Конструкция двигателя внутреннего сгорания

Часть 3. Описание конструкции двигателя.

 

Проектируемый ДВС – поршневой, четырехтактный, с воспламенением от искры. Двигатель имеет 3 цилиндра, расположенных в один ряд, и верхнее расположение клапанов. На каждый цилиндр установлено по четыре клапана (два впускных и два выпускных). На двигателе применена распределенная система впрыска топлива. Двигатель имеет системы охлаждения, смазки и питания. Продольный разрез и вид снизу со снятым поддоном приведены в графической части проекта.

 

Поршень.

В качестве материала используется заэвтектический сплав алюминия с содержанием кремния более 12% (силумин), что повышает износостойкость цилиндра  и колец, дает возможность отказа от нирезистовых вставок.

Юбка поршня имеет  бочкообразную форму в плоскости  оси цилиндра и овализацию в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра для исключения заклинивания поршня. Для лучшей приработки к цилиндру наружная поверхность юбки поршня покрыта тонким слоем олова и имеет шероховатость 3...4 мкм, что необходимо для удержания масляной  пленки.

В канавке маслосъемного  кольца сделано 8 дренажных отверстий  для сброса внутрь поршня масла, снимаемого со стенок цилиндров.

 

Поршневые кольца.

Поршневые кольца, работающие в составе поршневой группы, выполняют одновременно несколько функций [18, c. 46]:

- газовое уплотнение  КС (надпоршневого пространства);

- отвод тепла от  поршня в стенку цилиндра;

- "управление маслом", т.е. обеспечение смазки колец  и цилиндра при ограничении  поступления масла из картера  в КС.

На поршни рассчитываемого  двигателя установим комплект из трех разрезных колец.

Верхнее (первое) компрессионное кольцо, работающее в условиях полусухого трения и высокой температуры, больших переменных давлений газа изготовим из чугуна с шаровидным графитом, с молибденовым покрытием.

Среднее кольцо работает в более «мягких» условиях по давлению, температуре и смазке, поэтому его изготовим из легированного чугуна с пластинчатым графитом без специального покрытия. Важное свойство среднего кольца – управление маслом, поэтому наклон образующей кольца к цилиндру обеспечим в районе 0°60’... 0°80’, т.е. применим «минутные» кольца.

Нижнее (маслосъемное) кольцо коробчатого типа со спиральной пружиной. Материал кольца – серый легированный чугун.

 

Поршневой палец.

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна. Палец изготовлен из легированной хромом стали с низким содержанием углерода. Внешняя поверхность пальца азотирована (т.к. палец работает в паре с мягкими материалами: алюминиевый поршень и бронзовая втулка, то должен иметь твердую рабочую поверхность).

Палец – трубчатый, плавающего типа. Для смазки используются сквозные вертикальные отверстия в бобышках, через которые масло подается из зазора в сопряжении поршень-зеркало цилиндра через отверстия в канавке маслосъемного кольца самотеком по бобышкам. Палец фиксируется в бобышках поршня пружинными стопорными кольцами, устанавливаемыми в канавки.

Шатун.

Шатун, кованный, двутаврового сечения, изготовлен из легированной стали. Состоит шатун из неразъемной  верхней головки, стержня и разъемной нижней головки. Нижней головкой шатун соединяется с коленчатым валом. Съемная половина нижней головки является крышкой шатуна и прикреплена  к нему двумя болтами. В нижнюю головку шатуна вставляют биметаллические, сталеалюминевые вкладыши шатунного подшипника.

Шатун зафиксирован по верхней  головке. При осевой фиксации шатуна в бобышках поршня разворачивающий момент значительно меньше, а это снижает давление поршня и износ его юбки и цилиндра. Поршневой палец не имеет провисания между головкой шатуна и бобышками поршня, поэтому он получается короче, жестче и легче, чем компенсируется некоторое повышение массы поршня (за счет несколько большей толщины его бобышек). Шатунные болты вворачиваются в верхнюю часть КГШ без гаек, что упрощает монтаж и снижает массу КШМ. У болта один центрирующий пояс, что облегчает его изготовление.

 

Коленчатый  вал.

КВ полноопорный, отлит  из легированной стали. Для  улучшения  уравновешенности вал имеет шесть  противовесов выполненных за одно с  валом.  Отверстие в теле вала соединяет первую  КШ с первой ШШ и т.д. Применяя сквозное сверление упрощают изготовление КВ, увеличивают его жесткость, т.к. нет дополнительных отверстий.

Упорные полукольца, удерживающие КВ от перемещения в осевом направлении, установим на задней коренной опоре. Полукольца выполним в виде фланцев (выполненных за одно целое с коренными вкладышами). Для упрощения конструкции применим лишь верхний вкладыш с упорными фланцами.

На переднем конце  КВ установлены: поликлиновый шкив привода  генератора и вентилятора системы охлаждения, шкив зубчатого ремня привода РВ и  насоса ОЖ, а так же шестерня привода масляного насоса. Задний и передний концы КВ уплотнены сальниками.

 

Распределительный вал.

РВ отлит из серого чугуна. Рабочая поверхность его  кулачков отбелена способом переплава, что обеспечивает высокую прочность и твердость отбеленного слоя. Фиксация вала от осевого перемещения осуществляется буртом на ГБЦ и кольцевым выступом на самом РВ.

 

 

 

Маховик.

Маховик прикреплен к  фланцу заднего конца коленчатого вала четырьмя болтами, имеет напрессованный стальной зубчатый  обод с закаленными зубьями для пуска двигателя стартером и выступ для облегчения монтажа. Так же в маховик встроен гаситель крутильных колебаний. При сборке двигателя маховик балансируется я вместе с коленчатым валом.

Головка блока цилиндров.

ГБЦ закрывает цилиндры сверху, образуя КС, и служит для  размещения в ней клапанного механизма, каналов для подвода воздуха, ОЖ и отвода ОГ. Головка блока цилиндров выполнена общей для всех цилиндров, отлита из алюминиевого сплава. В ней имеется рубашка охлаждения. В головку запрессованы седла клапанов и направляющие втулки клапанов, изготовленные из чугуна. Головка крепится к блоку шпильками. Между головкой и блоками устанавливается стальная прокладка без окантовки у цилиндров. Сверху к головке блока цилиндра болтами крепятся крышки подшипников РВ. ГБЦ закрывается штампованной крышкой.

 

Блок цилиндров.

Блок цилиндров отлит  из алюминиевого сплава, в картерной  части имеются поперечные ребра, увеличивающие жесткость. Цилиндры выполнены заодно с блоком, на поверхности зеркала при обработке создается сетка с шероховатостью 0, 5…0,8 мкм, что способствует удержанию масляной пленки.

В нижней части блока цилиндров  расположены опоры коренных подшипников КВ с тонкостенными алюминиевыми вкладышами. Чугунные крышки коренных подшипников крепят к картеру болтами.

В блоке цилиндров просверлен магистральный  канал смазочной системы, от которого отходят каналы к коренным подшипникам и канал подвода масла к РВ.

 

 

 

Механизм газораспределения.

МГР служит для подачи в цилиндр воздуха (топливовоздушной смеси) и выпуска из цилиндров  ОГ. На проектируемом двигателе МГР  – верхнеклапанный с ременным приводом и верхним расположением и двумя РВ.

Верхнее расположение клапанов позволяет улучшить наполнение цилиндров воздухом. Верхнее расположение  РВ уменьшает массу возвратно-поступательно движущихся масс деталей МГР и обеспечивает высокую надежность его работы при большей частоте вращения КВ. Ременный привод обеспечивает высокую надежную и бесшумную работу.

Впускные и выпускные клапаны  устанавливаются в головке блока  цилиндров параллельно оси цилиндра. Седло клапана выполнено из специального чугуна. Стержень клапана перемещается в чугунной направляющей втулке, имеющей упорный бурт. На втулку надевается маслоотражательный колпачок из маслостойкой резины. Клапан имеет две цилиндрические пружины: наружную и внутреннюю. Пружины крепятся на стержне клапана с помощью шайб, тарелки и разрезного сухаря и имеют разное направление навивки.

Колпачки предотвращают проникновения масла из головки в камеру сгорания через зазоры между втулкой и стержнем клапана.

 

               Система зажигания.

Для воспламенения рабочей смеси  в автомобильных четырехтактных ДВС используется энергия искры высоковольтного электрического разряда, возникающего между электродами свечи зажигания. Функция формирования энергии искры и управления моментом искрообразования выполняют модуль и управляющая электроника.   В качестве накопителей энергии применяются катушки зажигания, выполняющие роль высоковольтного трансформатора.

Система с индивидуальными  катушками зажигания из-за отсутствия паразитного искрового промежутка  (бегунок-крышка) позволяет уменьшить коэффициент трансформации индивидуальной катушки, что в сочетании с небольшой емкостью вторичной цепи (высоковольтный провод отсутствует) позволяет значительно повысить устойчивость искрообразования в условиях загрязнения свечей. Кроме этого индивидуальное распределение обеспечивает значительно меньший уровень электромагнитных помех и более высокую надежность работы системы в целом. 

 

 

Система питания.

     . Система питания состоит из устройств подачи топлива и воздуха. К устройствам подачи топлива относятся топливный бак, топливопроводы, бензонасос, топливный фильтр тонкой очистки, электромагнитные форсунки для впрыска топлива, устанавливаемые во впускные трубопроводы. Устройства подачи воздуха: воздушный фильтр со сменным фильтрующим элементом, впускная магистраль, дроссельная заслонка, впускные патрубки.

     Отработавшие газы отводятся через выпускные патрубки, и оттуда, через глушитель - в атмосферу.

     На проектируемом  двигателе применена система  распределенного впрыска топлива с электронным управлением. Она применяется для более равномерного распределения топлива по отдельным цилиндрам двигателя, а также для уменьшения цикловой неравномерности подачи топлива. 

     Впрыск  топлива осуществляется при подаче  на клеммы форсунок импульсов  управляющего напряжения. Распыливание  задается специальной конструкцией  сопла форсунки, обеспечивающей получение факела с необходимыми для данного типа двигателя характеристиками.   

     Регулирование  состава топливовоздушной смеси  осуществляется за счет изменения количества топлива, подаваемого форсункой  в соответствии с длительностью управляющего импульса напряжения. Длительность этого импульса рассчитывается микропроцессором   электронного блока управления на основании сигналов, поступающих от различных датчиков и соответствующих программ (матриц топливодозирования), заложенных в память блока управления  .   

     Для приготовления  топливовоздушной смеси определенного  состава необходимо уменьшать или увеличивать длительность управляющего импульса в соответствии с  конкретными режимами и условиями работы двигателя. Количество впрыскиваемого топлива определяется электронным блоком управления в зависимости от температуры, давления и объёма поступающего воздуха, частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель, а так же от температуры охлаждающей жидкости.

     Впрыск согласован с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Информация о частоте вращения передаётся в электронный блок управления от датчика положения коленчатого вала.

     Объём (масса)  воздуха измеряется расходомером. О тепловом режиме двигателя даёт информацию датчик температуры охлаждающей жидкости. Информация о нагрузочном режиме двигателя в блок электронного управления сообщает датчик положения дроссельной заслонки. Если дроссельная заслонка закрыта, двигатель работает на холостом ходу, в электронный блок упраления идет соответствующий сигнал от датчика положения дроссельной заслонки . Так же осуществляется информация о полной нагрузке двигателя (дроссельная заслонка полностью открыта) и о частичной нагрузке.

     Для предотвращения  детонации в верхней части блока цилиндров устанавливается пьезоэлектрический датчик детонации. В датчике находится кварцевая пластинка, которая при вибрации блока цилиндров (во время детонации) генерирует сигнал в виде импульсов напряжения.

     Весьма  жесткие ограничения на выброс токсичных веществ в атмосферу, обуславливают применением различных систем для снижения концентрации в отработавших газах вредных веществ. Одна из систем –  каталитическая нейтрализация отработавших газов. Каталитические нейтрализаторы  служат для дожигания (окисления) продуктов неполного сгорания ( и ) и разложения окислов азота . Процесс окисления происходит во время прохождения ОГ через слой носителя с нанесенным на него катализатором, причем скорость реакции окисления (сгорания) зависит также от температуры носителя. Применим нейтрализатор на основе окиси меди на окиси алюминия. Данный вид катализатора наиболее эффективно нейтрализует отработавшие газы. Для эффективной работы нейтрализатора и точного дозирования топлива используется так называемый “лямбда-зонд” или “датчик кислорода”.

 

Смазочная система.

Система смазки – комбинированная. Масло под давлением поступает  к коренным и шатунным подшипникам  КВ, опорам распределительных валов. Цилиндры, поршни, поршневые пальцы и кулачки смазываются разбрызгиванием. При вращении шестерен  масляного насоса,  масло через маслоприемник поступает во всасывающую полость насоса. Оно заполняет впадины между зубьями шестерен, переносится в полость нагнетания и под давлением направляется в приемный канал блока цилиндров. Редукционный клапан срабатывает при возрастании давления выше допустимого и перепускает часть масла из нагнетательной полости насоса в всасывающую. Масляный фильтр – полнопоточный, разборный, с фильтрующим элементом из специального картона.