте на угол в 120^о осущ-ет полный четырёхтактный цикл на трёх своих боковых сторо­нах. Во время этого процесса эксцентриковый вал делает один полный оборот.

Преимущества роторного двигателя: полная уравновешенность масс, компактная конструкция, отсутствие клапанного ме­ханизма, лёгкость в управлении.

Недостатки: неоптимальная форма камеры сгорания с увеличенным фронтом пламени, высокие выбросы углеводородов, повышенные расходы топлива и масла, высокая стоимость в изготовлении, невозможна работа в режиме дизеля.

5. Кривошипно-шатунный механизм

КШМ предназначен для восприятия давления газов и преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движения коленвала. К кШМ относятся : блок цилиндра головка блока цил нижний картер поддон картер сцепления и маховика ,поршни с кольцами , пальцы, шатуны, коленвал ,маховик.Блок - общая отливка в которой располагается цилиндр служит основанием для крепления и сборки всех механизмов и узлов .Конструкция: сплошной ,разъемный,тунельный. Все полости и стыки должны быть герметичны .Головка явл крышкой блока цилиндров. В них расположены каеры сгорания ,впускные и выпускные каналы под клапана, а также запрессованной напраляющей втулкой и седла клапанов.Поддон – защитный кожух КШМ снизу и резервуарам для масла. Картер сцепления и маховика –защитный кожух.Поршень служитдля восприятия давленя газа и осуществления вспомогательных тактов. Верхняя часть головка ,нижняя направляющая – юбка, приливы в стенках юбки – бобышка. юбка поршней в гор. сечении имеет форму элипса,причем большая ось расположена в плоскости перпендикулярной оси поршневого пальца .Кольца – от 1 до 3 компрессионных ,1 или 2 маслосъемных . предназначены для предотвращения прорыва газов через зазор между юбкой и стенкой цил.,а также для удаления излишнего масла со стенок цил. Препятствует проникновению его в камеру сгорания.Пальцы предназ для шарнирного соединения поршня с шатуном. Поверхность шлифуют .ось отверстия для пальца смещена на 1,5 мм от оси поршня (вправо по ходу автомобиля ),вследствии этого в ВМТ не происходит быстрого перебрасования поршня от одной стенки к другой и стук поршня уменьш.Палец устанавливается с натягом. Запрессовка пальца в поршень не допуск. Расположение цилиндров а- одновальные 1)Однорядные с вертик рсположением цил 2)v-образные 3) снежинкообразные4)x-образные5)с противоположным расположением цил(аппазитные)6)расп цил в виде звезда б-двухвальные1)двухрядные с паралельным расп цил2)двухтактные с противоположнми поршнями 3)ромбообразный 4) треугольником)КРИВОШИПНО-ШАТУнНЫЙ МЕХАНИЗМ. БЛОК И ГОЛОвКА ЦИЛИНДРОВ. КШМ двигателя воспринимает давление газов при такте расширения и преобразует прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипно-шатунный механизм многоцилиндрового двигателя состоит из блока цилиндров, головок цилиндров, поршней с кольцами, поршневых пальцев, шатунов, коленчатого вала, вкладышей, маховика и поддона картера.

Цилиндр с головкой образует пространство, в котором осуществляется рабочий цикл двигателя. Стенки цилиндра направляют движение поршня.

Цилиндры многоцилиндровых двигателей отливают из серого чугуна или алюминиевого сплава в виде одной целой детали — блока цилиндров. За одно целое с блоком цилиндров отливают верхнюю часть картера двигателя.

В отливке блока цилиндров выполнены рубашка охлаждения, окружающая цилиндры, а также постели для коренных подшипников коленчатого вала, подшипников распределительного вала и места для крепления других узлов и приборов. У V-образного восьмицилиндрового двигателя блок цилиндров 5 (рис. 9) имеет два ряда цилиндров (по четыре цилиндра в каждом), расположенных под углом 90°. Головок блока цилиндров две — для правого и левого рядов цилиндров.

Уплотнение гильз в блоке достигается резиновыми кольцами или прокладками.

Тщательно обработанная внутренняя поверхность гильз (ллк цилиндров) называется з е р к а л о м.

Головки 1 цилиндров отливают из алюминиевого сплава пли чугуна (двигатель Я-МЗ). В них расположены камеры сгоря-ния, отверстия для свечей зажигания (карбюраторные двигатели) или форсунок (дизели), впускные и выпускные клапаны (при верхнем их расположении), вставные седла и направляющие втулки клапанов. В отливке головок цилиндров имеется рубашка охлаждения, сообщающаяся отверстиями с рубашкой охлаждения блока цилиндров. Герметичность соединения головок с блоком цилиндров обеспе­чивается металлоасбестовои прокладкой .9. Головки к блоку цилинд­ров крепятся шпильками и гайками.

Сверху головки цилиндров закрываются штампованными крышками. Между крышками и головками цилиндров устанавливают прокладки из маслостойкой резины.

ПОРШНЕВАЯ ГРУППА В поршневую группу входят поршни, поршневые кольца и поршневые пальцы. Поршень представляет собой металлический стакан, донышком обращенный вверх. Он воспринимает давление газов при рабочем ходе и передает его через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. Отливают поршни из алюминиевого сплава.

Поршень имеет днище, уплотняющую и направляющую (юбка) части. Днище и уплотняющая часть составляют головку поршня. Днище поршня вместе с головкой цилиндра образует камеру сгорания. В головке поршня проточены канавки для поршневых колец. Уплотняющая часть имеет диаметр, увеличивающийся книзу. Юбка поршня имеет две бобышки (приливы) с отверстиями для поршневого пальца. Каждая бобышка связана с днищем поршня двумя ребрами.

Юбка поршня обычно имеет прорези, которые предупреждают заедание поршня при нагреве и позволяют уменьшить зазор между гильзой цилиндра и поршнем. Заклинивание поршня исключают также приданием юбке овальной формы. Диаметр поршня в плоскости, перпендикулярной оси пальца, делают больше, чем в направлении оси поршневого пальца (у ЗИЛ-130 на 0,52 мм). При нагревании поршень расширяется сильнее в направлении оси поршневого пальца, где в бобышках сосредоточена наибольшая масса металла. Поэтому овальный поршень при нагреве получит цилиндрическую форму.

Отверстие под поршневой палец располагается не по оси симметрии поршня, а смещено па 1,5 мм (ЗМЗ-24, ЗМЗ-53) вправо по ходу автомобиля. Этим уменьшается сила удара поршня о стенки гильзы при переходе его через в. м. т. в процессе сгорания—расширения газов.

Для улучшения приработки поршней к гильзам цилиндров и предохранения их от задиров юбку поршня покрывают тонким слоем олова.

Поршневые кольца устанавливают в канавки, расположенные в головке поршня. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца уплотняют поршень в гильзе цилиндра и предотвращают прорыв газов через зазор между юбкой поршня и стенкой гильзы. Маслосъемные кольца, кроме того, снимают излишки масла со стенок гильз и не допускают попадания его в камеры сгорания.

Рис. 11. Поршневые кольца двигателеи:

и, б — ЗЫЗ-')3 и ЗИЛ-130; 1 — верхние компрессионные копыта, 2 — средние компрессионные коль­ца, з — маслосъемное кольцо, 4 — кольцевые диски стального масло-съемного кольца, 5— радиальный расширитель, 6 — осевои расши­ритель

Поршневые кольца изготовляют из чугуна или стали. Для установки на поршень кольца имеют разрез, называемый замком. Маслосъемное кольцо отличается от компрессорных колец сквозными прорезями для прохода масла. В канавке поршня для маслосъемного кольца сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня.

В целях повышения износостойкости поверхность верхнего стопорного кольца подвергают пористому хромированию. Остальные кольца для ускорения приработки покрывают топким слоем олова.

.Поршневой палец служит для соединения поршня с шатуном и представляет собой короткую трубку. Пальцы изготовляют из легированной цементованной стали или из углеродистой стали, закаленной токами высокой частоты. Наиболее распространены «плавающие» пальцы, свободно поворачивающиеся по втулке верхней головки шатуна и в бобышках поршня. От осевого смещения поршневой палец предохраняется стопорными кольцами вставляемыми в выточки обеих бобышек поршня.

Шатун и коленчатый вал Шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу при рабочем ходе и в обратном направлении при вспомогательных тактах. Он состоит из верхней головки, стержня двутаврового сечения и разъемной нижней головки, закрепляемой на шатунной шейке коленчатого вала. Шатун и его крышку изготовляют из легированной или углеродистой, стали. В верхнюю головку шатуна запрессовывают одну пли две втулки из оловянистой бронзы, а в нижнюю вставляют тонкостенные стальные вклады­ши , залитые слоем антифрикционного сплава. Нижняя головка шатуна и крышка соединяются двумя болтами, гайки которых шплинтуются.

Вкладыши шатунных подшипников двигателей ЗМЗ-24, ЗМЗ-53 и ЗИЛ-130 выполнены из сталеалюминиепой ленты, антифрикционный слой которой представляет собой алюминиевый сплав АМ01-20*. Вкладыши двигателя «Москвич-412»—трехслойные, изготовлены из сталебронзовой ленты, имеют свинцово-нндиевое покрытие.

От провертывания в нижней головке шатуна вкладыши удерживаются выступами (усиками), которые входят в канавки, выфрезерованные в шатуне и его крышке.

Коленчатый вал воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатунами, и преобразует их в крутящий момент. Он имеет коренные шейки ; шатунные шейки;щеки, соединяющие коренные и шатунпые шейки; противовесы ; фланец для крепления маховика ; носок, па котором установлены хра­повик пусковой рукоятки, распределительная шестерня и шкив привода водяного насоса и вентилятора. Шатунная шейка со щеками образует колено (или кривошип) вала.

Коленчатый вал штампуют из стали или отливают из магниевого чугуна (ЗМЗ-24, ЗМЗ-53). Литье позволяет выполнить все шейки вала полыми. Шейки стальных коленчатых валов закаливают токам высокой частоты. Все шейки коленчатых валов тщательно шлифуют и полируют. Переходы (галтели) от шеек к щекам выполняют плавными.Количество шатунных шеек в двигателе, имеющем рядное расположенно цилиндров, равно числу цилипдроп, а в V-образпом двигателе—в два раза меньше число цилиндров, так как па каждую та тунпую шелку устанавливают по два шатуна (см. рис. 10). Из условия равномерного чередования рабочих ходов колена вала четырехцилидрового двигателя (если смотреть на вал с торца) располага­ются под углом 180°, шестпцилнпдрового под 120° восьмиццлиндрового под 90°

Количество коренных шеек четырехцнлпндровых двигателей с рядным расположенном цилиндров три пли пять, в шестпцллнндровых — четыре или семь, в V-образпых восьмпцилпндровых — пять.

Рис. 12. Форма коленчатого вала:

а — рядного чстырехцнлппдрового двигателя, б — рядного шестицилипдропого днмгатсля, б — V-обра.чпого шсстицилипдроного днигателя, з — У-образпого восьмицилипдроного двигателя; 1—8 — номера цилиндров

если шатунная шейка с двух сторон имеет коренную, то такой коленчатый вал называют полноопорпым. Полноопорный вал (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130, ЗМЗ-24, «Москвич-412») меньше прогибается, обеспечивая лучшие условия работы подшипников и больший срок их службы.

В современных автомобильных двигателях скорость вращения коленчатого вала достигает 3000—4000 об/мпн в грузовых автомобилях и 5000—6000 об/мин — в легковых. Поэтому возникают большие центробежные силы, действующие на шатунные шейки, щеки и нижние головки шатунов. Эти силы нагружают коренные подшипники, вызывая их ускоренный износ.

Для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил служат противовесы 7 (см. рис. 10), расположенные против шатунных шеек коленчатого вала.

Коронные и шатунные шейки коленчатого вала соединены наклонными каналами, просверленными в щеках и служащими для подвода масла от коренных к шатунным подшипникам. Шатунные шейки выполняют полыми или высверливают в них полости — грязеуловители. В этих полостях под действием центробежных сил при работе двигателя отлагаются тяжелые частицы и продукты износа, содержащиеся в масле. МАХОвИК И КАРТЕР. Маховик представляет собой массивный диск, отливаемый из чугуна. Он повышает равномерность вращения коленчатого вала при малых числах оборотов и передает крутящий момент трансмиссии автомобиля. Он изготовляется из чугуна. На обод маховика напрессован стальной зубчатый венец, предназначенный для вращения коленчатого вала стартером при пуске двигателя.Поддон, или нижняя часть картера, предохраняет от попадания в картер пыли и грязи и служит резервуаром для масла. Его штампуют из листовой стали. К верхней части картера поддон крепится болтами или шпильками, уплотнение достигается пробковой прокладкой. Плоскость разъема картера обычно располагается ниже оси коленчатого вала, что повышает жесткость картера двигателя. МАТЕРИАЛЫ КШМ. Картер и блок картера СЧ-18,21,2430 или ал. Литейного сплва Al 4,9.Гильзы СЧ-15,24 , сталль азотированная 35ХЮА ,38ХМЮА. Гловки Al 4,9.Пальцы легир цемент сталь 15х,20х,20х2м4А,12хн3а.Поршни литейный сплав Al или серый ковкий чугун.Кольца серый перлитный чугун ,или смесь меди железа графита. Шатуны карб дв.- Сталь 40,45,лег ст 45г2,40хн.Форсированных дв. 45,45х,лег ст 18 х2н4ма.Шатунные болты хромированные ст 38ха,40х.Коленвалы –штампованные сталь 40,45,50г,45г2;Чугуные валы из высокопрочного чугуна .

6. ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

Газораспределительный механизм служит для своевременного впуска в цилиндр горючей смеси или воздуха и выпуска из цилиндра отработавших газов.

Газораспределительные механизмы могут быть клапанные, бесклапанные (золотниковые) и комбинированные. Клапанные механизмы подразделяются на механизмы с верхним (подвесным) и нижним (боковым) расположением клапанов.

Все отечественные четырехтактные двигатели имеют клапанные механизмы газораспределения. Бесклапанные механизмы, ввиду сложной конструкции, дороговизны и большого веса, встречаются очень редко.

Газораспределительный механизм должен обеспечить определенный момент начала и конца впуска и выпуска, наибольшее наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом, качественную очистку цилиндров от отработавших газов и герметичность цилиндров при сжатии и расширении.

Газораспределительный механизм с нижним расположением клапанов (рис. 45, а) состоит из распределительных шестерен 1 и 2, распределительного (кулачкового) вала 11, толкателей 3, клапанов 9, направляющих втулок клапанов 8, пружин клапанов 7 с деталями крепления нижнего конца пружины на клапане (опорных тарелок 5 и конических сухарей 6) и гнезд клапанов 10, к которым подходят впускные и выпускные каналы.

В газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов (рис. 45,б), кроме деталей, составляющих механизм с нижним расположением клапанов, входят штанги 16, коромысла 13, ось коромысел 14, стойки 15 крепления оси и распорные пружины коромысел. Большинство деталей механизма расположено в головке блока.

В двигателе автомобиля «Москвич-412» толкатель и штанга отсутствуют, а установленный в головке блока кулачковый вал II (рис. 45,в) непосредственно управляет коромыслами. Вращение распределительного вала осуществляется цепной передачей, которая состоит из ведущей звездочки 18, закрепленной на коленчатом вале, ведомой звездочки 20, закрепленной на распределительном вале, роликовой цепи 17 и натяжного ролика 19.

Верхнее расположение распределительного вала выгодно применять в высокооборотных двигателях (максимальная скорость вращения коленчатого вала двигателя «Москвич-412» составляет 5800 об/мин), потому что при больших оборотах коленчатого вала штанга и толкатели значительно деформируются под влиянием сил инерции и нормальная работа механизма нарушается.

Верхнее расположение клапанов позволяет применить наиболее совершенную форму камеры сгорания (клиновую, полусферическую). Такие камеры обеспечивают хорошее наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом, уменьшают потери тепла в охлаждающую среду и позволяют повысить степень сжатия. Все это приводит к увеличению мощности и экономичности двигателя. Кроме того, при верхнем расположении клапанов создается удобный доступ для их регулировки, обслуживания и ремонта. Конструкция верхнеклапанных механизмов более прогрессивна, и они применяются во всех современных двигателях.

Газораспределительными механизмами с нижним расположением клапанов оборудованы двигатели ГАЗ-51, ЗИЛ-164 и ГАЗ-69.

Недостатки механизма с верхними клапанами и нижним распределительным валом: сложность конструкции, большое количество деталей, передающих усилие от распределительного вала на клапаны, инерция и деформация которых вредно влияют на работу механизма. Эти недостатки отсутствуют в верхнеклапанном двигателе с верхним распределительным валом, однако его уязвимым местом является цепной привод. Двигатели с верхним расположением клапанов имеют большую высоту.