Двигатель ИМЗ мотоцикла Урал предназначен для преобразования теплоты, выделившейся при сжигании топлива, в механическую работу, необходимую для перемещения мотоцикла. Он состоит из цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения и ряда вспомогательных систем.
Двигатель ИМЗ мотоцикла Урал, схема и принцип работы четырехтактного двигателя, устройство двигателя ИМЗ, цилиндро-поршневая группа, кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределения.
На всех мотоциклах Урал Ирбитского мотоциклетного завода установлены четырехтактные, двухцилиндровые, оппозитные (с противолежащими цилиндрами) двигатели воздушного охлаждения.
Принцип работы четырехтактного двигателя мотоцикла Урал.
Несмотря на некоторые конструктивные различия принцип работы всех четырехтактных карбюраторных двигателей одинаков. Рассмотрим работу двигателя и введем основные технические понятия. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма.
Схема устройства четырехтактного двигателя мотоцикла Урал.
Цилиндр, поршень и головка цилиндра образуют замкнутый объем, в котором протекают рабочие процессы двигателя. Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск смеси и выпуск отработавших газов в зависимости от положения поршня. Наиболее удаленное положение поршня от оси коленчатого вала называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а минимальное удаление поршня от оси коленчатого вала — нижней мертвой точкой (НМТ).
Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня. Объем, освобождаемый поршнем при движении от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом цилиндра и является одной из важных характеристик двигателя. Сумма рабочих объемов цилиндров называется рабочим объемом двигателя. Полость, ограниченная головкой цилиндра, цилиндром и поршнем при положении поршня в ВМТ называется камерой сгорания, а объем полости — объемом камеры сгорания.
Объем, ограниченный головкой цилиндра, цилиндром и поршнем при положении поршня в НМТ, называется полным объемом цилиндра. Полный объем равняется сумме объема камеры сгорания и рабочего объема. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия.
Совокупность процессов, происходящих в цилиндре двигателя, называется рабочим циклом. Часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня, называется тактом. В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.
Схема и принцип работы четырехтактного двигателя мотоцикла Урал.
При вращении коленчатого вала поршень совершает возвратно-поступательное движение. При движении поршня вниз в цилиндре создается разрежение, впускной клапан при этом открывается, а выпускной остается закрытым. Под действием разрежения в цилиндр поступает рабочая смесь. Осуществляется такт впуска. В НМТ впускной клапан закрывается, а поршень начинает двигаться в ВМТ, сжимая смесь. Происходит такт сжатия.
Вблизи ВМТ горючая смесь воспламеняется, в результате чего давление газов повышается. Под действием газов поршень движется вниз, совершая полезную работу. Этот такт называется рабочим ходом. Когда поршень достигнет НМТ, открывается выпускной клапан. После чего поршень движется вверх, вытесняя из цилиндра продукты сгорания. Этот последний такт, выпуск, заканчивает рабочий цикл четырехтактного двигателя. Далее все процессы повторяются.
Надо заметить, что в реальных двигателях моменты открытия и закрытия клапанов не соответствуют рассмотренным выше. Клапаны открываются несколько ранее, а закрываются несколько позднее соответствующих мертвых точек. При этом за счет использования инерции газового потока улучшается наполнение цилиндров, осуществляется продувка камеры сгорания. Моменты открытия и закрытия клапанов для разных моделей двигателей различны, зависят от многих факторов и уточняются опытным путем.
Устройство двигателя ИМЗ мотоцикла Урал.
Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) предназначена для преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу. В ЦПГ входят цилиндр, поршень, поршневые кольца, поршневой палец. Сюда же относится и головка цилиндра, но, поскольку в ней расположены детали механизма газораспределения.
Условия работы деталей ЦПГ очень напряженные. При сгорании топливовоздушной смеси температура пламени достигает 2000-2500 градусов. Большинство металлов не может выдержать такого нагрева, поэтому для нормальной работы двигателя необходимо обеспечить отвод тепла от деталей ЦПГ. В результате охлаждения температура цилиндра и головки составляет лишь 150-250 °С, температура поршня 300-400 °С. Но даже при таких температурах прочность многих металлов снижается. Поэтому очень важно не перегревать и не перегружать двигатель.
Поперечный разрез двигателя ИМЗ мотоцикла Урал.
Поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательные движения с довольно большой скоростью (до 20 м/с), поэтому детали ЦПГ необходимо изготовлять из таких материалов, которые имеют малый коэффициент трения и не подвержены большому износу. Кроме того, поршень должен обладать малой массой для уменьшения сил инерции. Необходимо также учитывать плохие условия смазки, так как смазывающие свойства масел при больших температурах ухудшаются.
Рассмотрим конструкцию деталей ЦПГ, исходя из этих противоречивых требований.
Цилиндр отлит из специального чугуна. Внутреннюю поверхность цилиндра, по которой перемещается поршень, при окончательной обработке хонингуют, обрабатывают специальным инструментом — хоном. В результате достигается высокая, почти зеркальная чистота поверхности, в связи с чем ее принято называть «зеркалом цилиндра».
Для уменьшения износа «зеркала» состав чугуна подбирают таким, чтобы он имел повышенную твердость. Для отвода и рассеивания теплоты в окружающую среду снаружи на цилиндре имеются ребра охлаждения. Цилиндры разбивают на группы в зависимости от размера внутреннего диаметра D.
Индекс группы наносится на верхнем торце цилиндра.
Поршень отлит из алюминиевого сплава. Сплав имеет малую плотность и хорошую теплопроводность, вследствие чего поршень получается легким, хорошо охлаждается и не создает больших сил инерции. С чугунным цилиндром повышенной твердости алюминиевый поршень образует хорошую антифрикционную пару, в результате чего уменьшается износ деталей ЦПГ. Однако коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава в два раза больше, чем коэффициент линейного расширения чугуна.
К тому же температура поршня примерно вдвое выше температуры цилиндра. Поэтому при перегреве двигателя поршень иногда расширяется настолько, что его заклинивает в цилиндре. Происходит так называемый «прихват». Во избежание «прихвата» следует исключить возможность перегрева двигателя.
Поршень имеет днище, боковую поверхность — юбку и бобышки под поршневой палец. На поршне выполнены четыре канавки под поршневые кольца. В процессе работы верхняя часть поршня нагревается сильнее и расширяется больше, нежели нижняя. Для того, чтобы в рабочем состоянии поршень имел цилиндрическую форму, его изначально делают конусным. То есть диаметр головки поршня, где расположены поршневые кольца, и верхней части юбки меньше нижней части юбки.
При подборе поршня к цилиндру определяющим является наибольший диаметр юбки поршня. Из-за тех же причин поршень делают элипсным в сечении. Большая ось эллипса перпендикулярна оси поршневого пальца. Для предотвращения заклинивания поршня часть металла вокруг торца поршневого пальца снимается, получаются так называемые «холодильники».
Поршни, как и цилиндры, разбивают на группы в зависимости от диаметра юбки Dю, замеренного по большой оси эллипса на расстоянии 13 мм от нижнего торца. Отверстия в поршне, как и поршневой палец, маркируют краской.
Индекс группы поршня выбивают на его днище.
Кроме того, поршни различают по диаметру отверстия под поршневой палец и делят на четыре группы.
Поршневой палец установлен в поршне с натягом 0,045-0,095 мм. Однако при нагревании поршень расширяется больше, чем палец, и последний свободно вращается и в поршне, и в шатуне. Такая посадка поршневого пальца называется «плавающей». За счет плавающей посадки палец изнашивается меньше и более равномерно по всей окружности.
Кривошипно-шатунный механизм двигателя ИМЗ мотоцикла Урал.
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. В КШМ входят коленчатый вал и шатуны. Коленчатый вал состоит из двух коренных шеек, двух шатунных шеек и трех щек. Передняя и задняя коренные шейки выполнены заодно с передней и задней щекой соответственно. Эти детали иногда называют «цапфами».
Шатунные шейки расположены на пальцах, которые запрессованы в переднюю, среднюю и заднюю щеки. Для сборки и разборки коленчатого вала требуются большие усилия и высокая точность. Без специального оборудования выполнить эти операции невозможно. Поэтому ремонт кривошипно-шатунного механизма производят, как правило, в специализированных мастерских.
Нижняя головка шатуна неразъемно соединена с коленчатым валом с помощью роликового подшипника с сепаратором. Это создает неудобство при ремонте, однако роликовый подшипник менее требователен к условиям смазки, качеству масла и его очистке. Преимуществом коленчатого вала с роликовыми подшипниками в нижней головке шатуна является и то, что двигатель с таким валом легче запускается в холодное время.
Кривошипно-шатунный механизм вращается в двух коренных подшипниках, которые испытывают преимущественно радиальную нагрузку. Однако при выключении сцепления возникает и осевая нагрузка. Поэтому в качестве коренных используют радиально-упорные шариковые подшипники, которые могут воспринимать как радиальную, так и осевую нагрузки.
Механизм газораспределения двигателя ИМЗ мотоцикла Урал.
Механизм газораспределения служит для своевременного впуска горючей смеси в цилиндры двигателя и выпуска из них отработавших газов в соответствии с диаграммой газораспределения. Диаграмма газораспределения показывает продолжительность процессов рабочего цикла двигателя (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Рабочий цикл двигателя — это совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности. Работа механизма газораспределения должна быть согласована с работой кривошипно-шатунного механизма.
От коленчатого вала через зубчатые колеса получает вращение распределительный (или кулачковый) вал, в результате чего его кулачки в определенной последовательности воздействуют на толкатели, которые перемещают штанги. Штанги поворачивают двуплечие рычаги — коромысла, а те, преодолевая усилие пружин, открывают клапаны.
При дальнейшем вращении распределительного вала кулачки перестают давить на толкатели. Усилия на клапаны от толкателей не передаются и под действием пружин клапаны закрываются. Одновременно с закрытием клапанов под действием пружин занимают исходное положение и остальные детали коромысла, штанги, толкатели.
Ряд деталей механизма газораспределения, в частности клапаны, совершают возвратно-поступательное движение со значительными ускорениями. При частоте вращения двигателя более 6500 об/мин силы инерции могут стать настолько большими, что вызовут соударение клапанов с поршнями. В результате повреждаются не только оба клапана, но нередко еще поршень, цилиндр и головка цилиндра. Поэтому в процессе эксплуатации важно «не перекручивать» двигатель.
Для согласованного движения поршней и клапанов зубчатые колеса привода распределительного вала устанавливают по меткам, которые нанесены на торцы колес. Колеса сделаны косозубыми. Это позволяет снизить шум от их работы. Из тех же соображений колеса подбирают селективно, попарно, в зависимости от межосевого расстояния отверстий в картере.
Индекс комплекта зубчатых колес наносится электрографом на их торцы, а группа картера выбивается в районе генератора справа.
На всех моделях двигателей вплоть до М67-36 применялись плоские толкатели. На модели ИМЗ-8.103 внедрены вращающиеся толкатели, которые более долговечны, не требуют частой настройки зазора в приводе клапанов. Вращающиеся толкатели можно устанавливать на двигатели предыдущих моделей только в комплекте с соответствующим распределительным валом.