Механизмы и системы двигателя

Основными механизмами двигателя внутреннего сгорания являются шатунно-кривошипный и распределительный, а основными системами - системы питания, зажигания, смазки и охлаждения.

Шатунно-кривошипный механизм предназначен для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Этот механизм (рис. 53) состоит из цилиндра 5, поршня 4, с кольцами, поршневого пальца 3, шатуна 2, кривошипа 1 коленчатого вала.

Ход поршня зависит от величины радиуса кривошипа коленчатого вала и равен двойной величине радиуса кривошипа. Крайние положения поршня как верхнее, так и нижнее соответствуют положениям, когда ось кривошипа вала, осевая линия шатуна и ось пальца поршня располагаются на одной прямой линии. Эти положения называются мертвыми положениями поршня потому, что усилием на поршень нельзя заставить повернуться коленчатый вал. Вся система может быть выведена из этого положения лишь внешними силами - силой инерции маховика или движением поршней других цилиндров, если двигатель многоцилиндровый.

Цилиндры большинства двигателей выполняются в виде отдельных отливаемых из специального чугуна втулок, вставленных в отверстия блока цилиндра. Блок цилиндра - одна из основных частей двигателя. Верхняя часть блока закрыта головкой, в которой расположены впускные и выпускные клапаны, форсунки или запальные свечи.

Нижняя часть блока соединена с картером, служащим у некоторых двигателей основанием для коренных подшипников коленчатого вала, и камерой, в которой у четырехтактного двигателя помещается масло для смазки деталей.

Блок цилиндра (также и головку) обычно делают с двумя стенками, в пространстве между стенками циркулирует вода, охлаждающая двигатель. Он имеет цилиндрическую форму. Днище его может быть как плоским, так и фигурным с целью улучшения условий смешения воздуха и топлива в камере сгорания дизелей.

В средней части поршень имеет с внутренней стороны приливы, называемые бобышками, в отверстиях которых помещается палец, соединяющий поршень с шатуном. Нижняя, наиболее тонкостенная часть поршня называется юбкой. Диаметр поршня обычно меньше диаметра цилиндра, и между поршнем и цилиндром имеется необходимый температурный зазор, в котором образуется тонкая масляная пленка, смазывающая трущиеся поверхности.

На наружной боковой поверхности поршня расположены кольцевые канавки, в которые заводятся поршневые кольца. Часть колец создает уплотнения между стенками цилиндра и поршня (так называемые компрессионные кольца), часть же колец (маслосрезывающие) служит для удаления со стенок цилиндра излишков смазки. Маслосбрасывающие кольца обыкновенно имеют проточку, этим повышается удельное давление кольца на стенки цилиндра, в результате чего оно лучше снимает излишки масла с поверхности цилиндра.

Поршневой палец представляет собой полый стержень, изготовленный из легированной стали. Для уменьшения износа рабочую поверхность пальца обычно цементируют, калят и шлифуют. Во многих двигателях поршневой палец закрепляется лишь от продольного перемещения пружинными замками с тем, чтобы исключить возможность трения его о стенки цилиндра. При таком закреплении палец может проворачиваться как в бобышках поршня, так и во втулке шатуна. Свободно плавающий палец более равномерно изнашивается.

Шатун шарнирно соединяет поршень с коленчатым валом и передает воспринимаемые поршнем усилия валу. Шатун двигателей внутреннего сгорания стальной и, как правило, штампованный. Он состоит из стержня и двух головок: верхней с впрессованной в нее бронзовой втулкой и нижней, называемой кривошипной и снабженной вкладышами. Сечение стержня обычно двутавровое, что придает ему необходимую прочность при небольшом весе.

Кривошипная головка шатуна выполняется разъемной; отъемная часть называется крышкой и крепится к основной части болтами. Болты эти испытывают весьма большие нагрузки и изготовляются из прочной хромистой стали. Вкладыши шатуна, как и вкладыши коренных подшипников, делают в виде тонкостенных стальных широких полуколец. Внутреннюю рабочую поверхность этих вкладышей заливают антифрикционным сплавом, баббитом или свинцовистой бронзой.

Коленчатый вал - наиболее ответственная деталь двигателя. Он имеет несколько коренных опорных шеек и кривошипных шеек или просто кривошипов, число которых соответствует числу цилиндров. Для уравновешивания коленчатый вал снабжают противовесами, прикрепляемыми к щекам кривошипа со стороны, противоположной кривошипной шейке. На конце вала обычно крепится маховик.

Распределительный механизм управляет подачей в цилиндр воздуха или горючей смеси в строго определенные моменты и удаляет из цилиндра продукты сгорания также в определенные моменты.

В четырехтактных двигателях газораспределение очущест-вляется механизмом, состоящим из клапанов. 6 (см. рис. 53), перекрывающих отверстия в головке блока; пружин, удерживающих клапаны в закрытом состоянии; распределительного вала и передаточных деталей - толкателей, втулок, коромысел и т. д.

Распределительный вал, имеющий кулачки, приводится во вращение от коленчатого вала через зубчатую передачу. Кулачки на валу расположены в определенной последовательности'. При вращении распределительного вала кулачки, набегая на толкатели, поднимают их. Это движение толкателей передается на концы качающихся коромысел, вторые концы которых нажимают на стержни клапанов, и, сжимая пружины, открывают их в строго установленном порядке.

Клапаны работают при высоких температурах, поэтому их изготовляют из специальных жаростойких сталей.

Система питания предназначена для подачи в цилиндры двигателя топлива или горючей смеси, необходимых для совершения рабочего процесса. Системы питания дизелей и карбюраторных двигателей различны.

Общая схема питания дизеля показана на рис. 54. Топливо из бака 3 через расходный кран 4 попадает в фильтр грубой очистки и, пройдя через него, поступает к подкачивающему насосу 32. Этот насос прогоняет топливо через фильтр тонкой очистки, откуда оно поступает к топливному насосу высокого давления 33. Насос под большим давлением в определенные моменты подает топливо в форсунки 26, расположенные в головке блока двигателя.

Воздух, подаваемый в цилиндр, должен быть чистым, без примеси пыли, поэтому его очищают, пропуская через специальный воздухоочиститель. Для нормальной работы системы питания очень важно иметь в хорошем состоянии фильтры и воздухоочистители: несвоевременная их очистка нарушает работу системы питания и ухудшает работу двигателя.

Система питания карбюраторного двигателя включает в себя бак для топлива, отстойник, карбюратор, воздухопровод и регулятор частоты вращения двигателя. Наиболее ответственной частью в этой системе является карбюратор. Он предназначен для приготовления горючей смеси, т. е. смеси паров топлива с вполне определенным количеством воздуха.

Существует несколько конструкций карбюраторов. На рис. 55 показано устройство простейшего карбюратора.

Смесительная камера 1 представляет собой отрезок трубы, в которой смешивается распыленное топливо с воздухом. Эта ка-

1 - крышка; 2 - фильтр бака; 3 - бак топливный; 4 - кран расходный; 5 - топливопровод бака; 6 - болт выпуска воздуха; 7 - колпак фильтра грубой очистки; 8 - крышка элемента; 9 - фильтрующий элемент; 10 - шпилька стержня; 11 - корпус фильтра грубой очистки; 12 - пробка спускная; 13 - топливопровод фильтра грубой очистки; 14 - фильтрующий элемент; 15 - вертикальный канал корпуса; 16 - корпус фильтра тонкой очистки; 17 - плита установочная; 18 - крышка корпуса фильтра; 19 - шайба пружины, 20 - пружина; 21 - шарик продувочного клапана; 22 - гайка уплотнения фильтра тонкой очистки; 23 - вентиль прОдувочиый; 24 - трубка фильтрующего элемента, 25 - трубка отвода просачивающегося через форсунку топлива; 26 - форсунка; 27 - вихревая камера; 28 - камера сжатия; 29 - топливопровод высокого давлення; 30 - топливопровод обратного слива; 31 - насос ручной подкачки; 32 - насос подкачивающий; 33 - насос топливный; 34 - поводок регулятора; 35 •- регулятор; 36 - топливопровод напорный; 37 - топливопровод к насосу; 38 - пробка спускная; 39 - крышка нижняя мера имеет местное сужение, называемое диффузором 3, к которому проведен распылитель 4, подающий в камеру топливо.

Воздух, проходя через смесительную камеру, повышает свою скорость в диффузоре, и над распылителем создается разрежение, способствующее лучшему всасыванию топлива, которое увлекается затем быстро движущейся струей воздуха, испаряется, хорошо перемешивается с воздухом и поступает в цилиндры.

Топливо в распылитель подается через поплавковую камеру 7 с поплавком 10, предназначенную поддерживать одинаковый напор топлива в распылителе 4, что обеспечивается поддержанием постоянного уровня топлива. В камере имеется обратный клапан 9, а для преднамеренного повышения уровня топлива кнопка 8, нажатием которой открывается клапан. В канале 6 на пути от поплавковой камеры 7 к распылителю 4 установлен жиклер 11, сделанный в виде пробки с точно калиброванным отверстием, через которое пропускается ограниченное количество топлива.

Дроссельная заслонка 2 служит для регулирования количества смеси, подаваемой в цилиндр: при большем открытии дроссельной заслонки в цилиндры двигателя поступает больше смеси, поэтому двигатель развивает большую мощность. Наоборот, прикрывая дроссельную заслонку, уменьшают доступ смеси в цилиндры, в результате чего мощность двигателя снижается.

Горючая смесь, подаваемая в цилиндры, может быть «бедной» или «богатой» в зависимости от соотношения долей воздуха и топлива. Чем больше процентный состав топлива, тем богаче смесь. Воздушная заслонка 5 служит для временного обогащения смеси, главным образом в момент пуска двигателя и установления режима его работы. Это обогащение достигается поворотом воздушной заслонки, уменьшающим живое сечение канала, вследствие чего скорость потока воздуха возрастает, создается большее разрежение и увеличивается подача топлива через главный жиклер 11.

Для нормальной работы двигателя важно иметь смесь постоянного качества. Простейший карбюратор не обеспечивает этого постоянства. При прикрытии дроссельной заслонки уменьшается частота вращения двигателя и над распылителем создается меньшее разрежение, в результате чего истечение топлива будет слабее и смесь в цилиндры станет поступать обедненной.

Наоборот, с полным открытием дроссельной заслонки истечение топлива повышается и смесь обогащается.

Устранение этого недостатка в карбюраторах достигается постановкой дополнительного устройства, называемого компенсационным жиклером Д. Его размещают между поплавковой камерой и компенсационным колодцем 13, через который топливные каналы соединены с атмосферой. Благодаря этому через компенсационный жиклер подается постоянное количество топлива независимо от величины разрежения в диффузоре, т. е. независимо от режима работы двигателя.

С увеличением частоты вращения двигателя подача топлива через основной главный жиклер 11 увеличится и смесь обогатится, в то же время увеличится поступление воздуха, но так как компенсационный жиклер 12 подаст прежнее количество топлива, качество смеси будет прежним.

При снижении оборотов двигателя главный жиклер станет обеднять смесь, в то же время компенсационный жиклер, подавая одно и то же количество топлива при меньшем поступлении воздуха, будет обогащать смесь, в итоге ее качество не изменится.

Система зажигания карбюраторного двигателя (рис. 56) обеспечивает получение и распределение тока высокого напряжения (15 000-20 000 В), необходимого для образования искры в свечах зажигания, воспламеняющей рабочую смесь в цилиндре.

Система зажигания включает в себя: источники тока - аккумуляторную батарею 10 и генератор 1 с реле-регулятором 12, катушку зажигания 4, вариатор 5, прерыватель 2 с конденсатором 3, распределитель 7, свечи зажигания 6, выключатель зажигания 8 и провода низкого и высокого напряжения.

Прерыватель 2 состоит из кулачка с числом выступов, равным числу цилиндров двигателя, неподвижного контакта (наковальни) и подвижного контакта (молоточка), который при вращении кулачка отжимается его каждым выступом и разрывает

Рис. 56. Схема зажигания карбюраторного двигателя:

1 -¦ генератор; 2 - прерыватель; 3 - конденсатор; 4 - катушка зажигания; 5 - вариатор; 6 - свечи зажигания; 7 - распределитель; 8 -• выключатель зажигания; 9 - амперметр; 10 - батарея аккумуляторная; 11 - выключатель стартера; 12 - реле-регулятор контакты. Прерыватель связан с распределителем, состоящим из ротора и сегментов по числу цилиндров, и сидит на одном с ним валике, вращающемся от распределительного вала двигателя в 2 раза медленнее вращения коленчатого вала.

В момент размыкания контактов прерывателя исчезает магнитный поток, созданный первичной обмоткой; его силовые линии пересекают витки вторичной обмотки, индуктируя в ней ток высокого напряжения, который подается к ротору прерывателя и через соответствующие сегменты к свечам зажигания.

В работе системы зажигания следует различать следующие два момента. При включенном выключателе зажигания и на малых оборотах двигателя ток низкого напряжения протекает по следующей цепи: отрицательный полюс аккумуляторной батареи - масса - замкнутые контакты прерывателя - первичная обмотка катушки зажигания - вариатор - выключатель зажигания - амперметр 9 - положительный полюс батареи. Ток высокого напряжения протекает по следующей цепи: вторичная обмотка катушки зажигания - ротор распределителя - сегменты распределителя - свечи зажигания - масса - аккумуляторная батарея - выключатель стартера 11 - амперметр - выключатель зажигания - вариатор - первичная обмотка - вторичная обмотка катушки зажигания; при этом между ротором и сегментом, а также между электродами свечи проскакивает искра, последняя воспламеняет рабочую смесь в цилиндре.

На средней и большой частоте вращения двигателя система зажигания работает аналогично, как и на малых, лишь с изменением цепей прохождения токов низкого и высокого напряжения в силу того, что питание системы автоматически реле-регулятором 12 переключается на питание от генератора. Ток низкого напряжения в этом случае течет по цепи: отрицательный зажим генератора - масса - контакты прерывателя - первичная обмотка катушки - вариатор - выключатель зажигания - реле регулятора - положительный зажим генератора.

Так же изменяется и цепь питания тока высокого напряжения, а именно: вторичная обмотка - ротор распределителя - сегмент распределителя - свеча зажигания - масса - отрицательный зажим генератора - обмотка его якоря - реле-регулятор - выключатель зажигания - вариатор - первичная обмотка - вторичная обмотка.

По мере увеличения частоты вращения двигателя время замкнутого состояния контактов прерывателя уменьшается и в силу противодействия э. д. с. самоиндукции ток низкого напряжения не успевает достичь необходимого значения, создаваемое им магнитное поле ослабевает, в результате понижается высокое напряжение и двигатель работает неустойчиво.

Для устранения этого явления в цепь первичной обмотки включен вариатор (спираль сопротивления), который при снижении тока низкого напряжения остывает, сопротивление его снижается, в результате чего ток первичной обмотки повышается, а

Рис 57. Свеча зажигания следовательно, повышается и ток высокого напряжения. При малой же частоте вращения вала двигателя вариатор предохраняет катушку зажигания от перегрева. Конденсатор 3, включенный параллельно контактам прерывателя, ослабляет искрение и предохраняет контакт от обгорания.

Свеча зажигания (рис. 57) состоит из стального корпуса 5, ввертываемого в гнездо головки блока, сердечника б из изоляционного материала, тонкого стального стержня 2, выполняющего роль центрального электрода. Против нижнего конца центрального электрода расположен боковой электрод 1, закрепленный в корпусе свечи. Зазор между этими электродами образует искровой промежуток в 0,5-0,7 мм, через который проскакивает электрическая искра.

Корпус и сердечник свечи в собранном виде разделяются прокладкой 4.

В верхней части свечи имеется гайка 8 с шайбой 7. Во избежание просачивания газов из цилиндров свеча завинчивается в гнездо на медно-асбестовой прокладке 3. К верхнему концу центрального стержня присоединяется провод тока высокого напряжения, закрепляемый гайкой.

Смазка трущихся поверхностей двигателя имеет большое значение для его работы. К&к бы хорошо ни были обработаны трущиеся поверхности, между ними возникает трение, на которое бесполезно затрачивается энергия, в результате чего повышаются износ поверхностей и перегрев трущихся деталей.

Смазка трущихся поверхностей представляет собой не что иное, как разделение этих поверхностей друг от друга тонким слоем смазки. Вследствие того что сила сцепления частиц смазки между собой меньше, чем сила сцепления частиц смазки с поверхностью трущихся деталей, возникает трение не металла о металл, а трение в жидкостном слое.

Непрерывно подаваемая на поверхности трения смазка уносит, кроме того, мельчайшие частицы сработанного металла и охлаждает трущиеся поверхности.

Масло, применяемое для смазки трущихся поверхностей, в зависимости от характера смазываемых поверхностей и режима их работы должно обладать определенными качествами. Так, оно должно иметь необходимую вязкость, чтобы не выжиматься из зазора между поверхностями, обладать достаточной стойкостью против воспламенения, не содержать кислот, щелочей и твердых примесей.

Трущиеся поверхности двигателя смазывают разбрызгиванием, принудительной подачей масла, а также комбинированным способом. Наиболее простым способом смазки является разбрызгивание. В этом случае быстродвижущиеся детали (главным образом шатунно-кривошипного механизма) захватывают масло из нижней части картера и разбрызгивают его по всей поверхности в виде мельчайших капелек. Избыток смазки стекает обратно в масляную ванну картера

Однако этот способ не обеспечивает должной смазки деталей в труднодоступных местах Более надежно смазка осуществляется принудительным способом, когда подача масла к трущимся поверхностям происходит под давлением специальным насосом, обычно зубчатого типа, приводимым в движение от колен чатого вала двигателя

Система принудительной смазки включает в себя манометр, показывающий давление масла в магистрали, термометр для измерения температуры масла, а также радиатор для охлаждения отработанного масла, отстойник и фильтры. В двигателях применяется преимущественно комбинированная система смазки, при которой отдельные поверхности смазываются разбрызгиванием, а наиболее ответственные места - под давлением.

Система охлаждения двигателя. При работе двигателя выделяется большое количество тепла, вследствие чего повышается температура нагрева деталей, и если не принять мер к охлаждению их, то двигатель перегреется и нормальный режим работы нарушится

При перегреве масло теряет свою вязкость, условия смазки ухудшаются, масло начинает выгорать, наступает ускоренный износ деталей и на рабочих поверхностях могут появиться задиры, приводящие к авариям.

Охлаждение в двигателях достигается главным образом за счет пропуска охлаждающей воды через полости между двойными стенками деталей цилиндра и головки блока Вода, омывая горячие стенки деталей, отнимает часть тепла. Система охлаждения включает в себя полости охлаждаемых деталей, магистрали, радиатор, насос, вентилятор.

Если охлаждающая вода циркулирует за счет разности в плотности нагретой и холодной воды, то такая система называется термосифонной. В этом случае вода, отнявшая часть тепла от стенок охлаждаемых деталей, поднимается вверх и поступает в радиатор, уступая место более холодной воде, выходящей из радиатора. Радиатор этой системы обязательно должен быть расположен выше охлаждаемых деталей

Термосифонная система недостаточно эффективно охлаждает детали, поэтому в современных двигателях используется система охлаждения с принудительной циркуляцией воды от водяного насоса преимущественно центробежного типа.

Радиатор представляет собой два бачка (верхний и нижний), соединенных между собой боковыми стойками и сердцевиной, со стоящей из ряда вертикальных трубочек, пропущенных через горизонтальные пластинки, которые увеличивают поверхность охлаждения. Для большей эффективности радиатор охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором.

Чтобы облегчить пуск двигателя, в особенности в зимнее время, в систему охлаждения заливают горячую воду. В некоторых мощных двигателях используют пусковой двигатель, система охлаждения которого соединена с системой охлаждения основного двигателя. Работая, пусковой двигатель нагревает воду в общей системе охлаждения, чем облегчает пуск основного двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания и принцип их работы | Грузоподъемные краны на железнодорожном ходу | Краткое Описание дизелей К-559 и К-661