Многоцилиндровые ДВС. Равномерность хода. Система смазки. Назначение, виды

Введение

Актуальность работы. Рост автомобильного парка, а также интенсификация его использования приводят к обострению проблем исчерпания не возобновляемых природных, прежде всего энергетических ресурсов, негативного воздействия на окружающую среду в глобальном масштабе и на локальном уровне. Многие из названных причин являются следствием неудовлетворительного состояния двигателестроительной отрасли. Основой автотранспортной энергетики есть поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые в результате столетнего развития достигли высокого совершенства.
На автомобилях и других видах дорожно-транспортных средств (ДТС) устанавливаются, в основном, двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Двигателем внутреннего сгорания называется такой тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива превращается в тепловую, а тепловая - в механическую внутри цилиндров с движущимися поршнями или внутри специальных камер (газотурбинные и реактивные двигатели). В двигателях внешнего сгорания - горение топлива происходит вне двигателя и продукты сгорания не являются рабочим телом. Рабочее тело-это газ, который выполняет работу в надпоршневом пространстве двигателя (двигает поршень).
Объект исследования: многоцилиндровые ДВС
Предмет исследования: особенности многоцилиндровых ДВС.
Цель работы: рассмотреть многоцилиндровые ДВС. Равномерность хода. Система смазки. Назначение, виды
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть многоцилиндровые ДВС, равномерность хода;
- описать систему смазки. Назначение, виды.
1. Многоцилиндровые ДВС, равномерность хода
В одноцилиндровом четырехтактном двигателе коленчатый вал вращается неравномерно, поэтому маховик должен обладать большим моментом инерции. В многоцилиндровом двигателе вращение коленчатого вала происходит равномернее, так как рабочие ходы в различных цилиндрах не совпадают друг с другом. Чем больше цилиндров имеет двигатель, тем равномернее вращается коленчатый вал. Нагрузка на детали кривошипно-шатунного механизма в многоцилиндровом двигателе изменяется более плавно, чем в одноцилиндровом.
Рис. 1. Схемы расположения цилиндров двигателя: а — однорядного; 6 — однорядного с наклоном к вертикали; в — V-образного; г — с противоположно лежащими цилиндрами; 1 — цилиндры; 2 — головки блоков; 3 — блоки цилиндров; 4 — поддон
Цилиндры двигателя могут быть расположены следующим образом: вертикально в один ряд — однорядные (рис. 1, а) в двигателях автомобилей ВАЗ-21213 «Нива», ГАЗ-52-04, ГАЗ-3102 и ГАЗ- 3110 «Волга», ЗИЛ-5301 «Бычок» и др.; под углом а к вертикали (рис. 3.7, б) в двигателе автомобиля «Москвич-2140»; в два ряда — V- образные (рис. 3.7, в) в двигателях автомобилей ГАЗ-3307, ЗИЛ- 431410, MA3-5335, КамАЗ-5320, «Урал-4320» и др.; горизонтально с углом 180° между рядами цилиндров — двигатели с противоположно лежащими цилиндрами (рис. 1, г), т.е. с противоположно движущимися поршнями. Эти двигатели иногда называют оппозитными. При таком расположении цилиндров уменьшается высота двигателя и его можно устанавливать под полом кузова, например в автобусах.
При двухрядном V-образном расположении цилиндров двигатель имеет большую жесткость конструкции, меньшие размеры и массу, чем однорядный той же мощности. Жесткий коленчатый вал (вследствие уменьшения его длины) допускает работу без гасителя крутильных колебаний и позволяет форсировать двигатель по степени сжатия. К недостаткам V-образных двигателей можно отнести их значительную ширину и более сложную конструкцию. На отечественных автомобилях устанавливают четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели обычно делают V-образными с углом (3 между цилиндрами 60, 75 и 90° (чаще).
Четырехцилиндровый двигатель. Равномерность работы многоцилиндрового двигателя обеспечивается в том случае, если чередование одноименных тактов в его цилиндрах происходит за цикл (720° в четырехтактном) через равные углы поворота коленчатого вала.
Для определения угла, через который в цилиндрах четырехтактного двигателя будут повторяться одноименные такты (допустим, такты расширения), необходимо 720° разделить на число цилиндров. В четырехцилиндровом двигателе такт расширения совершается через 720/4 = 180° поворота коленчатого вала. За каждые два оборота коленчатого вала в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе происходит четыре такта расширения, четыре такта выпуска и т.д., т.е. рабочий цикл повторяется 4 раза. Поскольку чередование одноименных тактов происходит через 180° поворота коленчатого вала, то и шатунные шейки вала должны быть расположены под углом 180° одна от другой, т.е. лежать в одной плоскости. Шатунные шейки первого и четвертого цилиндров направлены в одну сторону относительно оси коленчатого вала, а шатунные шейки второго и третьего цилиндров — в противоположные (рис. 2, а). Такая форма коленчатого вала обеспечивает равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах двигателя. Последовательность чередования (за два оборота) одноименных тактов в различных цилиндрах двигателя называют порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы четырехцилиндровых четырехтактных двигателей может быть 1—3—4—2 (табл. 1) или 1—2—4—3.
Рис. 2. Схемы кривошипно-шатунных механизмов четырехтактных однорядных двигателей:
а — четырехцилиндрового; б — шестицилиндрового; 1-6 — цилиндры
При выборе порядка работы двигателя конструкторы стремятся как можно равномернее распределить нагрузку на шатунные и коренные шейки коленчатого вала. Максимальные нагрузки на шейки коленчатого вала возникают в те моменты, когда в цилиндрах совершаются такты расширения (рабочие ходы). При порядке работы 1—2—4—3 в течение рабочего хода в первом цилиндре за первый поворот коленчатого вала на угол 0—180° во втором цилиндре будет происходить сжатие, а в третьем — выпуск. Двигатели автомобилей ЗИЛ-5301 «Бычок», семейства ВАЗ «Жигули» и др. имеют порядок работы 1—3—4—2, а двигатели автомобилей УАЗ, ГАЗ-3102 «Волга», ГАЗ-2410 «Волга» — 1—2—4—3.
Рассмотрим последовательность чередования тактов в цилиндрах по табл. 3.1. Так, в первом цилиндре за первую половину оборота коленчатого вала (0—180°) происходит рабочий ход. За вторую его половину (180—360°) рабочий ход будет осуществляться в третьем цилиндре, за первую половину второго оборота (360—540°) — в четвертом цилиндре, а за вторую половину второго оборота (540— 720°) — во втором цилиндре.
Таблица 1 - Чередование тактов однорядного четырехцилиндрового двигателя
Оборот
коленчатого
вала
Угол поворота коленчатого вала, град
Цилиндр
1
2
3
4
Первый
0-180
Рабочий ход
Выпуск
Сжатие
Впуск
180-360
Выпуск
Впуск
Рабочий ход
Сжатие
Второй
360-540
Впуск
Сжатие
Выпуск
Рабочий ход
540-720
Сжатие
Рабочий ход
Впуск
Выпуск
Шестицилиндровый рядный двигатель. Одноименные такты у однорядного шестицилиндрового двигателя совершаются через 120° поворота коленчатого вала, так как 720/6 = 120°.
Колена коленчатого вала расположены попарно в трех плоскостях под углом 120°. Допустим, что первое и шестое колена направлены вверх, тогда второе и пятое колена — влево вниз, а третье и четвертое — вправо вниз, если смотреть на коленчатый вал с переднего торца (рис

. 2, б).
Шестицилиндровый двигатель имеет порядок работы 1—5—3—6— 2—4 (табл. 2). Это означает, что если в первом цилиндре происходит рабочий ход, то после поворота коленчатого вала на угол 120° рабочий ход начинается в пятом цилиндре и т.д. При этом в одном цилиндре рабочий ход еще не заканчивается, а через 120° он начинается в другом, т.е. при повороте коленчатого вала на угол 60° рабочий ход в одном цилиндре перекрывается рабочим ходом в другом цилиндре, и коленчатый вал вращается равномернее. В шестицилиндровом двигателе поршни только двух цилиндров одновременно приходят в одноименные мертвые точки. Силы инерции масс, движущихся возвратно-поступательно, в этом двигателе взаимно уравновешены.
Шестицилиндровый V-образный двигатель. К таким двигателям относятся, например, четырехтактные дизели ЯМЗ-236 (рис. 3, а).
Оборот
коленчатого
вала
Угол поворота коленчатого вала, град
Цилиндр
1
2
3
4
5
6
Первый
0-60
Рабочий
ход
Выпуск
Впуск
Рабочий
ход
Сжатие
Впуск
60-120
Сжатие
Выпуск
120-180
Впуск
Рабочий
ход
180-240
Выпуск
Сжатие
240-300
Рабочий
ход
Впуск
300-360
Сжатие
Выпуск
Второй
360-420
Впуск
Рабочий
ход
420-480
Выпуск
Сжатие
480-540
Рабочий
ход
Впуск
540-600
Сжатие
Выпуск
600-660
Впуск
Рабочий
ход
660-720
Выпуск
Сжатие
Рис. 3. Схемы кривошипно-шатунных механизмов четырехтактных V-образных двигателей:
а — шестицилиндрового; б — восьмицилиндрового; 1-8 — цилиндры
Угол развала между их цилиндрами равен 90°. Первым цилиндром считается первый правый по ходу. Особенность конструкции этих двигателей в том, что коленчатый вал имеет три кривошипа, к каждому из которых присоединено по два шатуна: к первому кривошипу — шатуны первого и четвертого цилиндров; ко второму — второго и пятого цилиндров и к третьему — третьего и шестого цилиндров. Колена коленчатого вала расположены в трех плоскостях под углом 120° одно к другому.
Порядок работы цилиндров такого двигателя 1—4—2—5—3—6 (первый правый, первый левый, второй правый, второй левый, третий правый, третий левый). Одноименные такты в цилиндрах происходят неравномерно через 90 и 150° (табл. 2). Если в первом цилиндре осуществляется рабочий ход, то в четвертом он начинается через 90°, во втором — через 150°, в пятом — через 90°, в третьем — через 150° и в шестом — через 90°.
Поэтому двигатели ЯМЗ-236 имеют повышенную неравномерность хода и на их коленчатом валу приходится устанавливать маховики с относительно большим моментом инерции (на 60—70% больше, чем в однорядном двигателе).
Восьмицилиндровый У-образный двигатель. Цилиндры в таких двигателях (например, автомобилей ГАЗ-3307, КамАЗ-740, ЗИЛ-130) расположены под углом 90° один к другому (рис.3, б). Одноименные такты в цилиндрах начинаются через угол поворота коленчатого вала 720/8 = 90° (табл. 2). Следовательно, кривошипы коленчатого вала расположены крестообразно под углом 90°. К первому кривошипу присоединены шатуны первого и пятого цилиндров, ко второму — второго и шестого цилиндров, к третьему — третьего и седьмого цилиндров, к четвертому — четвертого и восьмого цилиндров. В восьмицилиндровом четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала совершается восемь рабочих ходов. Перекрытие рабочих ходов в различных цилиндрах происходит в течение поворота коленчатого вала на угол 90°, что способствует его равномерному вращению. Порядок работы восьмицилиндрового двигателя 1—5—4—2—6—3—7—8. Зная порядок работы цилиндров двигателя, можно правильно распределить провода по свечам зажигания, присоединить топливопроводы к форсункам и отрегулировать клапаны.
Во время работы двигателя на его механизмы действуют значительные силы давления газов в цилиндре, силы инерции неравномерно движущихся деталей кривошипно-шатунного механизма, а также центробежные силы, возникающие вследствие вращения деталей. Эти силы непостоянны по величине и направлению своего действия, поэтому они вызывают неравномерную работу двигателя.
При неравномерной работе двигателя его механизмы работают с переменной нагрузкой, вследствие чего происходит интенсивный износ деталей. Особенно велика неравномерность работы одноцилиндрового четырехтактного двигателя.
Для достижения равномерности работы двигателя или устанавливают на коленчатом валу тяжелый маховик, или выполняют его многоцилиндровым.
Маховик накапливает энергию во время рабочего хода и отдает ее при совершении вспомогательных тактов. Но тяжелый маховик применяется только для стационарных двигателей, работающих, как правило, на постоянном режиме. Тяжелый маховик вследствие значительной инерции не обеспечивает необходимой автомобильному двигателю приемистости, т.е. способности двигателя быстро развивать и уменьшать обороты. Поэтому в автомобильных двигателях равномерность работы достигается не увеличением веса маховика, а за счет выполнения двигателя многоцилиндровым. В многоцилиндровом двигателе такты рабочего хода равномерно чередуются в отдельных цилиндрах, вследствие чего в значительной мере уравновешиваются силы инерции, возникающие в кривошипно-шатунном механизме при работе двигателя.
Для обеспечения наибольшей равномерности работы многоцилиндрового двигателя необходимо, чтобы такты рабочего хода в различных цилиндрах чередовались через равные промежутки времени и в определенной последовательности. Эта последовательность повторения одноименных тактов в различных цилиндрах называется порядком работы цилиндров двигателя.
Рис.4. Таблица чередования тактов четырехцилиндрового четырехтактного двигателя с порядком работы цилиндров 1—2—4—3 (цифры в графе «Положение кривошипов коленчатого вала» обозначают порядковые номера цилиндров)
Однако не при любом порядке обеспечивается хорошая работа двигателя. Необходимо, чтобы очередные такты рабочего хода следовали в цилиндрах, наиболее удаленных одни от другого. В этом случае нагрузка на коренные подшипники коленчатого вала будет распределяться более равномерно; кроме того, отработавшие газы из цилиндра, в котором начинается выпуск, не будут попадать через выпускной трубопровод в цилиндр, в котором выпуск еще не закончился.
Наиболее удобными порядками работы автомобильных двигателей являются: для четырехцилиндрового — 1—2—4—3 и 1—3—4—2, для шестицилиндрового — 1—5—3—6—2—4 и для восьмицилиндрового — 1—5—4—2—6—3—7—8.
Порядок работы цилиндров обычно изображается в виде таблицы чередования тактов. Рассмотрим, как происходит работа четырехтактного четырехцилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1—2—4—3. Так как рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала (720°), а число рабочих ходов, происходящих за это время, равно четырем, то для правильного чередования рабочих ходов кривошипы коленчатого вала смещены один относительно другого на 180° (720°: 4), т.е. на пол-оборота коленчатого вала, и находятся, таким образом, в одной плоскости.Во время работы двигателя поршни в первом и четвертом цилиндрах при первом полуобороте первого оборота коленчатого вала перемещаются от верхней мертвой точки к нижней, в первом цилиндре происходит рабочий ход, в четвертом цилиндре — такт впуска. Во втором и третьем цилиндрах поршни перемещаются в это время к верхней мертвой точке, во втором цилиндре происходит такт сжатия, а в третьем — такт выпуска