0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое механизмы двигателя

Газораспределительный механизм двигателя

Устройство автомобилей

Анализ развития энергетических установок для автомобильного транспорта показывает, что в настоящее время двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является основным силовым агрегатом, и его дальнейшее совершенствование имеет большие перспективы.

Автомобильный поршневой двигатель внутреннего сгорания представляет собой комплекс механизмов и систем, служащих для преобразования тепловой энергии сгорающего в цилиндрах топлива в механическую работу.

Основу механической части любого поршневого двигателя составляют кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и газораспределительный механизм (ГРМ) .
Кроме того, тепловые двигателя оснащены специальными системами, каждая из которых выполняет определенные функции по обеспечению бесперебойной работы двигателя.
К таким системам относятся:

  • система питания;
  • система зажигания (в двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси) ;
  • система пуска;
  • система охлаждения;
  • система смазки (смазочная система) .

Каждая из перечисленных систем состоит из отдельных механизмов, узлов и устройств, а также включает специальные коммуникации (трубопроводы или электропровода) .

Кривошипно-шатунный механизм двигателя

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Очевидно, что передавать вращательное движение между отдельными механизмами, агрегатами и узлами автомобиля значительно проще, чем циклическое поступательное движение, которое описывает поршень, перемещаясь в цилиндре.
Кроме того, конечное звено трансмиссии автомобиля – его колеса – перемещают автомобиль посредством вращения, поэтому назначение КШМ вполне понятно.
Можно допустить, что для транспортного средства, перемещающегося по дороге с помощью, например, шагающих устройств или циклических движителей, преобразование поступательного движения во вращательное не является обязательным. Но автомобиль — колесное транспортное средство (по определению) , что обуславливает присутствие кривошипно-шатунного механизма в конструкции автомобильного двигателя.

Газораспределительный механизм двигателя

Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает поступление в цилиндры двигателя заряда рабочей смеси (в двигателях с внешним смесеобразованием) или воздуха (в двигателях с внутренним смесеобразованием) , а также для удаления (выпуска) отработавших газов и продуктов сгорания топлива.
При этом газораспределительный механизм должен обеспечивать обмен газов в цилиндрах в строго определенное время, соответственно тактам работы двигателя, и в необходимом количестве, обеспечивающем качественный состав рабочей смеси для полного сгорания топлива и получения максимального эффекта от выделяемой при этом теплоты.

Система питания двигателя

В цилиндрах автомобильного двигателя сгорает смесь воздуха (точнее – кислорода, содержащегося в воздухе) и горючего, в качестве которого чаще всего используются дизельное топливо (солярка) , газовое топливо, либо бензин. Система питания предназначена для подачи топлива и воздуха в цилиндры двигателя в нужном количестве и определенных пропорциях.
Различают два основных типа систем питания двигателей: системы с внешним смесеобразованием , в которых воздух и топливо смешиваются вне цилиндра двигателя, а также с внутренним смесеобразованием , в которых топливо и воздух подаются в цилиндры раздельно и смешиваются внутри цилиндра.

К первому типу можно отнести системы питания, оснащенные специальным смесительным устройством – карбюратором, обеспечивающим распыл топлива в воздушной струе и перемешивание компонентов смеси, которая затем поступает в цилиндры двигателя. К двигателям с внешним смесеобразованием относятся некоторые типы двигателей с впрыском бензина (инжекторные двигатели с центральным или распределенным впрыском во впускной коллектор) , а также многие типы газовых двигателей.

Ко второму типу относятся дизельные и инжекторные системы питания с непосредственным впрыском, обеспечивающие заполнение цилиндров двигателя атмосферным воздухом с последующим впрыском топлива с помощью специальных устройств непосредственно в камеру сгорания, где и происходит смешивание топлива с кислородом воздуха. При этом воспламенение смеси в дизельных двигателях осуществляется посредством сильного сжатия самовоспламенением, а в инжекторных — принудительно, от искры.
Некоторые типы газовых двигателей тоже используют внутреннее смесеобразование.

Система зажигания

Назначение этой системы – принудительное воспламенение рабочей смеси в бензиновых и газовых двигателях. Дизельные двигатели не нуждаются в системе зажигания – воспламенение рабочей смеси в них осуществляется благодаря высокой степени сжатия воздуха в цилиндрах, который в буквальном смысле становится раскаленным.

В современных двигателях чаще всего используется воспламенение смеси искровым электрическим разрядом, однако, это – не единственное возможное техническое решение – так, например, в конструкциях первых тепловых двигателей внутреннего сгорания применялись запальные трубки, воспламеняющие рабочую смесь горящим веществом.
Возможны и другие способы поджигания смеси, однако, наиболее удобной для практического применения в настоящее время считается электроискровая система зажигания.

Система пуска двигателя

Система пуска обеспечивает вращение коленчатого вала двигателя при его запуске. Это необходимо для начала функционирования механизмов и систем, обеспечивающих работу двигателя – кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем питания и зажигания.

Для запуска современных автомобильных двигателей чаще всего применяются системы пуска с помощью привода от специального электрического двигателя – стартера. Этот способ запуска двигателя внутреннего сгорания является удобным, надежным и легко осуществимым. Однако, существуют и другие технические решения этой задачи, например, посредством пневматического мотора, работающего на запасе сжатого воздуха в ресиверах (специальных баллонах) автомобиля или полученного от небольшого компрессора с электроприводом.

Простейшая система пуска двигателя – заводная рукоятка, с помощью которой водитель (или его помощник) проворачивают коленчатый вал, обеспечивая тем самым начало работы механизмов и систем двигателя. В недалеком прошлом заводная рукоятка являлась непременной принадлежностью, которую водитель брал с собой в путь. Однако, при несомненной простоте этого «устройства», комфорта и удобства использования автомобиля такой метод пуска двигателя не добавляет, поэтому в кабине современного автомобиля заводную рукоятку (или, как ее называли в шутку водители – «кривой стартер») вы найдете вряд ли.
Кроме того, с помощью ручного пуска сложно запустить дизель – не позволяет высокая степень сжатия и вероятность травмирования водителя при запуске.

Читать еще:  Блок управления двигателем характеристики

Система охлаждения двигателя

Как и следует из названия, эта система предназначена для поддержания баланса температуры работающего двигателя. Сжигание рабочей смеси в цилиндрах сопровождается сильным нагревом узлов и деталей двигателя, которые нуждаются в постоянном охлаждении, чтобы избежать перебоев в работе и поломок, обусловленных, например, температурными расширениями металла или даже прогоранием деталей и элементов конструкций.
Наиболее распространены два типа систем охлаждения, применяемые в автомобильных двигателях – жидкостная и воздушная; о принципах их действия можно догадаться по названию.

Из теплотехники известно, что для эффективного охлаждения двигателя необходим теплообменник, имеющий большую площадь поверхности для передачи тепла. В двигателях с жидкостным охлаждением в качестве такого теплообменника используется радиатор, состоящий из большого количества трубок, сквозь которые перемещается нагретая жидкость, отдавая тепло стенкам. Суммарная площадь поверхности трубок в радиаторе очень большая, а эффективность отвода тепла повышается специальным вентилятором, установленным рядом с радиатором.

В двигателях с воздушным охлаждением для этих целей применяют оребрение поверхностей наиболее нагреваемых деталей (цилиндров и их головок) , в результате чего площадь теплообмена значительно увеличивается.
Воздушные системы охлаждения на современных быстроходных двигателях применяются редко из-за низкой эффективности (по сравнению с жидкостной системой охлаждения) . Чаще всего охлаждение воздухом используют в низкооборотистых, мотоциклетных или небольших двигателях внутреннего сгорания, не предназначенных для выполнения тяжелой механической работы, а также для работы в условиях хорошего обдува (самолетные ДВС) .

Система смазки двигателя

Система смазки предназначена для уменьшения потерь механической энергии на преодоление сил трения, возникающих между сопрягаемыми подвижными деталями в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах.
Кроме того, смазывание деталей способствует уменьшению их износа и частичному охлаждению.

Чаще всего в конструкции автомобильных двигателей применяется смазка деталей под давлением, когда из отдельного резервуара масло подается по трубопроводам и каналам с помощью насоса к деталям, нуждающимся в смазке.
Некоторые детали механизмов смазываются благодаря разбрызгиванию масла или посредством периодического окунания в масляную ванну.

Представленный ниже видеоролик поможет лучше понять общее устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Как работают вспомогательные механизмы двигателя автомобиля

Во многих смыслах двигатель поддерживает себя сам, т.к. он поставляет энергию вспомогательным механизмам, без которых не может эффективно работать.

Назначение вспомогательных механизмов

Для слаженной работы всех механизмов требуется постоянная дозированная подача топлива, рассеивание тепла и смазка для уменьшения трения. Для управления вспомогательными устройствами, как правило, используется механический привод. Основным источником энергии является коленчатый вал, управляющий устройствами посредством шестерней, звездочек, цепей или ремней.

Запуск двигателя

Мощный электромотор, вращающий коленчатый вал, напрямую подключается к батарее, мощности которой достаточно для запуска четырехтактного цикла.

При запуске (особенно холодном) нагрузка на батарею максимальна, т.к. стартерный мотор должен преодолеть сопротивление двигателя. Кроме того, другие электроприборы (например, сигнальные лампы) потребляют много энергии, поэтому напряжение батареи не должно падать ниже 12В.

Зарядка батареи

Зарядка батареи осуществляется с помощью генератора. Ранее эту роль исполняли динамо-машины, в современных автомобилях используются генераторы переменного тока, управляемые коленчатым валом. Выходные параметры генератора определяются требования электрической цепи так, чтобы батарея получала ток, необходимый ей для зарядки.

Зажигание

Для своевременного воспламенения топливной смеси ток небольшое напряжение батареи усиливается с помощью катушки зажигания, которая представляет собой своего рода трансформатор.

Ток небольшой силы проходит через первичную обмотку катушки и подается на контакты прерывателя, расположенные в распределителе.

При размыкании контактов ток прерывается, его всплеск повышает напряжение во вторичной обмотке катушки.

После этого распределитель подает сильный ток на свечи зажигания. Каждая свеча снабжена двумя электродами, которые расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Сильный ток без труда преодолевает это расстояния, и свеча загорается, поджигая смесь топлива и воздуха.

Управление насосами

Бензиновый насос подает топливо в карбюратор. Насос может быть механическим или электрическим. Механические насосы включаются дисками со смещенным центром (своеобразными кулачками), расположенными на распределительном вале. Электрические насосы обычно располагаются рядом с топливным баком.

В автомобилях с водяной системой охлаждения водяной насос с ременным приводом от коленчатого вала обеспечивает движение жидкости по каналам.

Масляный насос, подающий смазочную жидкость в двигатель, работает напрямую от распределительного или коленчатого вала.

Процесс смазки двигателя

Система смазки

Масло из насоса проходит по каналам в коленчатом вале, блоке и подшипникам распределительного вала.

Сила трения между металлическими подвижными частями в двигателе минимизируется за счет тонкого слоя масла.

Масло хранится в баке (зумпфе), который находится в нижней части двигателя. Масляный насос всасывает масло из бака, подает к подвижным частям по трубам и каналам, а затем возвращает его обратно.

Масло находится под давлением и перемещается со скоростью несколько литров в минуту. Давление в насосе ограничивается предохранительным клапаном. При чрезмерном повышении давления клапан открывается, и лишнее масло уходит в бак.

Читать еще:  Двигатель била своими руками

Масло, которое выталкивается шейкой коленчатого вала, попадает на стенки цилиндра. Этот процесс также известен как барботаж (смазывание разбрызгиванием).

Перед тем, как попасть в двигатель, масло проходит через фильтр, который находится в насосе и убирает лишнюю смолу и абразивные элементы.

Если в результате поломки деталей давление или уровень масла в насосе падает, подвижные части механизма быстро изнашиваются и в конечном итоге заклинивают.

Нагнетание масла

Существует два вида масляных насосов — роторного и шестеренного типа.

Типы масляных насосов

Насос шестеренного типа

В насосе шестеренного типа давление создается при движении двух шестерней.

Насос роторного типа

В насосе роторного типа давление создается при движении двух роторов — внешнего и внутреннего.

Роторы снабжены лопастями и вращаются на разных осях. Насос шестеренного типа снабжен двумя сцепленными шестернями. Такой насос может находиться в корпусе двигателя или за его пределами.

Движущиеся шестерни или лопасти роторов создают давление в масле, захваченном из бака.

Фильтры для масла, используемые для отделения смолы и мелких отходов, обычно изготавливаются из гофрированной бумаги, пропитанной смолой.

Такие фильтры не поддаются чистке, поэтому их необходимо регулярно менять, т.к. грязные фильтры препятствую нормальному току чистого масла.

Как работает ДВС

При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх–вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения. У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке.

За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз).

При постоянной скорости вращения коленчатого вала, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре — в верхней (ВМТ) и нижней части (НМТ). В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения.

Кривошипно шатунный механизм: дьявол кроется в деталях

Условно элементы кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две большие подгруппы: подвижные и неподвижные части.

К первой относятся поршни с кольцами и пальцами, шатуны, коленчатый вал (в простонародье коленвал), а также маховик.

Блок цилиндров

Неподвижные элементы КШМ представлены блоком цилиндров и головкой блока цилиндров, картером, а также прокладкой, расположенной между блоком и головкой.

Поршень

А теперь чуточку подробнее о роли каждого из актёров театра кривошипно шатунного механизма. Одним из первых удар сгорающей топливно-воздушной смеси принимает на себя поршень.

Этот героический элемент представляет собой металлическую цилиндрическую деталь, грубо говоря, имеющую форму стакана.

На самом деле его форма довольно непростая – с канавками, выпуклостями, отверстиями и вырезами.

Все эти сложности форм нужны не только для эффективной работы мотора. Чтобы было где разместить поршневые кольца, а также куда вставить поршневой палец, к которому крепится следующая важная деталь механизма – шатун.

Шатун

Смысл существования шатуна прост, как пять копеек — передача поступательного движения поршня коленчатому валу.

Довольно скучная, но важная роль. Сам по себе шатун выглядит как металлический стержень двутаврового сечения.

С одного его конца находится отверстие для крепления к поршню при помощи поршневого пальца, а с другого – полукольцо, которое надевается на шатунную шейку вала и фиксируется болтовыми соединениями специальной крышкой.

Стоит отметить, что соединение шатуна с коленвалом подвижное – он же должен вращаться.

Коленчатый вал

Важность следующего элемента КШМ сложно переоценить – это коленчатый вал.

Конечно, назвать эту деталь валом в привычном понимании довольно трудно – форма у него сложная и всё из-за того, что к нему крепятся все шатунно-поршневые связки двигателя.

Коленвал — ключевой вращающий элемент мотора и ему приходится выдерживать невероятные нагрузки, поэтому и требования к качеству его исполнения и прочности материалов высочайшие.

Основными деталями коленчатого вала являются шатунные шейки (места, куда крепятся шатуны), щёки, коренные шейки и противовесы.

Кстати, своё название кривошипно шатунный механизм получил именно благодаря части коленвала. Если быть точным, кривошипу – так иногда называют связку шатунной шейки и щёк по обе стороны от неё.

Маховик

Венчает коленчатый вал с одной из сторон маховик.

Нужно отметить, что, несмотря на свою относительную внешнюю простоту, маховик играет сразу несколько ролей.

Во-первых, в его главную задачу входит поддержание равномерного вращения коленвала во время работы мотора.

Во-вторых, именно это скромное металлическое колесо выступает связующим звеном между стартером и коленчатым валом, когда Вы поворачиваете ключ зажигания для запуска двигателя.

Практически все подвижные части кривошипно шатунного механизма располагаются в блоке цилиндров. А закрывает всё это крутящееся и вращающееся безобразие от наших с Вами глаз головка блока цилиндров.

В неё, как правило, встроены клапаны, свечи и каналы для подвода охлаждающей жидкости, масла, а также воздушно-топливной смеси.

Нужно отметить, что именно блок цилиндров вместе с головкой обуславливают такой немаловажный параметр двигателя, как его масса.

Читать еще:  Двигатели новых бмв характеристики

В классическом исполнении эти элементы изготавливаются из чугуна, но, благодаря современным технологиям, автопроизводители всё чаще применяют алюминий в их конструкции, что благотворно влияет на вес мотора и, как следствие, всего автомобиля.

Применение лёгких сплавов стало возможным даже в столь критичном элементе блока. Гильзы цилиндров (в них перемещаются поршни), должны обладать стойкостью к износу и выдерживать высокие температуры.

Как устроен кривошипно-шатунный механизм

Механизм состоит из деталей, как подвижных, так и неподвижных.

Детали подвижного типа:

  • поршень;
  • маслосъемное кольцо (1);
  • компрессионные кольца (2);
  • поршневой палец (3);
  • стопорное кольцо (4);
  • шатун;
  • крышка шатуна (5);
  • крепежный болт (6);
  • вкладыши (7);
  • втулка (8);
  • коленчатый вал;
  • шатунная шейка (9);
  • противовес (10);
  • коренная шейка (11);
  • маховик

Детали неподвижного типа:

  • блок и головка цилиндров;

Полезные материалы, которые интересно и нужно знать

При выборе садовой техники и оборудования нужно обращать внимание на тип двигателя. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания: 2-х тактный и 4-х тактный. Для садовой техники более крупного размера, таких как газонокосилки, мотоблоки, мотокультиваторы, мини тракторы, рейдеры и т.д. в основном используют 4-х тактные двигатели, а для садовой техники малого размера — такой как бензокосы, бензопилы, и др. в основном 2-х тактные.

Рассмотрим принцип работы этих двух видов двигателей внутреннего сгорания.

Оба двигателя приводятся в действие за счет использования расширения газов при нагревании, которое происходит за счет принудительного воспламенения горючей смеси, поступаемой в воздушное пространство цилиндра. Все двигатели внутреннего сгорания, независимо от его типа, имеют основные механизмы, такие как кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, система смазки, система охлаждения, система питания и система зажигания. Передача полезной энергии расширяющегося газа происходит через кривошипно-шатунный механизм, а за впрыск топливной смеси в цилиндр отвечает механизм газораспределения.

Принцип работы двухтактного двигателя

Рабочий цикл 2-х тактного двигателя состоит из двух этапов: ими являются сжатие и рабочий ход.

Сжатие.
Основными положениями поршня являются верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ). Двигаясь от НМТ к ВМТ, поршень поочередно перекрывает сначала продувочное окно, а затем выпускное окно, после чего смесь попадает в цилиндр и начинает сжиматься. При этом через впускное окно в кривошипную камеру поступает свежая горючая смесь, которая будет использована в последующем такте.

Рабочий ход.
После того, как горючая смесь максимально сжата, она воспламеняется при помощи электрической искры, образуемой свечой. При этом температура газовой смеси резко возрастает и объем газа стремительно растет, осуществляя давление, при котором поршень начинает движение к НМТ. Опускаясь, поршень открывает выпускное окно, при этом продукты горения горючей смеси выбрасываются в атмосферу. Следующее движение поршня приводит к повторному сжатию свежей горючей смеси и открытию продувочного отверстия, через которое горючая смесь поступает в камеру сгорания и так такт за тактом химическая энергия топлива превращается в механическую работу двигателя и его агрегатов.

Недостатком двухтактного двигателя является большой расход топлива, причем часть топлива не успевает сгорать и выбрасывается в атмосферу. Это связано с наличием момента, при котором продувочное и выпускное отверстие одновременно открыты. Требуется смесь на основе бензина и масла для смазки механизмов двигателя, что требует дополнительных расходов на покупку масла и необходимости постоянно готовить топливную смесь. Основными преимуществами двухтактного двигателя является его маленькие по сравнению с 4-х тактным двигателем размер и вес.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Принцип работы четырехтактного двигателя значительно отличается от работы двухтактного. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех этапов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, что стало возможным за счет применения системы клапанов. Когда происходит впускной этап поршень двигается вниз, открывается впускной клапан, в цилиндр поступает горючая смесь, которая при смешении с остатками отработанной смеси образует рабочую смесь. При сжатии поршень движется из НМТ к ВМТ, все два клапана закрыты. Чем выше поднимается поршень, тем выше давление и температура рабочей смеси.

Рабочий ход четырехтактного двигателя представляет собой принудительное движение поршня из ВМТ к НМТ за счет воздействия резко расширяющейся рабочей смеси, воспламененной искрой от свечи. Как только поршень достигает НМТ, открывается выпускной клапан. Во время выпускного этапа продукты сгорания, вытесняемые давлением поршня, движущимся из НМТ к ВМТ, выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан.

За счет применения системы клапанов и фаз газораспределения четырехтактные двигатели внутреннего сгорания намного экономичнее и экологичнее — потому что исключает выброс неиспользованной топливной смеси. При работе 4-х тактные двигатели значительно тише, чем 2-х тактные и в эксплуатации намного проще. Масло в данных двигателях заливается в масляный картер, что значительно уменьшает его потребление и избавляет от заботы по приготовлению бензино-маслянной смеси. На сегодняшний день 4-х тактные двигатели становятся все компактнее, и ими оснащают такую садовую технику как бензокосы, мотобуры и т.д.

Для справки: Сравнение преимуществ и недостатков

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector