ЗАГАЛЬНА БУДОВА ТА ГЕОМЕТРИЧНІ РОЗМІРИ ПОРШНЕВОГО ДВЗ

Автомобільний поршневий ДВЗ - це комплекс механізмів і систем, призначений для перетворення теплоти, що звільняється при згорянні палива, на механічну роботу.

Двигун складається з таких основних функціональних елементів: кривошипно-шатунний механізм, механізм газорозподілу, система мащення, охолодження, живлення паливом, запалювання (у бензинових і газових ДВЗ). Крім цього, сучасні автомобільні двигуни обладнують комплексною електронною системою керування.

Кривошипно-шатунний механізмпризначений для сприйняття тиску газів у циліндрах двигуна і для перетворення прямолінійного зворотно-поступального руху поршнів на обертальний рух вала двигуна.

Механізм газорозподілу призначений для своєчасного заповнення циліндрів пальною сумішшю (повітрям) і для видалення з них продуктів згоряння відповідно до робочого циклу двигуна.

Система мащення призначена для зменшення тертя між деталями двигуна, яке спричиняє зношування робочих поверхонь, а також для їх очищення і часткового охолодження.

Система охолодження призначена для підтримки оптимального теплового режиму двигуна.

Система живлення паливом призначена для приготування пальної суміші і подачі її в циліндри - у двигунів із зовнішнім сумішоутворенням, або для подачі певної кількості пального у впускний трубопровід чи безпосередньо в камери згоряння - у двигунів із внутрішнім сумішоутворенням, відповідно до робочого циклу двигуна. Крім того, система живлення забезпечує вентиляцію картера двигуна.

Система запалювання забезпечує примусове займання пальної суміші в циліндрах двигуна відповідно до його робочого циклу.

Система випуску і нейтралізації відпрацьованих газів призначена для зменшення шуму випуску відпрацьованих газів і для зменшення їх токсичності.

Комплексна електронна система керування забезпечує оптимальне регулювання основних систем двигуна під час його роботи. Крім того, вона виконує функції бортової діагностики двигуна.

На рис. 4.1 наведена принципова схема одноциліндрового поршневого ДВЗ. Такий двигун складається з циліндра 5 і картера 6, закритого знизу піддоном 9. Зверху циліндр закритий головкою 1.

У циліндрі переміщується поршень 4 з ущільнюючими кільцями 2. За допомогою поршневого пальця 3 поршень зв'язаний з верхньою головкою шатуна 14. Нижня головка шатуна з'єднана з шатунною шийкою 17 кривошипа. Кривошип складається з двох корінних шийок 8 і 13, шатунної шийки 11 і двох щік 10, що зв'язують шийки між собою. Таку сукупність шийок і щок звичайно називають колінчастим валом двигуна. Колінчастий вал обертається в отворах корінних підшипників 12, розташованих у картері 6 двигуна. На кінці колінчастого вала встановлено маховик 7.

Перелічені нерухомі і рухомі деталі складають кривошипно-шатунний механізм двигуна.

У головці 7 циліндра двигуна розташовані деталі механізму газорозподілу - впускний 15 та випускний 17 клапани і деталі їх приводу (на схемі не вказані).

Рух поршня відбувається між двома крайніми положеннями верхньою мертвою точкою (ВМТ) та нижньою мертвою точкою (НМТ). В цих точках швидкість поршня дорівнює нулю.

Відстань, що проходить поршень між мертвими точками, називають ходом поршня S. Відстань між геометричними центрами корінних та шатунної шийок є радіусом кривошипа R.

Отже, під час роботи двигуна хід поршня дорівнює двом радіусам кривошипа:

S=2R.

Відстань між геометричними центрами верхньої і нижньої головок шатуна вважають довжиною шатуна L. Відношення радіуса кривошипа до довжини шатуна для сучасних двигунів дорівнює:

R/L = (1/3,5-1/4,5).

Важливим параметром, що зумовлює середню швидкість руху поршня і основні геометричні розміри двигуна, є відношення ходу поршня S до діаметра циліндра D. Її звичайно називають показником короткохідності двигуна

У сучасних двигунів ця величина перебуває у межах:

S/D = (0,7-2,2).

Якщо S/D< 1,0 - такий двигун називають короткохідним. При S/D > 1,0 двигун вважають довгохідним. На сучасних автомобілях з високошвидкісними двигунами для часткового зменшення середньої швидкості поршнів застосовують переважно короткохідні двигуни.

Об'єм, що звільняє поршень під час руху з ВМТ до НМТ, називають робочим об'ємомциліндра V_h.

При заданих діаметрі D циліндра і ході S поршня робочий об'єм одного циліндра двигуна можна розрахувати як:

V_h1 = π/4 D²S.

Сумарний робочий об'єм V_h всіх циліндрів двигуна є одним із основних параметрів, що характеризують двигун і автомобіль в цілому. Робочий об'єм двигуна з кількістю циліндрів п дорівнює:

V_h = π/4D²S·n

Об'єм між поршнем, в той момент, коли він знаходиться у ВМТ, і головкою циліндра називають об'ємом камери згоряння V_зг. Суму робочого об'єму циліндра та об'єму камери згоряння називають повним об'ємом V_а1 одного циліндра:

V_а1= V_{h1 +} V_зг

Повний об'єм усього двигуна дорівнює:

V_а = n V_а1

Досить важливим параметром, від якого залежить весь робочий процес двигуна, є ступінь стискання ε. Величину ступеня стискання обчислюють як відношення повного об'єму одного циліндра двигуна до об'єму його камери згоряння:

ε =V_а/V_зг.

Між ступенем стискання і найважливішими вихідними параметрами двигуна - його потужністю та паливною економічністю, існує майже пряма залежність. Але при значному підвищенні ступеня стискання температура в циліндрах двигуна занадто підвищується, що може викликати детонацію - вибухоподібне згоряння пальної суміші.

Під час детонації рухомі деталі двигуна, і найперше поршні, сприймають великі ударні навантаження. Тому робота двигуна з детонацією неприпустима через небезпеку руйнування деталей. У двигуні з визначеним ступенем стискання ймовірність виникнення детонації залежить від детонаційної стійкості палива (для бензинів вона позначається числами - наприклад, 76,82 і т.д.).

Абсолютна величина ступеня стискання в двигунах, що працюють на сучасних марках бензинів, як правило, не перевищує ε= 9-10. У дизелів цей параметр у 2,0-2,5 раза вищий, ніж у бензинових двигунів, тому що перед початком впорскування палива в циліндрах цих двигунів стискається чисте повітря, і детонація в них не відбувається.