Раздел II. Устройство автомобильных и тракторных двигателей

Глава 3. Общее устройство и рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания

3.1. Устройство двигателя

Поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой комплекс механизмов, систем и специализированных устройств, обеспечивающий преобразование в механическую работу части тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива непосредственно в цилиндрах. В зависимости от назначения и класса таких двигателей их конструкции имеют различную сложность, но все они сходны по своей принципиальной схеме (рис.1,а,б) и состоят из следующих неподвижных и подвижных основных деталей: крышки или головки 4 цилиндра, цилиндра и картера 8, поршня 5, шатуна 9, коленчатого вала 11 и маховика.

Картер, цилиндр, его головка и другие неподвижные (корпусные) элементы конструкции двигателя, прочно скрепляемые между собой с помощью резьбовых соединений или отлитые совместно, образуют остов двигателя. Основанием для остова и двигателя в целом служит картер. К нему крепят( или запрессовывают, как на рис.1,а) цилиндр, размещают в нем коленчатый вал 11 и многие другие детали. Изготовляют его литым, усиливают ребрами жесткости и чаще всего делают разъемным, состоящим из двух половин. Нижней, в обычных конструкциях не несущей частью картера, является литой или штампованный поддон 12.

В цилиндре 8 перемещается поршень 5, имеющий форму стакана, с повернутым в сторону головки цилиндра днищем. При движении поршня стенки цилиндра служат для него направляющими. Уплотняют цилиндр поршневыми кольцами 7. В полости цилиндра, заключенной между днищем поршня и головкой 4, происходят все основные и вспомогательные процессы, связанные с окислением (сжиганием) топлива и преобразованием части выделяющейся при этом теплоты в механическую работу.

Перемещение поршня в цилиндре передается на вал 11 с помощью связующего их звена – шатуна 9, имеющего форму профильного стержня с двумя головками. Головка, соединяющая его стержень с шейкой (цапфой) 10 колена (или кривошипа) вала 11, называется кривошипной или нижней, а головка, через отверстие которой проходит поршневой палец 6, обеспечивающий шарнирное соединение шатуна с поршнем, называется поршневой или верхней. Расстояние L между осями верхней и нижней головок составляет длину шатуна.

Рис. 1. Принципиальные схемы двигателей: а) бензиновый без наддува; б) дизель с газотурбинным наддувом и охлаждением надувочного воздуха.

Силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Для поршневых двигателей характерным является неравномерность хода. Так, в четырехтактных двигателях только пол-оборота приходится на активный рабочий ход поршня, когда последний расширяющимися газами перемещается к НМТ. Следовательно, за время одного рабочего цикла коленчатый вал вращается с разной угловой скоростью. Если предположить, что коленчатый вал вращается равномерно, то и в этом идеальном случае поршень в конце каждого хода меняет направление своего движения. В мертвых точках его скорость равна нулю, а потом возрастает до максимума, составляющего 1217 м/с в тракторных и до 25 м/с в автомобильных двигателях при номинальной частоте вращения вала и снова уменьшается до нуля в смежной мертвой точке (средняя скорость поршня меньше максимальной в 1,51,6 раза). Неравномерное движение поршня и связанного с ним комплекта подвижных деталей порождает переменные по величине и направлению силы инерции возвратно-движущихся масс P_j, действующие вдоль оси его движения, т. е. по оси цилиндра, как показано на рис. 5.

Давление газа на днище поршня создает силу , направленную по оси цилиндра. Сила давления газов Р_г в надпоршневой полости одинаково действуют как на поршень, так и на головку цилиндра, поэтому эти силы взаимно уравновешиваются внутри системы и не вызывают вибрации двигателя.

Сила давления газов Р_г и сила инерции Р_j, действующие по оси цилиндра, суммируясь, дают равнодействующую Р_ = Р_г + Р_j, которая, будучи приложена к поршневому пальцу, раскладывается на боковую силу N давления на стенку цилиндра и на силу Р_ш, действующую по оси шатуна (рис. 5).

Сила Р_ш, направленная вдоль оси шатуна, вызывает изгиб поршневого пальца, а также изнашивание как его самого, так и бобышек поршня и втулки-подшипника поршневой головки шатуна. Через кривошипную головку шатуна сила Р_ш передается шатунной шейке кривошипа.

Рис. 5. Силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме.

Сила N, действуя на переменном плече Х, создает реактивный момент

М_р = N Х,

который при любом положении поршня равен по величине, но противоположен по направлению активному моменты:

М_р = – М_а.

Реактивный момент вызывает поперечные колебания корпуса двигателя, которые могут через опоры передаваться кузову. Для демпфирования этих колебаний между кронштейнами и рамой устанавливают упругие (обычно резиновые) элементы.

Если силу Р_ш, руководствуясь правилами механики, перенести по линии ее действия в центр шатунной шейки и разложить на составляющие, то получим силу Т, перпендикулярную оси кривошипа, и силу Z, направленную по оси кривошипа (рис. 5). Силу Т называют тангенциальной. Ее произведение на радиус кривошипа r называется крутящим моментом

М_а = Т·r,

Помимо сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, в двигателе есть силы инерции вращающихся масс (центробежные силы инерции Р_с). Сила Р_с направлена вдоль кривошипа, сжимает его щеки, нагружает коренные шейки и их подшипники, вызывая их износ.

Сила Р_с может быть полностью уравновешена с помощью противовесов на продолжениях щек кривошипа, если создаваемая их массами центробежная сила Р_{пр. с} равна по величине и противоположна по направлению силе Р_с.

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс Р_ин слагается из сил 1-го и 2-го порядка. Для уравновешивания сил инерции первого порядка необходимо установить противовесы на двух дополнительных валах, вращающихся с той же частотой и в туже сторону, что и кривошип. Для уравновешивания сил инерции второго порядка необходимо установить противовесы на двух дополнительных валах, вращающихся в противоположные стороны с частотой в 2 раза больше частоты вращения кривошипа. Опоры дополнительных валов часто располагают в поперечных перегородках промежуточного картера. Горизонтальные составляющие центробежных сил противовесов гасят друг друга, а сумма их вертикальных составляющих уравновешивает силу Рин₂.