Сведения об уравновешенности двигателя

Свободные, неуравновешенные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм, вызывают колебания двигателя, передаваемые на раму машины. Они вредно отражаются на сочленениях деталей, на креплении механизмов и на персонале, обслуживающем машину. В целях устранения вибрации необходимо уравновешивать силы переменные но величине и направлению.
Двигатель считается уравновешенным, если у него при установившемся режиме работы силы, передаваемые на опоры, постоянны по величине и направлению.
Уравновешивание сил, вызывающих вибрацию двигателя, достигается различными конструктивными мерами: – постановкой противовесов, когда уравновешиваются силы инерции вращающихся масс; при этом необходимо, чтобы центробежная сила противовеса равнялась центробежной силе неуравновешенных вращающихся масс; – размещением шатунных шеек коленчатого вала многоцилиндрового двигателя таким образом, чтобы кривошипно-шатунныи механизм получился с минимальным количеством свободных сил и моментов.

Многоцилиндровые двигатели для автомобилей и тракторов

Современные двигатели для автомобилей и тракторов выполняют многоцилиндровыми. Объясняется такая тенденция тем, что с увеличением числа цилиндров равномерно вращается коленчатый вал, ибо в одноцилиндровом четырехтактном двигателе рабочий ход совершается только в продолжении половины оборота коленчатого вала, а остальные полтора оборота цикла он должен двигаться за счет энергии, полученной при рабочем ходе. Несколько лучше в этом отношении обстоит дело у двухтактного двигателя. Но и у него 50% времени цилиндр не работает на поршень.
Равномерное вращение коленчатого вала в многоцилиндровом двигателе достигается тем, что в нем рабочие ходы в цилиндрах выполняются не в одно время, а в определенной очередности. Последовательность чередования одноименных тактов в различных цилиндрах называется порядком работы двигателя.
Порядок работы двигателей зависит от числа цилиндров и характера их расположения — в один ряд (рядные) или в два ряда (V-образные).
Для четырехтактных рядов двигателей возможны порядки работы: двухцилиндрового 1—2, трехцилиндрового 1—3—2, четырехцилиндрового 1—2—4—3 или 1—3—4 — 2, шестицилиндрового 1—5—3 — 6 — 2 — 4 или 1—4—2—6—3—5. Для четырехтактных двигателей двухрядных V-образных: шестицилиндрового 1 л (левого блока) —1п (правого блока)—2л—2п—Зл—Зп или 1л —Зл—2л —2п—1п—Зп, восьмицилиндрового 1л—Зл—Зп—2л — — 2п— 1п—4л—4п и т. д.
Рабочий цикл в этих двигателях происходит в каждом цилиндре отдельно независимо от числа цилиндров.
Одноцилиндровые двигатели, несмотря на простоту конструкции, малые размеры и невысокую стоимость, для работы на автомобилях в настоящее время не применяются, так как им свойственны следующие недостатки:
— неравномерная работа ввиду редкого чередования тактов расширения;
— при одинаковой мощности размеры и масса цилиндра и движущихся частей получаются большими, чем в многоцилиндровых двигателях вследствие более высоких инерционных нагрузок, затруднительности повышения мощности двигателя увеличением частоты вращения и большей склонности двигателя к детонации;
— неблагоприятные условия смесеобразования и наполнения; плохая приемистость двигателя; большая удельная масса, т. е. масса, приходящаяся на единицу развиваемой двигателем мощности.
Стремление устранить недостатки одноцилиндрового двигателя привело к созданию многоцилиндрового двигателя.
На современных автомобилях применяют четырех-, шести-, восьми- и 12-цилиндровые двигатели. Наиболее распространенные схемы компоновок цилиндров двигателей представлены на рис. . При однорядных схемах компоновки оси цилиндра занимают строго вертикальное положение (это двигатели автомобилей ВАЗ-2106 «Жигули», ГАЗ-24-10 и -3102 «Волга» и др.) или расположены под некоторым углом а к вертикали, находящихся в пределах 15—20° (это двигатель автомобиля «Москвич-2140»), что позволяет уменьшить высоту двигателя и удобнее располагать его приборы и оборудование.

На большинстве грузовых автомобилей применяют двухрядную V-образную компоновку цилиндров (это двигатели автомобилей ЗИЛ-130, КамАЗ-5320, MA3-5335, «Урал-4320» и ГАЗ-53-12. Наряду с этим применяется также и двухрядная компоновка (рис. 1.5, г) под углом 180° с противолежащими цилиндрами. Двигатели с таким расположением цилиндров иногда называют оппозитными, они удобно располагаются под полом кузова, например в автобусах.

Рис. 1. Продольный разрез рядного двигателя ВАЗ-2121: 1—поддон картера; 2—коленчатый вал; 3—блок цилиндров; 4—вентилятор; 5—цепной привод; 6— воздушный фильтр; 7— крышка головки цилиндров; 8— распределительный вал; 9— головка цилиндров; 10— поршень; 11— шатун; 12— маховик

Многоцилиндровые двигатели (рис. 1 и 2) состоят как бы из нескольких одноцилиндровых двигателей, конструктивно объединенных в одно целое и имеющих один общий коленчатый вал. В таком двигателе за два оборота коленчатого вала рабочих ходов будет столько, сколько у него цилиндров (а так как два оборота коленчатого вала соответствуют 720°, то такты рабочего хода будут чередоваться через равные угловые интервалы 0 в зависимости от числа цилиндров г, следовательно, 9 = 720/г.

Рис. 2. Поперечный разрез V-образного дизеля ЗИЛ-645:
1 — маслозаливная пробка; 2 —форсунка; 3 — топливопровод высокого давления; 4 — впускной газопровод; 5 — штанга коромысла; 6 — крышка клапана; 7 — впускной клапан; 8 — головка цилиндров; 9 — выпускной газопровод; 10 — поршень; 11 — компрессионное кольцо; 12 — блок цилиндров; 13 — малосъемное кольцо; 14 — резиновое уплотнение; 15 — шатун; 16 — картер; 17— коленчатый вал; 18 — фильтр тонкой очистки масла; 19 — гильза цилиндра; 20— пружина клапана; 21— выпускной клапан; 22— коромысло

Например, в четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателях рабочие ходы происходят соответственно через 180, 120 и 90° поворота коленчатого вала. В каждом цилиндре указанных двигателей происходит один и тот же рабочий процесс, но одноименные такты происходят в разные моменты времени, при этом чередование тактов в цилиндрах двигателей выбирают так, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки на подшипники коленчатого вала и плавную работу двигателя. Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах двигателя в течение его рабочего цикла называется порядком работы двигателя. Принято указывать порядок работы двигателя по чередованию тактов рабочего хода, начиная с первого цилиндра.

Порядок работы двигателя во многом зависит от типа двигателя и числа цилиндров. Так, у коленчатого вала рядного четырехцилиндрового двигателя кривошипы расположены попарно под углом 180°, два крайних — под углом 180° к двум средним. Соответственно поршни цилиндров 1 и 4 при работе двигателя перемещаются одновременно в одном направлении, а поршни цилиндров 2 и 3 — в противоположном. Порядок работы четырехцилиндровых двигателей может быть 1—3—4—2 (это у двигателей автомобилей семейств ВАЗ, «Москвич» и др.) или 1—2—4—3 (это у двигателей автомобилей ГАЗ-24-10 «Волга», УАЗ-3151-01 и их модификаций).

Рис. 3. Схемы кривошипно-шатунного механизма рядных двигателей: а—четырехцилиндрового; б — шестицилиндрового; 1—6— цилиндры; I—VI—кривошипы коленчатого вала соответственно цилиндров 1—6

Четырехцилиндровый двигатель может иметь и другой порядок работы при том же расположении кривошипов коленчатого вала, но при другом порядке открытия и закрытия клапанов, что зависит от конструкции механизма газораспределения.

В шестицилиндровом рядном двигателе шатунные шейки коленчатого вала (рис. 3, б) расположены попарно в трех плоскостях. Такты во всех цилиндрах двигателя в соответствии с расположением кривошипов начинаются и кончаются не одновременно, как в четырехцилиндровом двигателе, а смещаются в одной паре цилиндров относительно другой на угол 120 и, следовательно, рабочие ходы перекрываются на 1 /3 хода поршня, обеспечивая тем самым более равномерное вращение коленчатого вала.

Наиболее распространенным порядком работы карбюраторного шестицилиндрового рядного двигателя является 1—5—3—6—2—4 (это у двигателей автомобилей ЗИЛ-157КД, ГАЗ-52-04). Возможны и другие порядки работы карбюраторного шестицилиндрового двигателя.

Для шестицилиндровых дизелей наиболее совершенным является V-образный вариант двигателя с развалом цилиндров под углом 90° (рис. 4, а) и с порядком работы 1—4—2—5—3—6 (это двигатель ЯМЗ-236). Широкое распространение дизелей и карбюраторных двигателей с V-образным расположением цилиндров является следствием преимуществ компоновочных схем этого типа по сравнению с компоновочными схемами рядных двигателей.

К преимуществам таких двигателей следует отнести их меньшую высоту и габаритную длину, что дает возможность улучшить компоновку автомобиля в целом.

Недостатками V-образных двигателей являются более сложная отливка блока и увеличение габаритной ширины его по сравнению с рядным двигателем.

На грузовых автомобилях ЗИЛ-130, ГАЗ-53-12, КамАЭ-5320 и др. установлены восьмицилиндровые V-образные двигатели (рис. 4), цилиндры которых расположены в два ряда по ходу автомобиля. Угол развала между рядами цилиндров составляет 90°. Один ряд цилиндров несколько смещен относительно другого ряда, что обусловлено установкой двух шатунов на каждую шейку коленчатого вала. На каждой шатунной шейке коленчатого вала установлено по два шатуна, которые связаны с поршнями правого и левого рядов цилиндров.

Чередование тактов в восьмицилиндровом V-образном двигателе с порядком работы 1—5—4—2—6— 3—7—8 приведено в табл. 1.2, из которой видно, что при указанном порядке работы рабочие ходы следуют один за другим с перекрытием на ‘/г хода поршня. Это обеспечивает не только равномерное вращение коленчатого вала, но и уравновешивание сил инерции, возникающих в процессе работы восьмицилиндрового двигателя.

Рис. 5. Схемы кривошипного механизма V-образных двигателей: о— шестицилиндрового; б — восьмицилиндрового; 1—8— цилиндры; I—VIII— кривошипы коленчатого вала соответственно цилиндров 1—8

В одноцилиндровом четырехтактном двигателе один рабочий ход совершается за два оборота коленчатого вала, поэтому коленчатый вал вращается неравномерно, несмотря на наличие маховика.

Современные автомобильные двигатели выполняют четырех-, шести- и восьмицилиндровыми и реже десяти- и двенадцатицилиндровыми (БелАЗ). Расположение цилиндров может быть однорядным и двухрядным V-образным (рис. 6).

При том же литраже V-образное расположение цилиндров позволяет уменьшить габариты двигателя по сравнению с рядным расположением цилиндров, а следовательно, более удобно расположить место водителя и органы управления.

В многоцилиндровом четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала (720°) рабочих ходов будет столько, сколько цилиндров имеет двигатель.

Таким образом, в четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателях рабочие ходы должны происходить соответственно через 180,120 и 90° поворота коленчатого вала.

Мощность, развиваемую газами внутри цилиндров двигателя, называют индикаторной, а мощность, получаемую на коленчатом валу двигателя, — эффективной.

Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности, затрачиваемой на трение в двигателе и приведение в действие газораспределительного механизма, вентилятора, водяного, масляного и топливного насосов, генератора тока и других вспомогательных механизмов.

Рис. 6. Многоцилиндровые двигатели: а — рядное расположение цилиндров, 6—V-образное расположение цилиндров, в, г, д — нумерация цилиндров V-образных четырех-, шести- и восьмицилиндро-вого двигателей; 1—8 — номера цилиндров

Величины крутящего момента и эффективной мощности тем больше, чем больше литраж двигателя (диаметр и число цилиндров, длина хода поршня), наполнение цилиндров горючей смесью и степень сжатия. У дизелей эффективная мощность зависит от момента впрыска топлива, качества распыливания и продолжительности подачи топлива.

Механическим коэффициентом полезного действия (к. п. д.) двигателя называют отношение эффективной мощности к индикаторной. Он тем больше, чем меньше потери на трение в двигателе и приведение в действие вспомогательных механизмов двигателя. Величина механического к. п. д. автомобильного двигателя составляет 0,70—0,85.

Эффективным к. п. д. двигателя называют отношение теплоты, превращенной в полезную работу, к теплоте, которая могла бы выделиться при полном сгорании топлива. Величина эффективного к. п. д. карбюраторных двигателей составляет 0,21—0,28, а дизелей — 0,29—0,42.

В одноцилиндровом четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала (720°) совершается только один рабочий ход. Поэтому, несмотря на имеющийся маховик, коленчатый вал вращается неравномерно: ускоренно во время рабочего хода и замедленно, когда совершаются другие три такта. Чтобы устранить этот и некоторые другие недостатки одноцилиндрового двигателя, на тракторах и автомобилях устанавливают двигатели, имеющие от двух до двенадцати цилиндров. Цилиндры могут быть расположены в один ряд вертикально или в два ряда под углом один к другому (V-образно). Двухрядное расположение цилиндров позволяет уменьшить длину и массу двигателя.

Кривошипы коленчатого вала двух- и четырехцилиндровых двигателей расположены в одной плоскости, т. е. под углом 180°, у восьмицилиндровых — под 90° (рис. 9, г), а у шести- и двенадцатицилиндровых — под углом 120°.

Рис. 7. Схемы многоцилиндровых двигателей: а — рядное и б — V-образное расположение цилиндров; в и г — кривошипно-шатунный механизм шести- и восьмицилиндровых двигателей; 1…8 — номера цилиндров

Рис. 8. Схема (а) ц порядок работы (б) четырехцилиндрового двигателя

Поршни четырехцилиндрового двигателя движутся попарно. Например, когда в первом и четвертом цилиндрах они опускаются, а в первом цилиндре совершается рабочий ход, а в четвертом — впуск), то во втором и третьем поршни поднимаются (во втором — выпуск, а в третьем — сжатие).

Рис. 9. Схема порядка работы четырехтактных многоцилиндровых двигателей

Чередование тактов рабочего хода в цилиндрах двигателя называется порядком работы цилиндров. Для изучаемых четырехцилиндровых двигателей принят порядок работы 1—3—4—2.

С увеличением числа цилиндров возрастает и число рабочих ходов, приходящихся на каждый оборот коленчатого вала, и он вращается равномернее. Так, например, у четырехцилиндрового двигателя при любом положении колен вала совершается рабочий ход в одном цилиндре, у восьмицилиндрового — одновременно в двух, а у двенадцатицилиндрового — в трех цилиндрах.