Как устроен двигатель (Engine architecture / Motorarchitektur

Банки по очереди взрываются, мельница крутится…

Чтобы получилась энергия надо впустить топливовоздушную смесь, сжать её, сжечь всё это, выпустить выхлопные газы. То есть, нужно сделать 4 такта. (у 2-тактных двигателей намного хуже продувка и экономичность). И всё это надо сделать своевременно.

В первом приближении двигатель выглядит так (Overview / Überblick):

Клапанные крышки (Cam covers / Nockenwellenabdeckungen)

Закрывают распределительные валы, препятствуют разбрызгиванию масла

Головки блока цилиндров (ГБЦ) (Cylinder heads / Zylinderkopf)

Отвечают за своевременную подачу воздуха и отвод выхлопных газов. В ГБЦ находятся распределительные валы, клапаны и соответствующие механизмы для регулировки их работы.

Блок цилиндров (Engine block / Crankcase / Kurbelgehäuse)

Металлический блок, в котором прорезаны цилиндрические отверстия (цилиндры), а под ними, перпендикулярно, посадочное место для коленчатого вала. С этого блока срезают все лишнее, максимально снижая его вес, оставляя при этом в отливках рёбра жесткости.

Прокладка ГБЦ (Cylinder head gasket / Zylinderkopfdichtung)

ГБЦ к блоку цилиндров прикручивается мощными болтами и уплотняется прокладкой. Прокладка ГБЦ выполняет функцию уплотнения и подвергается сильнейшим нагрузкам – ведь именно на её края приходится пик давления и температуры в камерах сгорания.

Картер (Crankcase / Kurbelgehäuse)

Это пространство под поршнями, в котором расположен коленвал. Термин уже устарел и выводится из оборота. Появился ещё тогда, когда блок цилиндров состоял из двух разборных частей – цилиндров и картера. Теперь вместо поддона картера говорят масляный поддон, а вместо вентиляции картерных газов – вентиляция блока цилиндров.

Поддон картера (Oil sump / Ölwanne)

Корыто, в котором плещется масло.

ЦПГ (это внутри блока цилиндров) (Cylinder assembly / Zylinderbaugruppe)

Цилиндро-поршневая группа – те самые банки. Их ещё называют «котлы».

Состоит из:

Цилиндр (Cylinder / Zylinder)

Большое цилиндрическое отверстие в блоке цилиндров. Внутри цилиндра ходит поршень. Вместе они (ГБЦ+поршень+цилиндр) образуют камеру сгорания.

Во время работы двигателя в камере сгорания возникает давление до 160 бар, а температура достигает 2500 С. При этом, даже в такте сжатия температура смеси может достигать 460 С. У бензиновых двигателей температура выше, но давление меньше.

Поршень (Piston / Kolben)

Деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Обладает высокой температурной стойкостью. Боковая часть сверху содержит прорези, в которых располагаются поршневые кольца. Нижняя часть покрыта специальным молибденовым слоем, который снижает трение.

Поршневые кольца (Piston rings / Kolbenring)

Установлены в специальные прорези на поршне. Обеспечивают уплотнение между поршнем и цилиндром для обеспечения сжатия и удержания тепла при сгорании. Обычно колец три – верхнее компрессионное, нижнее компрессионное, маслосъёмное. Первые два отвечают за уплотнение. Последнее – за смазку пары трения.

Как работает (How it works / Wie es funktioniert)

Когда поршень идёт вниз (банка расширяется) в цилиндр поступает воздух (его засасывает на самом деле). Когда подходит к самой верхней точке (верхняя мёртвая точка (ВМТ)) происходит такт сжатия (банка сжимается). Незадолго до ВМТ надо впрыснуть топливо и поджечь его, чтобы максимум энергии выделился в самый нужный момент. Затем движение поршня вниз и сгорание, которое и есть полезная работа. Потом опять вверх – надо вытолкнуть продукты сгорания, чтобы освободить место свежему заряду. И опять ход вниз – впуск.

КШМ (внутри блока цилиндров) (Crankshaft & Piston rods / Kurbelwelle & Kolbenstangen)

Кривошипно-шатунный механизм – это как раз мельница. То место, где поступательное движение преобразуется во вращательное.

Состоит из коленчатого вала (crankshaft) и шатунов (connecting rod / piston rod).

Поршни через шатуны соединены с коленчатым валом. Поршни двигаются прямолинейно, а коленвал крутится, потому что на его выступы давят шатуны.

К коленвалу с одной стороны прикручивается маховик (flywheel / Schwungrad) (для МКПП) или ведомый диск (для АКПП), через которые обеспечивается соединение с коробкой передач (Gearbox / Getriebe). Дополнительно маховик, так как его делают достаточно тяжёлым, стабилизирует вращение коленчатого вала и гасит возникающие вращательные вибрации. С автоматическими коробками передач эту роль маховика выполняет гидротрансформатор коробки передач.

С другой стороны прикручивается шкив (crankshaft pulley / damper / kurbelwellen-Riemenscheibe / Dämpfer), который приводит в движение навесные агрегаты ременным приводом. Дополнительная функция переднего шкива – гашение возникающих колебаний. Он создаёт дополнительную балансировку всему КШМ и достаточно сложно устроен и подвержен износу при больших пробегах.

Около шкива или маховика может находиться дополнительная зубчатая шестерня для привода масляного насоса, балансирных валов, вспомогательных систем или навесного оборудования. Зависит от конструкции конкретного двигателя.

Коленвал соединяется с блоком цилиндров бугельной плитой (рамой) (tow plate / abschleppplatte), а в соединении с использованием специальных вкладышей образуются подшипники скольжения (sliding bearing / gleitlager). Это делается для обеспечения лёгкого вращения при огромных нагрузках.

Вкладыши выглядят вот так:

ГРМ (Valvetrain / Ventiltrieb)

ГРМ – это газораспределительный механизм. То есть – система, состоящая из клапанов, которые открывают и закрывают доступ к камере сгорания, распредвалов, которые нажимают на клапаны и вспомогательных систем, которые регулируют параметры работы этого «механизма».

За герметичность цилиндров отвечают клапаны (Valves / Ventil)

Они в нужные моменты открываются и закрываются. В ГБЦ есть впускные и выпускные каналы. Они закрываются и открываются впускными и выпускными клапанами, соответственно. Сейчас делают по 4 клапана на цилиндр почти все производители. Считается, что так достигается наилучшая наполняемость и продуваемость цилиндров.

Управляют клапанами распределительные валы (Camshafts / Ockenwellen)

Они нажимают на клапаны в нужный момент, открывая их (такт впуска или выпуска) или отпускают клапаны (закрывают) во время тактов сжатия и сгорания.

Обратный ход клапана осуществляется за счёт возвратных пружин. Их часто делают сдвоенными, чтобы обеспечить большую жесткость и надёжность работы. Кулачок клапан опускает (и открывает канал), нажимая на него, а пружина клапан поднимает (и закрывает канал).

Форма кулачка распредвала определяет время открытия клапана и высоту (Valve lift / timing / Ventilhub)

С помощью регулирования высоты подъёма клапана регулируют наполняемость цилиндров. Форма кулачков тоже подлежит регулировке с помощью сложных механических систем. Например, можно сделать несколько форм кулачков на одном вале и двигать его продольно.

Регулировка высоты подъёма (Variable valve lift / Variabler Ventilhub)

Система может быть реализована различными способами, но суть одна – изменение высоты подъёма клапана (кстати, это тоже устаревшее выражение) в процессе работы двигателя под разной нагрузкой, при разных оборотах.

Одна из реализаций VAG выглядит так – на распредвалах кулачки имеют подвижность вдоль оси вала. Для каждого клапана есть два вида кулачков – для малых нагрузок и для полных нагрузок. Электропривод выдвигает штырь, который сдвигает кулачки до нужного положения. Таким образом изменяется и высота подъёма клапана и профиль, который влияет на скорость открытия и закрытия клапана.

BMW Valvetronic

В ГБЦ добавляют третий вал – эксцентриковый и коромысло. Нажатие распредвала на клапаны происходит с участием этого вала, который сдвигает одну из точек крепления коромысла. Таким образом регулируется высота подъёма клапанов в полном диапазоне. Эта система на множестве моторов позволила отказаться от дроссельной заслонки в принципе и регулировать объём поступающего во впуск воздуха только за счёт изменения высоты подъёма впускных клапанов. В свою очередь, это позволило и снизить потери на сжатие клапанных пружин и трение на холостых оборотах и снизить частоту вращения на холостом ходу.

Регуляторы фаз газораспределения (Фазовращатели) (Cam phaser / Nockenwellen-Phaser)

Так как диапазон оборотов двигателя широкий, открывать и закрывать клапаны надо в разное время. Для этого на распредвалы ставятся специальные муфты, которые называются фазорегуляторы. Они регулируют фазу открытия клапанов по принципу позже или раньше в диапазоне примерно от -60 до +60 поворота коленвала.

Причём, они управляют не только моментами открытия впускных или выпускных клапанов по отдельности, но и временем, когда оба клапана открыты (перекрытие клапанов), регулируя момент и длительность сквозной продувки камер сгорания.

Внутри таких «муфт» есть камеры, которые наполняются маслом. Подавая масло в разные камеры, регулируется поворот вала относительно нулевого положения.

Для обеспечения бесперебойности работы этой системы используются дополнительные масляные ресиверы, поддерживающие и аккумулирующие давление.

Привод ГРМ (Timing drive system / Timing-Antriebssystem)

Распредвалы приводятся в действие (вращаются) за счёт крутящего момента от коленчатого вала. Передача крутящего момента от коленвала может осуществляться несколькими способами: привод может быть ременной, цепной, зубчатый.

Ременной привод (ремень ГРМ) (Cambelt / Timing belt / Zahnriemen)

Требует регламентной замены примерно каждые 120, 160 или 180 тысяч километров. За последнее время (лет 10 наблюдения) случаев преждевременного обрыва не наблюдается. Возможно, я о них просто не слышал.

Цепной привод (Camchain / Timing chain / Nockenkette / Steuerkette)

По регламенту обслуживанию никакому не подлежит и рассчитан на весь срок службы автомобиля (10 лет и 300 000 км). В реальности ресурс цепи зависит от модели мотора и года выпуска. На первых цепных VAG цепь вытягивалась за 50 000–80 000 км, а у BMW с рядными 6-тицилиндровыми моторами цепной привод был вечный.

Зубчатый привод (Gear timing drive / Getriebe timing stick)

Редко используется. Применялся на одном из самых плохих моторов – VAG 2.5TDi, который ставился в Touareg. Один раз Ferrari сделали V12 на зубчатом приводе, но он получился очень шумным, поэтому конструкцию изменили – использовали цепь. Так же применялся на двигателях с нижним расположением распредвала, но такие двигатели не оборотистые. Это Волга и Рено 70–80 годов выпуска.

Несмотря на редкое применение зубчатый привод имеет одну показательную особенность конструкции – разрезные шестерни, которые можно встретить под клапанными крышками разных автомобилей и моторов. Таким исполнением компенсируют возникающий люфт между шестернями.

Пневматика для управления клапанами (Pneumatic drive / Pneumatischer Antrieb)

Была разработана Кристианом фон Кёнигсеггом (Koenigsegg) и обкатана на SAAB. Система позволяет отказаться от распредвалов и реализовать поцилиндровое, и, даже, поклапанное управление впуска и выпуска. За счёт снижения потерь на вращение, трение и ненужное, сложное, механическое управление КПД двигателя увеличивалось. В крупносерийное производство технология так и не была выпущена, но с таким приводом работает двигатель автомобиля Gemera. 2 литра, 3 цилиндра, 2 турбины и 600 лошадиных сил.

Заключение

1. В первом приближении двигатель выглядит так (Overview / Überblick):
2. Клапанные крышки (Cam covers / Nockenwellenabdeckungen)
3. Головки блока цилиндров (ГБЦ) (Cylinder heads / Zylinderkopf)
4. Блок цилиндров (Engine block / Crankcase / Kurbelgehäuse)
5. Прокладка ГБЦ (Cylinder head gasket / Zylinderkopfdichtung)
6. Картер (Crankcase / Kurbelgehäuse)
7. Поддон картера (Oil sump / Ölwanne)
8. ЦПГ (это внутри блока цилиндров) (Cylinder assembly / Zylinderbaugruppe)
9. Состоит из:
10. Цилиндр (Cylinder / Zylinder)
11. Поршень (Piston / Kolben)
12. Поршневые кольца (Piston rings / Kolbenring)
13. Как работает (How it works / Wie es funktioniert)
14. КШМ (внутри блока цилиндров) (Crankshaft & Piston rods / Kurbelwelle & Kolbenstangen)
15. ГРМ (Valvetrain / Ventiltrieb)
16. За герметичность цилиндров отвечают клапаны (Valves / Ventil)
17. Управляют клапанами распределительные валы (Camshafts / Ockenwellen)
18. Форма кулачка распредвала определяет время открытия клапана и высоту (Valve lift / timing / Ventilhub)
19. Регулировка высоты подъёма (Variable valve lift / Variabler Ventilhub)
20. BMW Valvetronic
21. Регуляторы фаз газораспределения (Фазовращатели) (Cam phaser / Nockenwellen-Phaser)
22. Привод ГРМ (Timing drive system / Timing-Antriebssystem)
23. Ременной привод (ремень ГРМ) (Cambelt / Timing belt / Zahnriemen)
24. Цепной привод (Camchain / Timing chain / Nockenkette / Steuerkette)
25. Зубчатый привод (Gear timing drive / Getriebe timing stick)
26. Пневматика для управления клапанами (Pneumatic drive / Pneumatischer Antrieb)

С уважением,
Компания Mint Condition
Профессиональный подбор автомобилей
+79261888335
www.mintco.ru
WhatsApp:https://wa24.site/79261888335
info@mintco.ru

Данный материал подготовлен компанией Mint Condition и является собственностью компании. Любое копирование или размещение данного материала без согласования с владельцем запрещено.

Авторские права защищены и принадлежат ООО «Валкирия» (товарный знак MintCo, свидетельство №833282) ©
Любое использование или копирование материалов сайта, в том числе, элементов дизайна, фото и видео- материалов, текстового содержания может осуществляться исключительно с письменного разрешения ООО «Валкирия» и только при наличии ссылки на www.mintco.ru.