Двигатели, техните механизми и елементи

1.Устройство на ДВГ

1.1.Общо за ДВГ

Днес има много видове двигатели с вътрешно горене, а дизайнът на автомобилните двигатели може да се различава значително един от друг, въпреки че са запазени основните принципи на работата му. Името му „двигател с вътрешно горене“ произтича от факта, че изгарянето на гориво се извършва в работната камера вътре в двигателя.

Инсталираните в автомобилите двигатели се различават помежду си по:

• метода на подготовка на горивната (работната) смес,
• използваното гориво,
• подреждането на цилиндрите на двигателя,
• начина, по който се запалва работната смес,
• охлаждащия метод.

Наличието на карбуратор, външно впръскване на горивото (преди всмукателните клапани) или газ е характерно за двигатели с външно смесване. А дизеловите двигатели са двигатели с вътрешно горене с вътрешно смесване в горивната камера.

Двигателите с вътрешно горене могат да работят на различни видове гориво и са разделени от тази характеристика на бензин, газ и дизел.

По разположението на цилиндрите на двигателя се различават: редови двигатели и V-образни (звездообразни).

При карбураторните и инжекторните двигатели се използва принудителен метод за запалване на горивна смес от електрическа искра, а в дизеловите двигатели работната смес се самозапалва поради нейното нагряване вследствие на високото налягане вътре в цилиндрите на двигателя.

Охлаждането в двигателите с вътрешно горене може да се извършва само с въздух или комбинирано с въздух и течност.

Двигателите с вътрешно горене, задвижвани с бензин, използват тип принудително запалване от електрическа искра. Сместа въздух-гориво се приготвя и дозира в карбуратора или инжекцион, след което влиза в цилиндрите на двигателя, където се запалва. В края на такта на сгъстяване към свещта се подава електрически ток и се запалва сместа в цилиндъра.

В дизеловите двигатели се използва различна схема на двигателя, или по-точно, различен принцип на подготовка на смес от гориво-въздух и неговото запалване. Тук въздухът и дизеловото гориво, влизащи в цилиндрите, се смесват директно в цилиндъра. От голямото налягане, на което е подложена гориво-въздушната смес в цилиндъра, тя се нагрява до критична температура, в резултат на което се самовъзпламенява. Единственото изключение е първоначалното пускане на нагревателни свещи, с което допълнително да се загрее горивовъздушната смес и да се облекчи пускането на двигателя, след което работата на дизеловия двигател с вътрешно горене преминава на обикновен режим на работа.

Захранващата схема на пропан-бутан се използва в газовите двигатели с вътрешно горене. Те също използват външен тип на смесване. Принципът на работа на газовите двигатели не се различава много от принципа на работа на двигателите на бензин. Въпреки това, когато се превръща автомобил за работа с газово гориво, внимателно следва да се проучат тънкостите на работа на този вид оборудване.

Устройство на двигателя

Двигателят с вътрешно горене се състои от корпусни елементи,  3 механизма и 6 или 7 системи:

Корпусни елементи са блок, глава с капак и картер.

Механизмите са:

1. коляно-мотовилков механизъм,
2. предавателен механизъм,
3. газоразпределителен механизъм,

Системите са:

1. горивна система (система за захранване с гориво),
2. въздухоснабдителна система (система за захранване с въздух),
3. запалителна система,
4. смазочна система,
5. охладителна система,
6. изпускателна система,
7. подгревателна система.

За да се разбере по-добре устройството на двигател с вътрешно горене, ще бъде разгледана схемата на двигателя по примера на работа и устройството на един цилиндър. Основното нещо, което трябва да се разбере е откъде идва този въртящ момент, който по-късно кара автомобила да започне да се движи.

Блок на двигателя

Фиг.25. Блок на двигателя

Предназначение – „да събере“ в себе си възлите и елементите на механизмите и системите

Изработва се от алауминиеви сплави или чугун, като всеки един от изредените има своите предимства и недостатъци. Изборът на материал зависи от избрания начин за компановка на двигателя, начина за охлаждане и за какво е предназначен двигателя, т.е. какво ще е неговото натоварване. Във всички случаи блокът трябва да издържа на термичните натоварвания в него и на налягането на газовете. Около цилиндрите са оформени кухини, през които циркулира охладителна течност.

Глава на двигателя с капак

Предназнаение – тя служи за основа за монтиране на елементите от предавателния механизъм, газоразпределителния механизъм и охладителната система на двигателя.  Тя е важен елемент в конструкцията на двигателя. В нея (на нея) се разполaгат клапаните и другите елементи на газоразпределителния механизъм. Изработва се от алуминиева сплав.

Фиг.26. Глава и капак на главата

Плоскостта на главата и блока се уплътнява с алуминиева гарнитура. Капакът на главата е предназначен да затвори двигателя „отгоре“. Представлява стоманена или алуминиева кутия, която се закрепва към главата с болтове. Същата се уплътнява с гумена или коркова гарнитура. На капака на главата е изработен отвор с капачка, през който става наливането на масло в смазочната система.

Картер на двигателя

Фиг.27. Картер на двигателя

Изработва се от стомана или алуминиеви сплави и има форма на корито. В най-ниската му част се разполага пробка, през която може да се източва маслото при неговата смяна. В картера може да се закрепват и отделни елементи на смазочната система. 

Предназначението на картера е да затваря двигателя отдолу и да не позволява проникването на каквито и да са мърсотии в него, да съхранява необходимото количество масло за смазване на триещите се части на двигателя, да охлажда маслото при работа на двигателя.

Коляно-мотовилков механизъм (КММ)

Фиг.28. ДВГ с КММ , предавателен и ГРМ

Фиг.29. Изглед на КММ в сглобен вид

   

Фиг.30. КММ в разглобен вид

Коляно-мотовилковият механизъм на ДВГ, поема силата на налягането на газовете в цилиндрите и преобразува праволинейното възвратно-постъпателното движение на буталото във въртеливо движение на коляновия вал..

Коляно-мотовилковият механизъм е основна част от двигателя с вътрешно горене. Основните отделни части, които го съставят са: колянов вал, мотовилка, бутало с бутални пръстени и бутален болт.

• Колянов вал

Легенда:

 1-чело на коляновия вал 2-основна шийка 3- мотовилкова шийка   4-горни тънкостенни черупки (втулки) с отверстие за подаване на масло 

5-маховик  6-заден край на коляновия вал с фланец за закрепване на маховика 7-рамо  8-противотежести 9- долни тънкостенни черупки 10-снемащи се капачки

Фиг.31. Колянов вал

Като материали за производството на колянови валове се използват въглеродна и легирана стомана или високоякостен чугун. Коляновият вал може да бъде направен чрез леене, коване на стомана или струговане. Заготовките се получават чрез горещо щамповане или леене. Много е важно как влакната на материалите са подредени в заготовките. Когато КВ е готов, той се обработва допълнително при висока температура и се почиства от котлен камък (чрез дробеструйна машина или чрез мариноване).

• Мотовилка

Фиг.32. Мотовилка

Състои се от тяло (2) долна (3) и горна (1) глава, капачка на мотовилката(5) и затягащи болтове (4 и 6).

В долната глава и капачката, която я затваря се монтира мотовилковия лагер, който е от две части. Предлагат се три различни семейства лагери от плъзгащи се материали. Първата група се състои от класически алуминиево-калаен плъзгащ се материал и иновативната алуминиево-цинково-бисмутова сплав, в която бисмутът замества оловото. От непрекъснатото отливане на място, слоят се генерира при определени и координирани операции на валцуване и отгряване за последваща финишна обработка. Различните стомано-алуминиеви композитни материали се произвеждат чрез валцоване. Те се използват като така наречени биметални лагери за мотовилките и коляновите валове в двигателите с вътрешно горене.

В горната глава се запресова бронзова втулка, в която лагерува буталния болт. Долната глава и капачката взаимно се стягат чрез болтове(4, 6).

• Бутало с бутални пръстени

Фиг.33. Бутало и бутални пръстени(сегменти)

Буталото е цилиндричен детайл, изработен от алуминий или негова сплав, което се движи (нагоре-надолу) в цилиндъра на автомобилния двигател. Необходимо е  за превръщане на налягането на изгорелите газове в механична работа или обратно – възвратно-постъпателно движение в промяна в налягането. Самото бутало има вид на обърната чаша и се състои от дъно, глава, направляваща част (пола).

• Бутален болт

Фиг.34. Бутален болт

В съответствие с предназначението, буталния болт възприема налягането на газовете, възникващо при изгарянето на гориво-въздушната смес в цилиндрите на двигателя и го превръща в механична работа чрез въртенето на коляновия вал. Буталният болт свързва буталото с мотовилката, която пък е свързана към коляновия вал.

Предавателен механизъм на ДВГ

Предавателният механизъм е предназначен да предаде движението от коляновия вал към главата на двигателя, където е разположен газоразпределителния механизъм. В някои литературни източници предавателният механизъм е част от газоразпределителния механизъм.

Фиг.35. Конструкция на предавателен механизъм с ремък

Самото предаване на въртящия момент може да се извърши по няколко начина:

• Чрез ремъчна предавка
• Чрез верижна предавка;

Фиг.36. Конструкция на предавателен механизъм с верига

• Чрез вал и зъбна предавка

37. Конструкция на предавателен механизъм чрез вал и зъбна предавка

Последният начин обикновено се прилага за “V” образни ДВГ, които са с голям обем и мощност.

Газоразпределителен механизъм

Презназначение на газоразпределителен механизъм (ГРМ): презназначението на ГРМ е да  пропусне прясна горивна смес в цилиндрите на двигателя и да изпусне отработилите газове съгласно реда за работа на цилиндрите (фазите на газоразпределението). Газообмена се осъществява чрез вмукателните и изпускателните отвори, които се затварят херметически от елементите на ГРМ в съответствие с приетия ред на работа на двигателя.

Фиг.38. Газоразпределителен механизъм

 ГРМ се състои от:

• Разпределителен вал
• Клапани – всмукателни и изпускателни с водачи и пружини
• Тласкачи/повдигачи с кобилици

Газоразпределителният механизъм осигурява отварянето на всмукателните клапани на цилиндрите по реда на тяхната работа в точното време с точната продължителност. Той отваря и изпускателните клапани също по реда на работа на всеки цилиндър в определен момент за определено време.  Има различни видове газоразпределения в зависимост от възприетия конструктивен подход

• При долно разположен вал: Чрез цилиндрични зъбни колела за по-плавна работа се изработва с наклонени зъби, а за безшумна работа зъбния венец се изработва от текстолит. За осигуряване на задвижването при по-голямо разстояние се използва паразитно зъбно колело или верига.
• При горно разположен вал: Чрез ролкова верига. Сравнително малък шум, чрез проста конструкция, малка маса, но веригата се износва и разтегля. Чрез зъбен ремък. Изработен от неопренова основа, армирана със стоманена тел  и покрит с найлонов износоустойчив пласт. Проста конструкция, безшумна работа.

Днес разглеждаме трите основни типа двигатели според разположението на разпределителните валове: OHV (Overhead Valve) или горно разположени клапани, DOHC (Dual Over Head Cam) или два горно разположени разпределителни валове и SOHC (Single Overhead Cam) или единичен горно разпределителен вал. По-долу разглеждаме основните разлики между тях, както и плюсовете и минусите на всеки един от тях.

DOHC (Dual Over Head Cam) Това е безспорно е най-разпространената в момента технология, която се използва в почти всички модерни двигатели. Този тип двигатели използват два или четири разпределителни вала в зависимост от това дали са редови, V-образни или боксерни.

Основният им плюс е, че са по-ефективни и произвеждат по-висока мощност, тъй като двата разпределителни вала на цилиндров ред позволяват инсталирането на двойно повече клапани, които от своя страна вкарват повече въздух в двигателя и изкарват по-лесно отработените газове.

В повечето случаи този тип двигатели работят с 4 клапана на цилиндър. Недостатъците са, че DOHC двигателите са доста високи като архитектура, защото разпределителните валове са разположени над цилиндровата глава, вместо в самия двигател. Това означава, че те имат повече движещи се части, което оскъпява производството им и ги прави по-неудобни за вграждане в различни автомобили.

 SOHC (Single Overhead Cam) Тази концепция реално е същата като DOHC, само че с един разпределителен вал на всеки ред от цилиндри. SOHC (Single Over Head Cam) двигателите са по-леки и прости като конструкция от DOHC. В резултат на това те са и много по-евтини за изработка. В много приложения от миналото, SOHC двигателите обикновено имат само по 2 клапана на цилиндър.

В наши дни има двигатели с един разпределителен вал, но с 4 клапана на цилиндър. Примери за такива автомобили са Fiat 124, Alfa Romeo Giulia и Honda Pilot.

Фиг.39. ГРМ с един (SOHC ) и два ( DOHC ) разпределителни вала

Предимства: системата е по-евтина, по-лека и по-проста от DOHC
Недостатъци: нуждата от по-широк разпределителен вал може да увеличи разходите по разработката

Примери: Mercedes M275 (6.0 туин-турбо V12)

OHV (Overhead Valve)

Това е най-популярната концепция, използвана в американските V8 двигатели, както и в култовия V10 двигател на Dodge Viper. Системата е много проста и се състои от един долно разположен разпределителен вал между двата реда цилиндри на V-образната конфигурация. Той се задвижва от ремък или верига и предава движение към горно разположените клапани посредством дълги метални щанги, които управляват кобилици, а оттам и клапаните.

Двигателите с горно разположени валове могат да работят с по 2, 3, 4 и 5 клапана на цилиндър, докато тук клапаните са ограничен брой – 2. Това е така, защото на практика няма начин как един долно разположен разпределителен вал да може да управлява повече клапани.

Предимства: много по-компактен от двигател с горно разположен разпределителен вал

Недостатъци: не може да развива толкова високи обороти, колкото OHC и DOHC мотори, заради опасност от счупване на щангите, управляващи клапаните; освен това OHV двигателите са малко по-сложни като конструкция

Примери: HEMI, LS и Viper V10

 

Следва продължение!