Казалось бы, нет ничего сложного в реализации герметичного пространства для сгорания топлива. До тех пор, пока не задумаешься о том, что как минимум одна "стенка" постоянно движется, а газы внутри должны периодически обновляться.
Устройство камеры сгорания
Выше приведен рисунок из классического, возможно, еще советского пособия по устройству автомобиля. Здесь изображен двигатель как раз в момент, когда поршень находится в крайнем верхнем положении (т.н. "верхняя мертвая точка" - ВМТ). Сверху цилиндра находится свеча зажигания, которая подает искру, а по бокам от нее - впускной и выпускной клапаны. Через впускной клапан в цилиндр впускается топливовоздушная смесь, а через выпускной выходят выхлопные газы.
Камера сгорания двигателя с непосредственным впрыском отличается только тем, что через впускной цилиндр подается только воздух, а внутрь цилиндра "торчит" еще топливная форсунка:
Итак, что же надо тут герметизировать?
Во-первых, нужно, чтобы на такте сжатия из цилиндра не выходила топливовоздушная смесь (иначе она вся уйдет, и сгорания просто не будет), а на такте рабочего хода - чтобы из цилиндра не уходили выхлопные газы (иначе они не выполнят полезной работы - не будут толкать поршень вниз). То есть, герметичность нужна "газовая" (термин технически не совсем верный, но для простоты употребим его).
Во-вторых, нужно, чтобы в камеру сгорания не попадало масло. Попадание масла в камеру сгорания имеет целую кипу неприятных последствий, о которых лучше рассказать в другой раз. Просто примем как факт - попадать оно в камеру сгорания не должно, поэтому от него тоже надо обеспечить герметичность.
Кроме того, на первом рисунке можно также увидеть, что верхняя и нижняя часть камеры сгорания - раздельные. Именно так устроено подавляющее количество современных моторов. Нижняя часть, с поршнями, называется "блок цилиндров", а верхняя, со свечой, клапанами и (для непосредственного впрыска) форсунками, называется "головка блока цилиндров" (ГБЦ).
Уплотнения от ухода газов
Газы из цилиндра могут уходить чисто теоретически вообще через любое отверстие: через свечное отверстие, через уплотнение форсунки, через клапаны, в зазор между поршнем и стенкой цилиндра, а также через соединение ГБЦ с блоком цилиндров. И вот как это решается.
Свеча зажигания
Это самое простое место для реализации уплотнения. Она вкручивается в головку блока цилиндров, а заканчивается резьбовая часть свечи мягкой шайбой, которая при затягивании расплющивается и герметизирует соединение.
В качестве экзотики встречается также коническая посадка без прокладки.
Форсунка в двигателях с непосредственным впрыском
Здесь принцип уплотнения еще проще. Ее длинный "носик" вставляется в соответствующее отверстие. Входит он туда и так довольно плотно (непосредственный впрыск - мир высоких технологий и прецизионных решений), да еще и оканчивается тефлоновым колечком для уплотнения. Это решает вопрос герметичности полностью:
Клапаны
Уплотнить клапаны (или, как это принято в околоавтомобильной среде - клапанА) - задача посложнее. Ведь клапан бьет о свое посадочное место тысячи раз в минуту. Никакая резина или тефлон не выдержат этого. Потому здесь не остается никаких других решений, кроме тщательной обработки той поверхности, где тарелка клапана закрывает доступ в камеру сгорания. Это место называется "седло клапана", и оно притирается до обеспечения полной герметичности:
Поршень-стенка цилиндра
Здесь самое интересное. Это тот случай, когда отсутствие зазора приведет к механическим повреждениям, а наличие зазора приведет к утечкам газов, как следствие - понижению мощности и некоторым другим минусам. Решение разработчиками двигателей было найдено, в общем-то, гениальное. И, конечно же, простое - как всегда после того, как нам уже рассказали, как что-то устроено:
На поршень надеваются несколько колец. Они подпружинены и в свободном состоянии существенно "выпирают" за размеры поршня. Перед установкой в цилиндр они поджимаются, а после попадания в цилиндр - упираются в его стенки, обеспечивая достаточную герметичность. Верхние кольца - сплошные, и предназначены для герметизации от рабочих газов (топливовоздушной смеси и отработавших, выхлопных газов), они называются "компрессионные" - потому что обеспечивают достижение давления (компрессии) в цилиндре. Нижнее кольца называется маслосъемным, и о нем мы поговорим ниже.
Головка блока цилиндров
Вот так выглядит ГБЦ:
Вот так выглядит блок цилиндров:
Если эти две детали соединить - получится двигатель. Но сначала надо решить несколько задач. Во-первых, не должны уходить газы из камеры сгорания. Во-вторых, и в ГБЦ, и в блоке цилиндров есть каналы, через которые масло подается к трущимся поверхностям - надо, чтобы оно оттуда никуда не делось. В-третьих, аналогичные каналы есть для охлаждающей жидкости.
Чтобы обеспечить такую герметичность, первый шаг - обеспечение высокого качества обработки сопрягаемых поверхностей. Плоскости должны быть "плоскими" с точностью до сотых долей миллиметра. Второй шаг - использование специальной прокладки, которая будет одновременно достаточно мягкой, чтобы компенсировать все имеющиеся неровности и достаточно прочной, чтобы выдержать температуру и давление в камере сгорания. Ну и впридачу - она должна быть стойкой к маслу и антифризу.
Наконец, последний шаг - правильный момент затяжки болтов, крепящих ГБЦ к блоку цилиндров. Если их недотянуть - прокладка будет поджата недостаточно, и не обеспечит герметичность. Если их перетянуть - можно деформировать прокладку, и она не обеспечит герметичность. Если протянуть болты в неправильной последовательности, прокладка тоже может деформироваться - и да, вы совершенно правы, не обеспечит герметичности.
Уплотнения от попадания масла
С маслом ситуация немного проще. В сущности, оно может попадать в камеру сгорания только со стенок цилиндра или со стержней клапанов.
Уплотнение клапанов
Распределительный вал (12) кулачком нажимает на коромысло (10), которое давит на клапан (2). Это происходит с каждым оборотом двигателя, то есть, несколько тысяч раз в минуту Все эти детали постоянно испытывают трение. Поэтому без масла будет моментальный и катастрофический износ. А вот чтобы масло не попадало ниже, в камеру сгорания, на стержень клапана и надевается маслосъемный колпачок. Вот как он выглядит вживую:
Уплотнение поршней
С поршнями ситуация аналогична клапанам. Без масла там никуда. Поэтому и решение принято аналогичное - одно из колец, установленных на поршне, предназначено не для поддержания компрессии, а для снятия масла со стенок цилиндра, за что и называется маслосъемным:
Пара слов о дизелях
Дизели, несмотря на принципиально другой принцип воспламенения топлива, имеют ровно тот же конструктив и те же способы уплотнения. Разве что вместо свечей зажигания там свечи накаливания.
Почему полезно все это знать?
Знания эти - не сухие академичные сведения. Львиная доля неисправностей двигателя связаны именно с нарушением тех или иных уплотнений. Именно этим, например, объясняется повышенный "масложор" в подавляющем большинстве случаев. В следующей публикации мы рассмотрим устройство системы вентиляции картера, а после - типовые причины ухода масла из двигателя.
