Технічне забезпечення лабораторної роботи

Карбюраторний та дизельний двигуни на стендах; деталі кривошипно-шатунних механізмів двигунів; плакати і планшети; набір інструментів.

Порядок виконання роботи

1. Використовуючи плакати, схеми та планшети з окремими деталями, а також спеціальну літературу, вивчити загальну будову кривошипно-шатунного механізму двигуна.

2. За вказівкою викладача розібрати двигун та зарисувати окремі деталі кривошипно-шатунного механізму.

3. Провести складання та відрегулювати затяжку кришок ко­рінних і шатунних підшипників.

Контрольні питання

1. Призначення кривошипно-шатунного механізму у двигунах внутрішнього згоряння.

2. Які типи кривошипно-шатунних механізмів застосовуються в поршневих двигунах внутрішнього згоряння?

3. Які рухомі деталі входять до складу кривошипно-шатунного механізму?

4. Які нерухомі деталі входять до складу кривошипно-шатунного механізму?

5. Конструкція та призначення поршня.

6. Конструкція та призначення компресійних та маслоз’ємних кілець.

7. Конструкція та призначення шатуна в кривошипно-шатунному механізмі.

8. Конструкція та будова колінчатого вала поршневого ДВЗ.

9. Призначення противаг колінчатого вала ДВЗ.

10. Конструкція та призначення гасників крутильних коливань, що застосовуються в КШМ.

Лабораторна робота 2

Газорозподільний механізм двигунів внутрішнього згоряння

Мета роботи - вивчити будову, роботу та регулювання газо­розподільного механізму двигунів внутрішнього згоряння.

Основні теоретичні відомості

Газорозподільний механізм (ГРМ) призначений для впуску в циліндри двигуна горючої суміші (карбюраторні та газові двигуни) або повітря (дизелі), а також випуску відпрацьованих газів.

Механізм газорозподілу має впускні й випускні органи (зокрема, клапани) і деталі, що забезпечують їхнє своєчасне відкриття й закриття. До складу найпоширенішого клапанного механізму входять також розподільний вал, штовхачі, штанги, важелі, пружини. Механізм газорозподілу забезпечує строго певну послідовність і задану тривалість протікання процесів впуску й випуску в робочому циклі двигуна.

У двигунах внутрішнього згоряння застосовують клапанний, золотниковий і комбінований газорозподіл. Газорозподільні органи повинні забезпечити гарне очищення циліндра від продуктів згоряння й наповнення циліндрів свіжим зарядом при безумовній надійності механізму в роботі. Досконалість очищення й наповнення циліндра залежить головним чином від площі прохідного перетину газорозподільних органів і тривалості їхнього відкриття. Збільшення прохідних перетинів звичайно обмежено розмірами циліндра, а час відкриття газорозподільних органів залежить від частоти обертання вала. Умови роботи як клапанного, так і золотникового механізмів, що перебувають під впливом гарячих газів, навантажених значними динамічними зусиллями, є важкими. При цьому велике значення мають змащування, охолодження, а також вибір матеріалів для найбільш навантажених елементів механізму газорозподілу.

Клапанний газорозподіл одержав найбільше поширення завдяки порівняно простій будові й надійній роботі. Клапани застосовують у якості впускних і випускних органів у чотиритактних двигунах всіх типів і як випускні органи у двотактних двигунах при клапанно-щілинній схемі газообміну. На рис. 2.1 представлені схеми установки й приводу клапанів. В сучасних двигунах частіше застосовують верхнє розташування клапанів (рис: 2.1, а – д) і рідше – нижнє (рис. 2.1, е) через гірше наповнення циліндра свіжим зарядом.

Верхнє (підвісне) розташування клапанів у головці циліндрів дозволяє застосовувати різноманітні варіанти компактних камер згоряння геометричної форми, сприятливої для протікання робочих процесів у циліндрі. Менша поверхня в камері обумовлює зменшення теплових втрат через стінки, а отже, збільшення індикаторного КПД. Верхнє розташування клапанів типово для всіх дизелів. У сучасних карбюраторних двигунах з підвищеним ступенем стиску застосовують, як правило, підвісні клапани, що забезпечують краще наповнення циліндра свіжим зарядом і, отже, більшу потужність двигуна.

На рис. 2.1, е показана схема з нижнім або бічним розташуванням клапанів. Клапани встановлюють звичайно з однієї сторони циліндра в площині, паралельній осі колінчатого вала. Камера згоряння при бічному розташуванні клапанів має Г-подібну форму, частково зміщена щодо осі циліндра й менш компактна, що приводить до збільшення втрат і зниженню ефективних показників двигуна. Тому таке розташування клапанів у наш час практично не застосовується. Однак при такій конструкції механізму газорозподілу спрощується пристрій головки циліндра й привода клапанів, а також зменшується висота двигуна.

Золотниковий (безклапанний) газорозподіл може здійснюватися золотниками, що рухаються поступально або обертаються, а також золотниками, що роблять складний рух. При золотниковому газорозподілі можна забезпечити більші прохідні перетини для газів, зменшити рівень шуму, а також динамічні навантаження на деталі привода в порівнянні із клапанним механізмом газорозподілу. Це обумовлює можливість роботи при великій частоті обертання. До недоліків золотникового газорозподілу варто віднести труднощі забезпечення ущільнення, змазування й охолодження золотників і їхнє підвищене зношування.

Клапан є самою гарячою деталлю двигуна. Температура головок випускних клапанів може досягати 850...900 °С, а в «адіабатних» двигунах може бути ще вище.

На рис. 2.2 представлена типова конструкція механізму газорозподілу із впускним 1 і випускним 3 клапанами, застосовуваними в автомобільних, тракторних і інших типах двигунів. Клапани повинні надійно герметизувати порожнину циліндра й створювати можливо менші гідравлічні втрати при русі свіжого заряду й випускних газів.

Основними елементами клапана є головка й стрижень. У впускного клапана головку часто роблять більшого діаметра, чим у випускного, для поліпшення наповнення циліндра. Клапани працюють у тяжких умовах, тому їх виготовляють із високоякісної сталі. Для економії цього матеріалу головки клапанів (особливо випускних) часто виконують із жароміцної сталі, а стрижні - з вуглецевої сталі з наступною їх приваркою. Щільне прилягання клапана до сідла 2 (або до розточення головки циліндра при відсутності сідла) досягається за допомогою фаски на головці клапана. По поверхні фаски здійснюється притирання клапана до сідла, що забезпечує герметичність ущільнення. При роботі клапанів доцільно їхнє обертання за допомогою спеціального механізму, що підвищує рівномірність розподілу температури по окружності головки, поліпшує герметичність і підвищує термін служби клапана.

У зв'язку з форсуванням сучасних двигунів по середньому ефективному тиску й частоті обертання необхідно збільшити інтенсивність відводу теплоти від головок випускних клапанів. Це досягається застосуванням клапанів із внутрішньою замкнутою порожниною 2 (рис. 2.3), на 35...50 % обсягу заповненої легкоплавким металом (наприклад, натрієм). Розплавляючись при роботі, натрій, що перебуває в полі знакозмінних інерційних сил, інтенсифікує передачу теплоти від головки до стрижня клапана.

Клапанні пружини 4 і 5 (див. рис. 2.3) забезпечують посадку клапана на сідло й утримують його в закритому положенні протягом заданої тривалості по куті повороту колінчатого вала, а також перешкоджають відкриттю клапанів під дією надлишкового тиску в газоповітряних каналах головки циліндрів. Пружини повинні мати необхідну характеристику пружності, що забезпечує нерозривність кінематичного ланцюга елементів механізму газорозподілу при роботі двигуна. На кожний клапан ставиться одна або дві пружини. В останньому випадку зменшується їхня довжина й підвищується надійність роботи механізму.

Для того щоб при поломці однієї із пружин витки її не попадали між витками іншої, навивання пружин (внутрішньої 5 і зовнішньої 4) виконують у різних напрямках. Клапанні пружини виготовляють із високоміцного пружинного дроту методом холодної навивки.

Зусилля пружини передається клапану через тарілку 6 із втулкою 8, що з'єднана із клапаном розрізними конічними сухариками.

Розподільні (кулачкові) вали призначені для передачі руху від колінчатого вала двигуна клапанам. При цьому за допомогою кулачків 2, розташованих на розподільному валу, відкриття й закриття клапанів здійснюється в строго певні моменти робочого циклу. Тому кулачки на розподільному валу розташовані відповідно до прийнятого для даного двигуна порядком роботи циліндрів.

Профіль і висота кулачка обумовлюють моменти відкриття й закриття клапана, а також величину прохідного перетину для газів.

Профіль кулачка повинен забезпечувати плавне переміщення клапана при досить швидкому його відкритті. Закриття повинне здійснюватися при помірних швидкостях посадки клапана на сідло. Все це визначається формою профілю кулачка. У сучасних швидкохідних двигунах одержали поширення кулачки, що забезпечують безударне навантаження деталей привода («безударні» кулачки, полідинамічні кулачки тощо.).

У більшості випадків кулачки виконують як одне ціле з розподільним валом. Для зменшення тертя й зношування їхню поверхню механічно ретельно обробляють і залежно від марки матеріалу цементують, гартують або азотують. Після термообробки вали шліфують. У тихохідних двигунах середньої й великої потужності на розподільні вали за допомогою шпонок 3 установлюють знімні кулачки 2 (рис. 2.4).

Складені вали зі знімними кулачками роблять сталевими; цілі вали штампують зі сталі або відливають зі спеціального чавуну. Як підшипники для розподільних валів найчастіше застосовують підшипники ковзання, залиті бабітом або свинцюватою бронзою. Підшипники кочення встановлюють порівняно рідко.

Залежно від типу й призначення двигуна розподільні вали приводяться в обертання від колінчатого вала зубчастою циліндричною передачею або передачею із проміжними валиками й конічними колесами, а також ланцюговою або пасовою передачею.

Механізм привода залежить від типу клапанів і місця розташування розподільного вала. У механізмі газорозподілу з верхнім розташуванням розподільного вала привод від колінчатого вала здійснюється за допомогою ланцюга або зубчастого ременя. У такому механізмі привод включає важіль 5, що повертається на кульовій опорі, установленої на головці циліндрів.

У механізмі привода нижніх клапанів (див. рис. 2.1, е) відсутні важіль із опорою, однак є штовхач 8. Кулачок діє на стрижень клапана безпосередньо через штовхач із регулювальним гвинтом. Найменше число деталей привода має механізм з безпосереднім контактом кулачка та стрижня клапана.

У випадку нижнього розташування розподільного вала при верхніх клапанах механізм привода має ряд додаткових деталей (див. рис. 2.1, д) - штовхач 8, штангу 7, двоплечий важіль-коромисло 4, вісь коромисла з опорою.

Робочу поверхню сталевих штовхачів іноді покривають шаром вибіленого чавуну, що зменшує зношування. Зниженню зношування (особливо зниженню його нерівномірності) сприяє обертання штовхача при роботі, що досягається зміщенням осі штовхача й точки його торкання з кулачком.

Поряд з описаним плоским штовхачем застосовують роликові штовхачі, у яких тертя ковзання між штовхачем і кулачком замінено тертям кочення ролика і голчастих підшипників.

Для зменшення динамічних навантажень у швидкохідних двигунах застосовують гідравлічні штовхачі (рис. 2.5). У цьому випадку в приводі відсутній зазор, що забезпечує безударне набігання й схід штовхача з кулачка, усуває коливання в механізмі й зменшує шум при роботі. По каналі у важелі масло подається під тиском через кульковий клапан 8 у канал у його корпусі 7 і надходить у порожнину плунжера 5. При набіганні кулачка тиск у порожнині плунжера збільшується, кулька закриває отвір у втулці 4 і зусилля від важеля передається ковпачку і відповідно клапану через шар масла. Зазор δ служить для компенсації деформації клапана при роботі. Застосовуються й інші конструкції гідроштовхачів. У потужних суднових дизелях через більші зусилля в приводі застосовують гідравлічне керування клапанами.