Как работает кривошипно-шатунный механизм двигателя

Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршней (за счет энергии сгорания топливной смеси) во вращение коленчатого вала и наоборот. Это технически сложный механизм, составляющий основу двигателя внутреннего сгорания. В статье мы подробно рассмотрим устройство и особенности работы КШМ.

История создания

Первые свидетельства использования кривошипа были найдены в 3-м веке нашей эры, в Римской империи и Византии в 6-м веке нашей эры. Прекрасным примером является пилорама из Иераполиса, в которой используется коленчатый вал. Металлический кривошип был найден в римском городе Августа-Раурика на территории современной Швейцарии. Во всяком случае, некий Джеймс Пакард запатентовал изобретение в 1780 году, хотя свидетельства его изобретения были найдены еще в древности.

Составные части КШМ

Компоненты КШМ условно делятся на подвижные и неподвижные части. К подвижным частям относятся:

• поршни и поршневые кольца;
• шатуны;
• поршневые пальцы;
• коленчатый вал;
• маховик.

Неподвижные части КШМ служат базой, элементами крепления и направляющими. К ним относятся:

• блок цилиндров;
• головка блоков цилиндров;
• картер;
• поддон картера;
• крепежные детали и подшипники.

Неподвижные части КШМ

Картер и масляный поддон

Картер — это нижняя часть двигателя, в которой находятся подшипники и масляные каналы коленчатого вала. В картере шатуны движутся, а коленчатый вал вращается. Масляный поддон — это резервуар для моторного масла.

Основа картера в процессе эксплуатации подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому к этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используются алюминиевые или чугунные сплавы.

Картер крепится к блоку цилиндров. Вместе они образуют каркас двигателя, основную часть его корпуса. Сами цилиндры находятся в блоке. Сверху установлена головка блока ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости для жидкостного охлаждения.

Расположение и количество цилиндров

В настоящее время наиболее распространены следующие типы:

• рядное четырех- или шести цилиндровое положение;
• шестицилиндровое V-образное положение под углом 90 °;
• VR-образное положение под меньшим углом;
• оппозитное положение (поршни движутся навстречу друг другу с разных сторон);
• W-образное положение с 12 цилиндрами.

При простом рядном расположении цилиндры и поршни расположены в ряд, перпендикулярной коленчатому валу. Эта схема самая простая и надежная.

Головка блока цилиндров

Головка крепится к блоку шпильками или болтами. Она накрывает цилиндры с поршнями сверху, образуя герметичную полость — камеру сгорания. Между блоком и головкой есть прокладка. В головке блока цилиндров также находится клапанный механизм и свечи зажигания.

Цилиндры

Поршни двигаются непосредственно в цилиндрах двигателя. Их размер зависит от хода поршня и его длины. Цилиндры работают при переменном давлении и высоких температурах. В процессе эксплуатации стенки подвергаются постоянному трению и температурам до 2500 ° C. К материалам и обработке цилиндров также предъявляются особые требования. Их делают из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и удобной в обработке.

Наружная рабочая поверхность называется зеркалом. Она хромирована и отполирована до зеркальной поверхности для минимизации трения в условиях ограниченного смазывания. Цилиндры отливаются совместно с блоком или выполняется в виде съемных гильз.

Подвижные части КШМ

Поршень

Движение поршня в цилиндре происходит за счет сгорания топливовоздушной смеси. Создается давление, которое действует на днище поршня. Оно может отличаться по форме в разных типах двигателей. В бензиновых двигателях днище изначально было плоским, затем стали применять вогнутые конструкции с проточками под клапаны. В дизельных двигателях в камере сгорания предварительно сжимается воздух, а не топливо. Поэтому днище поршня также имеет вогнутую форму, которая является частью камеры сгорания.

Форма днища имеет большое значение для создания правильного факела горения топливовоздушной смеси.

Остальная часть поршня называется юбкой. Это своего рода направляющая, которая движется внутри цилиндра. Нижняя часть поршня или юбки выполнена таким образом, чтобы не соприкасаться с шатуном во время его движения.

На боковой поверхности поршней имеются проточки или канавки для поршневых колец. Сверху есть два или три компрессионных кольца. Они необходимы для создания компрессии, то есть препятствуют проникновению газа между стенками цилиндра и поршнем. Кольца прижимаются к зеркалу, уменьшая зазор. Внизу есть паз для маслосъемного кольца. Оно предназначено для удаления лишнего масло со стенок цилиндра, чтобы оно не попало в камеру сгорания.

Поршневые кольца, особенно компрессионные, работают при постоянных нагрузках и высоких температурах. Для их производства используются высокопрочные материалы, такие как легированный чугун, покрытый пористым хромом.

Поршневой палец и шатун

Шатун крепится к поршню с помощью поршневого пальца. Он представляет собой цельную или полую цилиндрическую деталь. Палец устанавливается в отверстие в поршне и в верхней головке шатуна.

Существует два типа крепления:

• с фиксированной посадкой;
• с плавающей посадкой.

Самым популярным является так называемый «плавающий палец». Для его крепления используются стопорные кольца. Фиксированный устанавливается с натягом. Обычно используется тепловая посадка.

Шатун, в свою очередь, соединяет коленчатый вал с поршнем и производит вращательные движения. В этом случае возвратно-поступательные движения шатуна описывают число восемь. Он состоит из нескольких элементов:

• стержня или основы;
• поршневой головки (верхней);
• кривошипной головки (нижней).

Бронзовая втулка запрессовывается в поршневую головку для уменьшения трения и смазки соприкасающихся деталей. Кривошипная головка является разборной для обеспечения сборки механизма. Детали идеально подогнаны друг к другу и фиксируются болтами и контргайками. Для уменьшения трения устанавливаются шатунные подшипники. Они выполнены в виде двух стальных вкладышей с замками. Масло подается через масляные канавки. Подшипники точно адаптированы к размеру соединения.

Вопреки распространенному мнению, вкладыши удерживаются от проворота не за счет замков, а из-за силы трения между их внешней поверхностью и головкой шатуна. Таким образом, внешнюю часть подшипника скольжения нельзя смазывать во время сборки.

Коленчатый вал

Коленчатый вал — сложная часть, как с точки зрения устройства, так и производства. Он принимает на себя крутящий момент, давление и другие нагрузки и поэтому изготовлен из высокопрочной стали или чугуна. Коленчатый вал передает вращение от поршней к трансмиссии и другим компонентам автомобиля (например, ведущему шкиву).

Коленчатый вал состоит из нескольких основных компонентов:

• коренные шейки;
• шатунные шейки;
• противовесы;
• щеки;
• хвостовик;
• фланец маховика.

Конструкция коленчатого вала во многом зависит от количества цилиндров в двигателе. В простом четырехцилиндровом рядном двигателе на коленчатом валу имеется четыре шатунных шейки, на которых установлены шатуны с поршнями. Пять коренных шеек расположены вдоль центральной оси вала. Они устанавливаются в опоры блока цилиндров или картера на подшипники скольжения (вкладыши). Коренные шейки сверху закрываются крышками на болтах. Соединение образует П-образную форму.

Специально обработанная точка опоры для установки коренной шейки с вкладышем называется постелью.

Коренные и шатунные шейки соединены так называемыми щеками. Противовесы гасят излишние вибрации и обеспечивают плавное движение коленчатого вала.

Шейки коленчатого вала термически обработаны и отполированы для обеспечения высокой прочности и точной посадки. Коленчатый вал также очень точно сбалансирован и отцентрован, чтобы равномерно распределять все силы, действующие на него. В центральной области коренной шейки по бокам от опоры, устанавливаются упорные полукольца. Они необходимы для компенсации осевых перемещений.

Шестерни привода ГРМ и приводной шкив вспомогательных агрегатов двигателя прикреплены к хвостовику коленчатого вала.

Маховик

На задней части вала имеется фланец, к которому крепится маховик. Это чугунная деталь, которая представляет собой массивный диск. Благодаря своей массе маховик создает инерцию, необходимую для работы КШМ, а также обеспечивает равномерную передачу крутящего момента на трансмиссию. На ободе маховика имеется зубчатое кольцо (венец) для соединения со стартером. Это маховик вращает коленчатый вал и приводит в движение поршни при запуске двигателя.

Кривошипно-шатунный механизм, конструкция и форма коленчатого вала остаются неизменными на протяжении многих лет. Как правило, вносятся лишь незначительные структурные изменения для уменьшения веса, инерции и трения.

Принцип работы и устройство двигателя

Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.

В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
  • карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
• Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
• Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Особенности их устройства заключаются в преображении тепловой энергии в механическую работу с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.

Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.

Принцип работы двигателя

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Впуск топлива;
2. Сжатие топлива;
3. Сгорание;
4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Системы двигателя

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
2. Система смазки;
3. Система охлаждения;
4. Система подачи топлива;
5. Выхлопная система.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал;
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
• Детали привода клапанов;
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

Система смазки

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон);
• Насос подачи масла;
• Масляный фильтр с редукционным клапаном;
• Маслопроводы;
• Масляный щуп (индикатор уровня масла);
• Указатель давления в системе;
• Маслоналивная горловина.

Система охлаждения

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя;
• Насос (помпа);
• Термостат;
• Радиатор;
• Вентилятор;
• Расширительный бачок.

Система подачи топлива

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак;
• Датчик уровня топлива;
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
• Топливные трубопроводы;
• Впускной коллектор;
• Воздушные патрубки;
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Выхлопная система

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор;
• Приемная труба глушителя;
• Резонатор;
• Глушитель;
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.