Ключевая функция ДВС, имеющегося на различной технике, заключается в преобразовании энергии, образующейся при горении некоторых веществ. В двигателях внутреннего сгорания ими является топливо. Оно включает в себя нефтепродукты или спирты, требующиеся для того, чтобы гореть.
Преобразование энергии переводится в механическое действие, известное под названием вращение вала. Затем оно поступает дальше для выполнения полезного действия.
На первый взгляд может показаться, что в преобразовании энергии нет ничего сложного, но на деле по-другому. Требуется позаботиться о качественном преобразовании выделяемой энергии, поступлении топлива в камеры, в которых происходит горение топливных смесей для выделяемой энергии, уборке продуктов горения. Также должно быть место для отвода, образующегося при горении, тепла. Должно отсутствовать трение движущихся элементов.
Можно сказать, что ДВС является сложным устройством, включающим в себя большое число механизмов с разными задачами. За превращение энергии отвечает кривошипно-шатунный механизм. Оставшиеся составляющие силовой установки отвечают за создание условий, подходящих для превращения и обеспечения максимально возможного получения КПД.
Принцип устройства кривошипно-шатунного механизма
Ключевая роль в ДВС отводится именно данному механизму. Благодаря ему осуществляется возвратно-поступательное движение поршня во вращение коленвала. Именно движение этого вала и приводит к полезному действию.
В двигателе имеется цилиндро-поршневая группа. Она включает в себя гильзы и поршни. Внутри первых располагается поршень, наверху их закрывает головка. В закрытой части гильзы и происходит сгорание топливных смесей.
Во время сгорания происходит существенное повышение объема горючей смеси. Причиной этому является статичность гильз и головки, повышение объема оказывает влияние на одну движущуюся деталь, которой является поршень. Из-за того что эта деталь подвергается воздействие газов, образующихся при горении, он смещается ниже. Это и есть первая ступень превращения. Горение заставляет поршень двигаться, другими словами, химический процесс становится механическим.
После этого действие начинает кривошипно-шатунный механизм. Шатун связывает между собой кривошип и поршень. Это очень надежное, но не статичное соединение. Поршень закрепляется на шатуне с помощью пальца, благодаря чему последний легко меняет свое положение по отношению к первому. Цилиндрическая шейка кривошипа располагается с нижней части шатуна. Это дает возможность менять угол между шатуном и кривошипом и шатуном и поршнем, шатун не может двигаться в сторону. В этот момент происходит вращение на шейке кривошипа, а по отношению к поршню изменения происходят только в углу.
Из-за плотного соединения нет изменений в промежутке между поршнем и шейкой кривошипа. Однако из-за П-образной формы кривошипа происходит изменение промежутка у поршня и кривошипа по отношению к оси коленвала. Это ось, где устанавливается сам кривошип. Именно благодаря их использованию получилось добиться перемещения поршня во вращение вала.
Это описание работы ЦПГ с КВШ. Но все не так просто, как кажется на первый взгляд. Между деталями данных механизмов имеется механическое взаимодействие. Это приводит к образованию трения в местах пересечения данных деталей. По возможности его необходимо минимизировать. Не стоит забывать о том моменте, что невозможно взаимодействие кривошипа и нескольких шатунов, но все двигатели имеют несколько цилиндров (число может достигать шестнадцати). Также требуется передача вращательного движения далее. Остановимся подробнее на том, что входит в цилиндро-поршневую группу и кривошипно-шатунный механизм.
Для начала разберемся в ЦПГ. Ключевые элементы называются гильзами и поршнями. Также здесь находятся кольца с пальцами.
Гильза
Существуют двух типов – встроенные в блок и являющиеся его составным элементом, и съемные. Первые можно описать, как впадины цилиндрической формы определенного размера, расположенные в блоке.
У гильз съемных аналогичная форма, с граней они не закрыты. В большинстве случаев вверху механизма находится маленький отлив, отвечающий за то, чтобы гильза была плотно закреплена в своем определенном месте. Чтобы добиться плотности внизу механизма прибегают к помощи прорезиненных колец, которые располагаются в проточных канавках на гильзе.
Внутренняя часть гильзы имеет название зеркало. Это происходит из-за того, что у внутренней поверхности высокая степень обработки. Она позволяет минимизировать натирание поршня и зеркала.
Если брать двухтактные двигатели, то в них делают несколько отверстий, расположенных на определенном уровне. Их принято называть окна. В классической схеме ДВС есть 3 окна. Они нужны, чтобы впускать, выпускать и перепускать топливную смесь и продукты, оставшиеся после горения. Если брать оппозитные установки (например, ОРОС), то и они двухтактные, но в них отсутствует необходимость в наличии перепускного окна.
Поршень
В эту деталь входят днища, юбки и бобышки для пальца. Основная функция поршня – принятие на себя энергии, образующейся в процессе горения. Благодаря движению поршня он превращает ее в механическое действие.
Днище поршня отвечает за принятие энергии. Вначале на днище бензиновых моторов ничего не было, но со временем на них решили сделать углубления. Они нужны для того, чтобы не сталкивались клапаны и поршни.
Если брать дизельные моторы, то у них есть камера сгорания, выглядящая как особые углубления. Ее необходимость объясняется тем, что смесеобразование осуществляется в самом цилиндре, а подача составляющих смесей осуществляется по одной. Такие углубления позволяют качественнее смешивать компоненты смеси.
Камеры сгорания также имеются в инжекторных бензиновых двигателях. Это необходимо из-за того, что поступление составных смесей также осуществляется независимо друг от друга.
Юбка – его направляющая в гильзе. Нижняя половина имеет определенный вид для того, чтобы избежать ее контакта с шатуном.
Поршневые кольца защищают подпоршневое пространство от попадания продуктов, образующихся при горении. Кольца бывают двух видов:
- Компрессионные;
- Маслосъемные.
Роль первых заключается в том, чтобы не допустить образования пространства между поршнем и зеркалом. Это дает возможность сохранения давления в надпоршневом пространстве, принимающем непосредственное участие в процессе. Отсутствие компрессионных колец привело бы к сильному трению между металлами, используемыми для производства поршня с гильзой. Это бы способствовало скорому выходу поршня из строя.
В двухтактных двигателях отсутствует необходимость в маслосъемных кольцах. За смазку зеркала отвечает масло, имеющееся в топливе. Маслосъемные кольца есть в четырехтактных двигателях. Они нужны для предотвращения перерасхода масла. Они убирают лишнее масло с детали и отправляют его в поддон. Все кольца устанавливают в канавки, которые находятся в поршне.
В нем есть места, предназначенные для пальца, они называются бобышками. Они включают в себя отливы внутри поршня, которые способствуют повышению устойчивости конструкции.
Палец – это трубка достаточной толщины, имеющая высокоточную обработку внешней части. В большинстве случаев палец задерживается кольцами, расположенными в углублениях бобышек. Это позволяет предотвратить выход пальца за границы поршня и дальнейшее повреждение зеркала.
Остановимся подробнее на устройстве КШМ.
Шатун
В этой детали находятся коленвал, его посадочные места в блоке и крышках крепления, вкладыши, втулки, полукольца.
Шатун выполнен в виде стержня, сверху находится место для поршневого пальца. Низ имеет форму полукольца, надеваемого на шейку кривошипа. Вокруг нее находится фиксирующая крышка. Ее внутренняя часть также имеет форму полукольца. С шатуном они образуют довольно прочное, но двигающееся соединение с шейкой. Шатун может крутиться вокруг нее. С крышкой он соединяется при помощи болтов.
Также в этой конструкции есть втулка, сделанная из латуни или меди. Она позволяет минимизировать трение, возникающее между пальцем и отверстием шатуна. Внутри шатуна располагается пространство, предназначенное для поступления масла, необходимого для смазки места соприкосновения шатуна с пальцем.
Коленчатый вал
У этой детали довольно сложный вид. Роль его оси играют коренные шейки, обеспечивающие соединение данной детали с блоком цилиндров. Посадочные места в блоке имеют форму полуколец, что помогает получить прочное, но двигающееся соединение. Вторая половина полуколец представлена крышками, соединяющими вал с блоками. Крышки и блок имеют болтовое соединение.
Коленвал двигателя с четырьмя цилиндрами
В качестве ключевой части кривошипа выступают щеки. К ним присоединены коренные шейки вала. Вверху щек находится шатунная шейка. На число коренных и шатунных шеек влияет численность цилиндров и их комплектация. В рядных и V-образных двигателях вал подвергается повышенным нагрузкам. Необходимо большое внимание уделять его соединению с блоком. Это соединение должно быть в состоянии верно распределить такое давление.
Для правильного распределения нагрузки на кривошип должна приходиться пара коренных шеек. Так как он находится между двух шеек, то одна из также будет играть роль опорной и для еще одного кривошипа. Это говорит о том, что у двигателя с четырьмя цилиндрами на валу будет располагаться четыре кривошипа и на одну больше коренную шейку. У двигателей V-образных история будет отличаться. В этих устройствах цилиндры находятся в двух рядах под углом. Это говорит о том, что кривошип находится в контакте с двумя шатунами. Это приводит к тому, что у двигателя будет четыре кривошипа и пять коренных шеек.
Для минимизации натирания шатунов и шеек, блока и коренных шеек разработаны специальные вкладыши. Они называются подшипниками трения. Их располагают между шейкой и шатуном, блоком и крышкой.
При осуществлении смазки шеек вала должно быть высокое давление. Чтобы был напор масла, задействуются углубления, находящиеся в шатунных, коренных шейках, крышках и вкладышах. В ходе этого действия образуются силы, способствующие смещению коленчатого вала в продольном направлении. Полукольца, предназначенные для опоры, помогут это предотвратить.
Если говорить о двигателях дельного типа, то в них для минимизации давления применяются противовесы. Их крепят к щекам кривошипов.
Маховик
В части вала расположен фланец, он держит маховик. У этой детали имеется пара целей, основной является передача вращения. У него большие размеры и вес. Это помогает коленвалу облегчить вращение после раскручивания маховика. Для запуска двигателя требуется серьезное усилие. Для этого на маховик наносятся зубья. Они известны как венец маховика. Этот маховик помогает стартеру приводить в движение коленвал при работе силовой установки. С ним соединяются детали, необходимые для использования кручения вала на выполнение полезного действия. В машине за это отвечает трансмиссия. Она отвечает за то, что колеса крутятся.
Для недопущения осевых ударов необходимо чтобы маховик с валом были сбалансированы. Конец коленвала, расположенный с противоположной стороны фланца маховика необходим для приведения в действие оставшихся деталей и системный составляющих мотора. Например, такое расположение встречается у шестерни привода масляного насоса.
Так выглядит стандартное устройство коленвала. На данный момент ничего существенно отличающегося не разработано. Работы ориентированы на то, чтобы минимизировать утрату мощности из-за трения, образующегося у деталей ЦПГ и КШМ. Происходят попытки снижения давления с коленвала с помощью смены углов расположения кривошипов. Но ничего существенного в этом достигнуть не получилось.