БАЛАНСИРОВКА ДВИГАТЕЛЕЙ

Равномерность работы двигателя зависит также от его сбалансированности. Любой поршне­ вой двигатель подвергается действию реактивных сил. Когда поршень в одноцилиндровом двигателе движется вверх, корпус двигателя стремится сдвинуться вниз, и наоборот. При этом та часть автомобиля, на которую установлен двигатель, будет постоянно подвергаться вертикальным колебаниям. Это явление можно устранить, установив на коленчатый вал противовесы. Вертикальные колебания прекратятся, но возникнут поперечные, вызванные самими противовесами. Если в двухцилиндровом рядном двигателе поршни будут двигаться в противоположных направлениях, они будут взаимно компенсировать вертикальные пере­ мещения, но возникнут колебания двигателя вперед-назад. Все автомобильные двигатели устанавливаются на упругих опорах, но в случае большого дисбаланса вибрации могут пере­ даваться на кузов автомобиля. Кроме неравномерности работы двигателя, вызванной пере­ мещением поршней, существует неравномерность, вызванная движением шатунов, которые совершают сложное движение: вверх-вниз и из стороны в сторону.

Общий дисбаланс двигателя в значительной степени зависит от его компоновки. Так, на­ пример, четырехцилиндровый рядный двигатель, в отличие от V-образных четырехцилиндро­ вых (двигатель автомобилей Lancia, МеМЗ-968), достаточно хорошо сбалансирован. Неслучай­ но они устанавливаются на многих небольших легковых автомобилях. Хотя при увеличении объема такого двигателя вибрации могут стать ощутимыми. Еще лучше сбалансирован четы­ рехцилиндровый двигатель с оппозитными (противолежащими) цилиндрами. Такие двигатели ус­ пешно применялись на автомобилях VW Beetle, а в настоящее время устанавливаются на боль­ шинство автомобилей Subaru. Шестицилиндровые двигатели с оппозитными цилиндрами (Porsche 911 и некоторые Subaru) обладают отличной равномерностью при работе. Кроме то­ го, такие двигатели дают возможность понизить центр масс автомобиля, а при переднем рас­ положении — применить пологий капот, улучшающий аэродинамику автомобиля. К недостаткам таких двигателей следует отнести сложность их производства и обслуживания. В рядном шестицилиндровом двигателе можно добиться практически абсолютной сбалансированности сил инерции. V-образные шестицилиндровые двигатели более компактны по длине, что особен­ но важно при их поперечной установке на автомобиле. Сбалансированность V-образных дви­ гателей зависит от угла между осями цилиндров. Так, для V-образного шестицилиндрового

двигателя наилучшим углом будет угол 60° или 120° (или 180° у двигателя с оппозитными цилиндрами). Такие же углы «идеально» подхо­ дят для почти полностью сбалансированного двигателя V12, хотя большие углы увеличивают ширину двигателя. Достаточно хорошо сбалан­ сирован двигатель V8, если угол между осями цилиндров составляет 90° и применяется соот­ ветствующая конструкция коленчатого вала.

Дисбаланс двигателей может быть почти полностью компенсирован применением ба- лансирных валов (рис. 2.12), которые имеют противовесы и приводятся во вращение от коленчатого вала двигателя. Для получе­ ния хороших результатов балансирные валы должны устанавливаться в определенном месте двигателя, что существенно усложняет его конструкцию.

В последнее время для уменьшения виб­ раций рядных четырехцилиндровых двига­ телей большого объема стали широко при­ менять балансирные валы, устанавливаемые рядом в поддоне картера двигателя (двига­ тели Ford Coswort D0HC, двигатели BMW) (рис. 2.13).

Довольно часто производители автомо­ билей увеличивают мощность двигателя за счет добавления еще одного цилиндра. Такой способ дает возможность сборки двигателей на одной технологической линии, что удешев­ ляет производство. Таким образом, были созданы пятицилиндровые двигатели Volvo, Volkswagen и FIAT. Для таких двигателей час­ то применяются балансирные валы. Двигатели с тремя цилиндрами также сбалансированы плохо, и, поскольку они устанавливаются на недорогие автомобили, конструкторы часто отказываются от применения балансирных валов, позволяя двигателю работать нерав­ номерно, но для монтажа двигателя приме­ няют специальные вибропоглощающие опоры, которые дают возможность свести к миниму­ му передачу на кузов вибраций. На дорогих автомобилях применяются еще более совер­ шенные опоры двигателя. Так, на Range Rover с дизелем TD6 применяются гидравли­ ческие опоры с электронным управлением. Компьютер, управляющий работой этих опор, сводит практически к нулю все вибрации, пе­ редающиеся на кузов автомобиля.

Рис. 2.12. Балансирные валы двигателя GM Vortec 2004 г. располагаются рядом с коленчатым валом в блоке цилиндров и имеют возможность вращаться в раз­ ные стороны благодаря шестеренчато- цепному приводу. Для снижения шума ис­ пользуются гидравлический натяжитель и успокоители цепи

Рис. 2.13. Компактные балансирные валы четырехцилиндрового двигателя BMW Valvetronic располагаются в поддоне картера

Рис. 2.14. Двигатель V10 произведенный компанией BMW для автомобилей Фор­ мулы-1

Двигатели V10 (рис. 2.14), которые успешно применяются на гоночных автомобилях Фор­ мулы-1, между рядами цилиндров имеют угол 72°. Такой двигатель недостаточно сбаланси­ рован, но работает довольно равномерно из-за большого числа цилиндров.

БЛОК ЦИЛИНДРОВ

Блок цилиндров (рис. 2.15) и его головка — это самые крупные и тяжелые части двигателя, изгота­ вливаемые с помощью литья с последующей механической обработкой. В двигателе с жидкостным охлаждением вокруг цилиндров располагаются каналы для прохода охлаждающей жидкости, кото­ рые образуют водяную рубашку. Цилиндры двигателей воздушного охлаждения обычно изготавли­ ваются отдельно и имеют ребра для увеличения площади охлаждаемой поверхности (рис. 2.16).

Нижняя часть блока цилиндров обычно обрабатывается для установки в блок коренных подшипников коленчатого вала и для присоединения поддона картера. Большое значение имеет расстояние между соседними цилиндрами. Увеличение расстояния дает возможность повы­ сить жесткость блока и обеспечить возможность увеличения в дальнейшем рабочего объема двигателя путем увеличения диаметра цилиндров (наиболее простой способ получения моди­ фикаций двигателей различной мощности). С другой стороны, это приводит к увеличению га­ баритных размеров двигателя и его массы. В последнее время некоторые производители автомобильных двигателей изготавливают блоки цилиндров, в которых соседние цилиндры соприкасаются стенками (так называемые сиамские блоки). Такой способ дает возможность получить довольно жесткую конструкцию при сравнительно небольшом размере. Жесткость блока цилиндров в значительной степени определяет шумовые характеристики двигателя.

Долгое время единственным материалом для изготовления блоков цилиндров служил чу­ гун. Этот материал недорог, он обладает высокими прочностью и жесткостью при хороших лить­ евых качествах. Кроме того, обработанные хонингованием внутренние поверхности чугунных цилиндров обладают отличными антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью. Су­ щественными недостатками чугуна являются его большая масса и низкая теплопроводность. Стремление конструкторов к созданию более легких двигателей привело к разработке конструк­ ции блоков цилиндров из алюминиевых сплавов. Алюминий значительно уступает чугуну в жест­ кости и износостойкости, поэтому блок из алюминия должен иметь большое количество ребер жесткости, а в качестве цилиндров обычно служат те же чугунные гильзы, которые вставляют-

Рис. 2.15. Алюминиевый блок цилиндров двигателя V8 с запрессованными «сухи­ ми» гильзами. В нижней части блока вид­ на рама лестничного типа, с помощью ко­ торой крепится коленчатый вал

Рис. 2.16. Цилиндр и поршень двухтактно­ го двигателя воздушного охлаждения

ся в алюминиевый блок в процессе сборки, заливаются или запрессовываются в него при изготовлении (рис. 2.17). Если гильза ци­ линдра непосредственно омывается охлаж­ дающей жидкостью, она называется «мок­ рой», а если нет — «сухой». Мокрые гильзы должны иметь надежное уплотнение с полостью охлаждения блока цилиндров.

Применение большого количества ребер жесткости и чугунных гильз в значительной мере сводит на нет преимущества от приме­ нения блоков цилиндров из алюминиевых сплавов. Использование в производстве со­ временных технологий дает возможность изго­ товления легких «алюминиевых» двигателей, у которых блок цилиндров не имеет чугунных гильз (рис. 2.18). В рабочих поверхностях ци­ линдров в алюминиевых блоках электролити-

Рис. 2.17. Блок цилиндров двигателя Nordstar GM с «сухой» гильзой. На разре­ зе хорошо видно, как вставлены в блок цилиндров «сухие» гильзы. Обратите вни­ мание на выполненные в днищах порш­ ней канавки, предохраняющие от касания поршня клапанами

Рис. 2.18. Двигатель Jaguar с алюминиевым блоком. Блок цилиндров этого компактно­ го шестицилиндрового V-образного 24-клапанного двигателя, предназначенного для поперечной установки на автомобиль Jaguar X-type, полностью изготовлен из алюми­ ниевого сплава

Рис. 2.19. Рама лестничного типа в блоке. Ра­ мы лестничного типа заменяют привычные крышки коренных подшипников коленчато­ го вала в конструкции современных ДВС, придают высокую жесткость блоку цилинд­ ров и продлевают жизнь коленчатому валу

ческим путем создается повышенное содер­ жание кремния, а затем цилиндры подверга­ ются химическому травлению для создания на рабочей поверхности цилиндров износо­ стойкой пористой пленки чистого кремния, хорошо удерживающей смазку. Кроме того, особенно часто в двухтактных двигателях на алюминиевый цилиндр наносится слой хрома или кремний-никелевого сплава (никасил).

Жесткость алюминиевого блока цилиндров может быть повышена не только примене­ нием большого количества ребер жесткости, но и использованием специальных проставок лестничного типа в блоке (рис. 2.19). Такие проставки, соединенные с блоком, помимо значительного повышения жесткости самого блока, служат прочной основой для установки

коренных подшипников коленчатого вала, что повышает его долговечность. Такая конструкция блока цилиндров становится нормой при производстве бензиновых двигателей современных легковых автомобилей. При производстве дизелей, в которых из-за высоких нагрузок и большой шумности требуется большая жесткость блока, часто применяют чугунные блоки цилиндров.