Пристрій сучасного двигуна

У нижньою мертвою точкою (НМТ) у поршня відбувається «перекладання» тобто зміна опори поршня на циліндр з лівої сторони спідниці на праву.

Чим більше зазор між юбкою поршня та циліндром, тим інтенсивніше перекладання, а значить шумність двигуна, подальший знос спідниці поршня і нижній частині циліндра, по якій «б’є» права сторона спідниці поршня.

Після проходження поршнем нижньої мертвої точки починається другий такт роботи двигуна — стиснення паливо-повітряної суміші.

Безпосередньо стиснення (підвищення тиску в циліндрі) починається не відразу після початку руху поршня вгору. Справа в тому, що паливо-повітряна суміш при відкритому впускному клапані деякий час продовжує надходити в циліндр, незважаючи на початок підвищення тиску. Тому закриття впускного клапана повинно бути погоджено з характером течії суміші у його тарілки.

З точки зору найкращого наповнення циліндра (і, відповідно, найбільшої потужності) в момент закриття впускного клапана суміш у клапана повинна зупинитися, тобто в цей момент через клапан немає прямого — в циліндр, ні зворотної — з циліндра, течії. Тут на процес дуже сильно впливає конструкція впускної системи, частота обертання, положення дросельної заслінки. У загальному випадку, чим більше частота обертання і відкриття дросельної заслінки, тим більше при незмінній довжині впускного каналу повинен запізнюватися із закриттям впускний клапан.

На практиці, як правило, вибирають компромісний варіант, однак існують конструкції із змінними фазами газорозподілу (при яких змінюється запізнення закриття впускного клапана) і змінною довжиною каналів впускної системи, поліпшують наповнення циліндрів і параметри двигуна в широкому діапазоні режимів. Компромісні рішення зазвичай призводять до погіршення параметрів двигуна за рахунок зворотного викиду суміші на низьких частотах обертання і «недозарядки» циліндра (тобто зниження кількості надходить суміші щодо максимально можливого) на високих оборотах. Менша порівняно з традиційними конструкціями запізнювання закриття клапана мають двигуни з многоклапанными головками (з трьома або чотирма клапанами на циліндр).
При русі поршня вгору при закритих клапанах відбувається стиснення паливо-повітряної суміші. При цьому тиск в циліндрі залежить від витоків суміші через поршневі кільця і клапани. Їх знос або пошкодження, а також подряпини і ризики на поверхні циліндра також збільшують витоку суміші через поршневі кільця. Поршневі кільця під дією тертя і тиску в циліндрі притискаються до нижніх поверхонь канавок, а ущільнення порожнини циліндра над поршнем досягається з однієї сторони стику кілець з поверхнею циліндрів, а з іншого — з нижнім торцевих поверхонь кілець і канавок.

Перекладка поршня

Перекладка поршня в нижній мертвій точці.

Під дією сил тиску і тертя торцеві поверхні кілець і канавок зношуються, а торцевий зазор в канавках збільшується. При великому зазорі кільця поблизу мертвих точок (ВМТ і НМТ) пересуваються від одного торця канавки до іншого. Виникає так званий «насосний ефект, характерний для зношених двигунів, з-за якого значно збільшується витрата масла. Зростає також прорив газів у картер з камери згоряння. Крім того, при великому торцевому зазорі кільця досить швидко розбивають краю канавок, внаслідок чого «насосний ефект і прорив газів швидко прогресують.
Доколи поршень знаходиться поблизу ВМТ, не доходячи до неї зазвичай 5-30° по куті повороту колінчатого вала (ПКВ), відбувається іскровий розряд на свічці запалювання. Цей кут, званий кутом випередження запалювання, при роботі двигуна обов’язково регулюється. Справа в тому, що процес горіння суміші відбувається з деяким запізненням з моменту іскрового розряду на величину так званого часу формування фронту полум’я. У двигунах з іскровим запалюванням це величина умовна і дорівнює часу з моменту іскрового розряду до початку «видимого згоряння (початку підвищення тиску понад тиску в циліндрі без згоряння). У дизелях процес видимого згоряння також відбувається із затримкою. При цьому час затримки займання в дизелях має фізичний сенс як час, необхідний для нагрівання та випаровування топпива, уприскуваного в циліндр.
Оскільки горіння суміші — хімічна реакція, часи формування фронту полум’я (затримки займання) і горіння залежать від тиску і температури суміші, а також від інтенсивності її перемішування (турбулентності): чим вони більше, тим швидше йде процес. Відкриття дросельної заслінки приводить до збільшення тиску і щільності суміші у впускному колекторі, збільшуються тиск і температура в циліндрі на такті всмоктування і, відповідно, в кінці такту стиснення, поліпшується перемішування суміші. Ці фактори визначають зменшення часу горіння і формування фронту полум’я. При збільшенні частоти обертання ці часи зменшуються не так швидко, як час циклу (час, за який колінчастий вал робить 2 оберти). Тому при незмінному моменті запалювання процес згоряння із збільшенням частоти зсувається в область робочого ходу і «розтягується» по циклу, що призводить до погіршення параметрів двигуна. Щоб цього не відбувалося, кут випередження запалювання доводиться збільшувати на 25-30° з ростом частоти обертання. Залежність кута випередження від навантаження більш слабка — при відкритті дросельної заслінки зазвичай потрібно зменшувати кут випередження запалювання в середньому на 8.
Безпосередньо перед запалюванням суміші тиск в циліндрі досить високо — понад 1,0-Й ,2 МПа. Це тиск трохи нижче максимального тиску, яке було б в циліндрі при перевірці компресії, т. к. займання починається до приходу поршня у ВМТ. Максимальний тиск в циліндрі (без згоряння) залежить від ступеня стиснення б = Vh/VKC, де Vh — робочий об’єм циліндра (Vh = Fn.S), Fn — площа поршня; S — хід поршня; VKc — об’єм камери згоряння.
Ступінь стиснення — величина чисто геометрична. З цієї досить наближеною залежно тиск вимірюється компрессометром, чисельно повинно бути істотно вище ступеня стиснення. Однак у дійсності через затримки закриття впускного клапана, можливого деякого розрідження в циліндрі і на початку стиснення, втрат тепла і т. д. максимальний тиск (компресія) істотно нижче — близько 1,1-1 ,5 МПа.
При наближенні поршня до ВМТ починають «працювати» так звані витискувачі. Витискувачі утворюються поверхнями днища поршня і головки, які при положенні поршня у ВМТ підходять один до одного найбільш близько зазвичай зазор між поршнем і голівкою в таких місцях 0,5-5-1,0 мм. При підході поршня до ВМТ суміш, розташована між витискувальний поверхнями, як би «витісняється» в зону камери згоряння, утворюючи потоки певного напряму.
Чим ближче підходять один до одного поршень і головка, тим сильніше ефект витіснення, тобто більше швидкість витіснення потоку. Витискувачі виконують дуже важливу задачу — турбупизируют (тобто інтенсивно перемішують) суміш в момент запалення, а це підвищує швидкість і повноту згоряння. Турбулізація суміші перешкоджає також поширення детонації.
При русі поршня до ВМТ під час такту роботи двигуна тиск у циліндрі швидко зростає. Збільшується і тиск в зазорі між верхньою частиною бічної поверхні поршня (вогневим поясом) і циліндром. Зростання тиску при згорянні призводить до суттєвого збільшення зусилля притискання компресійних кілець до поверхні циліндра і нижнім поверхонь канавок поршня. Найбільші зусилля відчуває верхнє кільце, оскільки тиск в канавці верхнього кільця значно вище, ніж середнього. Під дією сили тиску газів і сили тертя кільця про циліндр верхнє кільце розгортається (закручується) в канавці. Після нетривалої роботи кільце набуває характерний профіль поперечного перерізу з несиметричною бочкообразностью зовнішньої поверхні і невеликій увігнутістю на нижньому торці, а нижня поверхня канавки стає конічної з скругленим краєм. Від форми зовнішньої поверхні кільця сильно залежать знос циліндра і витрата масла. Зокрема, при стиску в циліндрі закручування кільця може призвести до його маслосъемному дії при русі поршня вгору, тобто до витіснення частини оливи зі стінок циліндра в камеру згоряння. У цьому випадку скребкові верхня кромка кільця зменшує і без того тонку масляну плівку між кільцем і циліндром, в результаті чого можливе утворення пріжогов на кільці і задирів на поверхні циліндра.
При русі поршня вгору по мірі зростання тиску товщина масляної плівки зменшується, а поблизу ВМТ стає дуже малою. Щоб недолік мастила не приводив до підвищеного зносу, дуже важливе значення мають матеріали тертьових деталей, стан їх поверхонь, а також пружність кілець.
Стійкий до зносу пару тертя «кільце-циліндр» зазвичай утворюють тверді гладкі покриття кілець і, як правило, більш м’який матеріал циліндра, на поверхні якого створюється шорсткість у вигляді похилих рисок певної глибини. Чим глибше ризики, тим більше масла в них знаходиться, тим краще мастило кілець і циліндра.
При підході поршня до ВМТ на поршень діє сила тиску газів. Поршень спирається на поршневий палець і чим більше сила тиску поршня на палець, тим вище тертя в отворі бобышек поршня і тим важче поршня повернутися на нерухомому пальці. На практиці це виглядає як поворот поршня разом з шатуном поблизу ВМТ, тобто як вже згадана вище «перекладання», але з набагато більшими зусиллями. Для зменшення цих зусиль і зниження можливого стуку поршня при підвищеному зазорі в циліндрі вісь пальця на поршні зазвичай зміщують на 0,05 мм вліво, якщо дивитися на поршень спереду. Тоді, як це видно на схемі, момент сил, повертаючих поршень поблизу ВМТ, компенсується моментом від сил тиску газів на поршень.
Сили тиску газів і сили інерції, що діють на поршень, передаються через поршневий палець і шатун на шийку колінчастого валу.
Поблизу ВМТ сумарні сили від тиску газів і інерції викликають великі напруги в шатуні і бобышках поршня. В експлуатації представляють велику небезпеку випадки значного (у багато разів) збільшення тиску у ВМТ. Зазвичай це пов’язано з попаданням в камеру згоряння різних рідин, наприклад, води через вхідний патрубок повітряного фільтра, палива, масла або охолоджуючої рідини при виникненні відповідних несправностей. У таких випадках відбувається деформація стрижня шатуна — так звана втрата стійкості, а також поломки шатуна і поршня, небезпечні серйозними ушкодженнями в двигуні. Такт впуску, детальніше…

2