Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя . До сих пор мы рассматривали устройство и работу одноцилиндрового двигателя. На большинстве легковых автомобилей преимущественно используют четырехцилиндровые двигатели, хотя на той же «Оке» установл ен двигатель, состоящий всего из двух цилиндров. Существуют и автомобили с шести-, восьми- и двенадцатицилиндровыми двигателями. Многоцилиндровые двигатели легковых автомобилей имеют либо обычное расположение цилиндров - в один ряд, либо V-образное. В первом случае цилиндры расположены в одну линию, во втором - в два ряда с некоторым углом между ними. Далее мы будем изучать четырехцилиндровый двигатель, пока еще самый распространенный в легковом автомобилестроении. Устройство кривошипно-шатунного механизма четырехцилиндрового двигателя показано на рис. 2.6. В блоке цилиндров (см. рис. 2.6) расположены поршни, шатуны и коленчатый вал, образующие шатунно-поршневую группу, а также другие системы двигателя . Блок цилиндров отливают либо из чугуна (двигатели ВАЗ), либо из алюминиевого сплава (двигатели АЗЛК, УАЗ, ЗМЗ). В нем предусмотрены литые и высверленные каналы и отверстия, а также места установки подшипников. На подшипниках в блоке цилиндров вращается коленчатый вал (рис. 2.11). Между двойными стенками блока циркулирует охлаждающая жидкость, а по специальным каналам - масло. Наружное оборудование двигателя также монтируется преимущественно на блоке цилиндров. Нижняя часть блока называется картером и представляет собой поддон (резервуар) для масла. Головка блока цилиндров закрепляется на блоке через металлоасбестовую прокладку, закрывая собой цилиндры сверху. В головке блока расположены камеры сгорания, клапаны и свечи зажигания, а также на большинстве двигателей легковых автомобилей - распределительный вал. В ней, как и в блоке цилиндров, предусмотрены каналы и полости для охлаждающей жидкости и масла. Головка крепится к блоку цилиндров с помощью резьбовых соединений, а сверху через прокладку закрывается штампованной крышкой. 4 Рис. 2.11. Устройство коленчатого вала двигателя: 1 - шатунная шейка; 2 - противовес; 3 - коренная шейка; 4 - маховик Особенности работы шатунно-поршневой группы изложены при рассмотрении принципа работы одноцилиндрового двигателя. Чтобы представить себе «скорострельность» работы двигателя легкового автомобиля, познакомимся с некоторыми цифрами. Около 1000 оборотов в минуту совершает коленчатый вал двигателя на холостом ходу, т.е. за секунду он совершит около 16 полных вращений. При движении автомобиля число оборотов возрастает от 2 до 5 раз, т.е. всего лишь за одну секунду коленчатый вал совершит до 80 оборотов. А вы не забыли, что коленчатый вал связан с поршнями? Причем всего за пол-оборота вала поршень проделает весь путь в цилиндре сверху вниз или наоборот, а за полный оборот - совершит два пробега, причем с полной остановкой в верхней и нижней мертвых точках и последующим изменением направления движения на противоположное. При этом поршни перемещаются в цилиндрах в условиях очень высоких температур и давления. Например, в двигателе ВАЗ-2106 за шесть минут работы на холостых оборотах каждый из четырех поршней проделает в его цилиндрах путь в 1 км. На повышенных оборотах этот километр поршень преодолеет за минуту. И это при том, что поршень в этом двигателе перемещается всего на 8 см. Газораспределительный механизм Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в цилиндры двигателя горючей смеси и выпуска отработавших газов в соответствии с протеканием рабочего цикла. Кроме того, он обеспечивает надежную изоляцию камеры сгорания от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода. Устройство газораспределительного механизма показано на рис. 2.6 и 2.14. Распределительный вал на большинстве двигателей легковых автомобилей установлен на головке блока цилиндров. Его образуют кулачки (эксцентрики), ко- Рис. 2.12. Цепной привод ГРМ: 1 - зубчатый шкив при вода распределительного вала ; 2 - цепь; 3 - успо коитель цепи; 4 - зубчатый шкив при вода масляного насоса; 5 - зубчатый шкив ко ленчатого вала ; 6 - баш мак натяжителя цепи; 7 - натяжител ь цепи Рис. 2.13. Ременный привод ГРМ: 1 - зубчатый шкив на коленчатом валу ; 2 - зубчатый ремень; 3 - шкив насоса охлаждающе й жидко сти; 4 - натяжной ро лик ; 5 - зубчатый шкив распредели тельного вала количество которых соответствует количеству клапанов двигателя, т.е . каждый кулачок работает только со своим конкретным клапаном. При вращении распределительного вала его кулачки воздействуют через рычаги на клапаны (помните, ранее мы говорили, что они похожи на гвозди с большими шляпками). Этим обеспечивается своевременное (согласованное с положением поршней в цилиндрах) открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Вы уже поняли, что для открытия и закрытия клапанов должен повернуться распределительный (он же кулачковый) вал. Распределительный вал в двигателях большинства отечественных легковых автомобилей получает вращение от коленчатого вала самым «примитивным» образом: либо с помощью цепной передачи (рис. 2.12), либо зубчатым ремнем (рис. 2.13), натяжение которых можно отрегулировать специальными устройствами. Преимущества ременного привода заключаются в низкой шумности его работы, простоте установки, отсутствии смазки, упрощении конструкции двигателя и снижении его массы. Натяжение в цепном приводе регулируется подпружиненным плунжером, а ремня - роликом. В настоящее время большинство автомобильных двигателей оснащают ременным приводом распределительного вала. Теперь вновь вернемся к работе одноцилиндрового двигателя и на его примере изучим работу газораспределительного механизма. Итак, распределительный вал, получив вращение от коленчатого вала, поворачивается. В результате его кулачок набегает на рычаг или непосредственно на толкатель, который нажимает на стержень подпружиненного клапана и, преодолев сопротивление пружины, открывает его (рис. 2.15). При дальнейшем вращении распределительного вала кулачок сбегает с рычага (толкателя) и под воздействием пружины клапан закрывается (рис. 2.16). Кулачки на распределительном валу размещены относительно друг друга определенным образом, и вращение коленчатого и распределительного валов согласовано так, что впускной клапан открывается в начале такта впуска (поршень в цилиндре находится в ВМТ), а выпускной - в начале такта выпуска (поршень в цилиндре находится в НМТ). На самом деле для лучшего наполнения цилиндров рабочей смесью впускной клапан открывается чуть раньше того момента, когда поршень достиг ВМТ, а выпускной (для лучшей очистки от отработавших Рис. 2.17. Проверка зазора между рычагами и кулачками распределительного вала: 1 - щуп; 2 - регулировочный болт ; 3 - контргайка регулировочного болта . газов) - несколько раньше, чем поршень добрался до НМТ. В результате впускной клапан начинает открываться в тот момент, когда выпускной клапан еще полностью не закрылся. Такое положение клапанов называется их перекрытием. Во время тактов сжатия или рабочего хода оба клапана в цилиндре надежно закрыты. Тепловой зазор между рычагом и кулачком распределительного вала регулируется на холодном двигателе (рис. 2.17). Этот зазор составляет доли миллиметра и контролируется специальным щупом. Конкретный зазор, необходимый конкретному двигателю, указан в руководстве по его эксплуатации. Известно, что при нагреве тела расширяются, в том числе и детали газораспределительного механизма. Если тепловой зазор станет меньше необходимого, то клапан откроется на большую величину, но самое неприятное то, что он не успеет закрыться в нужный момент либо из-за теплового удлинения его ножки останется приоткрытым. Все это приведет к снижению мощности двигателя, а его длительная эксплуатация в таких условиях - к «прогару» клапана и выходу двигателя из строя. Увеличенный сверх нормы тепловой зазор приведет к тому, что клапан не сможет открываться полностью. Такое нарушение регулировки впускного клапана не позволит горючей смеси в нужном количестве заполнить цилиндр, а выпускного - затруднит очистку цилиндров от отработавших газов. При эксплуатации двигателя необходимо постоянно следить за натяжением цепи или зубчатого ремня привода распределительного вала. Кроме того, владельцам автомашин с двигателями, в которых установлен ременный привод распределительного вала, следует периодически проверять не только натяжение, но и состояние ремня, чтобы не опоздать с заменой. Обрыв ремня при работающем двигателе не только обездвижит автомобиль, но и может привести к серьезной поломке двигателя. Система охлаждения При сгорании топливовоздушной смеси выделяется значительное количество тепла, способного вывести из строя агрегаты двигателя. Что же произойдет при перегреве? Подвижные элементы расширятся, поршни заклинит в цилиндрах, а многие детали будут изогнуты или просто сломаны. Кстати, масло при высокой температуре теряет смазывающую способность, разлагаясь на составные части. Д ля отвода избыточного тепла предназначена система охлаждения. Она же поддерживает оптимальный тепловой режим работы двигателя. На автомобилях в подавляющем большинстве случаев применяется жидкостная система охлаждения. Нормальная температура охлаждающей жидкости работающего двигателя составляет 80-95°С. При пуске холодного двигателя система охлаждения помогает двигателю по возможности быстрее достичь рабочей температуры. О том, как это делается, чуть позже. А пока познакомимся с конструкцией этой системы. Жидкостная система охлаждения с принудительной циркуляцией состоит из следующих основных элементов: Рис. 2.18. Система охлаждения двигателя: 1 - пробка расширительног о бачка; 2 - датчик уровня охлаждаю щ е й жидкости ; 3 - расширительны й бачок; 4 - шлан г от радиатора к расширительном у бачку ; 5 - выпускной патрубок головк и блок а цилиндров ; 6 - отводящи й шлан г радиатора ; 7 - подводящи й шлан г радиатора; 8 - датчи к включения электродвигател я вентилятора ; 9 - левы й бачок радиатора ; 10 - электродвигател ь вен тилятора ; 11 - вентилятор ; 12 - охлаждающи е трубк и радиатора ; 13 - охлаждающи е пластин ы радиатора ; 14 - правый бачок радиатора; 15 - сливна я пробка ра диатора ; 16 - ремень привода распределительног о вал а и насоса охлаждающе й жидкости ; 17 - насос охлажда юще й жидкости ; 18 - шлан г подвода жидкост и к отопи - телю ; 1 9 - шлан г отвод а жидкост и от отопителя ; 20 - шлан г отвод а жидкост и к расширительном у бачку ; 21 - датчик указателя температуры охлаждающей жидкости; 22 - термоста т - рубашки охлаждени я (двойных стенок блока цилиндров и головок, пространство между которыми заполнено охлаждающей жидкостью); - радиатора, выполняющего функцию теплообменника и состоящего из двух бачков, соединенных большим количеством трубок; - расширительного бачка, поддерживающего постоянный объем циркулирующей жидкости и определенное давление в системе; - насоса, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей жидкости в системе; - термостата (автоматического клапана, открывающегося при достижении охлаждающей жидкостью температуры 90-102 °С); - вентилятора, обеспечивающего прокачку воздуха между трубками радиатора; - трубопроводов. Более подробно устройство системы охлаждения представлено на рис. 2.18. В большинстве автомобилей в качестве охлаждающей жидкости применяют специальные составы с низкой температурой кристаллизации — антифризы (от английского «antifreeze» - незамерзающий). Все охлаждающие жидкости ядовиты, так как представляют собой водный раствор этиленгликоля и могут проникать в организм через кожу . Эта смесь агрессивна не толь ко к организму человека, но и к самой системе охлаждения. Она разрушает сталь, алюминий, чугун, медь. Чтобы уберечь детали системы охлаждения от разрушения, в антифризы добавляют целый комплекс присадок: противокоррозионных (ингибиторы), антивспенивающих и стабилизирующих. Предприятия-изготовители присваивают антифризам фирменные названия (например, «Тосол» , «Лена» и т.п.) и (или) указывают температуру их замерзания, точнее кристаллизации (Тосол А-40, ОЖ-40, 0Ж-65, где 0Ж - охлаждающая жидкость). Импортные антифризы для легковых автомобилей, произведенные на основе этиленгликоля, должны соответствовать нормам ASTM (Американская ассоциация по испытанию материалов) и SAE (Общество автомобильных инженеров США): ASTM D 3306 и ASTM D 4656. Кроме основных стандартов, большинство изготовителей учитывают и дополнительные требования (например, нормы General Motors USA - Antifreeze Concentrate GM 1899-M, GM 6038-М или система нормативов G концерна Volkswagen). За рубежом также изготавливают антифризы на основе пропиленгликол я . Такой антифриз менее токсичен, однако он почти на порядок дороже. В процессе эксплуатации антифриз стареет: в нем снижается концентрация ингибиторов, ухудшается теплопередача, возрастает пенообразование, он начинает вступать в реакции с деталями системы охлаждения. Ресурс охлаждающий жидкости связан с пробегом автомобиля. Преждевременное старение наступает в том случае, если в систему охлаждения проникают отработавшие газы или регулярно попадает воздух. Поэтому необходимо своевременно обнаруживать утечки жидкости и следить за состоянием и креплением трубопроводов. Своевременно заменяйте антифриз. Сроки замены указаны в инструкции по эксплуатации вашего автомобиля. Уровень антифриза в системе охлаждения может понизиться при испарении из него воды или при утечках (негерметичности системы). В первом случае нужно доливать дистиллированную воду (если ее нет, то хотя бы прокипяченную), во втором - охлаждающую жидкость той же марки. Отечественные антифризы можно смешивать, если они произведены по одним техническим условиям (ТУ). Если номера ТУ различаются, то охлаждающие жидкости могут быть несовместимы. Поэтому в сомнительных случаях целесообразно использовать воду, а затем заменить всю жидкость в системе. Механический насос (помпа) обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по полым зонам неподвижных частей двигателя (рубашке охлаждения). Тепло, образующееся при работе двигателя, поглощается циркулирующей жидкостью, а при прохождении последней через радиатор - воздухом. Радиатор отдает тепло воздуху, который обтекает трубки. Воздух проходит через радиатор под действием электрического вентилятора или в некоторых автомобилях механического вентилятора, который приводится в движение от коленчатого вала (в последнем случае вентилятор работает постоянно, пока работает двигатель). В большинстве автомобилей, выпускаемых в настоящее время, используются электрические вентиляторы. Они включаются при достижении определенной температуры охлаждающей жидкости. В остальное время охлаждение происходит воздухом, проходящим через радиатор за счет движения транспортного средства. При нагревании тела расширяются, то же самое происходит и с охлаждающей жидкостью. Вы, наверное, обращали внимание, как пластиковая бутыль для воды, даже пустая, разбухает в теплом помещении и сморщивается на холоде. Для предохранения от разрушения элементов системы охлаждения при нагревании жидкости использован расширительный бачок. Именно в него отводится избыточная жидкость и пар, а с помощью клапана,