Компоненты системы

Обзор системы

Механические узлы и детали дизельного Сначала описываются следующие двигателя делятся на три большие части.

• Картер двигателя
• Кривошипно-шатунный механизм
• Газо-распределительный механизм

Эти три части находятся в постоянном взаимодействии. взаимосвязи, которые оказывают существенное влияние на свойства двигателя:
• интервал между воспламенениями;
• порядок работы цилиндров;
• уравновешивание масс.

Интервал между воспламенениями
Механические элементы двигателя в основном делятся на три группы: картер двигателя, кривошипно-шатунный механизм и привод клапанов. Эти три группы находятся в тесной взаимосвязи и должны быть взаимосогласованы. Интервал между воспламенениями -это угол поворота коленчатого вала между двумя следующими друг за другом воспламенениями.
В течение одного рабочего цикла в каждом цилиндре один раз происходит воспламенение топливо-воздушной смеси. Рабочий цикл (всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск) у четырехтактного двигателя занимает два полных оборота коленчатого вала, т. е. угол поворота составляет 720°.
Одинаковый интервал между воспламенениями обеспечивает при всех частотах вращения равномерную работу двигателя. Этот интервал между воспламенениями получается следующим образом:
интервал между воспламенениями = 720°: количество цилиндров

Примеры:

• четырехцилиндровый двигатель: 180° коленчатого вала (KB)
• шестицилиндровый двигатель: 120° KB
• восьмицилиндровый двигатель: 90° КВ.

Чем больше количество цилиндров, тем меньше интервал между воспламенениями. Чем меньше интервал между воспламенениями, тем равномернее работает двигатель.
По крайней мере, теоретически, т. к. к этому еще добавляется уравновешивание масс, которое зависит от конструкции двигателя и порядка работы цилиндров. Для того чтобы в цилиндре могло произойти воспламенение, соответствующий поршень должен находиться в „ВМТ конца такта сжатия", т. е. должны быть закрыты соответствующие впускной и выпускной клапаны. Это может иметь место, только когда коленчатый вал и распределительный вал правильно расположены относительно друг друга. Интервал между воспламенениями определяется взаимным расположением шатунных шеек (угловым расстоянием между коленами) коленчатого вала, т. е. углом между шейками следующих друг за другом цилиндров (порядок работы цилиндров). В V-образных двигателях угол развала должен быть равен интервалу между воспламенениями для достижения равномерной работы.
Поэтому восьмицилиндровые двигатели BMW имеют угол между рядами цилиндров 90°.

Порядок работы цилиндров
Порядок работы цилиндров - это последовательность, в которой происходит воспламенение в цилиндрах двигателя.
Порядок работы цилиндров непосредственно отвечает за плавную работу двигателя. Он определяется в зависимости от конструкции двигателя, количества цилиндров и интервала между воспламенениями.
Порядок работы цилиндров всегда указывается, начиная с первого цилиндра.

Уравновешивание масс
Как описано ранее, плавность работы двигателя зависит от конструкции двигателя, количества цилиндров, порядка работы цилиндров и интервала между воспламенениями.
Их влияние можно показать на примере шести цилиндрового двигателя, который BMW изготавливает в виде рядного двигателя, хотя он занимает больше места и более трудоемок в изготовлении. Разницу можно понять, если сравнить уравновешивание масс рядного и V-образного шестицилиндровых двигателей.
На следующем рисунке показаны кривые момента инерции рядного шестицилин-дрового двигателя BMW, V-образного шестицилиндрового двигателя с углом между рядами 60° и V-образного шестицилиндрового двигателя с углом 90°.
Разница очевидна. В случае рядного шестицилиндрового двигателя движения масс уравновешиваются настолько, что весь двигатель практически неподвижен. V-образные шестицилиндровые двигатели, напротив, имеют явную тенденцию к движению, что проявляется в неравномерной работе.

Корпусные детали
Корпусные детали двигателя берут на себя изоляцию от окружающей среды и воспринимают различные силы, которые возникают в процессе работы двигателя.

Корпусные детали двигателя состоят из показанных на следующем рисунке основных деталей. Для выполнения картером своих задач необходимы также уплотнительные прокладки и болты.

Основные задачи:

• восприятие возникающих при работе двигателя сил;
• герметизация камер сгорания, масляного поддона и охлаждающей рубашки;
• размещение кривошипно-шатунного механизма и привода клапанов, а также других узлов.

Кривошипно-шатунныи механизм
Кривошипно-шатунныи механизм отвечает за преобразование возникающего при сгорании топливо-воздушной смеси давления в полезное движение. При этом поршень получает прямолинейное ускорение. Шатун передает это движение на коленчатый вал, который превращает его во вращательное движение.

Кривошипно-шатунный механизм является функциональной группой, которая преобразует давление в камере сгорания в кинетическую энергию. При этом возвратно-поступательное движение поршня переходит во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипно-шатунныи механизм является оптимальным решением в части выхода работы, коэффициента полезного действия и технической реализуемости.

Конечно, имеются следующие технические ограничения и конструктивные требования:

• ограничение частоты вращения вследствие сил инерции;
• непостоянство сил в течение рабочего цикла;
• возникновение крутильных колебаний, которые создают нагрузки на трансмиссию и на коленчатый вал;
• взаимодействие различных поверхностей трения.

Привод клапанов
Привод клапанов управляет сменой заряда. В современных дизельных двигателях BMW находит применение исключительно привод клапанов done с четырьмя клапанами на цилиндр. Передача движения на клапан осуществляется через рычаг толкателя.

В двигатель должен периодически подаваться наружный воздух, в то время как отработавший газ, который он производит, должен отводиться. В случае четырехтактного двигателя всасывание наружного воздуха и выпуск отработавшего газа называют сменой заряда или газообменом. В процессе смены заряда впускные и выпускные каналы периодически открываются и закрываются с помощью впускных и выпускных клапанов.
В качестве впускных и выпускных клапанов используются подъемные клапаны. Продолжительность и последовательность движений клапанов обеспечиваются распределительным валом.

Конструкция
Привод клапанов состоит из следующих деталей:

• распределительные валы;
• передаточные элементы (роликовые рычаги толкателей);
• клапаны (целая группа);
• гидравлическая система компенсации клапанного зазора (HVA) при наличии;
• направляющие втулки клапанов с пружинами клапанов.

На следующем рисунке показана конструкция головки блока цилиндров с четырьмя клапанами (двигатель М47) с роликовыми рычагами толкателей и гидравлической системой компенсации клапанного зазора.

Конструкции
Привод клапанов может иметь различные исполнения. Их различают по следующим признакам:

• количество и расположение клапанов;
• количество и расположение распределительных валов;
• способ передачи движения на клапаны;
• способ регулировки зазоров в клапанах.

Дизельные двигатели BMW сегодня имеют исключительно по четыре клапана на цилиндр и по два расположенных сверху распределительных вала для каждого ряда цилиндров (dohc). Двигатели BMW M21 / М41 / М51 имели только по два клапана на цилиндр и по одному распределительному валу для каждого ряда цилиндров (ohc).
Передача движения кулачков распределительного вала на клапаны в дизельных двигателях BMW осуществляется роликовыми рычагами толкателей. При этом нужный зазор между кулачком распределительного вала и так называемым повторителем кулачка (например, роликовым рычагом толкателя) обеспечивается благодаря механической или гидравлической системе компенсации клапанного зазора (HVA).
На следующем рисунке показаны детали привода клапанов двигателя М57.

Блок-картер

Блок-картер, называемый также блоком цилиндров, включает цилиндры, рубашку охлаждения и картер приводного механизма. Требования и задачи, которые предъявляются к блок-картеру, высоки вследствие сложности сегодняшних двигателей „Hightech". Однако, совершенствование блок-картера происходит в том же темпе, тем более, что многие новые или усовершенствованные системы взаимодействуют с блок-картером.

Ниже приводятся основные задачи.

• Восприятие сил и моментов
• Размещение кривошипно-шатунного механизма
• Размещение и соединение цилиндров
• Размещение опор коленчатого вала
• Размещение каналов охлаждающей жидкости и системы смазки
• Интеграция системы вентиляции
• Крепление различного вспомогательного и навесного оборудования
• Герметизация полости картера

Исходя из этих задач возникают различные и перекрывающие друг друга требования к прочности на растяжение и сжатие, изгиб и скручивание. В частности:

• силы воздействия газов, которые воспринимаются резьбовыми соединениями головки блока цилиндров и опорами коленчатого вала;
• внутренние силы инерции (изгибающие силы), являющиеся результатом сил инерции при вращении и колебаниях;
• внутренние силы кручения (скручивающие силы) между отдельными цилиндрами;
• крутящий момент коленчатого вала и, как результат, силы реакции опор двигателя;
• свободные силы и моменты инерции, как результат сил инерции при колебаниях, которые воспринимаются опорами двигателя.

Конструкция
Основная форма блок-картера не слишком сильно изменилась с начала моторо-сторения. Изменения в конструкции коснулись частностей, например, из какого количества деталей изготавливается блок-картер или как выполняются отдельные его части. Конструкции можно классифицировать в зависимости от исполнения:

• верхней плиты;
• области постели коренного подшипника;
• цилиндров.

Верхняя плита
Верхняя плита может быть выполнена в двух различных конструктивных исполнениях: закрытое и открытое. Конструктивное исполнение влияет как на процесс литья, так и на жесткость блок-картера.
При закрытом исполнении верхняя плита блок-картера полностью закрыта вокруг цилиндра.
Имеются отверстия и каналы для подачи масла под давлением, стока масла, охлаждающей жидкости, вентиляции картера и резьбовых соединений головки блока цилиндров.
Отверстия для охлаждающей жидкости соединяют водяную рубашку, которая окружает цилиндр, с водяной рубашкой в головке блока цилиндров.
Такая конструкция имеет недостатки в части охлаждения цилиндров в зоне ВМТ. Преимуществом закрытого исполнения по сравнению с открытым является более высокая жесткость верхней плиты и, тем самым, меньшая деформация плиты, меньшее смещение цилиндров и лучшая акустика.
При открытом исполнении водяная рубашка, окружающая цилиндр, открыта в верхней части. Это улучшает охлаждение цилиндров в верхней части. Меньшая жесткость в настоящее время компенсируется применением металлической прокладки головки блока.

Рис.2 - Закрытое исполнение верхней плиты двигателя M57TU2 Блок-картеры дизельных двигателей BMW изготавливаются из серого чугуна. Начиная с двигателей M57TU2 и U67TU картер изготавливается из высокопрочого алюминиевого сплава.

В дизельных двигателях BMW используется закрытое исполнение плиты. Область постели коренного подшипника
Исполнение области постели коренного подшипника имеет особое значение, т. к. в этом месте воспринимаются силы, действующие на подшипник коленчатого вала.
Исполнения отличаются плоскостью разъема блок-картера и масляного поддона и конструкцией крышек коренных подшипников.
Исполнения плоскости разъема:

• фланец масляного поддона по центру коленчатого вала;
• фланец масляного поддона ниже центра коленчатого вала.

Конструкции крышек коренных подшипников:
• отдельные крышки коренных подшипников;
• интеграция в одну рамную конструкцию.

Постель коренного подшипника
Постель подшипника - это верхняя часть опоры коленчатого вала в блок-картере. Постели подшипников всегда интегрированы в отливку блок-картера.
Число постелей подшипников зависит от конструкции двигателя, в первую очередь, от количества цилиндров и их расположения. Сегодня из соображений уменьшения колебаний используется максимальное число коренных подшипников коленчатого вала. Максимальное число означает, что рядом с каждым коленом коленчатого вала находится коренной подшипник.
При работающем двигателе газ в полости картера постоянно находится в движении. Движения поршней действуют на газ, как насосы. Для уменьшения потерь на эту работу многие двигатели сегодня имеют отверстия в постелях подшипников. Это облегчает выравнивание давления во всем блок-картере.

Плоскость разъема картера

Плоскость разъема блок-картера и масляного поддона образует фланец масляного поддона. Различают два конструктивных исполнения. В первом случае плоскость разъема лежит по центру коленчатого вала. Т. к. это конструктивное исполнение экономично при изготовлении, но обладает значительными недостатками по части жесткости и акустики, оно не используется в дизельных двигателях BMW.
При втором конструктивном исполнении (В) фланец масляного поддона располагается ниже центра коленчатого вала. При этом различают блок-картер с опущенными стенками и блок-картер
с верхней и нижней частями, последняя называется конструкцией с bedplate (С). Дизельные двигатели BMW имеют блок-картер с опущенными стенками.

В двигателе М67 также используется конструкция с опущенными стенками. Это обеспечивает высокую динамическую жесткость и хорошую акустику. Перемычка из стали уменьшает нагрузку на болты крепления крышки подшипника и дополнительно усиливает область постели коренного подшипника.

Рис.6 - Концепция поддерживающей балки

Концепция поддерживающей балки
Для достижения высокой динамической жесткости блок-картеры дизельных двигателей BMW сконструированы по принципу поддерживающей балки. При такой конструкции в стенках блок-картера отливаются горизонтальные и вертикальные элементы коробчатого сечения. Кроме того, блок-картер имеет опущенные стенки, которые доходят до 60 мм ниже центра коленчатого вала и заканчиваются плоскостью для установки масляного поддона.

Крышка коренного подшипника
Крышки коренных подшипников являются нижней частью опор коленгчатого вала. При изготовлении блок-картера постели и крышки коренных подшипников обрабатываются вместе. Поэтому необходимо их фиксированное положение относительно друг друга. Обычно это осуществляется с помощью центрирующих втулок или сделанных по бокам в постелях поверхностей. Если блок-картер и крышки коренных подшипников сделаны из одного материала, крышки могут быть изготовлены по методу разлома.
При отделении крышки коренного подшипника методом разлома образуется точная поверхность разлома. Такая структура поверхности точно центрирует крышку коренного подшипника при установке на постель. Дополнительная обработка поверхности не требуется.

Другой возможностью точного позиционирования является выштамповка поверхностей постели и крышки коренного подшипника.
Такая фиксация обеспечивает абсолютно гладкий переход между постелью и крышкой в отверстии для коренного подшипника после повторной сборки.

Рис.8 - Выштамповка поверхности крышки коренного подшипника двигателя M67TU
1 Крышка коренного подшипника
2 Выштамповка поверхности крышки коренного подшипника
3 Ответная форма поверхности постели коренного подшипника
4 Постель коренного подшипника

При выштамповке поверхности крышка коренного подшипника получает определенный профиль. При первой затяжке болтов крепления крышки коренного подшипника этот профиль отпечатывается на поверхности постели и обеспечивает отсутствие перемещений в поперечном и продольном направлениях.
Крышки коренных подшипников почти всегда изготавливаются из серого чугуна. Общая обработка с алюминиевым блок-картером, хотя и предъявляет особые требования, является сегодня обычной для крупносерийного производства. Комбинация алюминиевого блок-картера с крышками коренных подшипников из серого чугуна дает определенные преимущества. Низкий коэффициент теплового расширения серого чугуна ограничивает рабочие зазоры коленчатого вала. Наряду с высокой жесткостью серого чугуна это приводит к снижению шума в области постели коренного подшипника.

Цилиндр и поршень образуют камеру сгорания. Поршень вставляется в гильзу цилиндра. Гладко обработанная поверхность гильзы цилиндра вместе с поршневыми кольцами обеспечивает эффективное уплотнение. Кроме того, цилиндр отдает тепло блок-картеру или прямо охлаждающей жидкости. Конструкции цилиндров различаются по используемому материалу:

• монометаллическая конструкция (гильза цилиндра и блок-картер изготовлены из одного материала);
• технология вставки (гильза цилиндра и блок-картер изготовлены из различных материалов, соединенных физически);
• технология соединения (гильза цилиндра и блок-картер изготовлены из различных материалов, соединенных металлически).

Монометаллическая конструкция
При монометаллической конструкции цилиндр изготавливается из того же материала, что и блок-картер. Прежде всего, по принципу монометаллической конструкции изготавливаются блок-картер из серого чугуна и AISi-блок-картер. Необходимое качество поверхности достигается путем многократной обработки. Дизельные двигатели BMW имеют блок-картеры монометаллической конструкции только из серого чугуна, т. к. максимальное давление при воспламенении достигает 180 бар.

Технология вставки
Не всегда материал блок-картера удовлетворяет требованиям, предъявляемым к цилиндру. Поэтому часто цилиндр изготавливается из другого материала, обычно в комбинации с алюминиевым блок-картером. Гильзы цилиндров различают:

1. по способу соединения блок-картера с гильзой

• интегрированные в отливку
• запрессованные
• обжатые
• вставные.

2. по принципу работы в блок-картере

• мокрые и
• сухие

3. по материалу

• из серого чугуна или
• алюминия

Мокрые гильзы цилиндров имеют непосредственный контакт с водяной рубашкой, т. е. гильзы цилиндров и литой блок-картер образуют водяную рубашку. Водяная рубашка при сухих гильзах цилиндров находится полностью в литом блок-картере - аналогично монометаллической конструкции. Гильза цилиндра не имеет прямого контакта с водяной рубашкой.

Рис.9 - Сухая и мокрая гильзы цилиндров
А Цилиндр с сухой гильзой
В Цилиндр с мокрой гильзой
1 Блок-картер
2 Гильза цилиндра
3 Водяная рубашка

Мокрые гильзы цилиндров имеют преимущество в части передачи тепла, в то время, как преимущество сухих гильз в производстве и возможности обработки. Как правило, затраты на производство гильз цилиндров снижаются при большом количестве. Гильзы из серого чугуна для обоих двигателей M57TU2 и M67TU проходят термическую обработку.

Технология соединения
Еще одной возможностью изготовления зеркала цилиндра, при алюминиевом блок-картере, является технология соединения. И в этом случае гильзы цилиндров вставляются при отливке. Конечно, это осуществляется с помощью специального процесса {например, под высоким давлением), так называемого интерметаллического соединения с блок-картером. Таким образом, зеркало цилиндра и блок-картер неразделимы. Эта технология ограничивает использование процессов литья и, тем самым, конструкцию блок-картера. В дизельных двигателях BMW такая технология в настоящее время не используется.

Обработка зеркал цилиндров
Зеркало цилиндра является поверхностью скольжения и уплотнения для поршня и поршневых колец. Качество поверхности зеркала цилиндра является определяющим для образования и распределения масляной пленки между контактирующими деталями. Поэтому шероховатость зеркала цилиндра в большой степени отвечает за расход масла и износ двигателя. Окончательная обработка зеркала цилиндра осуществляется хонингованием. Хонингование - полировка поверхности с помощью комбинированных вращательных и возвратно-поступательных движений режущего инструмента. Таким образом получается чрезвычайно малое отклонение формы цилиндра и равномерная низкая шероховатость поверхности. Обработка должна быть щадящей по отношению к материалу, чтобы исключить сколы, неровности в местах переходов и образование заусенцев.

Материалы

Даже сейчас блок-картер является одной из самых тяжелых деталей всего автомобиля. И занимает самое критичное место для динамики движения: место над передней осью. Поэтому именно здесь делаются попытки полностью использовать потенциал для уменьшения массы. Серый чугун, который в течение десятилетий использовался в качестве материала для блок-картера, все больше и больше заменяется в дизельных двигателях BMW алюминиевыми сплавами. Это позволяет получить значительное снижение массы. В двигателе M57TU оно составляет 22 кг.
Но, преимущество в массе не единственное отличие, которое имеет место при обработке и применении другого материала. Изменяется также акустика, антикоррозионные свойства, требования к производству обработке и объемы сервисного обслуживания.

Серый чугун
Чугун - это сплав железа с содержанием углерода более 2 % и кремния более 1,5 %. В сером чугуне избыточный углерод содержится в форме графита
Для блок-картеров дизельных двигателей BMW использовался и используется чугун с пластинчатым графитом, который получил свое название по расположению находящегося в нем графита. Другие составляющие сплава - это марганец, сера и фосфор в очень маленьких количествах.
Чугун с самого начала предлагался как материал для блок-картеров серийных двигателей, т. к. этот материал не дорог, просто обрабатывается и обладает необходимыми свойствами. Легкие сплавы долго не могли удовлетворить этим требованиям. BMW использует для своих двигателей чугун с пластинчатым графитом вследствие его особенно благоприятных свойств.
А именно:

• хорошая теплопроводность;
• хорошие прочностные свойства;
• простая механообработка;
• хорошие литейные свойства;
• очень хорошее демпфирование.

Выдающееся демпфирование - это одно из отличительных свойств чугуна с пластинчатым графитом. Оно означает способность воспринимать колебания и гасить их за счет внутреннего трения. Благодаря этому значительно улучшаются вибрационные и акустические характеристики двигателя.
Хорошие свойства, прочность и простая обработка делают блок-картер из серого чугуна и сегодня конкурентоспособным. Благодаря высокой прочности, бензиновые двигатели М и дизельные двигатели и сегодня делаются с блок-картерами из серого чугуна. Возрастающие требования к массе двигателя на легковом автомобиле в будущем смогут удовлетворить только легкие сплавы.

Алюминиевые сплавы
Блок-картеры из алюминиевых сплавов пока еще относительно новы для дизельных двигателей BMW. Первыми представителями нового поколения являются двигатели M57TU2 и M67TU.
Плотность алюминиевых сплавов составляет примерно треть по сравнению с серым чугуном. Однако, это не значит, что преимущество в массе имеет такое же соотношение, т. к. вследствие меньшей прочности такой блок-картер приходится делать массивнее.

Другие свойства алюминиевых сплавов:

• хорошая теплопроводность;
• хорошая химическая стойкость;
• неплохие прочностные свойства;
• простая механообработка.

Чистый алюминий не пригоден для литья блок-картера, т. к. имеет недостаточно хорошие прочностные свойства. В отличие от серого чугуна основные легирующие компоненты добавляются здесь в относительно больших количествах.

Сплавы делятся на четыре группы, в зависимости от преобладающей легирующей добавки.
Эти добавки:

• кремний (Si);
• медь (Си);
• магний (Мд);
• цинк (Zn).

Для алюминиевых блок-картеров дизельных двигателей BMW используются исключительно сплавы AlSi. Они улучшаются небольшими добавками меди или магния.
Кремний оказывает положительное воздействие на прочность сплава. Если составляющая больше 12 %, то специальной обработкой можно получить очень высокую твердость поверхности, хотя резание при этом осложнится. В районе 12 % имеют место выдающиеся литейные свойства.
Добавка меди (2-4 %) может улучшить литейные свойства сплава, если содержание кремния меньше 12 %.
Небольшая добавка магния (0,2-0,5 %) существенно увеличивает значения прочности.
Для обоих дизельных двигателей BMW используется алюминиевый сплав AISi7MgCuO,5. Материал уже использовался BMW для головок цилиндров дизельных двигателей.
Как видно из обозначения AISl7MgCuO,5, этот сплав содержит 7 % кремния и 0,5 % меди.
Он отличается высокой динамической прочностью. Другими положительными свойствами являются хорошие литейные свойства и пластичность. Правда, он не позволяет достичь достаточно износостойкой поверхности, которая необходима для зеркала цилиндра. Поэтому блок-картеры из AISI7MgCuO,5 приходится выполнять с гильзами цилиндров (см. главу „Цилиндры").

Обзор в виде таблицы

Общая информация
Собранная головка блока цилиндров, как никакая другая функциональная группа двигателя, определяет эксплуатационные свойства, такие, как выход мощности, крутящий момент и выброс вредных веществ, расход топлива и акустику. В головке блока цилиндров расположен почти весь газораспределительный механизм.
Соответственно, обширны и задачи, которые должна решать головка блока цилиндров:

• восприятие сил;
• размещение привода клапанов;
• размещение каналов для смены заряда;
• размещение свечей накаливания;
• размещение форсунок;
• размещение каналов охлаждающей жидкости и системы смазки;
• ограничение цилиндра сверху;
• отвод тепла к охлаждающей жидкости;
• крепление вспомогательного и навесного оборудования и датчиков.

Из задач вытекают следующие нагрузки:
• силы воздействия газов, которые воспринимаются резьбовыми соединениями головки блока цилиндров;
• крутящий момент распределительных валов;
• силы, возникающие в опорах распределительных валов.

Процессы при впрыске
В дизельных двигателях в зависимости от конструкции и компоновки камеры сгорания различают непосредственный и непрямой впрыск. Причем в случае непрямого впрыска, в свою очередь, различают вихрекамерное и предка-мерное смесеобразование.

Предкамерное смесеобразование

Предкамера располагается по центру относительно основной камеры сгорания. В эту предкамеру впрыскивается топливо для предкамерного сгорания. Основное сгорание происходит с известной задержкой самовоспламенения в основной камере. Предкамера соединена с основной камерой несколькими отверстиями.
Топливо впрыскивается с помощью форсунки, обеспечивающей ступенчатое впрыскивание топлива, под давлением около 300 бар. Отражающая поверхность в центре камеры разбивает струю топлива и происходит смешивание с воздухом. Отражающая поверхность способствует таким образом быстрому смесеобразованию и упорядочению движения воздуха.

Недостатком этой технологии является большая поверхность охлаждения предкамеры. Сжатый воздух охлаждается относительно быстро. Поэтому такие двигатели запускаются без помощи свечей накаливания, как правило, только при температуре охлаждающей жидкости не менее 50 °С.
Благодаря двухступенчатому сгоранию (сначала в предкамере, а затем в основной камере), сгорание происходит мягко и почти полностью при относительно ровной работе двигателя. Такой двигатель обеспечивает снижение выброса вредных веществ, но при этом развивает меньшую мощность по сравнению с двигателем с непосредственным впрыском.

Вихрекамерное смесеобразование
Вихрекамерный впрыск, как и предка-мерный, является вариантом непрямого впрыска.
Вихревая камера сконструирована в форме шара и располагается отдельно на краю основной камеры сгорания. Основная камера сгорания и вихревая камера соединены прямым тангенциальным каналом. Тангенциально направленный прямой канал при сжатии создает сильное завихрение воздуха. Дизельное топливо подается через форсунку, обеспечивающую ступенчатое впрыскивание. Давление открытия форсунки, обеспечивающей ступенчатое впрыскивание топлива, составляет 100-150 бар. При впрыске тонко распыленного облака топлива смесь частично воспламеняется и развивает свою полную мощь в основной камере сгорания. Конструкция вихревой камеры, а также расположение форсунки и свечи накаливания являются факторами, определяющими качество сгорания.
Это значит, что сгорание начинается в шарообразной вихревой камере и заканчивается в основной камере сгорания. Для запуска двигателя необходимы свечи накаливания, т. к. между камерой сгорания и вихревой камерой имеется большая поверхность, которая способствует быстрому охлаждению всасываемого воздуха.
Первый серийный дизельный двигатель BMW M21D24 работает по принципу вихрекамерного смесеобразования.

Непосредственный впрыск
Эта технология позволяет отказаться отделения камеры сгорания. Это значит, что при непосредственном впрыске отсутствует подготовка рабочей смеси в соседней камере. Топливо впрыскивается с помощью форсунки прямо в камеру сгорания над поршнем.
В отличие от непрямого впрыска используют многоструйные форсунки. Их струи должны быть оптимизированы и адаптированы к конструкции камеры сгорания. Вследствие большого давления впрыскиваемых струй возникает моментальное сгорание, которое на более ранних моделях приводило к громкой работе двигателя. Однако, подобное сгорание освобождает больше энергии, которую затем можно эффективнее использовать. Расход топлива при этом уменьшается. Непосредственный впрыск требует более высокого давления впрыска и, соответственно, более сложной системы впрыска.
При температуре ниже О °С, как правило, не требуется предпусковой подогрев, т. к. потери тепла через стенки вследствие единой камеры сгорания заметно меньше, чем у двигателей с соседними камерами сгорания.

Конструкция
Конструкция головок блоков цилиндров сильно изменилась в процессе усовершенствования двигателей. Форма головки блока цилиндров сильно зависит от деталей, которые она включает.

В основном на форму головки блока цилиндров влияют следующие факторы:

• число и расположение клапанов;
• число и расположение распределительных валов;
• положение свечей накаливания;
• положение форсунок;
• форма каналов для смены заряда.

Другим требованием к головке блока цилиндров является, повозможности, компактная форма.
Форму головки блока цилиндров прежде всего определяет концепция привода клапанов. Для обеспечения высокой мощности двигателя, низкого выброса вредных веществ и малого расхода топлива необходима, повозможности, эффективная и гибкая смена заряда и высокая степень заполнения цилиндров. В прошлом для оптимизации этих свойств было сделано следующее:

• верхнее расположение клапанов;
• верхнее расположение распределительного вала;
• 4-клапана на цилиндр.

Особая форма впускных и выпускных каналов улучшает также смену заряда. В основном головки блоков цилиндров различают по следующим критериям:

• число деталей;
• число клапанов;
• концепция охлаждения.

В этом месте следует еще раз упомянуть, что здесь рассматривается только головка блока цилиндров как отдельная деталь. Ввиду ее сложности и сильной зависимости от названных деталей она часто описывается как единая функциональная группа. Другие темы вы найдете в соответствующих главах.

Число деталей
Головка блока цилиндров называется одночастной, когда она состоит только из одной единственной большой отливки. Такие мелкие детали, как крышки подшипников распределительных валов, здесь не рассматриваются. Многочастные головки блоков цилиндров собираются из нескольких отдельных деталей. Частым примером этого являются головки блоков цилиндров с привернутыми опорными планками для распределительных валов. Однако, в дизельных двигателях BMW в настоящее время находят применение только одночастные головки блоков цилиндров.

Рис.15 - Сравнение головок с двумя и четырьмя клапанами
А Головка цилиндра с двумя клапанами
В Головка цилиндра с четырьмя клапанами
1- Крышка камеры сгорания
2- Клапаны
3- Прямой канал (вихрекамерное смесеобразование с двумя клапанами)
4- Положение свечи накаливания (4 клапана)
5- Положение форсунки (непосредственный впрыск с четырьмя клапанами)

Число клапанов
Вначале четырехтактные дизельные двигатели имели по два клапана на цилиндр. Один выпускной и один впускной клапан. Благодаря установке турбонагнетателя ОГ было получено хорошее наполнение цилиндров и при 2 клапанах. Но вот уже несколько лет все дизельные двигатели имеют по четыре клапана на цилиндр. По сравнению с двумя клапанами, это дает большую общую площадь клапанов и, тем самым, лучшее проходное сечение. Четыре клапана на цилиндр, кроме того, позволяют разместить форсунку по центру. Такая комбинация необходима для того, чтобы обеспечить высокую мощность при низких показателях выброса ОГ.
Рис.16 - Вихревой канал и канал наполнении двигателя М57
1- Выпускной канал
2- Выпускные клапаны
3- Вихревой канал
4- Форсунка
5- Впускные клапаны
6- Канал наполнения
7- Вихревой клапан
8- Свеча накаливания

В вихревом канале поступающий воздух приводится во вращение для хорошего смесеобразования при низких частотах вращения коленвала двигателя.
Через тангенциальный канал воздух может поступать беспрепятственно по прямой в камеру сгорания. Это улучшает наполнение цилиндров, особенно при высоких частотах вращения. Для управления наполнением цилиндров иногда устанавливается вихревой клапан. Он закрывает тангенциальный канал при низких частотах вращения (сильное завихрение) и плавно открывает его при увеличении частоты вращения (хорошее наполнение).
Головка цилиндра в современных дизельных двигателях BMW включает вихревой канал и канал наполнения, а также центрально расположенную форсунку.

• Комбинация обоих типов

При охлаждении поперечным потоком охлаждающая жидкость протекает от горячей стороны выпуска к холодной стороне впуска. Это дает то преимущество, что во всей головке блока цилиндров имеет место равномерное распределение тепла. В противоположность этому при охлаждении продольным потоком охлаждающая жидкость протекает вдоль оси головки блока цилиндров, т. е. от передней стороны к стороне отбора мощности или наоборот. Охлаждающая жидкость нагревается все больше при движении от цилиндра к цилиндру, что означает очень неравномерное распределение тепла. Кроме того, это означает падение давления в охлаждающем контуре.
Комбинация обоих типов не может устранить недостатки охлаждения продольным потоком. Поэтому в дизельных двигателях BMW используется исключительно охлаждение поперечным потоком.

• уплотняет головку блока цилиндров сверху;
• ослабляет шум работы двигателя;
• отводит картерные газы из блок-картера;
• размещение системы маслоотделения

• размещение клапана регулировки давления вентиляции картера;
• размещение датчиков;
• размещение выводов трубопроводов.

Уплотнительная прокладка головки блока цилиндров
Уплотнительная прокладка головки блока цилиндров (ZKD) в любом двигателе внутреннего сгорания, будь он бензиновый или дизельный, является очень важной деталью. Она подвергается экстремальным термическим и механическим нагрузкам.

К функциям ZKD относится изолирование друг от друга четырех веществ:

• сгорающее топливо в камере сгорания
• атмосферный воздух
• масло в масляных каналах
• охлаждающая жидкость

Уплотнительные прокладки в основном делятся на мягкие и металлические.

Мягкие уплотнительные прокладки
Уплотнительные прокладки этого типа изготавливаются из мягких материалов, но имеют металлическую рамку или несущую пластину. На этой пластине с двух сторон держатся мягкие накладки. На мягких накладках часто нанесено пластмассовое покрытие. Такая конструкция позволяет выдерживать нагрузки, которым обычно подвергаются уплотнительные прокладки головки блока цилиндров. Отверстия в ZKD, выходящее в камеру сгорания, вследствие нагрузок имеют металлическую окантовку. Для стабилизации проходов охлаждающей жидкости и масла часто используются эластомерные покрытия.

Металлические уплотнительные прокладки
Металлические уплотнительные прокладки находят применение в двигателях, работающих с большими нагрузками. Такие уплотнительные прокладки включают в себя несколько стальных пластин. Основной особенностью металлических прокладок является то, что уплотнение осуществляется в основном за счет находящихся между пластинами из рессорной стали гофрированных пластин и стопоров. Свойства деформации ZKD позволяют ей, во-первых, оптимально лечь в области головки блока цилиндров и, вовторых, в большой степени компенсировать деформацию за счет упругого восстановления. Подобные упругие восстановления имеют место вследствие термических и механических нагрузок.

Толщина необходимой ZKD определяется по выступу днища поршня относительно цилиндра. Решающим является самое большое значение из измеренных на всех цилиндрах. В распоряжении имеется три варианта толщины прокладки головки блока цилиндров.
Разница толщины прокладок определяется толщиной промежуточной прокладки. Подробные данные для определения выступа днища поршня см. TIS.

Масляный поддон

Масляный поддон служит в качестве сборника для моторного масла. Он изготавливается литьем алюминия под давлением или из двойного стального листа.

Общие замечания
Масляный поддон закрывает картер двигателя снизу. У дизельных двигателей BMW фланец масляного поддона всегда находится ниже центра коленчатого вала. Масляный поддон выполняет следующие задачи:

• служит бачком для моторного масла и
• собирает стекающее моторное масло;
• закрывает снизу блок-картер;
• является элементом усиления двигателя и иногда коробки передач;
• служит местом установки датчиков и
• направляющей трубки маслоизмери-тельного щупа;
• здесь располагается пробка масло-сливного отверстия;
• ослабляет шум работы двигателя.

В качестве уплотнения устанавливается стальная уплотнительная прокладка. Пробочные уплотнительные прокладки, которые устанавливались в прошлом, имели усадку, что могло приводить к ослаблению резьбового крепления.
Для обеспечения работы стальной прокладки при ее установке не должно попадать масло на резиновые поверхности. При определенных обстоятельствах уплотнительная прокладка может соскользнуть с уплотняемой поверхности. Поэтому поверхности фланца необходимо очищать непосредственно перед установкой. Кроме того, нужно обеспечить, чтобы масло не капало из двигателя и не попало на поверхности фланца и прокладку.

Вентиляция картера

При работе двигатели в полости картера образуются партерные газы Их необходимо отводить для предотвращения просачивания масла в местах уплотняемых поверхностей под действием избыточного давления. Соединение с трубопроводом чистого воздуха, в котором имеет место более низкое дав пение, обесчи чивает вентиляцию. В современ ных двигателях осуществляется регулировка системы вентиляции с помощью клапана регулировки давления. Маслоотделитель очищает картерные газы от масла, и оно возвращается через отводящий трубопровод в масляный поддон.

Общие замечания
Когда двигатель работает, картерные газы попадают из цилиндра в полость картера вследствие разности давления.
Картерные газы содержат несгоревшее топливо и все компоненты отработавших газов. В полости картера они смешиваются с моторным маслом, которое присутствует там в виде масляного тумана.
Количество картерных газов зависит от нагрузки. В полости картера возникает избыточное давление, которое зависит от движения поршня и от частоты вращения коленвала. Это избыточное давление устанавливается во всех связанных с полостью картера скрытых полостях (например, сливной маслопровод, картер привода газораспределительного механизма и т. п.) и может привести к просачиванию масла в местах уплотнения.
Для предотвращения этого была разработана система вентиляции картера. Сначала картерные газы в смеси с моторным маслом просто выбрасывались в атмосферу. Из соображений охраны окружающей среды уже давно используются системы вентиляции картера.
Система вентиляции картера отводит отделенные от моторного масла картерные газы во впускной коллектор, а капли моторного масла - через маслоотводя-щую трубку в масляный поддон. Кроме того, система вентиляции картера заботится о том, чтобы в картере не возникало избыточное давление.

Нерегулируемая вентиляция картера
В случае нерегулируемой вентиляции картера смешанные с маслом картерные газы отводятся с помощью разрежения при самых высоких частотах вращения коленвала двигателя. Это разрежение создается при соединении с впускным каналом. Отсюда смесь попадает в маслоотделитель. Происходит разделение картерных газов и моторного масла.
В дизельных двигателях BMW с нерегулируемой вентиляцией картера разделение осуществляется с помощью проволочной сетки. „Очищенные" картерные газы отводятся во впускной коллектор двигателя, в то время как моторное масло возвращается в масляный поддон. Уровень разрежения в блок-картере ограничивается с помощью калиброванного отверстия в канале чистого воздуха. Слишком большое разрежение в блок-картере ведет к пробою уплотнений двигателя (сальники коленчатого вала. уплотнительная прокладка фланца масляного поддона и т. п.). При этом в двигатель попадает неот-фильтрованный воздух, и, как следствие, происходит старение масла и образование шлама.

Регулируемая вентиляция картера
Двигатель M51TU стал первым дизельным двигателем BMW с регулируемой системой вентиляции картера.
Дизельные двигатели BMW с регулируемой системой вентиляции картера для отделения масла могут быть оснащены циклонным, лабиринтным или сеточным маслоотделителем.
В случае регулируемой вентиляции картера полость картера соединяется с трубопроводом чистого воздуха после воздушного фильтра через следующие компоненты:

• вентиляционный канал;
• успокоительная камера;
• канал картерных газов;
• маслоотделитель;
• клапан регулировки давления.

Рис.23 - маслоотде ленив двигателя М47
1- Неочищенные картерные газы
2- Циклонный маслоотделитель
3- Сеточный маслоотделитель
4- Клапан регулировки давления
5- Воздушный фильтр
6- Канал к трубопроводу чистого воздуха
7- Шланг к каналу чистого воздуха
8- Трубопровод чистого воздуха

В трубопроводе чистого воздуха имеет место разрежение вследствие работы турбонагнетателя О Г.
Под действием разности давления относительно блок-картера картерные газы попадают в головку блока цилиндров и сначала достигают там успокоительной камеры.
Успокоительная камера служит для того, чтобы разбрызгиваемое масло, например, распределительными валами попадало в систему вентиляции картера. Если маслоотделение осуществляется с помощью лабиринта, задачей успокоительной камеры является устранение колебаний картерных газов. Это позволят исключить возбуждение мембраны в клапане регулировки давления. У двигателей с циклонным маслоотделителем эти колебания вполне допустимы, т. к. при этом увеличивается эффективность маслоотделения. Газ успокаивается затем в циклонном маслоотделителе. Поэтому здесь успокоительная камера имеет иную конструкцию, чем в случае лабиринтного маслоотделения.
Через подающий трубопровод картерные газы попадают в маслоотделитель, в котором происходит отделение моторного масла. Отделенное моторное масло стекает обратно в масляный поддон. Очищенные картерные газы через клапан регулировки давления постоянно подаются в трубопровод чистого воздуха перед турбонагнетателем О Г. В современных дизельных двигателях BMW устанавливаются 2-компонентные маслоотделители. Сначала производится предварительное маслоотделение с помощью циклонного маслоотделителя, а затем - окончательное в следующем далее сеточном маслоотделителе. Почти у всех современных дизельных двигателей BMW оба маслоотделителя размещены в одном корпусе. Исключением является двигатель М67. Здесь маслоотделение осуществляется также циклонным и сеточным маслоотделителями, но они не объединены в один узел. Предварительное маслоотделение происходит в головке блока цилиндров (алюминиевой), а окончательное маслоотделение с помощью сеточного маслоотделителя - в отдельном пластмассовом корпусе.

Процесс регулировки
При неработающем двигателе клапан регулировки давления открыт (состояние А ). На обе стороны мембраны действует давление окружающей среды, т. е. мембрана полностью открыта под действием пружины.
При запуске двигателя нарастает разрежение во впускном коллекторе и клапан регулировки давления закрывается (состояние В ). Это состояние всегда сохраняется на холостом ходу или при движении накатом, т. к. при этом картерные газы отсутствуют. На внутреннюю сторону мембраны, таким образом, действует большое относительное разрежение (относительно давления окружающей среды). При этом давление окружающей среды, которое действует на внешнюю сторону мембраны, закрывает клапан против усилия пружины. При нагрузке и вращении коленвала появляются картерные газы. Картерные газы (8 ) уменьшают относительное разрежение, которое действует на мембрану. Вследствие этого пружина может открыть клапан, и картерные газы уходят. Клапан остается открытым до тех пор, пока не установится равновесие между давлением окружающей среды и разрежением в картере плюс усилие пружины (состояние С ). Чем больше выделяется картерных газов, тем меньше становится относительное разрежение, действующее на внутреннюю сторону мембраны, и тем больше открывается клапан регулировки давления. Тем самым в картере поддерживается определенное разрежение (ок. 15 мбар).

Маслоотделение

Для освобождения картерных газов от моторного масла в зависимости от типа двигателя используются различные маслоотделители

• Циклонный маслоотделитель
• Лабиринтный маслоотделитель
• Сеточный маслоотделитель

В случае циклонного маслоотделителя картерные газы направляются в цилиндрическую камеру таким образом, чтобы они там вращались. Под действием центробежной силы тяжелое масло отжимается из газа наружу к стенкам цилиндра. Оттуда через маслоотводящую трубку оно может стекать в масляный поддон. Циклонный маслоотделитель очень эффективен. Но он требует много места.
В лабиринтном маслоотделителе картерные газы пропускаются через лабиринт из пластмассовых перегородок. Такой маслоотделитель размещается в корпусе в крышке головки блока цилиндров. Масло остается на перегородках и может стекать в головку блока цилиндров через специальные отверстия и оттуда обратно в масляный поддон.
Сеточный маслоотделитель в состоянии отфильтровать даже самые мелкие капли. Ядром сеточного фильтра является волокнистый материал. Однако, тонкие нетканые волокна при высоком содержании сажи склонны к быстрому загрязнению пор. Поэтому сеточный маслоотделитель имеет ограниченный срок службы и его необходимо заменять в рамках технического обслуживания.

Коленчатый вал с подшипниками

Коленчатый вал преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение. Нагрузки, которые действуют на коленчатый вал, очень большие и чрезвычайно сложны. Коленчатые валы отпиваются или куются для эксплуатации при повышенных нагрузках. Коленчатые валы устанавливаются подшипники скольжения, в которые подается масло. при этом один подшипник является направляющим в осевом направлении.

Общая информация
Коленчатый вал преобразует прямолинейные (возвратно-поступательные) движения поршней во вращательное движение. Усилия передаются через шатуны на коленчатый вал и преобразуются в крутящий момент. При этом коленчатый вал опирается на коренные подшипники.

Дополнительно коленчатый вал берет на себя следующие задачи:

• привод вспомогательного и навесного оборудования с помощью ремней;
• привод клапанов;
• зачастую привод масляного насоса;
• в отдельных случаях привод балан-сирных валов.

Под действием изменяющихся по времени и по направлению сил, крутящих и изгибающих моментов, а также возбужденных колебаний возникает нагрузка. Такие комплексные нагрузки предъявляют очень высокие требования к коленчатому валу.
Срок службы коленчатого вала зависит от следующих факторов:

• прочность на изгиб (слабыми местами являются переходы между посадочными местами подшипников и щеками вала);
• прочность на скручивание (ее обычно снижают смазочные отверстия);
• устойчивость к крутильным колебаниям (это влияет не только на жесткость, но и нашумность);
• прочность на износ (в местах опор);
• износ сальников (потеря моторного масла при негерметичности).

Конструкция
Коленчатый вал состоит из одной детали, литой или кованой, которая делится на большое количество разных участков. Шейки коренных подшипников ложатся в подшипники в блок-картере.
Через так называемые щеки (или иногда серьги) шатунные шейки соединяются с коленчатым валом. Эту часть с шатунной шейкой и щеками называют коленом. Дизельные двигатели BMW имеют рядом с каждой шатунной шейкой коренной подшипник коленчатого вала. В рядных двигателях с каждой шатунной шейкой через подшипник связан один шатун, у V-образных двигателей - два. Это значит, что коленчатый вал 6-цилин-дрового рядного двигателя имеет семь шеек коренных подшипников. Коренные подшипники нумеруются подряд спереди назад.
Расстояние между шатунной шейкой и осью коленчатого вала определяет ход поршня. Угол между шатунными шейками определяет интервал между воспламенениями в отдельных цилиндрах. За два полных оборота коленчатого вала или 720° в каждом цилиндре происходит одно воспламенение.
Этот угол, который называют расстоянием между шатунными шейками или углом между коленами, рассчитывается в зависимости от числа цилиндров, конструкции (V-образный или рядный двигатель) и порядка работы цилиндров. При этом целью является плавный и ровный ход двигателя. Например, в случае 6-цилиндрового двигателя получаем следующий расчет. Угол 720°, поделенный на 6 цилиндров, дает в результате расстояние между шатунными шейками или интервал между воспламенениями 120° коленчатого вала.
В коленчатом вале имеются смазочные отверстия. Они снабжают шатунные подшипники маслом. Они проходят от шеек коренных подшипников к шатунным шейкам и через постели подшипников соединены с масляным контуром двигателя.
Противовесы образуют симметричную относительно оси коленчатого вала массу и, тем самым, способствуют равномерной работе двигателя. Они выполнены так, чтобы наряду с силами инерции вращения компенсировать и часть сил инерции возвратно-поступательного движения.
Без противовесов коленчатый вал сильно деформировался бы, что вело бы к дисбалансу и неплавности хода, а также к высоким напряжениям в опасных сечениях коленчатого вала.
Число противовесов различно. Исторически большинство коленчатых валов имели два противовеса, симметрично слева и справа от шатунной шейки. V-образные восьмицилиндровые двигатели, такие как М67, имеют шесть одинаковых противовесов.
Для снижения массы коленчатые валы могут быть выполнены пустотелыми в районе средних коренных подшипников. В случае кованых коленчатых валов это достигается сверлением.

Изготовление и свойства
Коленчатые валы бывают литыми или коваными. В двигатели с большим крутящим моментом устанавливаются кованые коленчатые валы.

Преимущества литых коленчатых валов перед коваными:

• литые коленчатые валы существенно дешевле;
• литейные материалы очень хорошо поддаются поверхностной обработке для увеличения вибропрочности;
• литые коленчатые валы в том же исполнении имеют массу меньше прим. на 10 %;
• литые коленчатые валы лучше обрабатываются;
• щеки коленчатого вала обычно можно не обрабатывать.

Преимущества кованых коленчатых валов перед литыми:

• кованые коленчатые валы жестче и обладают лучшей вибропрочностью;
• в комбинации с алюминиевым блок-картером трансмиссия должна быть максимально жесткой, т. к. блок-картер сам по себе имеет невысокую жесткость;
• кованые коленчатые валы имеют малый износ опорных шеек.

Преимущества кованых коленчатых валов могут быть компенсированы улитых валов с помощью:

• большего диаметра в районе подшипников;
• дорогих систем демпфирования колебаний;
• очень жесткой конструкции блок-картера.

Подшипники

Как уже упоминалось, коленчатый вал в дизельном двигателе BMW устанавливается в подшипники с обеих сторон шатунной шейки. Эти коренные подшипники удерживают коленчатый вал в блок-картере. Нагруженная сторона находится в крышке подшипника. Здесь воспринимается сила, возникающая в процессе сгорания.
Для надежной работы двигателя требуются малоизнашивающиеся коренные подшипники. Поэтому используются вкладыши подшипников, поверхность скольжения которых покрыта специальным подшипниковым материалам. Поверхность скольжения находится внутри, т. е. вкладыши подшипников не вращаются вместе с валом, а закреплены в блок-картере.
Малый износ обеспечивается в том случае, если поверхности скольжения разделяются тонкой масляной пленкой. Значит, должна быть обеспечена достаточная подача масла. Идеально это осуществляется с ненагруженной стороны, т. е. в данном случае со стороны постели коренного подшипника. Смазка моторным маслом происходит через смазочное отверстие. Круговая канавка (в радиальном направлении) улучшает распределение масла. Однако, она уменьшает поверхность скольжения и, тем самым, увеличивает действующее давление. Точнее говоря, подшипник делится на две половинки с меньшей несущей способностью. Поэтому масляные канавки обычно находятся только в ненагруженной зоне. Моторное масло, кроме того, охлаждает подшипник.

Подшипники с трехслойным вкладышем
Коренные подшипники коленчатого вала, к которым предъявляются высокие требования, часто выполняются, как подшипники с трехслойным вкладышем. На металлическое покрытие подшипников {например, свинцовистая или алюминиевая бронза) на стальной вкладыш дополнительно гальванически наносится слой баббита. Это дает улучшение динамических свойств. Прочность подобного слоя тем выше, чем тоньше слой. Толщина баббита составляет ок. 0,02 мм, толщина металлического основания подшипника - между 0,4 и 1 мм.

Подшипники с напылением
Другим типом подшипников коленчатого вала является подшипник с напылением. При этом речь идет о подшипнике с трехслойным вкладышем с напыленным на поверхность скольжения слоем, выдерживающим очень высокие нагрузки. Такие подшипники находят применение в высоконагруженных двигателях.
Подшипники с напылением по свойствам материала очень твердые. Поэтому такие подшипники, как правило, используются в местах, в которых имеют место самые большие нагрузки. Это значит, что подшипники с напылением устанавливаются только с одной стороны (со стороны давления). С противоположной стороны всегда устанавливается более мягкий подшипник, а именно подшипник с трехслойным вкладышем. Более мягкий материал такого подшипника в состоянии вбирать из детали частицы грязи. Это чрезвычайно важно для предотвращения его повреждения.
При вакуумировании отделяются мельчайшие частицы. С помощью электромагнитных полей эти частицы наносятся на поверхность скольжения подшипника с трехслойным вкладышем. Такой процесс называют напылением. Напыленный слой скольжения отличается оптимальным распределением отдельных составляющих.
Подшипники с напылением в районе коленчатого вала устанавливаются в дизельных двигателях BMW с максимальной мощностью и в ТОР-вариантах.

Осторожное обращение с вкладышами подшипников имеет большое значение, т. к. очень тонкий металлический слой подшипника не в состоянии компенсировать пластическую деформацию.
Подшипники с напылением можно различить по выбитой букве „S" на обратной стороне крышки подшипника.
Упорный подшипник
Коленчатый вал имеет только один упорный подшипник, который часто называют центрирующим или упорным подшипником. Подшипник удерживает коленчатый вал в осевом направлении и должен воспринимать силы, действующие в продольном направлении. Эти силы возникают под действием:

• шестерни с косыми зубьями для привода масляного насоса;
• привода управления сцеплением;
• ускорения автомобиля.

Упорный подшипник может иметь форму подшипника с буртиком или составного подшипника с упорными полукольцами.
Упорный подшипник с буртиком имеет 2 шлифованные опорные поверхности для коленчатого вала и опирается на постель коренного подшипника в блок-картере. Подшипник С буртиком - это одночастная половинка подшипника, с плоской поверхностью, перпендикулярной или параллельной оси. На более ранние двигатели устанавливалась только одна половинка подшипника с буртиком. Коленчатый вал имел осевую опору только 180°.
Составные подшипники состоят из нескольких деталей. При такой технологии на обеих сторонах устанавливается по одному упорному полукольцу. Они обеспечивают стабильное, свободное соединение с коленчатым валом. Благодаря этому упорные полукольца подвижны и прилегают равномерно, что уменьшает износ. В современных дизельных двигателях для направления коленчатого вала устанавливаются две половинки составного подшипника. Благодаря этому коленчатый вал имеет опору 360°, что обеспечивает очень хорошую устойчивость к осевому перемещению.
Важно, чтобы обеспечивалась смазка моторным маслом. Причиной отказа упорного подшипника, как правило, является перегрев.
Изношенный упорный подшипник начинает шуметь, прежде всего, в районе демпфера крутильных колебаний. Другим симптомом могут быть неисправности датчика коленчатого вала, что у автомобилей с автоматической коробкой передач проявляется через жесткие толчки при переключении передач.

Шатуны с подшипниками Общая информация
Шатун в кривошипно-шатунном механизме соединяет поршень с коленчатым валом. Он преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Кроме того, он передает силы, возникающие при сгорании топлива и действующие на поршень, от поршня на коленчатый вал. Т. к. он является деталью, которая испытывает очень большие ускорения, то его масса оказывает непосредственное влияние на мощность и плавность работы двигателя. Поэтому при создании максимально комфортно работающих двигателей придается большое значение оптимизации массы шатунов. Шатун испытывает нагрузки сил воздействия газов в камере сгорания и инерционных масс (включая свою собственную). На шатун действуют переменные нагрузки сжатия и растяжения. В высокооборотных бензиновых двигателях нагрузки растяжения являются определяющими. Кроме того, вследствие боковых отклонений шатуна возникает центробежная сила, которая вызывает изгиб.

Особенностями шатунов являются:

• двигатели М47/ М57/ М67: части подшипников на стержне шатуна выполняются в виде подшипников с напылением;
• двигатель М57: шатун такой же, как у двигателя М47, материал С45 V85;
• двигатель М67: трапециевидный шатун с нижней головкой, выполненной методом разлома, материал С70;
• M67TU: толщина стенок вкладышей шатунных подшипников увеличена до 2 мм. Шатунные болты впервые устанавливаются с герметиком.

Шатун передает усилие и дниже-ние oт поршня на коленчатый вал. Шатуны сегодня изготавливают из ковкой стали, а разъем на большой головке делают методом разлома. Разлом, кроме прочего, имеет те преимущества, что плоскости разьема не требуют дополнительной обработки и обе части точно позиционируются относительно друг друга.

Конструкция
Шатун имеет две головки. Через малую головку шатун соединяется с поршнем с помощью поршневого пальца. Из-за боковых отклонений шатуна во время вращения коленчатого вала он должен иметь возможность вращаться в поршне. Это осуществляется с помощью подшипника скольжения. Для этого в малую головку шатуна запрессовывается втулка.
Через отверстие в этом конце шатуна (со стороны поршня) к подшипнику подводится масло. Со стороны коленчатого вала находится большая разъемная головка шатуна. Большая головка шатуна разделяется для того, чтобы шатун можно было соединить с коленчатым валом. Работа этого узла обеспечивается подшипником скольжения. Подшипник скольжения состоит из двух вкладышей. Смазочное отверстие в коленчатом вале обеспечивает подшипник моторным маслом.
На следующих рисунках показана геометрия стержней шатунов с прямым и косым разъемами. Шатуны с косым разъемом применяются в основном в V-образных двигателях.
V-образные двигатели вследствие больших нагрузок имеют большой диаметр шатунных шеек. Косой разъем позволяет сделать блок-картер компактнее, т. к. при вращении коленвала он описывает меньшую кривую в нижней части.

Шатун трапециевидной формы
В случае трапециевидного шатуна малая головка в поперечном сечении имеет форму трапеции. Это значит, что шатун становится тоньше от основания, прилегающего к стержню шатуна, к концу у малой головки шатуна. Это позволяет дополнительно уменьшить массу, т. к. с „ненагруженной" стороны экономится материал, в то время как на нагруженной стороне сохраняется полная ширина подшипника. Кроме того, это позволяет уменьшить расстояние между бобышками, что, в свою очередь, уменьшает прогиб поршневого пальца. Другое преимущество - отсутствие смазочного отверстия в малой головке шатуна, т. к. масло поступает через скошенную боковину подшипника скольжения. Вследствие отсутствия отверстия исключается его отрицательное влияние на прочность, что позволяет сделать шатун в этом месте еще тоньше. Таким образом не только экономится масса, но и получается выигрыш в пространстве поршня.

Изготовление и свойства
Заготовка шатуна может быть выполнена различными способами.

Горячая штамповка
Исходным материалом для изготовления заготовки шатуна служит стальной стержень, который нагревается прим. до 1250-1300 "С. Прокаткой осуществляется перераспределение масс в сторону головок шатуна. При образовании основной формы во время штамповки за счет лишнего материала образуется облой, который затем снимается. При этом также проде-лываются отверстия головок шатуна. В зависимости от легирования стали после штамповки свойства улучшаются с помощью термической обработки.

Литье
При литье шатунов используется модель из пластмассы или металла. Эта модель состоит из двух половинок, которые вместе образуют шатун. Каждая половинка формуется в песке, так что соответственно получаются обратные половинки. Если их теперь соединить, получается форма для отливки шатуна. Для большей эффективности в одной литейной форме отливают рядом друг с другом много шатунов. Форма заполняется жидким чугуном, который затем медленно остывает.

Обработка
Независимо от того, как были изготовлены заготовки, они обрабатываются резанием до окончательных размеров.
Для обеспечения равномерной работы двигателя шатуны должны иметь заданную массу в узких пределах допуска. Раньше для этого задавались дополнительные размеры на обработку, которые затем при необходимости фрезеровались При современных способах изготовления технологические параметры контролируются настолько точно, что это позволяет изготавливать шатуны в допустимых пределах по массе.
Обрабатываются лишь торцевые поверхности большой и малой головок и сами головки шатуна. Если разъем головки шатуна выполняется резанием, то поверхности разъема необходимо обрабатывать дополнительно. Внутренняя поверхность большой головки шатуна после этого высверливается и хонингуется.

Выполнение разъема методом разлома
В этом случае большая головка делится в результате разлома. При этом заданное место разлома намечается кернением протяжкой или с помощью лазера. Затем головка шатуна зажимается на специальной оправке из двух частей и разделяется запрессовкой клина.
Для этого необходим материал, который ломается, не вытягиваясь перед этим слишком сильно (деформация При разломе крышки шатуна, как в случае стального шатуна, так и в случае шатуна из порошковых материалов, образуется поверхность разлома. Такая структура поверхности точно центрирует крышку коренного подшипника при установке на стержень шатуна.
Разлом имеет то преимущество, что не требуется никакой дополнительной обработки поверхности разъема. Обе половинки точно совпадают друг с другом. Позиционирование с помощью центрирующих втулок или болтов не требуется. Если крышка шатуна перепутана стороной или устанавливается на другой стержень шатуна, структура разлома обоих частей разрушается, и крышка не центрируется. В этом случае необходимо заменить весь шатун на новый.

Резьбовое крепление

Резьбовое крепление шатуна требует особого подхода, т. к. оно подвергается очень высоким нагрузкам.
Резьбовые крепления шатунов подвергаются при вращении коленвала очень быстро изменяющимся нагрузкам. Т. к. шатун и болты его крепления относятся к подвижным деталям двигателя, их масса должна быть минимальной. Кроме того, ограниченность места требует компактного резьбового крепления. Отсюда следует очень высокая нагрузка на резьбовое крепление шатуна, которое требует особенно осторожного обращения.
Подробные данные по резьбовым креплениям шатунов такие, как резьба, порядок затяжки и т. п. см. TIS и ЕТК.
При установке нового комплекта шатунов :
шатунные болты можно затягивать при установке шатуна только один раз для проверки зазора подшипника и затем при окончательной установке. Т. к. шатунные болты уже трижды затягивались при обработке шатуна, они уже достигли своей максимальной прочности при растяжении.
Если шатуны используются еще раз, а заменяются только шатунные болты: шатунные болты нужно затянуть еще раз после проверки зазоров подшипников, снова ослабить и затянув в третий раз довести до максимальной прочности при растяжении.
Если шатунные болты затягивались не менее трех раз или более пяти раз, это ведет к повреждению двигателя.

Поршень с кольцами и поршневым пальцем

Поршни преобразуют давление газа, возникающее при сгорании, в движение Форма днища поршня является определяющей для смесеобразования. Поршневые кольца обеспечивают тщательное уплотнение камеры сгорания и регулируют толщину масляной пленки на стенке цилиндра.
Общая информация
Поршень - это первое звено в цепи деталей, передающих мощь двигателя. Задача поршня состоит в том, чтобы воспринять возникающие при сгорании силы давления и передать их через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. Т. е. он преобразует термическую энергию сгорания в механическую энергию. Кроме того, поршень должен вести верхнюю головку шатуна. Поршень вместе с поршневыми кольцами должен препятствовать выбросу из камеры сгорания газов и расхода масла, и делать это надежно и при всех режимах работы двигателя. Имеющееся на поверхностях контакта масло помогает герметизации. Поршни дизельных двигателей BMW изготавливаются исключительно из алюминиево-кремниевых сплавов. Устанавливаются так называемые автотермические поршни со сплошной юбкой, у которых включенные в отливку стальные полоски служат для уменьшения установочных зазоров и регулирования количества тепла, выделяемого двигателем. Для подборки материала в пару к стенкам цилиндров из серого чугуна на поверхность юбки поршня наносится слой графита (методом полужидкостного трения), благодаря которому уменьшается трение и улучшаются акустические характеристики.

Как часть кривошипно-шатунного механизма поршень испытывает нагрузки:

• сил давления газов, образующихся при сгорании;
• подвижных инерционных деталей;
• силы бокового увода;
• момента в центре тяжести поршня, который вызван расположением поршневого пальца со смещением относительно центра.

Силы инерции движущихся возвратно-поступательно деталей возникают вследствие движения самого поршня, поршневых колец, поршневого пальца и детали шатуна. Силы инерции возрастают в квадратичной зависимости от частоты вращения. Поэтому в высокооборотных двигателях очень важна малая масса поршней вместе с кольцами и поршневыми пальцами. В дизельных двигателях днища поршней подвергаются особенно большой нагрузке вследствие давления воспламенения, достигающего 180 бар.
Отклонение шатуна создает боковую нагрузку поршня перпендикулярно к оси цилиндра. Это действует так, что поршень соответственно после нижней или верхней мертвой точки прижимается от одной стороны стенки цилиндра к другой. Такое поведение называется сменой прилегания или сменой стороны. Для уменьшения шумов в поршнях и износа поршневой палец часто располагается со смещением от центра прим. 1-2 мм (дезаксиально), Благодаря этому возникает момент, который оптимизирует поведение поршня при смене прилегания.

Конструкция

У поршня различают следующие основные области:

• днище поршня;
• пояс поршневых колец с каналом охлаждения;
• юбка поршня;
• бобышка поршня.

В дизельных двигателях BMW в днище поршня имеется полость камеры сгорания. Форма полости определяется процессом сгорания и расположением клапанов. Область пояса поршневых колец является нижней частью так называемого огневого пояска, между днищем поршня и первым поршневым кольцом, так же как и перемычка между 2-м поршневым кольцом и маслосъемным кольцом.