Описание механизмов и систем двигателя

4.1 Цилиндро-поршневая группа

Блок цилиндров отлит из алюминиевого сплава. В блоке цилиндров размещены гильзы цилиндров с поршнями и шатунами, коленчатый и распределительный валы, маслонасос. Гильзы цилиндров омываются охлаждающей жидкостью, протекающей от радиатора и далее через отверстия в прокладке в головку блока.

Снизу к блоку цилиндров привинчен масляный картер, закрывающий нижнюю часть блока. Снаружи к блоку цилиндров крепятся масляный фильтр, бензонасос, стартер и генератор.

В нижней части блока цилиндров имеется пять опор коренных подшипников со съемными крышками, которые крепятся к блоку специальными болтами. Крышки невзаимозаменяемы (отверстия под подшипники обрабатываются в сборе с крышками) и маркированы для отличия рисками на наружной поверхности. В средней опоре имеются гнезда для упорных полуколец, препятствующих осевому перемещению коленчатого вала. Спереди (со стороны шкива коленчатого вала) ставится сталеалюминиевое полукольцо, сзади – металлокерамическое. Кольца изготовляются с номинальной и увеличенной на 0, 127 мм толщиной. При превышении осевого зазора коленчатого вала 0, 35 мм меняются одно или оба полукольца (номинальный зазор – 0, 06-0, 26 мм).

Вкладыши коренных и шатунных подшипников – тонкостенные сталеалюминиевые. Верхние коренные вкладыши первой, второй, четвертой и пятой опор, устанавливаемые в блоке цилиндров, снабжены канавкой на внутренней поверхности. У нижних коренных вкладышей, верхнего вкладыша третьей опоры и шатунных вкладышей канавки отсутствуют. Ремонтные вкладыши выпускаются под шейки коленчатого вала, уменьшенные на 0, 25, 0, 50, 0, 75 и 1, 00 мм.

4.2 Кривошипно-шатунный механизм

Коленчатый вал (26) вращается в пяти коренных подшипниках скольжения, каждый из которых представляет собой пару стале-аллюминиевых вкладыша (24, 35) (рис2). Вкладыш имеет форму полукольца. Два вкладыша охватывают шлифованную шейку коленчатого вала, образуя кольцо, диаметр которого чуть больше диаметра шейки. Вкладыши устанавливаются в полукруглые постели, одни из которых находятся в блоке цилиндров, а другие - в чугунных крышках, которые привинчиваются к блоку двумя болтами. Установка коленчатого вала в блок производится следующим образом: сначала устанавливаются в постели перевернутого блока верхние вкладыши, потом в них ставится коленвал, так что каждая шейка вала лежит на своем вкладыше. Затем шейки закрываются крышками с установленными в них нижними вкладышами и привинчиваются болтами. В каждом вкладыше есть отверстие и кольцевая канавка, а в шейке коленчатого вала так же отверстие, вращающееся вместе с валом в пределах этой канавки. Через отверстия и канавки вкладышей в подшипники скольжения подается под давлением масло из масляных каналов, а через отверстие в шейке масло подается во внутреннюю полость вала для подачи к шатунным подшипникам.

На передний конец вала одевается ведущая стальная шестерня (27) газораспределительного механизма, вращающая ведомую текстолитовую шестерню (9) (рис2). Шестерни газораспределительного механизма предназначены для вращения распределительного вала (14). Так как у четырехтактного двигателя полный цикл происходит за два оборота коленчатого вала, частота вращения распределительного вала в два раза меньше частоты вращения коленчатого вала. Соответственно ведомая шестерня имеет в два раза большее число зубьев. Ведомая шестерня слелана из текстолита, что значительно снижает уровень шума двигателя.

Для того, чтобы масло не вытекало из двигателя, на переднем и заднем концах коленчатого вала имеются сальники. Передний сальник (36) (рис2) представляет из себя кольцо, изготовленое из резины, края которого поджимаются пружинкой к проточке на шкиве коленвала (37). Диаметр коленчатого вала в задней части очень большой, так как к ней привинчивается маховик. Это не позволило конструкторам применить кольцевой резиновый сальник, и задний сальник коленчатого вала сделан набивным. Сальник представляет собой две фрезерованные полукольцевые канавки, одна в блоке, другая в съемной крышке сальника (22). В эти канавки набивается специальный сальниковый шнур (23). То есть сальник получается разрезной, состоящий из двух половинок. Это облегчает установку коленвала, то есть принцип тот же, что и у разрезных вкладышей. Но к сожалению конструкция разрезного набивного сальника не обеспечивает полной герметичности и масло имеет тенденцию покидать двигатель именно через этот сальник. Из-за этого некоторые специалисты при ремонте двигателя нарезают на коленчатом валу перед сальником маслогонную резьбу.

К шатунным шейкам коленчатого вала так же через вкладыши крепятся шатуны (55) (рис2). Подшипники скольжения шатунов так же состоят из пар вкладышей (57) и смазываются маслом под давлением. Масло попадает в подшипник через отверстие в шейке коленчатого вала. Это отверстие через полость вала связано с отверстием в шейке коренного подшипника, через которое масло подается из масляного канала. Шатуны передают на коленчатый вал возвратно-поступательное движение поршней.

К заднему концу коленчатого вала шестью самоконтрящимися болтами через общую шайбу крепится маховик (индекс 2110), отлитый из чугуна, с напрессованным стальным зубчатым венцом, служащим для пуска двигателя стартером. Конусообразная лунка около венца маховика должна находиться напротив шатунной шейки четвертого цилиндра (это необходимо для определения ВМТ после сборки двигателя).

Шатуны – стальные, двутаврового сечения, обрабатываются вместе с крышками. На крышках, как и на шатунах, клеймится номер цилиндра (он должен находиться по одну сторону шатуна и крышки). Шатуны по диаметру сталебронзовой втулки, запрессованной в верхнюю головку, подразделяются на три класса с шагом 0, 004 мм. Номер класса клеймится на крышке шатуна. Также шатуны подразделяются на классы по массе – они маркируются краской или буквой на крышке шатуна.

Поршневой палец – стальной, трубчатого сечения, плавающего типа (свободно вращается в верхней головке шатуна и в бобышках поршня). От выпадения он зафиксирован двумя стопорными пружинными кольцами, которые располагаются в проточках бобышек поршня. Различают три класса пальцев по наружному диаметру (через 0, 004 мм): 1 – с синей, 2 – зеленой, 3 – красной (наименьшего диаметра) метками.

Поршень — из алюминиевого сплава. Юбка поршня в продольном сечении – коническая, в поперечном – овальная. В верхней части поршня проточены три канавки под поршневые кольца. Канавка маслосъемного кольца имеет выходящие в бобышки сверления, по которым масло, собранное кольцом со стенок цилиндра, поступает к поршневому пальцу. Отверстие под поршневой палец смещено от диаметральной плоскости поршня на 1 мм. При установке поршня необходимо ориентироваться по стрелке, выбитой на днище (она должна быть направлена в сторону шкива коленчатого вала). У поршней двигателя 2112 днище плоское, с четырьмя углублениями под клапаны (у поршней двигателей 2110 и 2111 днище имеет овальную выемку).

Поршни одного двигателя подбирают по массе (разброс не должен превышать 5 г) – это делается для уменьшения дисбаланса кривошипно-шатунного механизма.

Верхние два поршневых кольца – компрессионные, препятствующие прорыву газов в картер двигателя. Также они способствуют отводу тепла от поршня к цилиндру. Нижнее кольцо – маслосъемное.

4.3 Механизма газораспределения

К верхней части блока через прокладку с помощью шпилек и гаек крепится головка блока цилиндров. В головке расположены клапана с пружинами и ось коромысел с коромыслами. В сквозные отверстия в блоке и головке установлены штанги толкателей. В нижней части штанги упираются в толкатели, которые в свою очередь упираются в распределительный вал. Верхней головкой штанги толкателей давят на коромысла, а коромысла на клапана. Сверху механизм привода клапанов закрыт крышкой с горловиной для залива масла.

Сбоку к головке привинчен впускной и выпускной коллекторы. В передней части к головке крепится водяной насос со ступицей вентилятора. В головке расположены так же полости, по которым тосол омывает камеру сгорания и перетекает через отверстия в блок цилиндров. Герметичность цилиндра от водяной рубашки двигателя обеспечивает прокладка головки блока.

В верхней части головки цилиндров расположены опоры распределительных валов – по пять с каждой стороны головки. Отверстия в опорах, выполненных разъемными, обрабатываются в сборе с корпусом подшипников. Заменять корпус необходимо в сборе с головкой цилиндров. На поверхности головки цилиндров, сопрягающиеся с корпусом подшипников, наносят герметик Локтайт № 574. Порядок и момент затяжки гаек корпуса подшипников указаны в приложении.

Распределительный вал (14), в отличие от коленчатого, вращается в цельнокольцевых (неразрезных) втулках (15) (рис2). Для того, чтобы устанавливать распредвал в блок, его шейки имеют разный диаметр. Передняя шейка самая большая, а каждая следующая на миллиметр меньше. Поэтому задние шейки свободно проходят через передние втулки при установке распредвала в блок. Втулки запрессовываются в блок с определенным натягом и развертываются затем специальной разверткой до диаметров шеек распредвала (с небольшим зазором). Втулки так же имеют отверстия, через которые в подшипники скольжения подается под давлением масло из масляного канала. Распределительный вал имеет кулачки, расположение которых соответствует фазам газораспределения.

Над кулачками распредвала в цилиндрических направляющих, высверленных в блоке установлены толкатели (13), имеющие форму перевернутого цилиндрического стакана). В толкатель упирается нижняя головка штанги толкателя (12). Извлекаются и устанавливаются толкатели через коробку толкателей, закрытую штампованной крышкой с боковой стороны блока, со стороны масляного фильтра. При плохой прокладке крышка коробки толкателей является еще одним источником утечки масла.

Штанги толкателей (12) представляют собой длинные трубки с наконечниками. Нижняя головка штанги упирается в толкатель, верхняя - в коромысло клапана, расположенное в головке. При работе двигателя коленвал (26) через шестерни (27, 9) вращает распредвал (14). Кулачки распредвала периодически поднимают и опускают толкатели (13). При этом штанги (12) давят на коромысла (6), которые открывают и закрывают клапана.

Коромысла клапанов (6) распаложены в головке блока. Коромысла представляют из себя рычаги, качающиеся на общей оси (5), закрепленной четырьмя болтами на головке. Они передают усилие от штанг толкателей (12) на клапана. При регулировке клапанов регулируется именно зазор между коромыслом и торцом клапана. Регулировка производится болтом (8) с контргайкой (7), который расположен с противоположной клапану стороне коромысла. В этот болт и упирается верхняя головка штанги толкателей. Смазываются коромысла под давлением, через масляные каналы, проходящие из блока цилиндров в головку.

Клапана установлены в металлокерамических направляющих втулках. Втулки запрессованы в головку и являются съемными, хотя поменять направляющую втулку весьма непросто. Седла клапанов (64) так же вставные, чугунные. Притиркой клапана к седлу обеспечивается его герметичность. Клапан прижимается к седлудвумя пружинами, упирающимися в тарелку пружины клапана, представляющую из себя широкую шайбу. Тарелка пружины фиксируется на клапане двумя сухариками (74), установленными в канавку в верхней части штока клапана. Чтобы снять клапан надо сжать пружины и извлечь сухарики. Две пружины клапана имеют разный диаметр и вставлены одна в другую. Наличие двух пружин обусловлено требованиями надежности - если лопнет одна пружина, клапан не упадет в цилиндр, а будет держаться на второй пружине. При регулировке должен быть обеспечен требуемый зазор между коромыслом и верхним торцом клапана, во избежание нарушения герметичности и прогорания клапана. Направляющие клапанов уплотнены маслосъемными колпачками.

Маслосъемные колпачки фактически представляют из себя сальник, который одевается на направляющую клапана и располагается внутри клапанных пружин, под тарелкой пружины клапана. Маслосъемные колпачки предотвращают попадание масла в цилиндр по направляющим клапана. Особенно это актуально для всасывающего клапана. Вышедшие из строя колпачки, наряду с изношенными поршневыми кольцами, являются источнико дымления двигателя и образования нагара на свечах.

4.4 Система охлажления

З акрытого типа, имеет принудительную циркуляцию. Комплект системы имеет: водяную рубашку в блоке и головки двигательных цилиндров. А так же из насоса охлаждающей жидкости, расширительного бачка, радиатора, пробки расширительного бачка, вентилятора, термостата, кожуха вентилятора, сливного краника и пробки.

Схема соединения радиаторов отопителя с краником и электронасосом:

I — схема соединения с одним отопителем; II — схема соединения с двумя отопителями; 1 — сливной краник системы охлаждения двигателя; 2 — краник отопителя с электроприводом; 3 — электронасос системы отопления; 4 — радиатор дополнительного отопителя; 5 — радиатор отопителя; 6 — отводящий шланг радиатора отопителя; 7 — тройник; 8 — пробка тройника; 9 — корпус термостата; 10 — термостат; 11 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 12 — радиатор; 13 — сливная пробка радиатора; 14 — вентилятор; 15 — насос охлаждающей жидкости

Автомобиль имеет установленный краник, электроприводного радиатора отопителя. В корпусе находится краник, соединенный с микроэлектродвигателем, механическим редуктором, который включается ручкой. Краник работает в двух положениях — полностью открытом или полностью закрытом. Поворот рукоятки вправо на 90°, от начального положения кран закрывается, а дальнейший поворот рукоятки вправо до самого упора — кран открывается.

Термостат ЗМЗ 402 имеет твердый наполнитель. Сам он является, двухклапанными и расположен в выходном патрубке головки цилиндров и соединяется шлангами с радиатором и насосом охлаждающей жидкости. Термостат автоматически сохраняет нужную температуру охлаждающей жидкости в двигателе, производя отключения и включения циркуляции жидкости через радиатор. Чтобы поддерживать оптимальную температуру двигателя при низких температурах воздуха, нужно закрывать радиаторную облицовку чехлом.

Работа термостата: А — термостат закрыт; В — термостат открыт

Насос охлаждающей жидкости. Подшипник в насосе отделен от охлаждающей жидкости поджимным сальником цельной конструкции. Охлаждающая жидкость, проходя через сальник, минует подшипник, и вытекает наружу через контрольное отверстие, которое нужно систематически очищать. Подшипник насоса удерживается фиксатором от ненужного перемещения, который до упора завернут и закернен. Подшипник при сборке наполняется смазкой, и во время эксплуатации, не требуется добавления смазки. Шкив насоса охлаждающей системы вращается вместе со шкивом генератора, при помощи одного клинового ремня от шкива коленчатого вала.

Насос охлаждающей жидкости:

1 — фиксатор; 2 — сальник с уплотнительной шайбой; 3 — контрольное отверстие для выхода охлаждающей жидкости

Ремни привода вспомогательных агрегатов:

1 — привод водяного насоса; 2 — шкив натяжного ролика; 3 — шкив привода вентилятора; 4 — шкив коленчатого вала; 5 — шкив привода генератора

Радиатор. Радиатор автомобиля является трубчато-ленточный, с боковыми бачками изготовленными из пластмассы. Соединение бачков с радиаторным остовом, производится через резиновую уплотнительную прокладку, обжимом опорной пластины по фланцу бачков из пластмассы. Бачки и верхняя пластина остова радиатора, имеют кронштейны крепления, для соединения радиатора и кузова автомобиля. Правый бачок в нижней части имеет сливную пробку, чтобы сливать охлаждающую жидкость.

Расширительный бачок Газель изготовлен из пластмассы. Он соединяется шлангом с патрубком, который подводит охлаждающую жидкость от радиатора к двигателю. На бачке присутствует метка MIN — это допустимый нижний уровень, охлаждающей жидкости в бачке. Расширительный бачок закрывается резьбовой пробкой, для поддержания высокого давление в системе охлаждения.

4.5 Система смазки

Смазка двигателя – комбинированная. Под давлением смазываются коренные и шатунные подшипники, пары «опора – шейка распредвала», гидротолкатели. Разбрызгиванием масло подается на стенки цилиндров (далее к поршневым кольцам и пальцам), на днище поршней, к паре «кулачок распределительного вала – толкатель» и стержням клапанов. Остальные узлы смазываются самотеком.

Маслонасос шестеренчатого типа с маслозаборником расположен в картере блока цилиндров. Вал маслонасоса приводится во вращение от распределительного вала посредством шестерни. Маслонасос перекачивает масло из картера в масляные каналы и создает необходимое давления для смазки подшипников скольжения (пар шейка-вкладыши на коленчатом валу и шейка-втулка на распределительном валу. Маслонасос имеет регулятор давления плунжерного типа, не допускающий превышения давления более 2-4 атмосфер. Маслонасос подает масло из картера непосредственно к тройнику, находящемуся на внешней стороне двигателя. От тройника часть масла идет по металлической трубке в маслянный фильтр, а другая часть, через предохранительный клапан и краник по резиновому шлангу к масляному радиатору. Конструкция маслонасоса от ЗМЗ-402 значительно отличается, однако по сообщениям автолюбителей, маслонасос в сборе взаимозаменяем.

Масляный фильтр картонный, полнопоточный, находится в алюминиевом корпусе. Полнопоточный - это означает, что все масло, попадающее в масляные каналы двигателя проходит через фильтр. Этим двигатель ЗМЗ-24Д отличается от двигателя ГАЗ-21, в котором через фильтр проходила часть масла. В верхней части корпуса фильтра находится клапан, параллельный фильтру, открывающийся при перепаде давлений в 0.5 атмосферы. Поэтому, если Ваш фильтр так засорится, что полностью перестанет пропускать масло, Вы об этом даже не узнаете. Просто в двигатель буде поступать нефильтрованное масло с давлением меньшим на 0.5 атмосферы. Поэтому фильтр надо своевременно менять.

Датчики давления масла предназначены для указания давления в масляной магистрали, по которому можно судить о состоянии двигателя и об аварийном режиме. Всего датчиков два - линейный, связанный со стрелочным прибором на панели приборов, и аварийный, связанный с аварийной красной лампой на панели приборов. Линейный датчик ввернут в корпус масляного фильтра. То есть он измеряет давление масла до масляного фильтра. Поэтому состояние масляного фильтра никак не отражается на указателе давления масла, а скорее наоборот, если вообще снять фильтр сопротивление уменьшится и датчик покажет, что давление упало. В этом плане на двигателе ЗМЗ-402 датчик давления расположен более грамотно - он ввернут в блок непосредственно в масляную магистраль. То есть он измеряет давление после масляного фильтра, непосредственно в масляных каналах. Аварийный датчик давления масла ввернут в обоих двигателях в нижнюю часть масляного фильтра и измеряет давление сразу после фильтра. Датчик настроен на 0.5-0.8 атмосфер. Так как на малых оборотах давление масла в 0.5 атмосфер норма, аварийная лампа вполне может промаргивать на холостом ходу вполне исправного двигателя, пусть это Вас не смущает. Но ни в коем случае не продолжайте движение и сразу заглушите двигатель, если аварийная лампа постоянно горит на оборотах более высоких, чем хх. При работе двигателя без давления масла в течение минуты вкладыши на коленчатом валу в состоянии нагреться до температуры заклинивания и провернуться в своих постелях. Результат - переборка двигателя и шлифовка коленвала.

Масло, проходящее через масляный фильтр поступает в масляную магистраль, образованную системой каналов. Масло подается под давлением к коренным подшипникам коленчатого вала. Через отверстия во вкладышах и шейказ коленвала масло подается во внутреннюю полость вала. Через сверления внутри коленвала масло подается к шейкам шатунных подшипников. Через сверление в шатуне и отверстие масло периодически разбрызгивается на зеркало цилиндра. Так же масло под давлением поступает ко втулкам распредвала, и через сквозное сверление в блоке и головке к оси коромысел для смазки коромысел клапанов.

Масляный радиатор включен в обход фильтра и основной масляной магистрали. На входе масляного радиатора стоит краник, которым можно открывать и закрывать радиатор, и защитный клапан, закрывающий радиатор при давлении менее 0.8 атмосфер. Таким образом, масло в радиатор поступает только в том случае, если маслонасос развивает нормальное давление. Поэтому масляный радиатор, как правило, никак не влияет на давление масла на холостом ходу. Масляный радиатор предназначен для охлаждения масла в картере. Это особенно актуально при жаркой погоде, особенно при движении на высоких скоростях, когда температура масла может превышать 100 градусов. При этом масло сильно разжижается (особенно жидкие сорта), что приводит к снижению давления в системе и быстрому старению масла. Многие водители, замечая в жаркую погоду уменьшение давления масла, закрывают краником масляный радиатор, думая, что этим поднимут давление. Однако масло без радиатора еще сильнее нагревается и разжижается, что приводит в итоге не к росту, а падению давления. Поэтому лучше взять за правило - летом масляный радиатор всегда открыт, зимой - всегда закрыт. Из масляного радиатора охлажденное масло сливается в картер.

Система вентиляции картера представляет из себя две трубки, идущие от крышки клапанной коробки головки блока. Одна (толстая) трубка идет к верхней части воздушного фильтра, другая (тонкая) непосредственно во впускной коллектор. Система предназначена для создания в картере небольшого разряжения, под действием которого картерные газы, неизбежно просачивающиеся через кольца поршней в картер, засасываются обратно в цилиндры. При больших нагрузках газы засасываются через большую трубу в воздушный фильтр, при малых нагрузках (когда расход воздуха через фильтр мал, а разряжение во впускном коллекторе велико) газы засасываются через малую трубку во впускной коллектор. Система вентиляции картера предотвращает создание избыточного давления в картере, способствующего потерям масла через сальники. Кроме того, система предотвращает быстрое разжижение масла парами бензина, просачивающимися в картер. Сняв трубку с вентиляции и/или открыв пробку для залива масла можно можно по количеству выходящих картерных газов оценить состояние двигателя. Если идет легкий белый дымок-это норма. Если дыма много - износились кольца. Если идет густой белый дым, дающий обильные осадки на стенках трубок и наливной горловины - масло начало подгорать в подшипниках и в недалеком будущем не избежать ремонта двигателыя. В таком случае лучше это делать сразу, не дожидаясь проворачивания вкладышей в постелях.

Заключение

В данном курсовом проекте я провел полный расчет автомобильного бензинового двигателя, основываясь на данных двигателя-прототипа. В результате этого я смог добиться улучшения технико-экономических и мощностных показателей двигателя благодаря применению системы распределенного впрыска топлива.

Курсовой проект содержит подробный расчет основных деталей двигателя на прочность, а также основных систем, включая систему охлаждения и систему смазки двигателя.

С другой стороны надо учитывать то, что постоянно растет сложность изготовления двигателей, повышаются требования к качеству топлива и смазочным материалам, усложняется технология производства, растет количество прецизионных деталей, узлов, приборов и датчиков, используемых в двигателях, что безусловно повышает как стоимость самих двигателей, так и стоимость автомобилей в целом.