Силовые агрегаты

Мокрая гильза  автомобиля ЗИЛ-130 снабжена короткой (длиной 50 мм)вставкой — сухой гильзой, изготовленной из кислотоустойчивого чугуна — нирезиста, обладающего высокой износоустойчивостью и хорошо сопротивляющегося коррозии. Такие вставные кислотоупорные гильзы толщиной 2,5—3 мм применяются на всех автомобилях ГАЗ и впоследних моделях автомобилей «Москвич».

Нирезист — жаропрочный легированный чугун аустенитного класса; применяется для вставных гильз и седел клапанов. Химический состав нирезиста: С 2,5—3%; Si 2,5—3%; Мп 0,6—1,0%; Сг 1,8—2,2%; № 16,0— 17,5%; Си 7,0—8,0%; S до 0.10%; Р до 0,5%; остальное — Fe.

Верхняя, тщательно обработанная плоскость блока цилиндров служит для установки головки блока. Между блоком цилиндров и головкой ставят уплотняющую металлоасбестовую прокладку.

При нижнем расположении клапанов в карбюраторных двигателях с одной стороны блока имеются каналы и гнезда, в которых устанавливаются клапаны.

Головка блока цилиндров делается съемной, так как это облегчает контроль за состоянием рабочей поверхности цилиндров, притирку клапанов и удаление нагара. Головки блока двигателя отливаются из чугуна или алюминиевого сплава. Головки блока, отлитые из алюминиевого сплава, по сравнению с чугунными имеют меньший вес и превышают его теплопроводность в 3—4 раза, что позволяет несколько повысить степень сжатия. Головки блока двигателей имеют сложную форму, так как в них размещаются камеры сгорания, клапаны, впускные и выпускные каналы, свечи зажигания у карбюраторных двигателей, а у дизелей — вихревые камеры, предкамеры форсунки и иногда свечи накаливания.

Для создания равномерного удельного давления по всей поверхности головки крепление ее к блоку осуществляется большим количеством

Рис. 11. Головки блока цилиндров:

а — дизеля СМД-14: 1 — головка цилиндров; 2—-выпускной клапан; 3 — впускные клапаны: 4 — впускные каналы; 5 — выпускной канал; 6 — каналы для охлаждающей воды системы охлаждения; 7 — форсунки; 8 — вихревая камера; б — головка с воздушным охлаждением:1 — охлаждающие ребра; 2 — головка; 3 — клапан.

шпилек. Затяжку гаек крепления головки нужно производить равномерно динамометрическим ключом с моментом 5—8 н-м(0,5—0,8 кГ•м).Головки для карбюраторных автомобильных двигателей делают в общей отливке для всех цилиндров; для четырех  и шестицилиндровых дизелей с большим диаметром цилиндров с целью уменьшения веса, удобства монтажа и облегчения технологии изготовления иногда делают одну головку на два или три цилиндра.

Две головки на четыре цилиндра установлены на дизеле Т-100М.

Впускные и выпускные каналы у автотракторных двигателей выводятся на одну или обе стороны, на которых к блоку или головке крепятся впускные и выпускные трубопроводы (коллекторы).

Поддон блока цилиндров, являющийся резервуаром для масла, штампуется из стали, а у тракторных двигателей иногда отливается из чугуна. Поддон закрывает нижнюю часть двигателя пробковой или картонной прокладкой и крепится к нему болтами. В нижней части поддона имеется отверстие с пробкой для спуска отработавшего масла; пробка иногда снабжается магнитом для улавливания металлических частиц, попавших в масло в результате износа деталей. В поддоне двигателя устанавливаются перегородки, предотвращающие стекание масла в одну сторону при движении трактора или автомобиля по пересеченной местности.

В картере двигателя при утечке газов через неплотности колец может создаться повышенное давление, которое будет способствовать выдавливанию смазки через сальники и неплотности соединений. Во избежание этого картер двигателя соединяется с атмосферным воздухом сапуном, отверстие которого закрывается сеткой или снабжается воздухоочистителем, предупреждающим попадание в масло пыли.

3.8.2. Поршни, поршневые кольца и пальцы.

При работе двигателя поршень воспринимает и передает большие усилия, возникающие от действия газов и сил инерции. Потери на трение поршневых колец и поршня о стенки цилиндра составляют 60%, а для дизелей — 75% от всей работы трения двигателя. На поршень диаметром d = 100 мм карбюраторного двигателя в начале рабочего хода, когда давление в цилиндре равно 3 Мн/м2 (30 кГ/см2) и температура газов, омывающих днище поршня, составляет 2773°К (2500°С), действует сила 30 — 35 кн (3 — 3,5 Т); у дизелей эта сила в 1,5 — 2 раза больше. Поэтому днища поршней имеют сравнительно большую толщину. Средняя температура в камере сгорания доходит до 1273° К (1000° С), что вызывает нагревание центральной части днища поршня — у чугунных поршней до 673 — 773°К (400 — 500°С), у алюминиевых — до 473 — 523°К (200 — 250°С).

Поршень при работе отдает тепло стенкам цилиндра и охлаждающей воде, а также охлаждается свежей горючей смесью (или воздухом у дизеля) при впуске ее в начале сжатия. Кроме того, поршень охлаждается маслом, находящимся на стенках цилиндра, или путем разбрызгивания масла через специальные распылители.

При равномерном вращении коленчатого вала поршень движется неравномерно, в результате чего возникают силы инерции. С увеличением веса поршня и числа оборотов возрастают силы инерции. Максимальных значений они достигают в мертвых точках при наибольших ускорениях. Силы инерции увеличивают износ деталей кривошипно-шатунного механизма, так как они создают дополнительные ударные нагрузки на поршень, пальцы, кольца, шатуны, подшипники и коленчатый вал.

Поршни автотракторных двигателей в большинстве случаев изготовляют из легких сплавов на алюминиевой или магниевой основе и реже из чугуна. Присадки в виде никеля, хрома и молибдена улучшают структуру чугуна и его механические качества. Температура поршней из алюминиевого сплава вдвое ниже, чем у чугунных, что дает возможность повысить наполнение цилиндров и увеличить степень сжатия (примерно на 0,5), вследствие чего повышаются экономичность и мощность двигателя. Однако поршни из легких сплавов имеют меньшую износостойкость и с повышением температуры значительно снижают механические свойства. При изменении температуры от 288 до 623°К (от 15° до 350°С) предел прочности для алюминиевых сплавов снижается на 65 — 70%, а для чугуна — только на 18 — 20%.

Во избежание заклинивания поршня в цилиндре вследствие нагревания между поршнем и цилиндром предусмотрен зазор, величина которого зависит от диаметра цилиндра, материала и конструкции поршня. Верхняя часть (головка) поршня имеет зазор больший, чем нижняя, так как она больше нагревается, а следовательно, и больше расширяется.

Коэффициент линейного расширения у алюминиевых сплавов примерно в два раза больше, чем у чугуна, что вынуждает делать увеличенные зазоры между поршнем и стенками цилиндров. Увеличенные зазоры могут вызвать стуки при пуске холодного двигателя.

Для обеспечения необходимого зазора по длине поршни делаются ступенчатыми. Верхняя часть поршня, называемая днищем 1, имеет наименьший диаметр; часть поршня, называемая головкой 2 или уплотняющей частью, на которой расположены кольцевые канавки 3, имеет несколько больший диаметр; часть поршня, называемая юбкой или направляющей частью поршня, расположенная ниже поршневых колец, имеет еще больший диаметр. Сверху и снизу юбки для маслосъемных колец делают канавки 4 (у карбюраторных двигателей делают одну-две канавки сверху юбки). В средней части поршня имеется отверстие с бобышками 6 для размещения в них поршневого пальца, который крепится стопорными кольцами 5. Выточки 9 на днище расположены под клапанами, а выемка 8 — под диффузором вихревой камеры. Снизу расположены маслоотводящие канавки 7.

На рис.показан поршень дизеля Д-20 с камерой сгорания 1, расположенной в головке 2 поршня.

Для отечественных карбюраторных автомобильных двигателей примерные величины зазоров между цилиндром и направляющей частью поршня — 0,04 ÷ 0,08 мм, а между цилиндром и головкой поршня— 0,3 ÷ 0,6 мм. Для тракторных двигателей эти зазоры несколько больше.

Поршни автомобильных двигателей имеют плоские днища без выточек. Исключением является углубленное фасонное днище поршня двигателя ЯАЗ-204, соответствующее форме струи распыленного топлива.

Днище поршня может иметь различную форму. На форму днища влияют: форма камеры сгорания, отвод тепла, необходимая прочность и жесткость конструкций, расположение форсунок или свечей и другие факторы. Вогнутое днище при подвесной системе клапанов приближает форму камеры сгорания к сферической, т. е. к наиболее рациональной с точки зрения смесеобразования и сгорания рабочей смеси.

Однако такая форма способствует отложению нагара. Выпуклая форма днища увеличивает прочность поршня, что позволяет уменьшить конструктивный вес поршня, но ухудшает форму камеры сгорания и способствует увеличению температуры днища.

В двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой для направления горючей смеси, выпускных газов и продувочного воздуха днища поршней снабжаются специальными отражателями. На внутренней поверхности днища поршня имеются ребра, увеличивающие прочность и жесткость днища и способствующие лучшему его охлаждению.

Рис. 12 Поршни дизелей: а — Д-75; б - Д-20.

Направляющая часть (юбка) поршня выполняется более тонкой, чем головка, поэтому иногда в ней располагают ребра для придания необходимой жесткости. С этой же целью внизу юбки делают утолщение (буртик), с которого удаляют лишний металл при подгонке поршней по массе.

Достаточно плотная посадка поршня и его работа без стуков (обычно поршней из алюминиевых сплавов) при непрогретом двигателе достигается за счет большего диаметра в плоскости, перпендикулярной к оси пальца. Поэтому, чтобы предохранить поршень от заклинивания в цилиндре двигателя, его заранее обрабатывают на эллипс с разностью 0,2 — 0,35 мммежду большой и малой осями. Эта разность должна быть такой, чтобы при наличии температурных деформаций юбка поршня принимала правильную цилиндрическую форму. Например, поршни автомобилей ГАЗ имеют диаметр юбки по оси поршневого пальца на 0,25 мм меньше, чем в поперечном направлении. Для улучшения приработки поршня его поверхность покрывают тонким слоем олова.

Температурные деформации в плоскости приливов поршневого пальца больше, чем в перпендикулярной плоскости.

Рис. 13. Схема работы поршневых колеи:

а — уплотнение цилиндра поршневыми кольцами; б – насосное действие уплотнительных колец; в – схема работы маслосъемных колец.

Для предупреждения заедания поршня при нагреве из-за сосредоточенной массы металла у бобышек и улучшения смазки на поверхности поршня против бобышек поршневого пальца делают так называемые «холодильники», которые образуются удалением с поверхности поршня слоя металла толщиной 0,5—1,5 мм.

Во избежание заклинивания поршня из алюминиевого сплава при нагреве в его юбке выполняются разрезы. Поршень двигателя ЗИЛ-120 имеет продольный косой разрез по всей длине юбки. Поршни автомобилей ГАЗ имеют два вертикальных разреза и один горизонтальный, сообщающие юбке пружинящие свойства. Комплект поршней в сборе с шатунами подбирается как по размерам цилиндра, так и по весу.

Поршни двигателя ЗИЛ-130 отливаются из алюминиевого сплава. Юбка поршня выполнена в виде эллиптического конуса, большое основание которого находится снизу юбки, а большая ось эллипса расположена в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Разность между наибольшим и наименьшим диаметрами юбки поршня составляет 0,52 мм.

Рис. 14. Уплотнительные компрессионные и маслосъемные кольца:

а— компрессионные кольца с прямым и косым замками; б — маслосъемные кольца; в — схемы контакта с цилиндром скручивающегося кольца с выточкой; г — кольца с фаской; д — рабочее положение поршневых колец; е — эпюра давления корректирующего кольца.

а конусность по длине юбки — 0,035 ÷ 0,050 мм. Это позволило уменьшить зазор между цилиндром и поршнем в направлении действия нормальной силы, что обеспечило бесшумность работы двигателя в холодном состоянии при пуске. Окончательный подбор поршня к гильзе производят усилием 35 — 40 н(3,5 — 4,5 кГ),необходимым для протаскивания ленты шупа толщиной 0,08 мм и шириной 13 мм.

Наличие температурного зазора между поршнем и стенкой цилиндра требует принятия мер по уплотнению цилиндра во избежание проникновения газов в картер двигателя и масла — в камеру сгорания. Для этой цели применяются поршневые кольца — компрессионные и маслосъемные.

Уплотнение цилиндра осуществляется благодаря лабиринту 4, создающемуся между стенками цилиндра 1 и поршнем 3 с помощью колец 2, находящихся в канавках поршня. Благодаря лабиринту 4 газы, стремящиеся проникнуть из камеры сгорания в картер двигателя, постепенно расширяются, в связи с чем понижаются давление и скорость и уменьшается их утечка. Если давление газов р в цилиндре (в в.м. т.) принять за 100% ,то после третьего кольца оно снизится до 0,076%.

На рис. показана схема насосного действия уплотняющих поршневых колец, а на рис — схема действия маслосъемных колец.

Компрессионные и маслосъемные кольца изготовляются из высококачественного чугуна с последующей механической обработкой, ширина колец b = 3 — 4 мм, радиальная толщина кольца а = 5 — 6 мм .

У карбюраторных автомобильных двигателей число компрессионных колец обычно не более 2 — 3, а у дизелей — 3 — 5, так как давление в камере сгорания у них достигает 8 Мн/м2 (80 кГ/см2).

Замки, или стыки, поршневых колец выполняются прямыми или косыми. Более надежными в работе являются компрессионные кольца с прямыми замками. Чтобы кольцо при нагреве могло расширяться, в стыках колеи делают зазоры. Верхнее кольцо должно иметь наибольший зазор. Зазоры в замках новых колец, вставленных в гильзу цилиндра тракторного двигателя, диаметр которой 125 мм, должны быть в пределах 0,4 — 0,8 мм. Зазор в замках колец автомобильных (ГАЗ-53Ф) двигателей составляет 0,2 — 0,4 мм. В целях уменьшения утечки газов в замках колец при установке на поршень они размещаются в разные стороны. 
При работе двигателя замки колец могут перемещаться и совпадать, ухудшая уплотнение цилиндра. В двухтактных двигателях, имеющих значительную длину выпускных и продувочных окон, фиксация колец является обязательной, так как она предупреждает аварию двигателя при попадании концов колец в продувочные окна цилиндра. 
В особо тяжелых условиях работает верхнее компрессионное кольцо. Применяемые некоторыми заводами пористое хромирование колец, покрытие оловом и фосфатирование в значительной мере повышают их стойкость. Например, верхнее компрессионное кольцо двигателя трактора ДТ-54А хромируется и покрывается слоем олова. Нижние кольца покрыты только слоем олова. Для обеспечения условий работы первого кольца его размещают несколько ниже толщины днища поршня или перед кольцом в теле поршня делают выточку А (см. рис. 6.8, в). Такая выточка затрудняет путь тепла к кольцу, выполняя роль воздушного экрана. 
Упругость кольца должна обеспечивать определенное давление его на зеркало цилиндра. Установлено, что кольцо, имеющее равномерное давление по всей окружности, изнашивается в первую очередь вблизи замка; поэтому для увеличения срока службы колец их изготовляют с неравномерным давлением по окружности, т. ё. с максимумом давления в зоне замка до 0,6 Мн/м2 (до 6 кГ/см2). Форма такого кольца в свободном состоянии отклоняется от окружности, но при сжатии кольца и установке его в цилиндр оно приобретает правильную цилиндрическую форму, обеспечивая повышенное давление в замке. Эпюра давления компрессионного кольца с корректированным давлением на стенки цилиндра показана на рис. 6.8, е. Среднее удельное давление холодного кольца в современных конструкциях составляет 0,3—0,4 Мн/м2 (3—4 кГ/см2). С увеличением радиальной толщины кольца его упругость возрастает. Снижение упругости и давления кольца, появляющееся при износе, можно несколько компенсировать применением колец с конической рабочей поверхностью. У таких колец из-за повышенного удельного давления ускоряется приработка к зеркалу цилиндра и создаются более благоприятные условия для распределения смазки. 
При движении вверх эти кольца хорошо смазывают поверхность цилиндра, а при движении вниз — снимают смазку. Однако изготовление конусных колец сложно, поэтому компрессионные кольца делают цилиндрическими, но имеющими специальные выточки. При установке в цилиндр такие кольца скручиваются и их рабочая поверхность принимает коническую форму (рис. 6.8,в и г). Кольца должны быть установлены выточками вверх. Установка колец выточками вниз приводит к повышенному расходу масла. Рабочее положение компрессионных колец показано на рис. 6.8, д. По высоте кольца делаются несколько меньше высоты поршневой канавки с зазором для компрессионных колец 0,01÷0,14мм и для маслосъемных — 0,027÷0,35 мм. Увеличение этого зазора вызывает повышенный расход масла благодаря насосному действию колец (см. рис. 6.7,б). При работе двигателя компрессионные кольца попеременно прижимаются к верхней и нижней плоскостям кольцевых канавок поршня и перекачивают масло в камеру сгорания; для предупреждения этого явления применяются маслосъемные кольца в количестве 1—2 шт. Для отвода масла в лабиринт у маслосъемных колец имеются щелевые выточки шириной 1—1,5 мм (поэтому они шире компрессионных колец). Для отвода масла из лабиринта канавки поршня радиально просверливают. 
Компрессионные кольца двигателя ЗИЛ -130 отливаются из серого чугуна, легированного молибденом; твердость кольца 98—106 HRC. 
На поршень (рис. 15) устанавливают три компрессионных 4, 5, 7 и одно составное маслосъемное 1 кольца. Два верхних кольца 7 и 5 по наружной поверхности хромируют. Верхнее компрессионное кольцо 7 для уменьшения износа размещено в чугунном кольце 6, залитом в поршень 8. Нижнее компрессионное кольцо 4 — коническое; конус направлен кверху.