Узлы и детали дизельного двигателя. Введение

Сильная основа

Механические узлы и детали и сегодня создают основу любого двигателя, работающего по принципу Дизеля. Задачей является преобразование имеющейся в топливе химической энергии в движение с помощью термодинамического процесса. В результате сгорания топливно-воздушной смеси поршень получает ускорение. Это прямолинейное движение поршня вверх и вниз криво-шипно-шатунный механизм преобразует во вращательное движение.

Блок-картер ограничивает камеру сгорания и в нем же находится кривошипно-шатунный механизм.

В головке блока цилиндров происходит исключительно управление газообменом с помощью клапанов и каналов.
Физический принцип действия не отлиается от бензинового двигателя. Основным отличием от бензинового двигателя, работающего по принципу Отто, является процесс сгорания. В дизельном двигателе топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания (внутреннее смесеобразование). За счет высокой степени сжатия топливно-воздушная смесь сильно нагревается и ее температура достигает температуры воспламенения. Сгорание начинается без помощи свечи зажигания (самовоспламенение).

Рудольф Дизель и его двигатель

История

Рудольф Дизель запатентовал свой первый двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением в 1892 году. Этот большой, медленно работающий двигатель первоначально был задуман только для стационарной эксплуатации. Трудоемкая конструкция двигателя, сложная система впрыска давали в результате высокую стоимость производства. Первые простые двигатели были не слишком комфортабельными и высокооборотными агрегатами. Жесткий процесс сгорания делал дизельный двигатель, особенно в холодном состоянии, достаточно громким (вследствие детонационного стука). По сравнению с бензиновым двигателем он имел неважную удельную мощность и динамику и, кроме того, низкую литровую мощность.
Только после использования на грузовых автомобилях и целого ряда усовершенствований свойств материалов и процесса изготовления удалось его „миниатюризи-ровать". Хотя первый автомобиль с дизельным двигателем был изготовлен уже в 1936 году, пришлось ждать до 70-х годов, пока дизельный двигатель стал использоваться, как реальная основа автомобильного привода. Прорыв состоялся в 80-х годах, когда он, наконец, был полностью доработан.

Дизельный двигатель стал альтернативой бензиновому. В это время и BMW принял решение использовать его на своих серийных моделях легковых автомобилей вследствие улучшения его динамики и акустики.


BMW производит автомобили с 1929 года, с тек пор требования к двигателям постоянно возрастали. Фирма BMW всегда отличалась инновациями и техническими деталями, которые не имели себе равных в мире. Эта традиция продолжается и в области дизельных двигателей. Эра дизельных двигателей началась с первым серийным двигателем BMW в 1963 году.

1983
Впервые представленный на Е28, на модели 524td двигатель M21D24 имел турбонаддув и рабочий объем 2,4 литра. Его прообразом стал бензиновый 6-цилиндровый двигатель М20, и он развивал мощность 85 кВт/115 л. с. При этом оба двигателя могли собираться на одном конвейере.
Динамические показатели с максимальной скоростью 180 км/ч и разгоном до 100 км/ч за 13,5 секунд устанавливали в то время новые стандарты в динамике автомобилей с дизельным двигателем. Поэтому 524td получил титул „Спорт-дизель".
1985
С сентября 1985 начали собирать М21, атмосферный дизельный двигатель. Это позволило предложить более дешевый „базовый двигатель". Этот двигатель на модели 324d (E30) создал себе славу самого плавно работающего двигателя с самовоспламенением.

1987
BMW становится первым производителем автомобилей, который предлагает электронную систему управления двигателем, так называемую Digital Diesel Elektronik (DDE). Электроника быстрее и точнее, чем механическое управление, осуществляет регулировку

• работы системы выпуска ОГ
• расхода топлива
• акустики
• качества ходa

BMW 525tds с двигателем М51

1991
двигателем Внедрен в производство полностью новый двигатель M51D25, с турбонад-дувом с охлаждением и мощностью 105 кВт/143 л. с, дебютировавший как самый мощный в своем классе дизельный двигатель. При этом он заменил двигатель М21 и получил абсолютно новый блок-картер. Двигатель предлагался в вариантах 115 л. с. и 143 л. с. Благодаря V-образной форме основной камеры сгорания в поршне удалось улучшить показатели выброса ОГ и дымление при полной нагрузке.



1994
Двигатель М41 был первым 4-цилинд-ровым дизельным двигателем на авто¬мобилях BMW. Он был разработан на основе двигателя М51D25 и имел с ним 56 % общих деталей, только 14 % деталей пришлось создавать заново. Новшествами были, например, пустотелый литой распределительный вал на 5 опорах, а также звукоизолированная головка блока цилиндров. Этот двигатель устанавливался на различных моделях серии Е36.

BMW 320d с двигателем М47

1998
Двигатель М47 с непосредственным впрыском, созданный BMW в 1998 году, явился самым мощным 4-цилиндровым дизельным двигателем. 100 кВт, получаемые из 2 литров рабочего объема, стали пиковым значением, которое до тех пор было обычным только для бензиновых двигателей. Это соответствовало литровой мощности 50 кВт или 68 л. с.

BMW 320d с двигателем М47

Лучшие доказательства мощности и надежности новых дизельных двигателей предоставляет автоспорт. И BMW празднует исторический успех на трассе Нюрбургринг.
Модель 320d с дизельным двигателем в 1998 году, впервые в истории автоспорта, побеждает в 24-часовых гонках. И не только потому, что ей нужно реже заправляться, но и потому, что BMW имеет лучшее время круга.

BMW 740d с двигателем М67

1999
Первый дизельный двигатель V8, двигатель M67D40, с рабочим объемом 4 литра представлен на модели Е38 и имеет мощность 175 кВт. Самый мощный в то время в мире дизельный двигатель для легкового автомобиля с системой впрыска Common-Rail и 2 турбонагне- тателями ОГ доказывает технический авторитет BMW. Двигатель имеет блок-картер из высокопрочного серого чугуна с вермикулярным графитом (GGV), алюминиевую головку блока цилиндров и масляный поддон из двух частей.

BMW 5300 с двигателем М57

2001
Двигатель M47TU с системой впрыска Common-Rail второго поколения и системой управления DDE5 достиг мощности 110 кВт/150 л. с.
Дальнейшей модернизацией двигателя M51D25 является двигатель M57D30, он имеет блок-картер из серого чугуна, головку блока цилиндров из легкого сплава с 4 клапанами на цилиндр. М57 явился первым в мире дизельным рядным 6-цилиндровым двигателем для легковых автомобилей, оснащенным перспективной системой впрыска Common Rail.
Эта новая сложная система впрыска с электронным управлением превосходно выполняет требование высокого и постоянного давления топлива на протяжении всего времени впрыска. В любой момент обеспечиваются заметное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями с вихрекамерным смесеобразованием, высокие ходовые качества и безупречная работа двигателя в экстремальных условиях.

BMW X5 3.0d с двигателем M57TU ТОР

2004
Начат выпуск самого мощного дизельного двигателя - M57TU ТОР с 2-ступен-чатым турбонаддувом (Е60 и Е61). Для 2-ступенчатого турбонаддува используются 1 малый и 1 большой турбонагнетатели. Дизельный двигатель на модели 535d развивает мощность на 40 кВт/54 л. с. больше, чем двигатель того же рабочего объема (3,0 литра) на 530d.
Мощность составляет 200 кВт/272 л. с. Максимальный крутящий момент 560 Нм достигается при 2000 об/мин. Этот выдающийся двигатель принес победу Люку Альфану в ралли Париж-Дакар не только в классе автомобилей с дизельными двигателями, но и вывел его на четвертое место в общей классификации.

BMW 730d с двигателем М57TU2

2005
На модели Е65 устанавливается двигатель M57TU2. Наряду с увеличением мощности и крутящего момента нужно отметить следующие технические особенности:

• меньшая масса благодаря блок-картеру из алюминия;
• система впрыска Common-Rail 3-го поколения с пьезо-форсунками и давлением 1600 бар;
• выполнение норм токсичности ОГ EURO 4 и серийно устанавливаемый сажевый фильтр;
• оптимизированный электрический регулятор давления наддува для турбонагнетателя ОГ с изменяемой геометрией турбины.

BMW 745d с двигателем M67TU

2005
Двигатель М67 на модели Е65 в том же 2005 году претерпел существенную модернизацию. Ее целью было заметное улучшение динамических показателей за счет увеличения мощности и снижения массы. Мощность была увеличена на целых 16 % при одновременном снижении массы двигателя на 14 %, и это - без увеличения расхода топлива.
Это было достигнуто, среди прочего, благодаря новому легкому алюминиевому блок-картеру, а также увеличению рабочего объема до 4,4 литра.

Основные понятия

Следующие основные понятия действительны для всех типов поршневыхдвигателей.

• Внутренний диаметр
  Внутренний диаметр - это диаметр цилиндра.
• Ход поршня
  Путь, который проходит поршень в цилиндре между мертвыми точками, называется ходом поршня.
• Мертвая точка
  Мертвые точки - это крайние точки движения поршня, в которых он изменяет направление своего движения. Различают верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю мертвую точку (НМТ). При положении поршня в ВМТ камера сгорания имеет минимальный объем, а в НМТ - максимальный.
• Рабочий объем
  Рабочий объем одного цилиндра -это пространство, которое проходит поршень за один свой ход. Иначе говоря: это объем цилиндра между ВМТ и НМТ поршня. В технических данных двигателя обычно приводится общий рабочий объем двигателя. Общий рабочий объем является суммой отдельных рабочих объемов всех цилиндров.
• Камера сжатия
  Это пространство, которое остается над поршнем, когда он находится в положении в ВМТ. Камера сгорания имеет при этом минимальный объем.
• Камера сгорания
  Камера сгорания ограничена головкой блока цилиндров, поршнем и стенкой цилиндра. В положении в ВМТ камера сгорания соответствует камере сжатия. В положение в НМТ камера сгорания включает в себя камеру сжатия плюс рабочий объем.
• Степень сжатия (α)
  Степень сжатия - это отношение рабочего объема плюс объема камеры сжатия к объему камеры сжатия.
• Отношение хода поршня к диаметру цилиндра
  Это отношение хода поршня к внутреннему диаметру. Двигатели по их конструкции делятся на длинноходные и короткоходные. У длинноходных двигателей ход поршня больше, чем внутренний диаметр цилиндра, у короткоходных -меньше. Двигатели, у которых внутренний диаметр цилиндра и ход поршня равны, относят к коротко-ходным. Подобные двигатели также называют квадратными.
• Отношение длины шатуна к радиусу кривошипа (λ)
  Оно обозначает соотношение длины шатуна {расстояния между центрами отверстий шатуна) и радиуса кривошипа (расстояния между осями коренных подшипников и шатунных шеек).
• Средняя скорость поршня
  Даже при постоянной частоте вращения коленвала двигателя поршень постоянно ускоряется и замедляется. В верхней и нижней мертвых точках он на короткое время останавливается. На пути между ними его скорость доходит до максимальной и затем снова падает.
  Вследствие этой постоянно изменяющейся скорости поршня рассчитывают среднюю скорость поршня. Это и есть теоретическая постоянная скорость, или средняя скорость поршня. Средняя скорость поршня обычно указывается при номинальной частота вращения и служит мерой нагрузки на двигатель.
• Максимальная скорость поршня
  Поршень достигает своей максимальной скорости, когда шатун и радиус кривошипа образуют прямой угол. Максимальная скорость поршня прим. в 1,6 раза больше средней скорости поршня.
• Определенные частоты вращения коленвала двигателя
  В качестве частоты вращения коленвала двигателя указывается количество оборотов коленчатого вала в минуту.
  Для двигателя имеют значение различные частоты вращения:
  Пусковая частота вращения или частота вращения стартера -это минимальная частота вращения коленвала, необходимая для запуска двигателя. С частотой вращения коленвала на холостом ходу запущенный двигатель продолжает работать сам. При номинальной частоте вращения двигатель достигает своей максимальной мощности. Максимальная частота вращения - это максимально допустимая частота вращения для защиты двигателя от механических повреждений.
• Силы инерции
  Сила инерции - это сопротивление, которое оказывает тело при изменении движения, т. е. она является следствием инертности, которая противодействует ускорению.
  Опытом, при котором это очень хорошо видно, является движение стеклянного стакана с водой по столу. Если стакан движется медленно и равномерно, то вода не колышется. Если стакан резко ускоряется или замедляется, тогда вода выливается через край. Инертность воды действует против изменения движения. В случае твердого тела это означает, что необходимо приложить соответствующую силу для ускорения или замедления тела. Сила инерции зависит от величины массы и ускорения.
• Колебательное движение
  Колебательное движение означает, что тело постоянно двигается вдоль одной оси в одну и другую стороны.
• Вращательное движение
  Вращательное движение означает, что тело движется по круговой орбите вокруг центральной оси.

Рис. Вид движения:
1 Верхняя мертвая точка (ВМТ)
2 Ход поршня
З Нижняя мертвая точка (НМТ)
4 Длина шатуна
5Радиус кривошипа
б Внутренний диаметр
7 Камера сжатия
8 Рабочий объем

Конструкции двигателей

За всю, более чем 120-летнюю, историю двигателя внутреннего сгорания предлагались многочисленные варианты расположения цилиндров. Из них лишь некоторые нашли применение на автомобилях. Двигатели различают по ориентации, расположению и количеству цилиндров.

Положение установки
Положение установки определяется положением осей цилиндров. При этом различают двигатели с вертикально и горизонтально расположенными цилиндрами. Если двигатель установлен наклонно, как все рядные двигатели BMW, то также говорят о вертикальном положении.

Расположение цилиндров

Имеется большое число вариантов расположения цилиндров, большинство которых обозначаются буквами.
Далее приведены самые распространенные в автомобилестроении конструкции.
Рядный двигатель имеет один ряд цилиндров и один коленчатый вал. Все цилиндры расположены друг за другом и их оси параллельны.

В случае V-образного двигателя
(два ряда цилиндров, один коленчатый вал) ряды цилиндров обычно располагаются под углом от 60 до 90° по отношению друг к другу. Расположенные соответственно напротив друг друга шатуны двух рядов делят одну шатунную шейку коленчатого вала.
Такое положение отличает V-образный двигатель с углом 180° между цилиндрами от оппозитного двигателя (Boxer), в котором шатунные шейки расположены напротив друг друга. Поэтому поршни двигаются, то навстречу, то друг от друга. Отсюда и название Boxer, потому что выглядит это, как боксирование поршней.

VR-двигатель является комбинацией V-образного и рядного двигателя. У него один ряд цилиндров, в котором, однако, на самом деле два ряда цилиндров, расположенных под углом 15°. Каждый шатун имеет свою шейку на коленчатом вале.

W-образный двигатель имеет три ряда цилиндров и один коленчатый вал. Соответственно, с каждой шейкой коленчатого вала соединены три шатуна. Один V-образный двигатель из двух VR обозначается, как V-VR-двигатель или также, как W-образный двигатель.
Двигатели VR и W устанавливаются прежде всего в целях экономии места. Однако для BMW экономия места не является настолько важной, чтобы идти на компромисс за счет плавности хода и качеств двигателя.
BMW устанавливает исключительно рядные и V-образные двигатели. 6-цилиндровый рядный двигатель обеспечивает выдающуюся сбалансированность. Однако рядный двигатель с восемью и более цилиндрами теряет смысл из-за своей длины. Кроме того, коленчатый вал при такой длине испытывал бы слишком большие напряжения.

Направления вращения

Двигатель правого вращения -это двигатель, коленчатый вал которого вращается, если смотреть со стороны, противоположной выходному валу, по часовой стрелке, т. е. вправо. Это -официальное описание.
Если смотреть на двигатели BMW спереди, двигатель вращается по часовой стрелке.

При левом вращении двигатель вращается, при взгляде в том же направлении, против часовой стрелки.
Рис. Последовательность расположения цилиндров
А Рядный двигатель
В V-образный двигатель
1 1-й цилиндр
2 2-й цилиндр
3 3-й цилиндр
4 4-й цилиндр
5 5-й цилиндр
6 6-й цилиндр
7 7-й цилиндр
8 8-й цилиндр

Нумерация цилиндров
Если смотреть на двигатель, как при определении направления вращения, то ближний к вам цилиндр получает номер „1". Цилиндры отсчитываются по очереди в сторону отбора мощности.
В случае двигателя с несколькими рядами цилиндров цилиндры считаются также, причем сначала в первом, затем во втором ряду. Первый ряд цилиндров располагается слева, если смотреть в том же направлении.

2007 Copyright ©под редакцией Агеева П.С.