Основні деталі двигуна
Камера згоряння
Камера згоряння утворюється дном (верхньою частиною) поршня, нижньою частиною головки блоку циліндрів та стінками циліндра. У цій замкнутій камері щогодини відбувається процес, рівносильний вибуху 32 шашок динаміту. Для надійної роботи двигуна необхідні точність та міцність деталей.
Поршні та поршневі кільця
Поршень утворює нижній край камери згоряння і передає зусилля від згоряння палива колінчастий вал (колінвал) за допомогою шатуна. Поршні бувають різних видів та конструкцій. Види можуть відрізнятися за конструкцією спідниці поршня, за конструкцією головки поршня, за технологічним процесом виготовлення поршня і за сортом металу, що використовується.
Поршневі кільця встановлюються довкола верхньої частини поршня. Вони утворюють коло трохи більшого діаметра, ніж коло поршня. Коли кінці дуги (кола) зустрічаються всередині циліндра, то утворюється ущільнення, і це ущільнення утримує відпрацьовані гази від влучення в картер двигуна, а масло з картера - від влучення в камеру згоряння.
Конструкція спідниці
Для поршнів використовуються дві основні конструкції спідниці. Старіші поршні в двигунах з невисоким числом обертів мають повноцінні спідниці. Ця повноцінна спідниця збільшує рухому інертність і масу двигуна, що рухається.
Коли колінвали придбали противаги, а обороти двигуна збільшилися вище за рівень, що є в косарках для газонів, на поршнях з'явилися часткові (спрощені) спідниці. Така часткова спідниця зменшила вагу поршня та забезпечила простір для противаг коленвала. Багато сучасних двигунів використовують поршні з частковими спідницями. Зменшена рухома маса поршня з частковою спідницею дозволяє збільшити максимальну кількість обертів двигуна.
Конструкція головки блоку циліндрів
У стандартних поршнів зазвичай плоска головка (днище). Багато високофорсованих двигунів, особливо призначених для гонок, використовують поршні з опуклим днищем. У багатьох випадках установка цих опуклих поршнів не є перевагою, тому що вони перешкоджають поширенню полум'я фронту в камері згоряння. Коли поршень йде вгору в такті стиснення, опуклість днища заповнює частину камери згоряння головки блоку циліндрів. Це підвищує рівень стиснення. Хоча збільшення ступеня стиснення збільшує потенційну потужність двигуна, при цьому є тенденція до збільшення температури згоряння. Коли температура в камері згоряння перевищує значення 1380 С, кисень і азот у камері згоряння утворюють окис азоту. Ці сполуки є одними з найтоксичніших і ретельно контролюються екологічними нормами. Якщо ви вирішили двигун, перевірте, чи відповідають вибрані вами поршні необхідним вимогам.
Поршні можуть бути литими або кованими. Ковані поршні є міцнішими, точніше виготовленими, але й дорожчими. З цих причин вони використовуються у форсованих двигунах високої потужності.
Поршні двигунів старих автомобілів виготовлялися з литого чавуну. Поршні з чавуну відповідають ненормальній масі, що рухається. Ця маса відбирає у двигуна частину потужності та знижує його максимальні обороти.
У 1950-х — 60-х роках у масовому виробництві автомобільних двигунів стали використовуватися поршні з алюмінію. Це дозволило підвищити максимальні обороти двигуна та зменшити паразитні втрати потужності за рахунок зворотно-поступального руху маси поршня.
Типовий поршень не є ідеально круглим, як отвір циліндра. Він має форму еліпса з подовжньоювіссю, званої опорної віссю, яка перпендикулярна короткої осі, званої віссю поршневого пальця. Така конструкція поршня називається кулачковим шліфуванням (притиранням) і дозволяє термічне розширення поршня вздовж осі поршневого пальця. Крім цього, така конструкція дозволяє стиск опорної осі поршня при такті робочого ходу. Коли вимірюються на поршні в процесі розбирання, особливості конструкції слід враховувати.
Днище поршня може мати різні конструкції. Кожна конструкція служить на вирішення певних проблем. Для більшості ремонтних операцій на двигуні цілком підходить поршень із гладким днищем. Поршні з опуклим днищем дуже популярні на форсованих двигунах. Випуклість, однак, впливає на рух фронту полум'я та збільшує ступінь стиснення. Двигуни з високим ступенем стиску зазвичай не дуже добре працюють на стандартному бензині, який призначений для звичайних автомобілів випуску 90-х років.
Шатуни
Шатун передає вертикальне зусилля, що отримується від згоряння палива в камері згоряння, і діє на поршень, на колінчастий вал. Хоча ці шатуни мають бути міцними, вони повинні передавати на колінвал якнайменше своєї власної ваги. Простіше кажучи, шатунам потрібно бути легкими та міцними. Цю комбінацію легко оптимізувати; рівень оптимізації збільшується разом із ціною шатуна.
Подібно до поршнів, шатуни можуть бути литими або кованими. Ковані шатуни більш міцні та виготовлені точніше, отже, вони зазвичай використовуються для форсованих двигунів.
Шатуни для звичайних автомобілів виготовлені з литого чавуну. Такі шатуни відповідають ненормальній I рухомій масі. Ця маса відбирає у двигуна потужність та максимальні обороти. Гоночні двигуни та 1 інші високофорсованіДвигуни використовують алюмінієві шатуни.
У 1950-х — 60-х роках з'явилися алюмінієві I шатуни на форсованих двигунах. Це дозволило I підвищити максимальну кількість обертів та зменшити! паразитні втрати потужності через зворотно-поступальний рух шатунів великої маси.
Кожен шатун має великий кінець і малий кінець. Малий кінець встановлюється в поршень там, де потужність передається від поршня до шатуна через поршневий палець. Поршневий палець може бути запресований в шатун і мати плаваючу посадку в поршні або може бути запресований в поршень і плаваючу посадку в кінці шатуна, або може мати повну плаваючу посадку, тобто. плаваюча посадка є як і поршні, і у шатуні.
Великий кінець шатуна з'єднаний із коленвалом. На внутрішній стороні великого кінця шатуна розташовані змінні вкладиші. Через велике навантаження, що припадає на вкладиші, вони належать до тих деталей двигуна, які найбільше схильні до пошкоджень.
Колінчастий вал
Потужність, що розвивається двигуном, передається на трансмісію за допомогою колінчастого валу (колінвалу). Можна сказати, що колінвал перетворює зворотно-поступальний рух поршнів у циліндрах у обертальний рух, необхідний для обертання коліс автомобіля.
Вага близько 2000 кг або навіть 8000 кг (вантажівка) пересувається через металеву деталь діаметром близько 10 см.
Колінвал може бути кованим або литим з різних сплавів. Хоча кований коленвал зазвичай міцніший, він і дорожчий. Литий колінвал більш ніж підходящий для більшості звичайних (не гоночних) застосувань.
Після виливки або кування поверхні підшипників обробляються, а потім шліфуються і поліруються. На сучасних колінвалах використовуються противаги, які балансують їх із вагоюпоршнів та шатунів. Подальше балансування здійснюється за допомогою видалення металу з противаг.
Головка блоку циліндрів має декілька функцій. Вона містить камери згоряння та забезпечує підведення для паливоповітряної суміші в камеру згоряння. Крім цього, головка забезпечує відведення вихлопних газів з камери згоряння у випускний колектор. Канали для газів відкриваються та закриваються клапанами. З часів Другої світової війни ці клапани розташовуються в головці блоку циліндрів.
Клапани та привід клапанів
Клапани керують потоками паливоповітряної (робочої) суміші та вихлопних газів у камеру згоряння та з неї. Впускний клапан відкривається щоразу, коли поршень йде вниз, щоб втягнути паливо та повітря в камеру згоряння. Випускний клапан відкривається під час руху поршня вгору, щоб відпрацьовані гази були витіснені з камери згоряння.
У більшості двигунів лише два клапани на кожен циліндр: один впускний і один випускний. У спробах поліпшити потік газів через камеру згоряння багато двигунів останніх моделей використовують по два або навіть більше впускних або випускних клапанів або обох видів клапанів у кожному циліндрі. Хоча, на перший погляд, це робить двигун складнішим, насправді це означає лише більшу кількість деталей, але не збільшилася складність.
Відкриття клапанів на багатьох двигунах проводиться за допомогою штовхачів (штанг) і коромисел. Як можна бачити за старими двигунами часів першої світової війни, це старий метод, але він залишається дуже функціональним.
Зазвичай, клапан більшого розміру є впускним клапаном. Впускний клапан відкривається, щоб впустити повітря та паливо в камеру згоряння. Клапан меншого розміру, званий випускним, відкривається для випуску газів післязакінчення процесу згоряння.
Розподільний вал (розподільний вал)
Розподільний вал складається з серії яйцеподібних кулачків, відповідальних за відкривання та закривання впускних та випускних клапанів. У деяких двигунах розподільний вал розташований усередині блоку циліндрів. Зв'язок між розподільником і клапанами здійснюється штовхачами та штангами.
Багато двигунів мають розподільний вал, розташований поверх клапанів. Розподільний вал більш-менш безпосередньо впливає на клапани. У таких двигунах єдиними деталями, що знаходяться між розподільним валом і клапаном, є рокер (коромисло). Це виключає необхідність використання штовхачів та штанг. У багатьох двигунах немає навіть рокерів. Виключення штовхачів та штанг скорочує кількість деталей двигуна, які схильні до зносу. Крім цього, можливі вищі обороти, оскільки відсутність штанг виключає потенційні негативні ефекти, які можуть вплинути на прийомистість двигуна.
Розподільний вал наводиться в рух від колінвалу і синхронізований з ним. Кулачки розподільного валу переміщують штовхачі вгору і вниз, штовхачі переміщують штанги, а штанги надають руху коромисла для відкривання клапанів. Взагалі кажучи, чим більше підйом кулачків розподільного валу, тим більша кількість повітря під дією атмосферного тиску може потрапити в циліндр, і чим більша тривалість відкривання, тим більше часу повітря надходить у циліндр.
Конфігурації розподільного валу та газорозподільного механізму
Коли гонщик Чак Егер подолав звуковий бар'єр на автомобілі в 1947 році, думки конструкторів рухалися довкола плоских головок блоків циліндрів двигунів. У такій конфігурації клапани розташовані у блоці циліндрів. У 50-ті роки в масове виробництво було запущено серйознеНововведення: двигун з верхньорозташованими клапанами. Рух клапанів у головці блоку циліндрів означає покращення потоків впускних та вихлопних газів через камеру згоряння.
Хоча двигуни зі штангами випускаються вже дуже довго і хоча вони дуже надійні, нові пріоритети та вимоги до автомобільних двигунів повільно витісняють цю конструкцію.
Двигун з верхньорозташованим розподільним валом був розроблений у 20-ті роки XX століття. Виняток штанг забезпечує краще управління клапанами та меншу інерційність усередині двигуна. Така конфігурація відома під назвою верхньорозташованого розподільного валу (ОНС). Деякі складніші конструкції двигунів використовують окремі верхньорозташовані розподільні вали для впускних і випускних клапанів. Ця конструкція називається подвійним верхньорозташованим распредвалом (DOHC).
Шестерні газорозподільного механізму, ланцюги та зубчасті ремені
Ланцюг приводу газорозподільного механізму (ГРМ) з'єднує розподільний вал і колінвал і синхронізує їх роботу. Показаний тут ланцюг має звичайну конструкцію. Спеціальні ланцюги (для форсованих двигунів) мають роликову конструкцію. Багато дорогих європейських двигунів використовували роликові ланцюги як стандартне обладнання. Зірочка більшого розміру є зірочкою розподільного валу; зірочка меншого розміру є зірочкою колінвалу. Зміщена від центру кругла маточина на великій зірочці служить для приводу паливного насоса. Такого приводу немає більшості двигунів з упорскуванням палива, оскільки вони використовують електричний паливний насос.
Багато двигунів з верхнім розподільним валом використовують ланцюг для з'єднання розподільного валу та колінвала, але в більшості двигунів використовується зубчастий ремінь. Експлуатація та старінняпрагнуть ослабити гумові зубці ременя, що може призвести до пошкоджень. Розрив зубчастого ременя може призвести до серйозних пошкоджень поршнів і деталей приводу клапанів, якщо двигун працює на високих обертах, а на деяких двигунах навіть на холостому ходу.
Якщо відкриті клапани мають негативний зазор з поршнем у положенні верхньої мертвої точки (ВМТ), і якщо система приводу газорозподільного механізму (шестірні/ланцюг/зубчастий ремінь) не забезпечує правильну синхронізацію розподільного валу та колінвалу (це може статися при обриві ланцюга та ременя), то можуть виникнути різні пошкодження. Коли поршні зустрічаються з клапанами, то клапани гнуться. Якщо вам пощастило, то це все, що станеться. Якщо вам не пощастило, то пошкодження зубчастого ременя або приводного ланцюга виведе з ладу головку блоку циліндрів, клапани, поршні і, можливо, блок циліндрів.
Зі сказаного слід простий висновок: новий зубчастий ремінь і кілька годин роботи коштують набагато дешевше, ніж новий двигун. Якщо посібник з ремонту вашого автомобіля рекомендує заміну зубчастого ременя з певною періодичністю (пробігом або часом), то дотримуйтесь неухильно цих рекомендацій.