Как устроен и работает четырехтактный движок

Работа 4 тактного двигателя позволяет вращать коленчатый вал, который через кривошипно-шатунный механизм передает движение на колесный привод транспортного средства. Простейшая одноцилиндровая конструкция состоит из:

• металлического корпуса, состоящего из крышки и блока цилиндров;
• цилиндра, внутри которого вверх и вниз перемещается поршень;
• впускного и выпускного клапанов, подающих в камеру сгорания топливную смесь и отводящих отработанные газы;
• поршня, который сжимает топливную смесь, провоцируя воспламенение, а также проворачивает маховик коленчатого вала и, соответственно, колеса транспортного средства;
• свечи зажигания, подающей в цилиндр искру, поджигающую горючую смесь (на бензиновых моделях);
• системы подачи масла внутрь силового агрегата для смазки и охлаждения движущихся частей;
• контура жидкостного охлаждения, отводящего излишнее от мотора излишнее тепло.

Одноцилиндровый четырехтактный ДВС в разрезе.

Как работает четырехтактный двигатель:

1. Впуск (от 0 до 180о проворота кривошипа): поршень опускается до нижней мертвой точки (НМТ), одновременно с этим открывается впускное отверстие и в движок поступает смесь топлива и кислорода.
2. Сжатие (от 180 до 360о): поршень поднимается до верхней мертвой точки (ВМТ), сжимая находящуюся внутри топливную смесь.
3. Рабочий ход (от 360 до 540о): топливо внутри цилиндра воспламеняется от свечи зажигания (либо от температуры — на дизелях) и поршень силой получившегося взрыва снова отбрасывается вниз. Третий такт называется рабочим, потому что именно в нем поршень совершает полезную работу, передавая коленвалу, и далее — на колесный привод крутящий момент (остальные такты ДВС происходят, наоборот, за счет движения кривошипно-шатунного механизма, поэтому фактический КПД движка такого типа составляет около 40%).
4. Выпуск (от 540 до 720о проворота кривошипа): в это время открывается выпускное отверстие, и поршень снова поднимается до ВМТ, выталкивая отработанные газы в выхлопную систему.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя.

В чем особенность дизельных силовых агрегатов

Все ДВС можно поделить на две группы по принципу смесеобразования:

1. Бензиновые (карбюраторные или инжекторные) и газовые — в которых топливо смешивается с воздухом до попадания в цилиндр.
2. Дизельные — топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя на дизельных силовых агрегатах немного отличен от бензиновых. В камерах сгорания находится кислород, который нагрет до температуры, достаточной для воспламенения топлива. Перед тем, как поршень дойдет до верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивается жидкое дизтопливо, которое форсунки распыляют до мелких капель для более быстрой реакции с нагретым воздухом.

4 такта двигателя внутреннего сгорания на дизеле.

Многоцилиндровые модели

Чем больше цилиндров имеет четырехтактный двигатель, тем больше суммарный объем камер сгорания, поэтому силовые агрегаты на автомобилях оснащают несколькими цилиндрами. Чаще всего это число бывает четным, для обеспечения баланса установки, но встречаются и трехцилиндровые модели.

Классификация многоцилиндровых автомобильных моторов:

• Рядный — на одном коленчатом вале параллельно друг другу;
• V-образный — два ряда цилиндров на коленвале, расположенные под углом;
• VR-образный — аналогичен предыдущему, но имеет меньший угол развала (около 15о).

Рядный ДВС в разрезе.

Чтобы многоцилиндровый движок работал равномерно, такты различных цилиндров должны чередоваться в определенной последовательности и через равные промежутки времени. Примерный порядок работы четырехцилиндрового ДВС:

Порядок работы цилиндров на ВАЗ-2109.

От чего зависит мощность четырехтактного мотора

Основные параметры, оказывающие влияние на мощность силового агрегата, это:

• суммарный объем цилиндров;
• частота вращения коленчатого вала;
• пропускная способность впускных и выпускных отверстий;
• уровень сжатия топливной смеси.

Схема работы наддува турбированного мотора.

Устройство газораспределительного механизма

Газораспределительный механизм состоит из:

1. распределительного вала;
2. толкателей;
3. клапанов;
4. коромысла;
5.  штанги;
6.  привода.

1. Распределительный вал. Вращение распределительного вала приводит к своевременному открытию и закрытию клапанов газораспределительного механизма в зависимости от последовательности работы цилиндров двигателя, учитывая фазы газораспределения газов в механизме. Изготавливают распределительный вал из высокопрочной закаленной стали или чугуна. На валу ГРМ имеются опорные шейки и кулачки. Форма кулачков влияет на рабочие процессы распределения горючей смеси и газов, частоту и время открытия, закрытия клапанов. В торце распределительного вала ГРМ крепится звездочка (на которую устанавливается цепь) или шкив привода вала (на которую одевается ремень). Вал устанавливается в корпусе на подшипниках. В целях предотвращения осевых смещений распределительный вал имеет упорный фланец.

2. Толкатели. Толкатели – это детали газораспределительного механизма, которые служат для передачи усилий от кулачков распределительного вала к штангам коромысел. Толкатели изготавливают из высокопрочной стали или чугуна.

Виды толкателей: роликовые, цилиндрические, грибовидные.

Движение толкателей происходит в корпусах, закрепленных на блоке цилиндров или по направляющим.

3. Клапаны. Клапаны служат для подачи горючей смеси в цилиндры двигателя и вывода отработанных газов. Различают впускные и выпускные клапаны. Впускные служат для впуска горючей смеси, а выпускные клапаны служат для выпуска отработавших газов.

Конструкция клапана. Клапан состоит из стержня и головки. НА клапанной головке имеется кромка под 45 градусов для лучшего прилегания клапана. Впускной клапан отличается от выпускного диаметром. Выпускной клапан значительно больше по диаметру, чем впускной, так как объем отработавших газов превышает объем подающейся горючей смеси. Клапаны ГРМ установлены в головке блока цилиндров. Место их соединения называется седлом и имеет конусную форму. Для герметизации цилиндра предназначен клапанный механизм.  Для улучшения герметизации цилиндра проводят процесс под названием притирка клапанов. 

Впускные клапаны изготавливают из стали с хромистым покрытием, а выпускные клапаны из жаропрочной стали. Седла клапанов изготавливают из жаропрочного чугуна.

Движение стержней клапанов осуществляется по направляющим втулкам, которые изготавливаются из чугуна или стали. Направляющие соединены с головкой блока цилиндров. Клапаны оснащены внутренней и наружной пружинами. Пружины же крепятся с помощью тарелок, сухарей и шайб.  

Открытие клапанов осуществляется через усилие, которое передается от распределительного вала на клапан.

Газораспределительный механизм современных двигателей устроен таким образом, что на каждый цилиндр двигателя имеется по два клапана впуска и два клапана выпуска. Для снятия клапанов используют рассухариватели клапанов. 

4. Штанги

Штанги служат для передачи усилия от толкателей к коромыслам.  Штанги толкателей могут иметь  форму полых цилиндрических стержней со стальными наконечниками.

Штанги изготавливают из износостойкого алюминиевого сплава, крепятся с одной стороны к коромыслу, а с другой – к толкателю.

5. Коромысло

Коромысло служит для передачи усилия от штанги к клапанам. Коромысло выполнено в виде рычага с двумя плечами, который крепится на оси. При этом одно плечо длиннее, чем другое (возле штанги).

Коромысла изготавливают из прочной стали. Устанавливают коромысло на оси, которая крепится к головке цилиндров, на специальных втулках.  Втулки предназначены для уменьшения трения между осью и коромыслом.

6. Привод распределительного вала

Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала при помощи привода, который может быть, как мы говорили цепной, шестеренчатый, ременной.

 Скорость вращения распределительного вала в 2 раза меньше, чем скорость вращения коленчатого вала, что обеспечивается передаточным числом звездочки, либо размером шкива.

Таким образом, за два вращения коленчатого вала, распределительный вал совершит только одно вращение, что необходимо для осуществления одного рабочего цикла.

Часто встречается в обиходе автомобилистов такой термин, как тепловой зазор. 

Как проверить ремень грм

Для проверки ремня ГРМ оторачиваем верхнюю крышку ремня, которая держится на 6-ти болтах, и снимаем её

Для точной проверки натяжения ремня ГРМ на сервисах используют специальный прибор. Чтобы приблизительно определить натяжение ремня самостоятельно, нужно взять ремень двумя пальцами и попытаться перекрутить его вокруг своей оси (см. рисунок). Если удастся перекрутить ремень больше чем на 70°, то его необходимо подтянуть.

Чтобы подтянуть ремнь ГРМ, нужно открутить два винта и снять нижнюю крышку.

На натяжном ролике ремня ГРМ ослабляем гайку обычным ключом. Берём специальный ключ для подтягивания ремня (в запчастях можно купить такой ключ для ВАЗов — он подходит) и вращаем им против часовой стрелки, чем и подтягиваем ремень. Подтянув ролик затягиваем его ослабленную гайку.

Теперь проверяем натяжение ремня как это описано выше, предварительно провернув на несколько оборотов шкив коленвала ухватившись за его болт.

Замена ремня ГРМ

Снимите защиту двигателя, ремень привода вспомогательного оборудования, обе крышки ремня ГРМ, шкив коленчатого вала (заблокировав для его оторачивания маховик с помощью отвертки).

красной стрелкой помечено куда нужно вставить отвёртку чтобы заблокировать маховик для оторачивания и снятия шкива

Выверните пробку из отверстия 2 для пальца ВМТ (она расположна на блоке около первого цилиндрв)

Теперь устанавливаем 1-й поршень в положение ВМТ. Вкрутите болт крепления шкива коленчатого вала с втулкой (или с несколькими шайбами).

Прокрутите коленчатый вал по часовой стрелке так, чтобы шкив распределительного вала остановился своей треугольной меткой 1, посередине метки 2 расположенной на крышке ГБЦ.

Теперь вставляем установочный палец ВМТ в отверстие. Прокрутите, если нужно, коленчатый вал по часовой стрелке и вставьте палец ВМТ до полной блокировки коленчатого вала.

Примечание. Специальный установочный палец можно заменить обычным болтом М10, длинна резьбы которого должна быть не менее 75 мм. Если резьба длиннее, то укоротите её навернув на болт гайки и шайбы.

После вворачивания установочного пальца, коленвал невозможно будет провернуть по часовой стрелке.

Отверните гайку крепления натяжного ролика 7Снимите ремень ГРМ и натяжной ролик.

Установка

Установите натяжной ролик. При это отверстия должны быть снаружи.

Устанавливаем новый ремень ГРМ, при этом следим чтобы стрелка напрвления ремня, которая на нём нарисована, была ориентирована по направленюи часовой стрелки (б).

Совмещаем при этом метки (а)

устанавливается ремень ГРМ на свои места в следующем порядке: шкив коленчатого вала, натяжной ролик, шкив распределительного вала, шкив насоса системы охлаждения.

Натяните ремень ГРМ как это описано вначале страницы. После этого выверните установочный палец. Проверните коленвал на два оборота, совместите метки на шкиве и крышке ГБЦ и заверните снова установочный палец в отверстие для проверки положения ВМТ первого поршня. Если нужно переустановите ремень.

Выверните установочный палец и установите все снятые детали в обратном порядке.

Рекомендуется проверить натяжение ремня на СТО с помощью специального прибора — тензометрического тестера.

Ниже описана процедура проверки и натяжения ремня ГРМ с помощью этого приспособления.

Прижмите натяжной ролик к ремню ГРМ.

Затяните гайку натяжного ролика.

Извлеките палец ВМТ.

Установите приспособление для предварительного натяжения ремня ГРМ на шкив 10 распределительного вала

Создайте предварительное натяжение в точке 11 сусилием 10 Нм

Установите приспособление Mot. 1135–01 12. Натяните ремень ГРМ, прокрутив натяжной ролик с помощью против часовой стрелки. Отрегулируйте натяжение ремня ГРМ с помощью датчика в пределах 165 ± 10 Гц.

Затяните гайку натяжного ролика с моментом 50 Нм.

Прокрутите коленчатый вал на два оборота.

Установите палец ВМТ.

Извлеките палец ВМТ.

Установите снова приспособление для предварительного натяжения ремня ГРМ на шкив 10 распределительного вала

Создайте предварительное натяжение в точке 11 сусилием 10 Нм

Проверьте натяжение ремня ГРМ с помощью танзометрического датчика. Оно должно быть в пределах 165 ± 10 Гц.

Если натяжение ремня выходит за требуемые пределы, произведите регулировку и натяжение сначала. Если натяжение отрегулировано правильно, проведите установку всех ранее снятых элементов и деталей.

Назначение ремней ГРМ, их виды и периодичность замены

Синхронизация вращения коленчатого вала двигателя и распределительного вала (или валов, если их два) механизма газораспределения – основное назначение ремня ГРМ. Сам процесс синхронизации заключается в том, чтобы обеспечить скорость вращения распределительных валов ровно вдвое меньшую, чем скорость вращения коленчатого вала. Место ремня ГРМ в механизме газораспределения показано на рисунке.

От шкива коленчатого вала двигателя усилие через ремень передаётся на шкивы распределительных валов, обеспечивая их вращение с необходимой скоростью. В свою очередь расположенные на распределительных валах эксцентрики посредством толкателей, коромысел и штанг в строго определённые моменты времени открывают или закрывают клапана, обеспечивая, таким образом движение газов в цилиндрах двигателя.

Проще говоря, обеспечивается классическая схема движения газов в двигателе по тактам: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Приведенная схема с использованием ремня ГРМ получила наибольшее распространение в современных двигателях, благодаря ряду преимуществ перед схемами привода распредвалов посредством шестерен (так называемое нижнее расположение распредвала):

• ремень не нуждается в смазке, вынесен за пределы блока цилиндров и располагается в доступном для диагностики и замены месте;
• попутно с газораспределительным механизмом возможен привод других устройств, например, водяного насоса (помпы)
• резиновая основа материала ремня обеспечивает бесшумность работы;

Главный же недостаток ремней ГРМ — риск разрыва и последствий с этим связанных.

4 главных причины свиста ремня

Зачастую, когда возникает подозрительный звук при заведённом двигателе, автомобилисты ссылаются на плохое качество запчастей. На самом деле причины свиста могут заключаться и не в износе изделия. Есть ряд факторов, которые так или иначе могут влиять на работу механизма газораспределения. Перед тем как отправляться за покупкой нового комплекта, следует вспомнить, что есть как минимум четыре возможные причины возникновения шума:

Износ деталей

Эта проблема возникает в большинстве случаев, когда слышен характерный звук. Это означает, что начали проявляться признаки износа ремня или специального натяжителя. На ремне постепенно стираются зубья. Вследствие этого они проскакивают по поверхности шкивов.

При таком раскладе свист становится громким, и эта проблема требует немедленного решения. Если не заменить изношенную деталь своевременно, обрыва изделия не избежать. Для того чтобы устранить проблему хотя бы на некоторое время увеличьте натяжение ремня. Появление характерного свиста частично не будет наблюдаться. Работа детали станет менее шумной, но этот подход эффективен только для одной цели – чтобы доехать до ближайшего сервисного центра или к себе в гараж.

Попадание жидкости

Немало хлопот доставляет ремень в случае, когда на него попадают различные жидкости. На самом деле проблем с его работой не возникает. Но практически у каждого водителя, который слышал, как свистел грм, сразу же возникали подозрения о неисправности элемента.

Как правило, такой звук возникает по причине попадания на приводную деталь либо охлаждающей жидкости, либо моторного масла. Проблема является распространённой среди владельцев подержанных авто. Когда ремень газораспределительного механизма издаёт шум, проверьте целостность патрубков и соединительных элементов. Вполне вероятно, что система смазки или охлаждения двигателя дала течь.

Но масло и тосол являются не единственными жидкостями, которые иногда попадают на деталь. Часто поверхность элемента может быть вымазана в тормозную жидкость. Помимо этого, она может попасть изначально на один из шкивов. Когда диск вымазывается в тормозную жидкость, также требуется срочно устранять данную проблему, поскольку она нарушает оптимальную работу всего механизма.

Свист при холодном двигателе

При постоянной эксплуатации транспортного средства многие автомобилисты становились свидетелями того, как у них свистел ремень грм на холодную. Ощущение не из приятных, когда заводишь двигатель, и слышишь шум, который ассоциируется с грандиозными ремонтными работами.

Причина этому явлению предельно проста – ремень проскальзывает. Проблема такого характера нуждается в неотложном решении, поскольку если не принять меры вовремя, можно значительно износить все зубья.

Шкив генератора должен раскручиваться до указанных производителем показателей. Достигается это благодаря большому моменту коленчатого вала.

Когда звук и вибрация заметны при первых же минутах работы двигателя, необходимо установить одну из двух причин возникновения данной неисправности:

Подшипник генератора смазан не наилучшим составом, либо и вовсе смазка подобрана неправильно. При достаточно низких температурах консистенция масла изменяется. Оно уплотняется. Таким образом, генератор перестаёт раскручиваться до оптимальных показателей. Разморозка смазки произойдёт, только когда силовая установка прогреется до рабочей температуры.

Ремень на генератор слабо натянут. В случае с грм все выглядит также – пока силовой агрегат не наберёт необходимых оборотов и температуры, ремень не будет раскручиваться

Попущенные натяжители не дадут ему разогнаться на шкиве.
Обратите внимание! Отчётливый свист может быть слышен также и по причине неисправности шкива на генераторе, который может элементарно заклинить. Диагностируйте работоспособность генератора, и если проблема все же будет обнаружена – почините или полностью замените преобразующее устройство

Качество деталей

Последней, среди основных причин, считается использование недоброкачественных деталей, из которых состоит весь механизм. Разобраться, почему свистит ремень, становится проще, если изучить запчасти, которые устанавливались на авто.

Многие автолюбители, когда приходит время менять основные элементы двигателя, по каким-то причинам отдают предпочтение более дешёвым эквивалентам. Они работают недолго и могут подвести в самый неподходящий момент. Поэтому для того чтобы избежать непредвиденных поломок и последующего дорогостоящего ремонта, специалисты советуют покупать только проверенные оригинальные запчасти. Качество является показателем надёжности.

Ремонт клапанов

Дефектами клапана могут быть:

1. износ и обгорание рабочей фаски;
2. коробление головки;
3. износ поверхности и торца стержня;
4. погнутость стержня.

Небольшой износ рабочей фаски клапана устраняется притиркой клапана к седлу.

Для притирки клапана проделывают следующие операции:

1. Надевают на стержень клапана слабую пружину и устанавливают клапан в направляющую втулку.
2. Рабочую фаску клапана смазывают притирочной пастой и при помощи коловорота (рис. а) или специальной притирочной дрели (рис. б) вращают клапан вправо и влево на 1/4 оборота, постепенно поворачивая клапан кругом. При пользовании специальной притирочной дрелью ее рукоятку повертывают все время в одну сторону, причем ведомая шестерня и шпиндель вращаются попеременно то в одну, то в другую сторону. Достигается это тем, что две ведущие шестерни, вращаемые рукояткой, имеют по своей окружности неполное число зубьев (у одной шесть зубьев, у другой — девять), расположенных на противоположных сторонах. При вращении клапан прижимают к седлу, а при изменении направления вращения отпускают, причем клапан приподнимается от седла пружиной. В процессе притирки необходимо добавлять пасту.
3. Конец притирки определяют появлением на рабочей фаске ровного матово-серого кольца без пятен.
4. Герметичность клапана проверяют специальным прибором (рис. а) под давлением воздуха. При проверке стакан прибора плотно прижимают к поверхности блока и резиновой грушей создают давление 0,6—0,7 ат. Если в течение 1/2 мин. давление по манометру не падает, — герметичность хорошая. Герметичность клапана проверяют и более простым прибором (рис. б), причем поверхность вокруг клапана вытирают и припудривают мелом. Прибор устанавливают на клапан, затем рукояткой плотно прижимают резиновый присос книзу и отпускают его. Если клапан хорошо притерт, то прибор прочно удерживается на поверхности блока (прибор слегка покачивают рукой за головку).При недостаточной герметичности прибор держаться не будет. При наличии глубоких раковин и рисок рабочую фаску клапана сначала прошлифовывают, а затем только притирают. Шлифование фаски клапана выполняют на приборах с ручным или электроприводом.Клапан закрепляют под определенным углом по отношению к шлифовальному камню (45 или 30°) в патроне прибора. При работе прибора шлифовальный камень вращается с числом оборотов 4000—5000 в минуту, а патрон с клапаном — 120—140 в минуту.Подача патрона с клапаном и бабки с камнем осуществляется рукоятками.

Изношенные головки клапанов восстанавливают до нормального размера путем их раздачи, при этом головку клапана нагревают до 900—1000°, устанавливают клапан в матрицу и оправкой под прессом или ударами молотка производят раздачу. Затем головка подвергается механической обработке способами, указанными выше. Клапаны, головки которых имеют коробление, заменяют новыми.

Погнутые стержни клапанов выправляют под прессом, а затем проверяют индикатором на биение в центрах. Биение стержня не должно превышать 0,03 мм.

Изношенные стержни клапанов шлифуют под ремонтный размер или восстанавливают до номинального или ремонтного размеров хромированием.

Изношенный торец стержня при регулируемых клапанах шлифуют до получения гладкой поверхности, а при нерегулируемых клапанах (автомобиль ГАЗ-MM) торец наплавляют сталью от старого клапана и затем обрабатывают до требуемого размера. При наплавке во избежание коробления стержня клапан помещают в ванну с водой, оставляя на поверхности только торец высотой 20—25 мм.

Особенности конструкции ремней ГРМ

Конструктивно ремень ГРМ представляет собой зубчатое строение внутренней рабочей поверхности с различной формой зуба. Наиболее распространены три формы зубьев:

1. Трапециевидная,
2. Округлая,
3. Сложная.

Округлая форма зуба имеет несколько лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с трапециевидной из-за более равномерного распределения нагрузок по профилю. За счёт этого снижается риск «перескакивания» зубцов. Кроме того, округлая форма зубцов способствует снижению шумности при работе ремня. Сложные формы, как и округлая, также имеют криволинейный профиль.

Повышенные требования к эксплуатационным характеристикам ремней ГРМ предопределяют и специфику свойств материалов, из которых они изготавливаются. Прежде всего, это относится к прочностным характеристикам: сопротивление растяжению при динамических нагрузках, повышенная гибкость, износостойкость, долговечность.

Следует также учесть, что ремни ГРМ работают в условиях высоких температур и расширенного диапазона их изменений: в летнее время температура под защитным кожухом ремня может доходить до 100 и более градусов, а запуск двигателя в зимнее время производится при температурах ниже – 40оС.

Внутренняя структура ремней ГРМ, обеспечивающая такие повышенные требования достаточно сложна. Она представляет собой многослойный «пирог», верхний слой которого содержат синтетические каучуковые смеси стойкие к перепадам температур и износу, а внутренний слой включают корд из стекловолокна, обеспечивающий сопротивление разрыву. Помимо слоёв для улучшения эксплуатационных характеристик используется тканевая оплётка зубьев, а в некоторых случаях и внешней поверхности ремня.

Материалы – основное направление совершенствования ремней ГРМ. С 80-х годов прошлого века фирма Gates – один из самых авторитетных в мире производителей – изобретает и внедряет в производство бутадиен-нитрильный каучук, существенно улучшивший характеристики ремней (правда, при этом повысивший себестоимость продукции). С тех пор широко используются как ремни, изготовленные из традиционных материалов (хлоропреновые каучуки), так и из новых (нитрильные каучуки).

Эксплуатационная долговечность хлоропреновых ремней ГРМ производители обычно ограничивают пробегом не более 60 тыс. км. У нитрильных ремней этот показатель существенно выше: до 120 тыс. км и даже (для определённых моделей) – весь срок службы автомобиля. Однако для наших условий эксплуатации специалисты не рекомендуют производить замену ремня ГРМ реже, чем каждые 60 тыс. км.