Компоненти системи

Огляд системи

Механічні вузли та деталі дизельного Спочатку описуються наступні двигуни поділяються на три великі частини.

• Картер двигуна
• Кривошипно-шатунний механізм
• Газорозподільчий механізм

Ці три частини перебувають у постійній взаємодії. взаємозв'язки, які істотно впливають на властивості двигуна:
• інтервал між займаннями;
• порядок роботи циліндрів;
• врівноважування мас.

Інтервал між займаннями
Механічні елементи двигуна в основному поділяються на три групи: картер двигуна, кривошипно-шатунний механізм та привід клапанів. Ці три групи перебувають у тісному взаємозв'язку та мають бути взаємоузгоджені. Інтервал між займаннями -це кут повороту колінчастого валу між двома наступними один за одним займаннями.
Протягом одного робочого циклу у кожному циліндрі один раз відбувається займання паливо-повітряної суміші. Робочий цикл (всмоктування, стиснення, робочий хід, випуск) у чотиритактного двигуна займає два повні обороти колінчастого валу, тобто кут повороту становить 720°.
Одинаковий інтервал між займаннями забезпечує при всіх частотах обертання рівномірну роботу двигуна. Цей інтервал між займаннями виходить так:
інтервал між займаннями = 720°: кількість циліндрів

Приклади:

• чотирициліндровий двигун: 180° колінчастого валу (KB)
• шестициліндровий двигун: 120° KB
• восьмициліндровий двигун: 90 ° КВ.

Чим більша кількість циліндрів, тим менший інтервал між займаннями. Чим менший інтервал між займання, тим рівномірніше працює двигун.
Принаймні теоретично, тому що до цього ще додається врівноважування мас, яке залежить від конструкції двигуна і порядку роботи циліндрів. Для того щоб у циліндрі могло статися запалення, відповідний поршень повинен знаходитися у „ВМТ кінця такту стиснення", тобто повинні бути закриті відповідні впускний та випускний клапани. Це може мати місце, тільки коли колінчастий вал і розподільний вал правильно розташовані відносно один Інтервал між займаннями визначається взаємним розташуванням шатунних шийок (кутовою відстанню між колінами) колінчастого валу, тобто кутом між шийками наступних один за одним циліндрів (порядок роботи циліндрів). задля досягнення рівномірної роботи.
Тому восьмициліндрові двигуни BMW мають кут між рядами циліндрів 90 °.

Порядок роботи циліндрів
Порядок роботи циліндрів - це послідовність, у якій відбувається займання в циліндрах двигуна.
Порядок роботи циліндрів безпосередньо відповідає за плавну роботу двигуна. Він визначається залежно від конструкції двигуна, кількості циліндрів та інтервалу між займаннями.
Порядок роботи циліндрів завжди вказується починаючи з першого циліндра.

Врівноваження мас
Як описано раніше, плавність роботи двигуна залежить від конструкції двигуна, кількості циліндрів, порядку роботи циліндрів та інтервалу між займаннями.
Їх вплив можна показати на прикладі шести циліндрового двигуна, який BMW виготовляє у вигляді рядного двигуна, хоча він займає більше місця та трудомісткий у виготовленні. Різницю можна зрозуміти, якщо порівняти врівноваження мас рядного та V-подібного шестициліндрових двигунів.
На наступному малюнку показані криві моменти інерції рядного шестициліндрового двигуна BMW, V-подібного шестициліндрового двигуна з кутом між рядами 60° і V-подібного шестициліндрового двигуна з кутом 90°.
Різниця очевидна. У разі рядного шестициліндрового двигуна рухи мас врівноважуються настільки, що весь двигун практично нерухомий. V-подібні шестициліндрові двигуни, навпаки, мають явну тенденцію до руху, що проявляється у нерівномірній роботі.

Корпусні деталі
Корпусні деталі двигуна беруть на себе ізоляцію від навколишнього середовища та сприймають різні сили, які виникають у процесі роботи двигуна.

Корпусні деталі двигуна складаються із показаних на наступному малюнку основних деталей. Для виконання картером своїх завдань необхідні також ущільнювальні прокладки та болти.

Основні завдання:

• сприйняття що виникають під час роботи двигуна сил;
• герметизація камер згоряння, масляного піддону та охолоджувальної сорочки;
• розміщення кривошипно-шатунного механізму та приводу клапанів, а також інших вузлів.

Кривошипно-шатунні механізм
Кривошипно-шатунні механізм відповідає за перетворення виникаючого при згорянні паливо-повітряної суміші тиску в корисний рух. У цьому поршень отримує прямолінійне прискорення. Шатун передає цей рух на колінчастий вал, який перетворює його на обертальний рух.

Кривошипно-шатунний механізм є функціональною групою, яка перетворює тиск у камері згоряння на кінетичну енергію. При цьому зворотно-поступальний рух поршня переходить у обертальний рух колінчастого валу. Кривошипно-шатунні механізм є оптимальним рішенням у частині виходу роботи, коефіцієнта корисної дії та технічної реалізованості.

Звичайно, є такі технічні обмеження та конструктивні вимоги:

• обмеження частоти обертання внаслідок сил інерції;
• мінливість сил протягом робочого циклу;
• виникнення крутильних коливань, які створюють навантаження на трансмісію та на колінчастий вал;
• взаємодія різних поверхонь тертя.

Привід клапанів
Привід клапанів керує зміною заряду. У сучасних дизельних двигунах BMW знаходить застосування виключно привід клапанів done із чотирма клапанами на циліндр. Передача руху клапан здійснюється через важіль штовхача.

У двигун повинен періодично подаватися зовнішнє повітря, тоді як газ, який він виробляє, повинен відводитися. У разі чотиритактного двигуна всмоктування зовнішнього повітря і випуск газу, що відпрацював, називають зміною заряду або газообміном. У процесі зміни заряду впускні та випускні канали періодично відкриваються та закриваються за допомогою впускних та випускних клапанів.
Як впускні та випускні клапани використовуються підйомні клапани. Тривалість та послідовність рухів клапанів забезпечуються розподільчим валом.

Конструкція
Привід клапанів складається з наступних деталей:

• розподільні вали;
• передавальні елементи (роликові важелі штовхачів);
• клапани (ціла група);
• гідравлічна система компенсації клапанного зазору (HVA) за наявності;
• напрямні втулки клапанів із пружинами клапанів.

На наступному малюнку показана конструкція головки блоку циліндрів із чотирма клапанами (двигун М47) з роликовими важелями штовхачів та гідравлічною системою компенсації клапанного зазору.

Конструкції
Привід клапанів може мати різні виконання. Їх розрізняють за такими ознаками:

• кількість та розташування клапанів;
• кількість та розташування розподільчих валів;
• спосіб передачі руху клапани;
• спосіб регулювання зазорів у клапанах.

Дизельні двигуни BMW сьогодні мають виключно чотири клапани на циліндр і по два розташовані зверху розподільні вали для кожного ряду циліндрів (dohc). Двигуни BMW M21/М41/М51 мали лише по два клапани на циліндр та по одному розподільчому валу для кожного ряду циліндрів (ohc).
Передача руху кулачків розподільчого валу на клапани у дизельних двигунах BMW здійснюється роликовими важелями штовхачів. При цьому потрібний зазор між кулачком розподільного валу і так званим повторювачем кулачка (наприклад, роликовим важелем штовхача) забезпечується завдяки механічній або гідравлічній системі компенсації клапанного зазору (HVA).
На наступному малюнку показані деталі приводу клапанів двигуна М57.

Блок-картер

Блок-картер, званий також блоком циліндрів, включає циліндри, сорочку охолодження та картер приводного механізму. Вимоги та завдання, які пред'являються до блок-картера, високі внаслідок складності сьогоднішніх двигунів „Hightech". Проте, вдосконалення блок-картера відбувається в тому ж темпі, тим більше, що багато нових або вдосконалених систем взаємодіють з блок-картером.

Нижче наведено основні завдання.

• Сприйняття сил та моментів
• Розміщення кривошипно-шатунного механізму
• Розміщення та з'єднання циліндрів
• Розміщення опор колінчастого валу
• Розміщення каналів охолоджуючої рідини та системи мастила
• Інтеграція системи вентиляції
• Кріплення різного допоміжного та навісного обладнання
• Герметизація порожнини картера

Виходячи з цих завдань виникають різні вимоги, що перекривають одна одну, до міцності на розтягування і стиск, вигин і скручування. Зокрема:

• сили впливу газів, які сприймаються різьбовими з'єднаннями головки блоку циліндрів та опорами колінчастого валу;
• внутрішні сили інерції (згинальні сили), що є результатом сил інерції при обертанні та коливаннях;
• внутрішні сили кручення (скручують сили) між окремими циліндрами;
• крутний момент колінчастого валу і, як результат, сили реакції опор двигуна;
• вільні сили та моменти інерції, як результат сил інерції при коливаннях, що сприймаються опорами двигуна.

Конструкція
Основна форма блок-картера не надто сильно змінилася з початку моторосторіння. Зміни в конструкції торкнулися деталей, наприклад, з якої кількості деталей виготовляється блок-картер або як виконуються окремі його частини. Конструкції можна класифікувати залежно від виконання:

• верхньої плити;
• області ліжка корінного підшипника;
• циліндрів.

Верхня плита
Верхня плита може бути виконана у двох різних конструктивних виконаннях: закрите та відкрите. Конструктивне виконання впливає як процес лиття, і на жорсткість блок-картера.
При закритому виконанні верхня плита блок-картер повністю закрита навколо циліндра.
Є отвори та канали для подачі олії під тиском, стоку олії, охолоджуючої рідини, вентиляції картера та різьбових з'єднань головки блоку циліндрів.
Отвори для охолодної рідини з'єднують водяну сорочку, яка оточує циліндр, з водяною сорочкою в головці блоку циліндрів.
Така конструкція має недоліки щодо охолодження циліндрів у зоні ВМТ. Перевагою закритого виконання в порівнянні з відкритим є більш висока жорсткість верхньої плити і, тим самим, менша деформація плити, зміщення циліндрів і краща акустика.
При відкритому виконанні водяна сорочка, що оточує циліндр, відкрита у верхній частині. Це покращує охолодження циліндрів у верхній частині. Менша жорсткість компенсується застосуванням металевої прокладки головки блоку.

Рис.2 - Закрите виконання верхньої плити двигуна M57TU2 Блок-картери дизельних двигунів BMW виготовляються із сірого чавуну. Починаючи з двигунів M57TU2 і U67TU картер виготовляється з високоякісного алюмінієвого сплаву.

У дизельних двигунах BMW використовується закрите виконання плити. Область ліжка корінного підшипника
Виконання області ліжка корінного підшипника має особливе значення, тому що тут сприймаються сили, що діють на підшипник колінчастого валу.
Виконання відрізняються площиною роз'єму блок-картера та масляного піддону та конструкцією кришок корінних підшипників.
Виконання площини роз'єму:

• фланець масляного піддону по центру колінчастого валу;
• фланець масляного піддону нижче центру колінчастого валу.

Конструкції кришок корінних підшипників:
• окремі кришки корінних підшипників;
• інтеграція в одну рамну конструкцію.

Ліжко корінного підшипника
Ліжко підшипника – це верхня частина опори колінчастого валу в блок-картері. Ліжка підшипників завжди інтегровані у виливок блок-картера.
Число постіль підшипників залежить від конструкції двигуна, в першу чергу, від кількості циліндрів та їх розташування. Сьогодні з міркувань зменшення коливань використовується максимальна кількість корінних підшипників колінчастого валу. Максимальне число означає, що поруч із кожним коліном колінчастого валу знаходиться корінний підшипник.
При працюючому двигуні газ у порожнині картера постійно перебуває у русі. Рухи поршнів діють на газ як насоси. Для зменшення втрат на цю роботу багато двигунів сьогодні мають отвори в ліжках підшипників. Це полегшує вирівнювання тиску у всьому блок-картері.

Площина роз'єму картера

Площина роз'єму блок-картера та масляного піддону утворює фланець масляного піддону. Розрізняють два конструктивні виконання. У першому випадку площина роз'єму лежить по центру колінчастого валу. Це конструктивне виконання економічно при виготовленні, але має значні недоліки щодо жорсткості і акустики, воно не використовується в дизельних двигунах BMW.
При другому конструктивному виконанні (В)фланець масляного піддону розташовується нижче центру колінчастого валу. При цьому розрізняють блок-картер з опущеними стінками та блок-картер
з верхньою та нижньою частинами, остання називається конструкцією з bedplate (С).Дизельні двигуни BMW мають блок-картер із опущеними стінками.

У двигуні М67 також використовується конструкція з опущеними стінками. Це забезпечує високу динамічну жорсткість та гарну акустику. Перемичка зі сталі зменшує навантаження на болти кріплення кришки підшипника та додатково посилює область ліжка корінного підшипника.

Рис.6 - Концепція підтримуючої балки

Концепція підтримуючої балки
Для досягнення високої динамічної жорсткості блок-картери дизельних двигунів BMW сконструйовані за принципом балки, що підтримує. При такій конструкції в стінках блок-картера відливаються горизонтальні та вертикальні елементи коробчатого перерізу. Крім того, блок-картер має опущені стінки, які доходять до 60 мм нижче за центр колінчастого валу і закінчуються площиною для установки масляного піддона.

Кришка корінного підшипника
Кришки корінних підшипників є нижньою частиною опор колінчастого валу. При виготовленні блок-картера ліжка та кришки корінних підшипників обробляються разом. Тому необхідне їхнє фіксоване положення щодо один одного. Зазвичай це здійснюється за допомогою центруючих втулок або зроблених з боків у ліжках поверхонь. Якщо блок-картер та кришки корінних підшипників зроблені з одного матеріалу, кришки можуть бути виготовлені за методом розлому.
При відокремленні кришки корінного підшипника методом розлому утворюється точна поверхня розлому. Така структура поверхні точно центрує кришку корінного підшипника при встановленні на ліжко. Додаткова обробка поверхні не потрібна.

Іншою можливістю точного позиціонування є виштампування поверхонь ліжка та кришки корінного підшипника.
Така фіксація забезпечує абсолютно гладкий перехід між ліжком та кришкою в отворі для корінного підшипника після повторного збирання.

Рис.8 - Виштампування поверхні кришки корінного підшипника двигуна M67TU
1 Кришка корінного підшипника
2 Виштампування поверхні кришки корінного підшипника
3 Форма у відповідь поверхні ліжка корінного підшипника
4 Ліжко корінного підшипника

При выштамповке поверхні кришка корінного підшипника одержує певний профіль. При першій затяжці болтів кріплення кришки корінного підшипника цей профіль друкується на поверхні ліжка та забезпечує відсутність переміщень у поперечному та поздовжньому напрямках.
Кришки корінних підшипників майже завжди виготовляються із сірого чавуну. Загальна обробка з алюмінієвим блок-картером, хоч і пред'являє особливі вимоги, сьогодні є звичайною для великосерійного виробництва. Комбінація алюмінієвого блок-картера з кришками корінних підшипників із сірого чавуну дає певні переваги. Низький коефіцієнт теплового розширення сірого чавуну обмежує робочі зазори колінчастого валу. Поряд із високою жорсткістю сірого чавуну це призводить до зниження шуму в області ліжка корінного підшипника.

Циліндр та поршень утворюють камеру згоряння. Поршень вставляється у гільзу циліндра. Гладко оброблена поверхня гільзи циліндра разом із поршневими кільцями забезпечує ефективне ущільнення. Крім того, циліндр віддає тепло блок-картеру або прямо охолоджуючої рідини. Конструкції циліндрів розрізняються за матеріалом:

• монометалева конструкція (гільза циліндра та блок-картер виготовлені з одного матеріалу);
• технологія вставки (гільза циліндра та блок-картер виготовлені з різних матеріалів, з'єднаних фізично);
• технологія з'єднання (гільза циліндра та блок-картер виготовлені з різних матеріалів, з'єднаних металево).

Монометалева конструкція
При монометалевій конструкції циліндр виготовляється з того ж матеріалу, що і блок-картер. Насамперед, за принципом монометалевої конструкції виготовляються блок-картер із сірого чавуну та AISi-блок-картер. Необхідна якість поверхні досягається шляхом багаторазової обробки. Дизельні двигуни BMW мають блок-картери монометалевої конструкції тільки із сірого чавуну, тому що максимальний тиск при займанні досягає 180 бар.

Технологія вставки
Не завжди матеріал блок-картера задовольняє вимогам до циліндра. Тому часто циліндр виготовляється з іншого матеріалу, зазвичай, у комбінації з алюмінієвим блок-картером. Гільзи циліндрів розрізняють:

1. за способом з'єднання блок-картера з гільзою

• інтегровані у виливок
• запресовані
• обтиснуті
• вставні.

2. за принципом роботи у блок-картері

• мокрі та
• сухі

3. за матеріалом

• із сірого чавуну або
• алюмінію

Мокрі гільзи циліндрів мають безпосередній контакт з водяною сорочкою, тобто гільзи циліндрів та литий блок-картер утворюють водяну сорочку. Водяна сорочка при сухих гільзах циліндрів знаходиться повністю в литому блок-картері - аналогічно монометалевій конструкції. Гільза циліндра не має прямого контакту з водяною сорочкою.

Рис.9 - Суха та мокра гільзи циліндрів
АЦиліндр із сухою гільзою
УЦиліндр із мокрою гільзою
1 Блок-картер
2 Гільза циліндра
3 Водяна сорочка

Мокрі гільзи циліндрів мають перевагу в частині передачі тепла, в той час як перевага сухих гільз у виробництві та можливості обробки. Як правило, витрати на виробництво гільз циліндрів знижуються за великої кількості. Гільзи із сірого чавуну для обох двигунів M57TU2 та M67TU проходять термічну обробку.

Технологія з'єднання
Ще однією можливістю виготовлення дзеркала циліндра при алюмінієвому блок-картері є технологія з'єднання. І в цьому випадку гільзи циліндрів вставляються при виливку. Звичайно, це здійснюється за допомогою спеціального процесу (наприклад, під високим тиском), так званого інтерметалевого з'єднання з блок-картером. Таким чином, дзеркало циліндра та блок-картер нероздільні. Ця технологія обмежує використання процесів лиття і тим самим конструкцію блок-картера. У дизельних двигунах BMW така технологія зараз не використовується.

Обробка дзеркал циліндрів
Дзеркало циліндра є поверхнею ковзання та ущільнення для поршня та поршневих кілець. Якість поверхні дзеркала циліндра є визначальним для утворення та розподілу масляної плівки між контактуючими деталями. Тому шорсткість дзеркала циліндра великою мірою відповідає за витрату масла та знос двигуна. Остаточна обробка дзеркала циліндра здійснюється хонінгуванням. Хонінгування - полірування поверхні за допомогою комбінованих обертальних та зворотно-поступальних рухів ріжучого інструменту. Таким чином виходить надзвичайно мале відхилення форми циліндра та рівномірна низька шорсткість поверхні. Обробка повинна бути щадною по відношенню до матеріалу, щоб виключити відколи, нерівності в місцях переходів та утворення задирок.

Матеріали

Навіть зараз блок-картер є однією з найважчих деталей всього автомобіля. І займає критичне місце для динаміки руху: місце над передньою віссю. Тому саме тут робляться спроби повністю використати потенціал для зменшення маси. Сірий чавун, який протягом десятиліть використовувався як матеріал для блок-картера, все більше і більше замінюється в дизельних двигунах BMW алюмінієвими сплавами. Це дозволяє одержати значне зниження маси. У двигуні M57TU воно складає 22 кг.
Але, перевага в масі не єдина відмінність, яка має місце при обробці та застосуванні іншого матеріалу. Змінюється також акустика, антикорозійні властивості, вимоги до виробництва обробки та обсяги сервісного обслуговування.

Сірий чавун
Чавун - це сплав заліза з вмістом вуглецю понад 2% і кремнію понад 1,5%. У сірому чавуні надлишковий вуглець міститься у формі графіту
Для блок-картерів дизельних двигунів BMW використовувався і використовується чавун з пластинчастим графітом, який отримав свою назву за розташуванням графіту, що знаходиться в ньому. Інші складові сплаву - це марганець, сірка та фосфор у дуже невеликих кількостях.
Чавун з самого початку пропонувався як матеріал для блок-картерів серійних двигунів, тому що цей матеріал не дорогий, просто обробляється і має необхідні властивості. Легкі сплави довго було неможливо задовольнити цим вимогам. BMW використовує для своїх двигунів чавун із пластинчастим графітом внаслідок його особливо сприятливих властивостей.
А саме:

• гарна теплопровідність;
• хороші властивості міцності;
• проста механообробка;
• добрі ливарні властивості;
• дуже гарне демпфування.

Визначне демпфування - це одна з відмінних властивостей чавуну з пластинчатим графітом. Воно означає здатність сприймати коливання та гасити їх за рахунок внутрішнього тертя. Завдяки цьому значно покращуються вібраційні та акустичні характеристики двигуна.
Хороші властивості, міцність та проста обробка роблять блок-картер із сірого чавуну і сьогодні конкурентоспроможним. Завдяки високій міцності, бензинові двигуни М та дизельні двигуни і сьогодні робляться з блок-картерами із сірого чавуну. Зростання вимог до маси двигуна на легковому автомобілі в майбутньому зможуть задовольнити лише легкі сплави.

Алюмінієві сплави
Блок-картери з алюмінієвих сплавів поки що відносно нові для дизельних двигунів BMW. Першими представниками нового покоління є двигуни M57TU2 та M67TU.
Щільність алюмінієвих сплавів становить приблизно третину порівняно із сірим чавуном. Однак це не означає, що перевага в масі має таке ж співвідношення, тому що внаслідок меншої міцності такий блок-картер доводиться робити масивніше.

Інші властивості алюмінієвих сплавів:

• гарна теплопровідність;
• відмінна хімічна стійкість;
• непогані властивості міцності;
• проста механообробка.

Чистий алюміній не придатний для лиття блок-картера, тому що має недостатньо хороші властивості міцності. На відміну від сірого чавуну, основні легуючі компоненти додаються тут у відносно великих кількостях.

Сплави поділяються на чотири групи, залежно від переважаючої легуючої добавки.
Ці добавки:

• кремній (Si);
• мідь (Сі);
• магній (Мд);
• цинку (Zn).

Для алюмінієвих блок-картерів дизельних двигунів BMW використовуються виключно сплави AlSi. Вони покращуються невеликими добавками міді чи магнію.
Кремній позитивно впливає на міцність сплаву. Якщо складова більша за 12 %, то спеціальною обробкою можна отримати дуже високу твердість поверхні, хоча різання при цьому ускладниться. У районі 12% мають місце визначні ливарні властивості.
Добавка міді (2-4%) може покращити ливарні властивості сплаву, якщо вміст кремнію менше 12%.
Невелика добавка магнію (02-05%) істотно збільшує значення міцності.
Для обох дизельних двигунів BMW використається алюмінієвий сплав AISi7MgCuO,5. Матеріал вже використовувався для голівок циліндрів дизельних двигунів.
Як видно з позначення AISl7MgCuO,5, цей сплав містить 7% кремнію та 0,5% міді.
Він відрізняється високою динамічною міцністю. Іншими позитивними властивостями є хороші ливарні властивості та пластичність. Правда, він не дозволяє досягти досить зносостійкої поверхні, яка потрібна для дзеркала циліндра. Тому блок-картери з AISI7MgCuO,5 доводиться виконувати з гільзами циліндрів (див. розділ „Циліндри”).

Огляд у вигляді таблиці

Загальна інформація
Зібрана головка блоку циліндрів, як ніяка інша функціональна група двигуна, визначає експлуатаційні властивості, такі як вихід потужності, момент, що крутить, і викид шкідливих речовин, витрата палива і акустику. У головці блоку циліндрів розташований майже весь газорозподільний механізм.
Відповідно, великі й завдання, які має вирішувати головка блоку циліндрів:

• сприйняття сил;
• розміщення приводу клапанів;
• розміщення каналів для зміни заряду;
• розміщення свічок розжарювання;
• розміщення форсунок;
• розміщення каналів охолоджуючої рідини та системи мастила;
• обмеження циліндра зверху;
• відведення тепла до охолоджуючої рідини;
• кріплення допоміжного та навісного обладнання та датчиків.

Із завдань випливають такі навантаження:
• сили впливу газів, що сприймаються різьбовими з'єднаннями головки блоку циліндрів;
• крутний момент розподільних валів;
• сили, що у опорах розподільчих валів.

Процеси при упорскуванні
У дизельних двигунах в залежності від конструкції та компонування камери згоряння розрізняють безпосереднє і непряме упорскування. Причому у разі непрямого впорскування, у свою чергу, розрізняють вихрокамерне і предка-мірне сумішоутворення.

Передкамерне сумішоутворення

Передкамера розташовується в центрі відносно основної камери згоряння. У цю камеру впорскується паливо для передкамерного згоряння. Основне згоряння відбувається з відомою затримкою самозаймання в основній камері. Передкамера з'єднана з основною камерою кількома отворами.
Паливо впорскується за допомогою форсунки, що забезпечує ступінчасте впорскування палива під тиском близько 300 бар. Поверхня, що відображає, в центрі камери розбиває струмінь палива і відбувається змішування з повітрям. Поверхня, що відбиває, сприяє таким чином швидкому сумішоутворенню і впорядкуванню руху повітря.

Недоліком цієї технології є велика поверхня охолодження передкамери. Стиснене повітря охолоджується відносно швидко. Тому такі двигуни запускаються без допомоги свічок розжарювання, як правило, тільки при температурі рідини, що охолоджує, не менше 50 °С.
Завдяки двоступінчастому згоранню (спочатку в передкамері, а потім в основній камері), згоряння відбувається м'яко і майже повністю за відносно рівної роботи двигуна. Такий двигун забезпечує зниження викиду шкідливих речовин, але при цьому розвиває меншу потужність у порівнянні з двигуном з безпосереднім упорскуванням.

Вихорокамерне сумішоутворення
Вихрекамерний упорскування, як і предка-мірний, є варіантом непрямого впорскування.
Вихрова камера сконструйована у формі кулі та розташовується окремо на краю основної камери згоряння. Основна камера згоряння та вихрова камера з'єднані прямим тангенціальним каналом. Тангенційно спрямований прямий канал при стисканні створює сильне завихрення повітря. Дизельне паливо подається через форсунку, що забезпечує східчасте впорскування. Тиск відкриття форсунки, що забезпечує ступінчасте впорскування палива, становить 100-150 бар. При упорскуванні тонко розпорошеної хмари палива суміш частково запалюється і розвиває свою повну міць в основній камері згоряння. Конструкція вихрової камери, а також розташування форсунки та свічки розжарювання є факторами, що визначають якість згоряння.
Це означає, що згоряння починається в кулястій вихровій камері і закінчується в основній камері згоряння. Для запуску двигуна необхідні свічки розжарювання, тому що між камерою згоряння і вихровою камерою є велика поверхня, яка сприяє швидкому охолодженню повітря, що всмоктується.
Перший серійний дизельний двигун BMW M21D24 працює за принципом вихрекамерного сумішоутворення.

Безпосереднє упорскування
Ця технологія дозволяє відмовитися від відділення камери згоряння. Це означає, що при безпосередньому упорскуванні відсутня підготовка робочої суміші у сусідній камері. Паливо упорскується за допомогою форсунки прямо в камеру згоряння над поршнем.
На відміну від непрямого упорскування використовують багатоструминні форсунки. Їхні струмені повинні бути оптимізовані та адаптовані до конструкції камери згоряння. Внаслідок великого тиску струменів, що впорскуються, виникає моментальне згоряння, яке на більш ранніх моделях призводило до гучної роботи двигуна. Однак, подібне згоряння звільняє більше енергії, яку можна ефективніше використовувати. Витрата палива у своїй зменшується. Безпосереднє упорскування вимагає більш високого тиску впорскування і, відповідно, більш складної системи впорскування.
При температурі нижче Про °С, як правило, не потрібно передпусковий підігрів, тому що втрати тепла через стінки внаслідок єдиної камери згоряння помітно менше, ніж у двигунів із сусідніми камерами згоряння.

Конструкція
Конструкція головок блоків циліндрів сильно змінилася у процесі вдосконалення двигунів. Форма головки блоку циліндрів залежить від деталей, які вона включає.

В основному форму голівки блоку циліндрів впливають такі факторы:

• число та розташування клапанів;
• число та розташування розподільчих валів;
• становище свічок розжарювання;
• становище форсунок;
• Форма каналів для зміни заряду.

Іншою вимогою до головки блоку циліндрів є, по можливості, компактна форма.
Форму головки блоку циліндрів насамперед визначає концепція приводу клапанів. Для забезпечення високої потужності двигуна, низького викиду шкідливих речовин та малої витрати палива необхідна, по можливості, ефективна та гнучка зміна заряду та високий ступінь заповнення циліндрів. У минулому для оптимізації цих властивостей було зроблено таке:

• верхнє розташування клапанів;
• верхнє розташування розподільчого валу;
• 4-клапани на циліндр.

Особлива форма впускних та випускних каналів покращує також зміну заряду. В основному головки блоків циліндрів розрізняють за такими критеріями:

• кількість деталей;
• кількість клапанів;
• охолодження концепції.

Тут слід ще раз згадати, що тут розглядається тільки головка блоку циліндрів як окрема деталь. Зважаючи на її складність і сильну залежність від названих деталей вона часто описується як єдина функціональна група. Інші теми ви знайдете у відповідних розділах.

Число деталей
Головка блоку циліндрів називається одночастинною, коли вона складається тільки з одного єдиного великого виливка. Такі дрібні деталі як кришки підшипників розподільчих валів тут не розглядаються. Багаточастинні головки блоків циліндрів збираються з декількох окремих деталей. Частим прикладом є головки блоків циліндрів з пригорнутими опорними планками для розподільних валів. Однак у дизельних двигунах BMW в даний час знаходять застосування тільки одночастинні головки блоків циліндрів.

Рис.15 - Порівняння головок з двома та чотирма клапанами
АГоловка циліндра із двома клапанами
УГоловка циліндра із чотирма клапанами
1- Кришка камери згоряння
2- Клапани
3- Прямий канал (вихрекамерне сумішоутворення з двома клапанами)
4- Положення свічки розжарювання (4 клапани)
5- Положення форсунки (безпосереднє упорскування з чотирма клапанами)

Число клапанів
Спочатку чотиритактні дизельні двигуни мали два клапани на циліндр. Один випускний та один впускний клапан. Завдяки установці турбонагнітачів ОГ було отримано гарне наповнення циліндрів і при 2 клапанах. Але вже кілька років всі дизельні двигуни мають по чотири клапани на циліндр. У порівнянні з двома клапанами, це дає велику загальну площу клапанів і, тим самим, найкращий прохідний переріз. Чотири клапани на циліндр, крім того, дозволяють розмістити форсунку по центру. Така комбінація необхідна для того, щоб забезпечити високу потужність за низьких показників викиду ОГ.
Рис.16 - Вихровий канал та канал наповнення двигуна М57
1- Випускний канал
2- Випускні клапани
3- Вихровий канал
4- Форсунка
5- Впускні клапани
6- Канал наповнення
7- Вихровий клапан
8- Свічка розжарювання

У вихровому каналі повітря, що надходить, приводиться в обертання для хорошого сумішоутворення при низьких частотах обертання коленвала двигуна.
Через тангенціальний канал повітря може безперешкодно надходити по прямій в камеру згоряння. Це покращує наповнення циліндрів, особливо при високих частотах обертання. Для керування наповненням циліндрів іноді встановлюється вихровий клапан. Він закриває тангенціальний канал за низьких частот обертання (сильне завихрення) і плавно відкриває його зі збільшенням частоти обертання (хороше наповнення).
Головка циліндра у сучасних дизельних двигунах BMW включає вихровий канал та канал наповнення, а також центрально розташовану форсунку.

• Комбінація обох типів

При охолодженні поперечним потоком рідина, що охолоджує, протікає від гарячої сторони випуску до холодної сторони впуску. Це дає перевагу, що у всій головці блоку циліндрів має місце рівномірний розподіл тепла. На противагу цьому при охолодженні поздовжнім потоком охолодна рідина протікає вздовж осі головки блоку циліндрів, тобто від передньої сторони до сторони відбору потужності або навпаки. Охолоджуюча рідина нагрівається все більше під час руху від циліндра до циліндра, що означає дуже нерівномірний розподіл тепла. Крім того, це означає падіння тиску в контурі, що охолоджує.
Комбінація обох типів не може усунути недоліки охолодження поздовжнім потоком. Тому у дизельних двигунах BMW використовується виключно охолодження поперечним потоком.

• ущільнює головку блоку циліндрів зверху;
• послаблює шум роботи двигуна;
• відводить картерні гази із блок-картеру;
• розміщення системи олійного відділення

• розміщення клапана регулювання тиску вентиляції картера;
• розміщення датчиків;
• розміщення виводів трубопроводів.

Ущільнювальне прокладання головки блоку циліндрів
Ущільнювальна прокладка головки блоку циліндрів (ZKD) у будь-якому двигуні внутрішнього згоряння, будь він бензиновий чи дизельний, є дуже важливою деталлю. Вона піддається екстремальним термічним та механічним навантаженням.

До функцій ZKD відноситься ізолювання одна від одної чотирьох речовин:

• паливо, що згоряє в камері згоряння
• атмосферне повітря
• олія в масляних каналах
• охолоджуюча рідина

Ущільнювальні прокладки в основному поділяються на м'які та металеві.

М'які ущільнювальні прокладки
Ущільнювальні прокладки цього типу виготовляються з м'яких матеріалів, але мають металеву рамку або пластину, що несе. На цій пластині з обох боків тримаються м'які накладки. На м'яких накладках часто нанесене пластмасове покриття. Така конструкція дозволяє витримувати навантаження, яким зазвичай піддаються прокладки ущільнювачів головки блоку циліндрів. Отвори ZKD, що виходить в камеру згоряння, внаслідок навантажень мають металеву окантовку. Для стабілізації проходів охолоджуючої рідини та олії часто використовуються еластомірні покриття.

Металеві ущільнювальні прокладки
Металеві прокладки ущільнювачів знаходять застосування в двигунах, що працюють з великими навантаженнями. Такі ущільнювальні прокладки включають кілька сталевих пластин. Основною особливістю металевих прокладок є те, що ущільнення здійснюється в основному за рахунок гофрованих пластин і стопорів, що знаходяться між пластинами з ресорної сталі. Властивості деформації ZKD дозволяють їй, по-перше, оптимально лягти в області головки блоку циліндрів і, по-друге, значно компенсувати деформацію за рахунок пружного відновлення. Подібні пружні відновлення мають місце внаслідок термічних та механічних навантажень.

Товщина необхідної ZKD визначається за виступом днища поршня щодо циліндра. Вирішальним є найбільше значення з виміряних всіх циліндрах. У розпорядженні є три варіанти товщини прокладки головки блоку циліндрів.
Різниця товщини прокладок визначається товщиною проміжної прокладки. Детальні дані для визначення виступу днища поршня див. TIS.

Масляний піддон

Масляний піддон служить як збірка для моторного масла. Він виготовляється литтям алюмінію під тиском або із подвійного сталевого листа.

Загальні зауваження
Масляний піддон закриває картер двигуна знизу. У дизельних двигунів BMW фланець масляного піддону завжди знаходиться нижче центру колінчастого валу. Масляний піддон виконує такі завдання:

• служить бачком для моторної олії та
• збирає стікаюче моторне масло;
• закриває знизу блок-картер;
• є елементом посилення двигуна та іноді коробки передач;
• служить місцем встановлення датчиків та
• напрямної трубки масловимірювального щупа;
• тут розташовується пробка олійно-зливного отвору;
• послаблює шум роботи двигуна.

Як ущільнення встановлюється сталева ущільнювальна прокладка. Пробкові ущільнювальні прокладки, які встановлювалися в минулому, мали усадку, що могло призвести до послаблення кріплення різьбового.
Для забезпечення роботи сталевої прокладки при її установці не попадає масло на гумові поверхні. За певних обставин ущільнювальна прокладка може зісковзнути з поверхні, що ущільнюється. Тому поверхні фланця необхідно очищати безпосередньо перед встановленням. Крім того, потрібно забезпечити, щоб масло не капало з двигуна і не потрапило на поверхні фланця та прокладку.

Вентиляція картера

При роботі двигуни в порожнині картера утворюються партерні гази Їх необхідно відводити для запобігання просоченню олії в місцях ущільнюваних поверхонь під дією надлишкового тиску. З'єднання з трубопроводом чистого повітря, в якому має місце нижчий тиск, знешкоджує вентиляцію. У сучасних двигунах здійснюється регулювання системи вентиляції за допомогою клапана регулювання тиску. Олія очищує картерні гази від масла, і воно повертається через відвідний трубопровід в масляний піддон.

Загальні зауваження
Коли двигун працює, картерні гази потрапляють із циліндра в порожнину картера внаслідок різниці тиску.
Картерні гази містять незгоріле паливо і всі компоненти газів, що відпрацювали. У порожнині картера вони поєднуються з моторним маслом, яке є там у вигляді масляного туману.
Кількість картерних газів залежить від навантаження. У порожнині картера виникає надлишковий тиск, який залежить від руху поршня та від частоти обертання коленвала. Цей надлишковий тиск встановлюється у всіх пов'язаних з порожниною картера прихованих порожнинах (наприклад, зливний маслопровід, картер приводу газорозподільного механізму тощо) і може призвести до просочування олії в місцях ущільнення.
Для запобігання цьому було розроблено систему вентиляції картера. Спочатку картерні гази у суміші з моторним маслом просто викидалися в атмосферу. З міркувань охорони навколишнього середовища давно використовуються системи вентиляції картера.
Система вентиляції картера відводить відокремлені від моторного масла картерні гази у впускний колектор, а краплі моторного масла - через масловідвідну трубку в масляний піддон. Крім того, система вентиляції картера дбає про те, щоб у картері не виникав надлишковий тиск.

Нерегульована вентиляція картера
У разі нерегульованої вентиляції картера змішані з олією картерні гази відводяться за допомогою розрідження при найвищих частотах обертання коленвала двигуна. Це розрідження створюється при з'єднанні із впускним каналом. Звідси суміш потрапляє у маслоотделитель. Відбувається поділ картерних газів та моторного масла.
У дизельних двигунах BMW з нерегульованою вентиляцією картера поділ здійснюється за допомогою дротяної сітки. „Очищені" картерні гази відводяться у впускний колектор двигуна, тоді як моторне масло повертається в масляний піддон. Рівень розрідження в блок-картері обмежується за допомогою каліброваного отвору в каналі чистого повітря. Занадто велике розрідження в блок-картері веде до пробою ущільнення. (Сальники колінчастого валу. Ущільнювальна прокладка фланця масляного піддону і т. п.) При цьому в двигун потрапляє невідфільтрований повітря, і, як наслідок, відбувається старіння масла і утворення шламу.

Регульована вентиляція картера
Двигун M51TU став першим дизельним двигуном BMW із регульованою системою вентиляції картера.
Дизельні двигуни BMW з регульованою системою вентиляції картера для відділення масла можуть бути оснащені циклонним, лабіринтним або сіточним масловідділювачем.
У разі регульованої вентиляції картера порожнина картера з'єднується з трубопроводом чистого повітря після повітряного фільтра через наступні компоненти:

• вентиляційний канал;
• заспокійлива камера;
• канал картерних газів;
• маслоотделитель;
• клапан регулювання тиску.

Рис.23 - масловідділ лінив двигуна М47
1- Неочищені картерні гази
2- Циклонний маслоотделитель
3- Сітковий масловідділювач
4- Клапан регулювання тиску
5- Повітряний фільтр
6- Канал до трубопроводу чистого повітря
7- Шланг до каналу чистого повітря
8- Трубопровід чистого повітря

У трубопроводі чистого повітря має місце розрідження внаслідок роботи турбонагнітачів О Г.
Під дією різниці тиску щодо блок-картеру картерні гази потрапляють у головку блоку циліндрів і спочатку досягають там заспокійливої ​​камери.
Заспокійлива камера служить для того, щоб масло, що розбризкується, наприклад, розподільними валами потрапляло в систему вентиляції картера. Якщо масловідділення здійснюється за допомогою лабіринту, завданням заспокійливої ​​камери усунення коливань картерних газів. Це дозволить унеможливити збудження мембрани в клапані регулювання тиску. У двигунів з циклонним маслоотделителем ці коливання цілком допустимі, тому що при цьому збільшується ефективність масловиділення. Газ заспокоюється потім у циклонному маслоотделителе. Тому тут заспокійлива камера має іншу конструкцію, ніж у разі лабіринтного олійного відділення.
Через трубопровід, що подає картерні гази потрапляють в маслоотделитель, в якому відбувається відділення моторного масла. Відокремлена моторна олія стікає назад у масляний піддон. Очищені картерні гази через клапан регулювання тиску постійно подаються в трубопровід чистого повітря перед турбонагнітачем О Г. У сучасних дизельних двигунах BMW встановлюються 2-компонентні масловідділювачі. Спочатку проводиться попереднє масловідділення за допомогою циклонного масловідділювача, а потім - остаточне в наступному сіточному масловідділювачі. Майже у всіх сучасних дизельних двигунів BMW обидва масловідділювачі розміщені в одному корпусі. Винятком є ​​двигун М67. Тут масловідділення здійснюється також циклонним та сіточним маслоотделітелями, але вони не об'єднані в один вузол. Попереднє масловідділення відбувається в головці блоку циліндрів (алюмінієвої), а остаточне масловідділення за допомогою сітки відокремлювача - в окремому пластмасовому корпусі.

Процес регулювання
При непрацюючому двигуні клапан регулювання тиску відкритий (стан А). На обидві сторони мембрани діє тиск навколишнього середовища, тобто мембрана повністю відкрита під дією пружини.
При запуску двигуна наростає розрідження у колекторі впускного і клапан регулювання тиску закривається (стан У). Цей стан завжди зберігається на холостому ходу або під час руху накатом, тому що при цьому картерні гази відсутні. На внутрішній бік мембрани, таким чином, діє велике відносне розрідження (щодо тиску навколишнього середовища). При цьому тиск навколишнього середовища, що діє на зовнішній бік мембрани, закриває клапан проти зусилля пружини. При навантаженні та обертанні колінвалу з'являються картерні гази. Картерні гази ( 8 ) зменшують відносне розрідження, що діє на мембрану. Внаслідок цього пружина може відкрити клапан і картерні гази йдуть. Клапан залишається відкритим доти, доки не встановиться рівновага між тиском навколишнього середовища та розрідженням у картері плюс зусилля пружини (стан З). Чим більше виділяється картерних газів, тим менше стає відносне розрідження, що діє на внутрішній бік мембрани, і тим більше відкривається клапан регулювання тиску. Тим самим у картері підтримується певне розрідження (близько 15 мбар).

Масловідділення

Для звільнення картерних газів від моторної олії в залежності від типу двигуна використовуються різні олійники

• Циклонний маслоотделитель
• Лабіринтний масловідділювач
• Сітковий масловідділювач

В разі циклонного масловідділювачакартерні гази направляються в циліндричну камеру таким чином, щоб вони оберталися там. Під дією відцентрової сили важка олія віджимається з газу назовні до стінок циліндра. Звідти через масловідвідну трубку воно може стікати в масляний піддон. Циклонний маслоотделитель дуже ефективний. Але він потребує багато місця.
У лабіринтному масловідділювачікартерні гази пропускаються через лабіринт із пластмасових перегородок. Такий маслоотделитель розміщується в корпусі кришки головки блоку циліндрів. Олія залишається на перегородках і може стікати в головку блоку циліндрів через спеціальні отвори та звідти назад у масляний піддон.
Сітковий масловідділювачможе відфільтрувати навіть найдрібніші краплі. Ядром сіткового фільтра є волокнистий матеріал. Однак тонкі неткані волокна при високому вмісті сажі схильні до швидкого забруднення пір. Тому сітковий масловідділювач має обмежений термін служби та його необхідно замінювати в рамках технічного обслуговування.

Колінчастий вал із підшипниками

Колінчастий вал перетворює прямолінійний рух поршня у обертальний рух. Навантаження, що діють на колінчастий вал, дуже великі та надзвичайно складні. Колінчасті вали відпиваються або куються для експлуатації при підвищених навантаженнях. Колінчасті вали встановлюються підшипники ковзання, в які подається олія. при цьому один підшипник є напрямним в осьовому напрямку.

Загальна інформація
Колінчастий вал перетворює прямолінійні (поворотно-поступальні) рухи поршнів у обертальний рух. Зусилля передаються через шатуни на колінчастий вал і перетворюються на момент, що крутить. При цьому колінчастий вал спирається на корінні підшипники.

Додатково колінчастий вал перебирає такі задачи:

• привід допоміжного та навісного обладнання за допомогою ременів;
• привід клапанів;
• найчастіше привід масляного насоса;
• в окремих випадках привід балан-сірних валів.

Під дією змінюються за часом і за напрямом сил, крутних і згинальних моментів, а також збуджених коливань виникає навантаження. Такі комплексні навантаження висувають дуже високі вимоги до колінчастого валу.
Термін служби колінчастого валу залежить від наступних факторів:

• міцність на вигин (слабкими місцями є переходи між посадковими місцями підшипників та щоками валу);
• міцність на скручування (її зазвичай знижують мастильні отвори);
• стійкість до крутильних коливань (це впливає не лише на жорсткість, а й на нашумність);
• міцність на знос (у місцях опор);
• знос сальників (втрата моторного масла при негерметичність).

Конструкція
Колінчастий вал складається з однієї деталі, литої чи кованої, яка ділиться на велику кількість різних ділянок. Шийки корінних підшипників лягають у підшипники у блок-картері.
Через так звані щоки (або іноді сережки) шатунні шийки з'єднуються з колінчастим валом. Цю частину з шатунною шийкою та щоками називають коліном. Дизельні двигуни BMW мають поряд з кожною шатунною шийкою корінний підшипник колінчастого валу. У рядних двигунах із кожною шатунною шийкою через підшипник пов'язаний один шатун, у V-подібних двигунів - два. Це означає, що колінчастий вал 6-ціліндрового рядного двигуна має сім шийок корінних підшипників. Корінні підшипники нумеруються спереду назад.
Відстань між шатунною шийкою та віссю колінчастого валу визначає хід поршня. Кут між шатунними шийками визначає інтервал між займаннями в окремих циліндрах. За два повні обороти колінчастого валу або 720° у кожному циліндрі відбувається одне займання.
Цей кут, який називають відстанню між шатунними шийками або кутом між колінами, розраховується в залежності від числа циліндрів, конструкції (V-подібний або рядний двигун) та порядку роботи циліндрів. При цьому метою є плавний та рівний хід двигуна. Наприклад, у разі 6-циліндрового двигуна отримуємо наступний розрахунок. Кут 720°, поділений на 6 циліндрів, дає в результаті відстань між шатунними шийками або інтервал між займаннями 120° колінчастого валу.
У колінчастому валі є мастильні отвори. Вони постачають шатунні підшипники олією. Вони проходять від шийок корінних підшипників до шатунних шийок і через ліжка підшипників з'єднані з олійним контуром двигуна.
Противаги утворюють симетричну щодо осі колінчастого валу масу і тим самим сприяють рівномірній роботі двигуна. Вони виконані так, щоб поряд з силами інерції обертання компенсувати частину сил інерції зворотно-поступального руху.
Без противаг колінчастий вал сильно деформувався б, що вело б до дисбалансу і неплавності ходу, а також до високої напруги в небезпечних перерізах колінчастого валу.
Число противаг різне. Історично більшість колінчастих валів мали дві противаги, симетрично ліворуч і праворуч від шатунної шийки. V-подібні восьмициліндрові двигуни, такі як М67, мають шість однакових противаг.
Для зниження маси колінчасті вали можуть бути виконані порожнистими в районі середніх корінних підшипників. У разі кованих колінчастих валів це досягається свердлінням.

Виготовлення та властивості
Колінчасті вали бувають литими або кутими. У двигуни з великим крутним моментом встановлюються ковані колінчасті вали.

Переваги литих колінчастих валів перед кованими:

• литі колінчасті вали істотно дешевші;
• ливарні матеріали дуже добре піддаються поверхневій обробці для збільшення віброміцності;
• литі колінчасті вали в тому ж виконанні мають масу менше прим. на 10%;
• литі колінчасті вали краще обробляються;
• щоки колінчастого валу зазвичай можна обробляти.

Переваги кованих колінчастих валів перед литими:

• ковані колінчасті вали жорсткіші і мають кращу віброміцність;
• у комбінації з алюмінієвим блок-картером трансмісія має бути максимально жорсткою, тому що блок-картер сам по собі має невисоку жорсткість;
• ковані колінчасті вали мають малий знос опорних шийок.

Переваги кованих колінчастих валів можуть бути компенсовані улитих валів за допомогою:

• більшого діаметра в районі підшипників;
• дорогих систем демпфування коливань;
• дуже жорстка конструкція блок-картера.

Підшипники

Як уже згадувалося, колінчастий вал у дизельному двигуні BMW встановлюється в підшипники з обох боків шатунної шийки. Ці корінні підшипники утримують колінчастий вал у блок-картері. Навантажена сторона знаходиться у кришці підшипника. Тут сприймається сила, що виникає у процесі згоряння.
Для надійної роботи двигуна потрібні корінні підшипники, що мало зношуються. Тому використовуються вкладиші підшипників, поверхня ковзання яких покрита спеціальними підшипниковими матеріалами. Поверхня ковзання знаходиться всередині, тобто вкладиші підшипників не обертаються разом із валом, а закріплені у блок-картері.
Мале зношування забезпечується в тому випадку, якщо поверхні ковзання розділяються тонкою масляною плівкою. Значить, має бути забезпечена достатня подача олії. Ідеально це здійснюється з ненавантаженого боку, тобто в даному випадку з боку постелі корінного підшипника. Мастило моторним маслом відбувається через мастильний отвір. Кругова канавка (у радіальному напрямку) покращує розподіл олії. Однак, вона зменшує поверхню ковзання і тим самим збільшує діючий тиск. Точніше кажучи, підшипник ділиться на дві половинки з меншою здатністю, що несе. Тому масляні канавки зазвичай знаходяться лише у ненавантаженій зоні. Моторна олія, крім того, охолоджує підшипник.

Підшипники з тришаровим вкладишем
Корінні підшипники колінчастого валу, яких пред'являються високі вимоги, часто виконуються, як підшипники з тришаровим вкладишем. На металеве покриття підшипників (наприклад, свинцева або алюмінієва бронза) на сталевий вкладиш додатково наноситься гальванічно шар бабіта. Це дає покращення динамічних властивостей. Міцність такого шару тим вища, чим тонший шар. Товщина бабіта складає бл. 0,02 мм, товщина металевої основи підшипника - між 0,4 та 1 мм.

Підшипники з напиленням
Іншим типом підшипників колінчастого валу є підшипник із напилюванням. При цьому йдеться про підшипник з тришаровим вкладишем з напиленим на поверхню ковзання шаром, що витримує дуже високі навантаження. Такі підшипники знаходять застосування у високонавантажених двигунах.
Підшипники з напиленням за властивостями матеріалу дуже жорсткі. Тому такі підшипники зазвичай використовуються в місцях, в яких мають місце найбільші навантаження. Це означає, що підшипники з напиленням встановлюються лише з одного боку (з боку тиску). З протилежного боку завжди встановлюється м'якіший підшипник, а саме підшипник з тришаровим вкладишем. Більш м'який матеріал такого підшипника може вбирати з деталі частки бруду. Це надзвичайно важливо для запобігання його пошкодженню.
При вакуумуванні відокремлюються дрібні частки. За допомогою електромагнітних полів ці частинки наносяться на поверхню ковзання підшипника з тришаровим вкладишем. Такий процес називають напиленням. Напилений шар ковзання відрізняється оптимальним розподілом окремих складових.
Підшипники з напиленням в районі колінчастого валу встановлюються в дизельних двигунах BMW з максимальною потужністю і в ТОР-варіантах.

Обережне поводження з вкладишами підшипників має велике значення, тому що дуже тонкий металевий шар підшипника не може компенсувати пластичну деформацію.
Підшипники з напиленням можна розрізнити по вибитій літері „S” на звороті кришки підшипника.
Завзятий підшипник
Колінчастий вал має лише один упорний підшипник, який часто називають центруючим або завзятим підшипником. Підшипник утримує колінчастий вал в осьовому напрямку і повинен сприймати сили, що діють у поздовжньому напрямку. Ці сили виникають під дією:

• шестерні з косими зубами для приводу масляного насоса;
• приводу керування зчепленням;
• прискорення автомобіля.

Завзятий підшипник може мати форму підшипника з буртиком або складеного підшипника з наполегливими півкільцями.
Завзятий підшипник з буртиком має 2 шліфовані опорні поверхні для колінчастого валу і спирається на ліжко корінного підшипника в блок-картері. Підшипник З буртиком - це одночастинка підшипника, з плоскою поверхнею, перпендикулярною або паралельної осі. На ранні двигуни встановлювалася лише одна половинка підшипника з буртиком. Колінчастий вал мав осьову опору лише 180°.
Складові підшипники складаються з кількох деталей. За такої технології на обох сторонах встановлюється по одному наполегливому півкільцю. Вони забезпечують стабільне, вільне з'єднання з колінчастим валом. Завдяки цьому наполегливі півкільця рухливі і прилягають рівномірно, що зменшує зношування. У сучасних дизельних двигунах для спрямування колінчастого валу встановлюються дві половинки складеного підшипника. Завдяки цьому колінчастий вал має опору 360 °, що забезпечує дуже хорошу стійкість до осьового переміщення.
Важливо, щоб забезпечувалося мастило моторним маслом. Причиною відмови наполегливого підшипника, як правило, є перегрів.
Зношений завзятий підшипник починає шуміти, перш за все, в районі демпфера крутильних коливань. Іншим симптомом можуть бути несправності датчика колінчастого валу, що в автомобілів з автоматичною коробкою передач проявляється через жорсткі поштовхи при перемиканні передач.

Шатуни із підшипниками Загальна інформація
Шатун у кривошипно-шатунному механізмі з'єднує поршень із колінчастим валом. Він перетворює прямолінійний рух поршня у обертальний рух колінчастого валу. Крім того, він передає сили, що виникають при згорянні палива і діють на поршень, від поршня на колінчастий вал. Так як він є деталлю, яка відчуває дуже великі прискорення, то його маса безпосередньо впливає на потужність і плавність роботи двигуна. Тому при створенні максимально комфортних двигунів надається велике значення оптимізації маси шатунів. Шатун зазнає навантаження сил впливу газів у камері згоряння та інерційних мас (включаючи свою власну). На шатун діють змінні навантаження стискування та розтягування. У високооборотних бензинових двигунах навантаження розтягування є визначальними. Крім того, внаслідок бічних відхилень шатуна виникає відцентрова сила, яка спричиняє вигин.

Особливостями шатунів є:

• двигуни М47/М57/М67: частини підшипників на стрижні шатуна виконуються як підшипників з напилюванням;
• двигун М57: шатун такий самий, як у двигуна М47, матеріал С45 V85;
• двигун М67: трапецієподібний шатун з нижньою головкою, виконаною методом розлому, матеріал С70;
• M67TU: товщина стін вкладок шатунних підшипників збільшена до 2 мм. Шатунні болти вперше встановлюються із герметиком.

Шатун передає зусилля і дниння від поршня на колінчастий вал. Шатуни сьогодні виготовляють із куванням сталі, а роз'єм на великій голівці роблять методом розлому. Розлом, крім іншого, має ті переваги, що площини роз'єму не вимагають додаткової обробки та обидві частини точно позиціонуються відносно один одного.

Конструкція
Шатун має дві голівки. Через малу головку шатун з'єднується із поршнем за допомогою поршневого пальця. Через бічні відхилення шатуна під час обертання колінчастого валу він повинен мати можливість обертатися в поршні. Це здійснюється за допомогою підшипника ковзання. Для цього в малу головку шатуна запресовується втулка.
Через отвір у цьому кінці шатуна (з боку поршня) до підшипника підводиться олія. З боку колінчастого валу знаходиться велика роз'ємна головка шатуна. Велика головка шатуна поділяється для того, щоб шатун можна було з'єднати з колінчастим валом. Робота цього вузла забезпечується підшипником ковзання. Підшипник ковзання складається із двох вкладишів. Мастильний отвір у колінчастому валі забезпечує підшипник моторним маслом.
На наступних малюнках показана геометрія стрижнів шатунів із прямим і косим роз'ємами. Шатуни з косим розніманням застосовуються в основному в V-подібних двигунах.
V-подібні двигуни внаслідок великих навантажень мають великий діаметр шатунних шийок. Косий роз'єм дозволяє зробити блок-картер компактнішим, тому що при обертанні коленвала він описує меншу криву в нижній частині.

Шатун трапецієподібної форми
У разі трапецієподібного шатуна мала головка у поперечному перерізі має форму трапеції. Це означає, що шатун стає тоншим від основи, що прилягає до стрижня шатуна, до кінця у малої головки шатуна. Це дозволяє додатково зменшити масу, тому що з "ненавантаженої" сторони економиться матеріал, у той час як на навантаженому боці зберігається повна ширина підшипника. Крім того, це дозволяє зменшити відстань між бобишками, що, у свою чергу, зменшує прогин поршневого пальця Інша перевага - відсутність мастильного отвору в малій головці шатуна, тому що масло надходить через скошену боковину підшипника ковзання. але виходить виграш у просторі поршня.

Виготовлення та властивості
Заготівля шатуна може бути виконана у різний спосіб.

Гаряча штампування
Вихідним матеріалом для виготовлення заготовки шатуна служить сталевий стрижень, який нагрівається прим. до 1250-1300 "С. Прокаткою здійснюється перерозподіл мас у бік головок шатуна. При утворенні основної форми під час штампування за рахунок зайвого матеріалу утворюється облій, який потім знімається. При цьому також проробляються отвори головок шатуна. В залежності від легування сталі після штампування властивості покращуються за допомогою термічної обробки.

Лиття
При лиття шатунів використовується модель із пластмаси або металу. Ця модель складається із двох половинок, які разом утворюють шатун. Кожна половинка формується в піску, тому відповідно виходять зворотні половинки. Якщо їх тепер поєднати, виходить форма для виливки шатуна. Для більшої ефективності в одній ливарній формі відливають поряд один з одним багато шатунів. Форма заповнюється рідким чавуном, який потім повільно остигає.

Обробка
Незалежно від того, як було виготовлено заготовки, вони обробляються різанням до остаточних розмірів.
Для забезпечення рівномірної роботи двигуна шатуни повинні мати задану масу у вузьких межах допуску. Раніше для цього задавалися додаткові розміри на обробку, які потім при необхідності фрезерувалися.
Обробляються лише торцеві поверхні великої та малої головок і самі головки шатуна. Якщо роз'єм головки шатуна виконується різанням, поверхні роз'єму необхідно обробляти додатково. Внутрішня поверхня великої головки шатуна після цього висвердлюється та хонінгується.

Виконання роз'єму методом розлому
І тут велика головка ділиться внаслідок розлому. У цьому задане місце розлому намічається керненням протяжкою чи лазером. Потім головка шатуна затискається на спеціальній оправці із двох частин і розділяється запресовуванням клину.
Для цього необхідний матеріал, який ламається, не витягуючись перед цим занадто сильно (деформація При розломі кришки шатуна, як у випадку сталевого шатуна, так і у випадку шатуна з порошкових матеріалів, утворюється поверхня розлому. Така структура поверхні точно центрує кришку корінного підшипника при установці на стрижень шатуну.
Розлом має ту перевагу, що не потрібно додаткової обробки поверхні роз'єму. Обидві половинки точно збігаються одна з одною. Позиціонування за допомогою центруючих втулок або болтів не потрібне. Якщо кришка шатуна переплутана стороною або встановлюється на інший стрижень шатуна, структура розлому обох частин руйнується і кришка не центрується. І тут необхідно замінити весь шатун на новий.

Різьбове кріплення

Різьбове кріплення шатуна вимагає особливого підходу, тому що воно піддається дуже високим навантаженням.
Різьбові кріплення шатунів піддаються при обертанні колінвалу навантаженням, що дуже швидко змінюються. Т. до. шатун і болти його кріплення відносяться до рухомих деталей двигуна, їхня маса повинна бути мінімальною. Крім того, обмеженість місця потребує компактного різьбового кріплення. Звідси випливає дуже високе навантаження на різьбове кріплення шатуна, яке потребує особливо обережного поводження.
Детальні дані щодо різьбових кріплень шатунів такі, як різьблення, порядок затягування тощо див. TIS і ЕТК.
При встановленні нового комплекту шатунів:
шатунні болти можна затягувати при встановленні шатуна лише один раз для перевірки зазору підшипника і потім при остаточній установці. Бо шатунні болти вже тричі затягувалися при обробці шатуна, вони вже досягли своєї максимальної міцності при розтягуванні.
Якщо шатуни використовуються ще раз, а замінюються лише шатунні болти: шатунні болти потрібно затягнути ще раз після перевірки проміжків підшипників, знову послабити і затягнувши втретє довести до максимальної міцності при розтягуванні.
Якщо шатунні болти затягувалися щонайменше тричі чи більше п'яти разів, це веде до пошкодження двигуна.

Поршень з кільцями та поршневим пальцем

Поршні перетворюють тиск газу, що виникає при згоранні, рух Форма днища поршня є визначальною для сумішоутворення. Поршневі кільця забезпечують ретельне ущільнення камери згоряння та регулюють товщину масляної плівки на стінці циліндра.
Загальна інформація
Поршень - це перша ланка в ланцюзі деталей, що передають потужність двигуна. Завдання поршня полягає в тому, щоб сприйняти сили тиску, що виникають при згорянні, і передати їх через поршневий палець і шатун на колінчастий вал. Т. е. він перетворює термічну енергію згоряння на механічну енергію. Крім того, поршень має вести верхню голівку шатуна. Поршень разом з поршневими кільцями повинен перешкоджати викиду з камери згоряння газів та витрати масла, і робити це надійно і за всіх режимів роботи двигуна. Масло, що є на поверхнях контакту, допомагає герметизації. Поршні дизельних двигунів BMW виготовляються виключно із алюмінієво-кремнієвих сплавів. Встановлюються так звані автотермічні поршні із суцільною спідницею, у яких включені в виливок сталеві смужки служать для зменшення настановних зазорів та регулювання кількості тепла, що виділяється двигуном. Для добірки матеріалу в пару до стін циліндрів із сірого чавуну на поверхню спідниці поршня наноситься шар графіту (методом напіврідинного тертя), завдяки якому зменшується тертя та покращуються акустичні характеристики.

Як частина кривошипно-шатунного механізму поршень зазнає навантаження:

• сил тиску газів, що утворюються під час згоряння;
• рухомих інерційних деталей;
• сили бокового відведення;
• моменту у центрі тяжкості поршня, який викликаний розташуванням поршневого пальця зі зміщенням щодо центру.

Сили інерції деталей, що рухаються зворотно-поступально, виникають внаслідок руху самого поршня, поршневих кілець, поршневого пальця і ​​деталі шатуна. Сили інерції зростають у квадратичній залежності від частоти обертання. Тому у високооборотних двигунах дуже важлива мала маса поршнів разом з кільцями та поршневими пальцями. У дизельних двигунах днища поршнів зазнають особливо великого навантаження внаслідок тиску займання, що досягає 180 бар.
Відхилення шатуна створює бічне навантаження поршня перпендикулярно до осі циліндра. Це так, що поршень відповідно після нижньої чи верхньої мертвої точки притискається з одного боку стінки циліндра до інший. Така поведінка називається зміною прилягання чи зміною боку. Для зменшення шумів у поршнях і зношування поршневий палець часто розташовується зі зміщенням від центру прим. 1-2 мм (дезаксіально), завдяки цьому виникає момент, який оптимізує поведінку поршня при зміні прилягання.

Конструкція

У поршня розрізняють такі основні області:

• днище поршня;
• пояс поршневих кілець із каналом охолодження;
• спідниця поршня;
• боби поршня.

У дизельних двигунах BMW у днищі поршня є порожнина камери згоряння. Форма порожнини визначається процесом згоряння та розташуванням клапанів. Область пояса поршневих кілець є нижньою частиною так званого вогневого пояска, між днищем поршня і першим кільцем поршневим, так само як і перемичка між 2-м поршневим кільцем і маслознімним кільцем.