Двигатели иностранных фирм


Н. В. Сергеев, В. П. Шоколов










                ДВИГАТЕЛИ ИНОСТРАННЫХ ФИРМ








Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Автомобили и автомобильное хозяйство» и «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (Автомобильный транспорт)» направления подготовки «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования»












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.43
ББК 39.35
     С32


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор (Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)
имени М. И. Платова) Б. Г. Гасанов;
доктор технических наук, профессор (Новочеркасская государственная мелиоративная академия) С. А. Тарасъянц







            Сергеев, Н. В.


С32       Двигатели иностранных фирм : учебное пособие / Н. В. Сергеев,
      В. П. Шоколов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 256 с. : ил.
           ISBN 978-5-9729-0899-8

      Описаны особенности устройства механизмов и систем двигателей ведущих иностранных фирм, а также основные неисправности, возникающие при работе двигателя, и причины их возникновения.
      Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта». Может быть полезно для инженеров.

УДК 621.43
ББК 39.35









ISBN 978-5-9729-0899-8

    © Сергеев Н. В., Шоколов В.П., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................... 5
1. Особенности конструкции двигателей........................ 7
2. Кривошипно-шатунный механизм.............................. 8
   2.1. Конструкция головок блока цилиндров и камер сгорания двигателей................................ 8
   2.2. Блок цилиндров........................................ 15
   2.3. Поршневаягруппа....................................... 27
     2.3.1. Поршни............................................ 27
     2.3.2. Поршневые кольца.................................. 41
     2.3.3. Поршневые пальцы................................ 47
   2.4. Шатуны.............................................. 49
   2.5. Коленчатый вал........................................ 56
     2.5.1. Подшипники коленчатого вала....................... 71
3. Газораспределительный механизм........................... 82
   3.1. Распределительные валы, их подшипники и опоры....... 82
   3.2. Привод распределительного вала...................... 90
   3.3. Клапаны, направляющие втулки, седла, пружины клапанов. 100
   3.4. Приводклапанов........................................ 107
4. Уплотнения двигателей...................................... 118
   4.1. Сальники валов........................................ 118
   4.2. Сальникиклапанов................................... 120
   4.3. Прокладки и уплотнения неподвижных деталей......... 121
5. Агрегаты систем смазки и охлаждения двигателей.......... 126
6. Агрегаты наддува двигателей................................ 135
   6.1. Особенности работы двигателя с наддувом............... 137
7. Система питания двигателя с впрыскиванием бензина.......... 141
   7.1. Компоновка и работа систем питания с впрыскиванием бензина.................................................... 145
   7.2. Компоненты топливной системы.......................... 147
     7.2.1. Форсунки.......................................... 147
     7.2.2. Бензонасосы....................................... 149
     7.2.3. Регулятор давления топлива........................ 151
     7.2.4. Пусковоеустройство................................ 152
     7.2.5. Накопительтоплива................................. 152
     7.2.6. Воздушный фильтр с терморегулятором............... 152
     7.2.7. Электроподогревательвпускнойтрубы................. 153
   7.3. Системыуправления двигателем.......................... 153
     7.3.1. Объединенные системы впрыска и зажигания.......... 156
     7.3.2. Системы распределенного впрыска бензина BOSCH, SIEMENS............................................... 159
     7.3.3. Системы центрального впрыска бензина BOSCH, OPEL, SIEMENS............................................... 177

7.4. Компоненты электронных систем зажигания............... 187
     7.4.1. Датчики частоты вращения и положения коленчатого и распределительного валов............................... 187
     7.4.2. Датчики температуры.............................. 192
     7.4.3. Датчики детонации................................ 193
     7.4.4. Датчики расхода воздуха.......................... 195
     7.4.5. Датчики положения дроссельной заслонки............ 200
     7.4.6. Лямбда-датчик..................................... 201
     7.4.7. Клапаны дополнительной подачи воздуха системы холостого хода................................... 202
   7.5. Системаулавливания паров бензина...................... 206
   7.6. Система нейтрализации отработавших газов............. 207
8. Аккумуляторная топливная система фирмы BOSCH COMMON RAIL для дизелей....................................... 210
   8.1. Характеристика впрыска топлива........................ 210
   8.2. Снижение токсичности отработавших газов.............. 214
   8.3. Топливнаясистема...................................... 216
     8.3.1. Топливоподкачивающие насосы....................... 221
     8.3.2. Регулятордавления................................ 224
     8.3.3. Аккумулятор высокого давления..................... 226
   8.4. Компоненты электронной системы управления работы двигателя.................................................. 226
     8.4.1. Датчик давления топлива в аккумуляторе............ 226
     8.4.2. Клапан-регулятор давления топлива в аккумуляторе.      227
     8.4.3. Ограничитель подачи топлива...................... 227
     8.4.4. Датчик положения педали акселератора............. 228
     8.4.5. Датчик давления наддува.......................... 229
     8.4.6. Электронный блокуправления....................... 230
   8.5. Исполнительные устройства и другие элементы системы CR.... 233
     8.5.1. Форсунки......................................... 233
     8.5.2. Блок управления свечами накаливания.............. 233
     8.5.3. Электропневматический преобразователь............ 234
9. Основные неисправности двигателя........................... 237
   9.1. Основные причины возникновения неисправностей......... 237
Заключение.................................................... 252
Литература................................................... 253

ВВЕДЕНИЕ


    Для любого развитого государства основой экономики является развитая транспортная система. Транспорт обеспечивает перемещение сырья, комплектующих изделий, средств труда, готовой продукции и рабочей силы, создавая объективные условия для непрерывного функционирования производства. Доставляя готовую продукцию труда потребителям, транспорт завершает процесс материального производства, а перевозки пассажиров решают и производственные и социальные проблемы. Автомобильный транспорт является ведущей составной частью и связующим звеном между всеми другими видами транспорта. Он осуществляет около 70 % грузовых и 80 % пассажирских перевозок в России.
    В процессе работы агрегаты, узлы и детали автотранспортных средств изнашиваются, что приводит к отказам автомобиля в целом. Следствием этого является высокий уровень аварийности на дорогах, загрязнение окружающей среды. В ходе проведения инструментальной проверки в ряде регионов было выявлено (по данным НИИАТ), что свыше 30 % автомобилей имели неисправности и отказы, при которых их эксплуатация запрещена. Проверка технического состояния автомобилей в Москве показала, что более 15 % их не соответствуют экологическим требованиям.
    Техническая готовность к выполнению перевозок, надёжность и работоспособность подвижного состава в соответствии с государственными требованиями безопасности движения и экологии зависят не только от конструктивных качеств и уровня производства автомобилей, но и от уровня сервиса автомобилей.
    Автосервис - это всё то, что обеспечивает использование, эксплуатацию и восстановление автомобиля в течение всего «жизненного» цикла. Главной задачей автосервиса является обеспечение заложенных в автомобиле потребительских свойств и сведение к минимуму отрицательных последствий при его эксплуатации.
    В последние годы на дорогах России появилось большое количество автомобилей иностранного производства. Из них более 70 % «в возрасте» и по годам, и по пробегу. Многие уже сейчас требуют того или иного ремонта или следует ожидать, что ремонт потребуется в ближайшем будущем. Однако и новые автомобили, купленные совсем недавно, со временем также потребуют ремонта. Срок службы иностранного автомобиля у нас оказывается, как правило, меньше, чем у него на «родине» - тяжелые дорожные условия, грязное топливо, не всегда качественное масло и неграмотное обслуживание постепенно (а иногда и быстро) делают свое «черное» дело.
    Часто после достаточно большого пробега (более 150-200 тыс. км) автомобиль в целом остается во вполне приличном состоянии, однако двигатель уже изношен и требует ремонта. В то же время нередки случаи досрочного выхода двигателя из строя по самым различным причинам, начиная с некачественного масла, залитого при очередном техническом обслуживании, и кончая повреждением поддона картера.

Огромное количество марок и моделей иностранных автомобилей, в основном прошлых лет выпуска, практическое отсутствие сети фирменного сервиса резко обостряют проблему ремонта. Зачастую его некому и негде сделать, даже имея возможность приобрести необходимые запасные части. С другой стороны, уже сейчас в России довольно много иностранных автомобилей, для которых не удается быстро найти запасные детали. В основном это автомобили, выпущенные более 10-15 лет назад, которые могли бы ездить, если бы имелась возможность их ремонта. Кстати, указанный выше возраст автомобиля не так уж и велик, если на ходу еще «Жигули», «Москвичи» и «Волги», выпущенные даже 30 лет назад.
    Причин, по которым ремонт иностранных автомобилей у нас превращается в серьезную проблему, много. В основном это связано с относительно недавним массовым появлением у нас иностранных автомобилей, когда еще не сложилась необходимая сеть станций технического обслуживания и ремонтных мастерских.
    У многих работников предприятий, обслуживающих и ремонтирующих иностранные автомобили, далеко не всегда достаточно квалификации, знаний и навыков для диагностики неисправностей двигателя и их устранения. Кроме этого, иностранная техника, как правило, более «нежная», с точки зрения способов и средств диагностики и ремонта, и требует более бережного отношения к себе, чем отечественная.
    Двигатель автомобиля является одним из наиболее сложных его агрегатов и требует при обслуживании и ремонте высокой квалификации работников ремонтных предприятий.
    В данном учебном пособии рассмотрены особенности конструкции двигателей ведущих американских, европейских и азиатских фирм.
    Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта».
    Учебное пособие написано в соответствии с действующими стандартами, учебными планами и рабочими программами по части дисциплины «Конструкция, расчёт и потребительские свойства изделий», в которых отражены требования к подготовке инженеров по указанным выше специальностям. Изложение материала построено с учетом того, что вопросы общего устройства двигателей внутреннего сгорания были изучены студентами ранее.
    Так как пособие предназначено, главным образом, для студентов (хотя оно может представить интерес для инженеров), толкование некоторых вопросов в нем более простое, чем в последних исследованиях.
    Ясно представляя, что научно-методическое совершенствование каждой дисциплины имеет практически неограниченные возможности, авторы с благодарностью примут все критические замечания.

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ


    В настоящее время можно выделить несколько направлений (или школ) конструирования двигателей. По конструкции и внешнему виду двигателя довольно четко можно провести границы немецкого, американского и японского направления, хотя в последние годы различия становятся уже не так заметны, как, например, 10 или 15 лет назад.
    Для двигателя немецкого производства характерна определенная основательность - достаточно высокие поршни, увеличенные диаметры шеек коленчатого вала, поршневых пальцев, стержней клапанов, качественные материалы основных деталей, обеспечивающих высокие ресурсы и надежность. Здесь нередко встречаются довольно сложные конструкции, однако и они остаются надежными из-за высокого качества исполнения и материалов.
    Американская школа выделяется обычно большими размерами и литражом двигателей. Пока здесь все еще господствуют низкооборотные двигатели с большим рабочим объемом и нижним расположением распределительного вала, однако в последние годы стало заметно ощущаться японское влияние. На смену тихоходам приходят двигатели с двойными распределительными валами, турбонаддувом, короткими легкими поршнями. И все-таки американский двигатель по-прежнему узнаваем - под капотом американских автомобилей места достаточно. Поэтому наружные детали двигателя часто имеют вполне свободную конфигурацию, не ограниченную соображениями экономии металла, габаритов, удобства обслуживания.
    Главная черта японской школы - компактность. Строго использован каждый миллиметр высоты или ширины, каждый грамм металла. Строжайшая экономия и простота конструкции - вещи вполне совместимые. Поэтому там, где в Германии ставят два распределительных вала, в Японии для привода четырех клапанов на цилиндр иногда вполне достаточно одного. Минимальные габариты характерны здесь для всех деталей - от шеек коленчатого вала и поршней до стержней клапанов. Высокая прочность деталей часто достигается здесь не за счет легирования металла, специальной технологией изготовления. Внешний вид двигателя японского происхождения также легко узнаваем из-за простых ажурных форм наружных элементов и деталей, а также большого числа трубопроводов и шлангов.
    Общими тенденциями для современных двигателей является уменьшение диаметров подшипников коленчатого вала, диаметра и высоты поршня при увеличении числа цилиндров, переход к многоклапанным головкам блока, новым, ранее не применяемым материалам и технологиям.
    Огромное многообразие конструкций двигателей различных фирм далеко не всегда позволяет дать универсальные рекомендации по техническому обслуживанию и ремонту, так как необходимо представлять особенности конструкции узлов и отдельных деталей различных двигателей.

2. КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ


            2.1. Конструкция головок блока цилиндров и камер сгорания двигателей


    На всех рядных бензиновых двигателях и подавляющем большинстве дизелей легковых автомобилей применяются исключительно головки блочной конструкции, т. е. одна головка на все цилиндры (на весь блок цилиндров). Одно из наиболее важных требований к головке блока - хорошее охлаждение стенок камеры сгорания и выпускного канала. Это, с одной стороны, означает интенсивный отвод тепла от стенок в охлаждающую жидкость, т. е. эффективное охлаждение созданием в головке потоков определенного направления.
    С другой стороны, в стенках головки не должно возникать больших перепадов температур. Обычно это наблюдается при значительном изменении толщины стенок камеры сгорания и различной интенсивности их охлаждения. Такая картина характерна для перемычек между седлами клапанов, между седлом и стенкой (крышкой) форкамеры дизелей, особенно при их близком расположении друг к другу. Недостаточное охлаждение стенки камеры сгорания у некоторых двигателей при определенных условиях приводит к перегреву, короблению, появлению и развитию трещин в указанных сечениях.
    В головке размещается распределительный механизм, включающий впускные и выпускные клапаны, каналы впуска и выпуска, камеру сгорания. С помощью различного типа устройств (рычаги, коромысла, толкатели, штанги) клапаны связаны с кулачками распределительного вала.
    Головки двигателей прошлых лет изготавливались из чугуна. Чугунные головки применялись в прошлом и на рядных двигателях с верхним расположением распределительного вала (FORD, OPEL). Преимуществом чугуна является низкий коэффициент температурного расширения и большая жаропрочность и износостойкость, что позволяло нередко обходиться без вставных седел и направляющих втулок клапанов. Однако чугунные головки резко увеличивают массу двигателя, а из-за своей низкой пластичности чугун чувствителен к местным (локальным) перегревам, ведущим к появлению трещин, особенно вблизи седел выпускных клапанов. Вследствие этого чугун сейчас практически полностью вытеснен силуминами - алюминиевыми сплавами с содержанием кремния около 6^10 %.
    На последних японских двигателях (TOYOTA) встречаются головки из спеченных порошковых материалов на основе алюминия, содержащих 14^18 % кремния при сохранении высоких механических свойств материала. Это дает возможность значительно снизить коэффициент линейного расширения и, следовательно, делает более стабильными тепловые зазоры в клапанном механизме, зазоры в опорных подшипниках распределительного вала, а также уменьшает чувствительность двигателя к перегреву.
    На некоторых дизелях (ROVER, ALFA ROMEO) каждый цилиндр блока имеет свою отдельную (индивидуальную) головку. Такая конструкция менее чувствительна к перегреву, т. к. все деформации локализуются на небольшой

длине каждой головки. Однако индивидуальные головки уменьшают продольную жесткость конструкции двигателя, вследствие чего требуют более прочного и тяжелого блока цилиндров. Поэтому такие конструкции не получили распространения на легковых автомобилях.
    Головка блока цилиндров крепится на блоке болтами или шпильками с гайками. Если блок цилиндров чугунный, то в большинстве случаев применяются болты. Болты крепления головки блока изготавливаются из высокопрочных материалов (легированные стали). Болты головок при небольшом диаметре - обычно 10^12 мм - обеспечивают значительные моменты затяжки -70^150 Н-м. Большие моменты затяжки необходимы для обеспечения герметичности стыка головки и блока в широком диапазоне рабочих температур. В 80-х годах наряду с традиционной конструкцией болтов для головок блока, крышек коренных подшипников и шатунов получили распространение болты, работающие на пределе текучести. Для таких болтов регламентируется не максимальный момент затяжки, а угол, на который надо довернуть болт, затянутый предварительным моментом (обычно около половины максимального). Преимуществом этих болтов является более равномерное и стабильное по времени эксплуатации усилие затяжки (например, при перегреве двигателя усилие затяжки остается неизменным), однако повторное их использование проблематично. Поэтому болты традиционной конструкции для ремонта более предпочтительны.


Рис. 1. Центрирование головки на блоке цилиндров с помощью втулок: 1 - блок цилиндров; 2 - головка блока; 3 - прокладка головки;
4 - центрирующая втулка

    У двигателей с алюминиевыми блоками цилиндров вместо болтов нередко используются шпильки (ALFA ROMEO, FIAT, PORSCHE), что связано с возможностью повреждения резьбы в мягком материале при многократной их затяжке. На некоторых двигателях (HONDA) применяется комбинированный вариант: и шпильки, и болты, причем шпильки по краям блока. Обычно головка и

прокладка головки центрируются на блоке с помощью двух центрирующих втулок, расположенных на крайних болтах (рис. 1). Центрирование важно для обеспечения параллельности осей коленчатого и распределительного валов, а также для совпадения отверстий в прокладке, блоке и головке цилиндров. Без втулок в некоторых двигателях возможен сдвиг края прокладки через край цилиндра (рис. 2). В таком случае даже небольшое выступание днища поршня над плоскостью блока в ВМТ может привести к стукам, повреждению поршня и прокладки, а также быстрому ее прогоранию.


Рис. 2. «Свисание» окантовки прокладки в цилиндр:
1 - прокладка; 2 - блок цилиндров; 3 - головка блока; 4 - поршень (стрелкойуказано местоудара поршня по прокладке)

    Головки цилиндров двигателей прошлых лет выпуска имели, в основном, два клапана на один цилиндр, с середины 80-х годов наметился переход на многоклапанные конструкции - трехклапанные (два впускных и один выпускной) и четырехклапанные (по два впускных и выпускных клапана). В четырехклапанных головках, как правило, применяются два верхних распределительных вала, однако существуют конструкции и с одним распределительным валом (HONDA, MITSUBISHI, NISSAN). Головки с тремя клапанами на цилиндр имеют обычно один распределительный вал. Поверхность головки блока совместно с поверхностями днища поршней образуют камеры сгорания. Конструкция головки блока зависит, в основном, от формы камеры сгорания, количества клапанов на один цилиндр.
    Рассмотрим широко распространенные в прошлом двухклапанные головки. Здесь можно выделить схемы продольного, поперечного и косого расположения клапанов (рис. 3) по отношению к оси двигателя, а также различные способы их привода - коромыслами, рычагами или толкателями (рис. 4).
    Полусферические и шатровые камеры сгорания (рис. 5 а, б, г) предполагают поперечное или косое расположение клапанов (рис. 3 а, б), причем под углом друг к другу. Наиболее часто здесь используется привод с помощью коромысел (рис. 4 в). На некоторых двигателях при такой схеме применяются два распределительных вала, что позволяет использовать в приводе рычаги (рис. 4 б) (MERSEDES-BENZ, OPEL) или толкатели (рис. 4 а) (TOYOTA, ALFA ROMEO, FIAT), однако такие конструкции для данных схем двухклапанных головок встречаются реже.

Рис. 3. Типичные схемы расположения клапанов в двухклапанной головке: а - поперечное; б - продольное; в - косое

Рис. 4. Основные схемы привода клапанов: а - толкателями; б - рычагами; в - коромыслами

    Продольное расположение клапанов характерно для полуклиновых, плоскоовальных и цилиндрических камер сгорания. Для этих схем широко используют все способы привода клапанов - коромыслами, рычагами и толкателями.
    В отличие от полусферических и шатровых камер с поперечным и косым расположением клапанов, где впускные и выпускные каналы выходят на разные стороны головки, у полуклиновых камер с продольным расположением клапанов каналы чаще направлены в одну сторону. Конструкция головки при этом несколько упрощается, т. к. клапаны расположены параллельно и лежат в одной плоскости (рис. 5).

Рис. 5. Типы камер сгорания бензиновыхдвигателей: а - полусферическая; б - полусферическая с вытеснителем; в - сферическая; г - шатровая; д - плоскоовальная; е - клиновая; ж - полуклиновая с частью камеры в поршне;
з - цилиндрическая камера сгорания в поршне

    Полуклиновые камеры сгорания позволяют увеличить площадь вытеснительных поверхностей и интенсивность перемешивания (турбулентность) топливовоздушной смеси при воспламенении. Поэтому двигатели с такими камерами менее склонны к детонации. Однако подобная конструкция ограничивает размеры клапанов и проходные сечения каналов, что несколько снижает удельную (литровую) мощность двигателя.
    Головки с поперечным или косым расположением клапанов имеют существенное преимущество перед конструкциями с продольно расположенными клапанами. Дело в том, что поперечно расположенные клапаны могут стоять под углом и с малым расстоянием между тарелками. В случае поперечного расположения тарелки клапанов могут быть приближены, поскольку каналы впуска и выпуска всегда идут по разные стороны головки. Вышесказанное объясняет тот факт, что двигатели с поперечно расположенными клапанами имеют более высокую литровую мощность.
    Необходимость перехода на многоклапанные конструкции головок обусловлена стремлением получить большую литровую мощность двигателя. Так, если в начале 80-х-годов двигатель объёмом 1500 см³ с двухклапанной головкой обычно имел максимальную мощность порядка 75-80 л. с. (50-55 кВт), то с четырехклапанной головкой - уже порядка 100 л. с. (75 кВт).
    Такое существенное повышение мощности объясняется увеличением проходных сечений каналов впуска и выпуска, т. е. ростом коэффициента наполне-