При изучении устройства и работы автомобиля особое внимание должно
быть обращено на изучение двигателя \ так как двигатель является
наиболее сложным агрегатом автомобиля.
В двигателе автомобиля тепловая энергия, получаемая от сжигания топлива,
преобразуется в механическую работу, необходимую для движения
автомобиля.
Одной из основных частей двигателя является цилиндр (фиг. 17).
В цилиндре помещен поршень 2, имеющий форму перевернутого стакана.
Поршень может легко перемещаться в цилиндре, в то же время он должен
плотно прилегать к стенкам цилиндра и не пропускать газы, поэтому
промежуток между стенками цилиндра и поршнем уплотняется поршневыми
кольцами 3. Поршневые кольца, сделанные пружинящими, плотно прилегают к
стенкам цилиндра и одновременно входят в кольцевые канавки поршня.
В верхней части цилиндра имеются два круглых отверстия, закрываемые
клапанами 4, выполненными в форме гриба. Оба отверстия соединены с
короткими трубами (патрубками) и служат: одно для впуска в цилиндр
горючей смеси, а другое для отвода из цилиндра продуктов сгорания
(отработавших газов).
В стенках поршня имеются два отверстия, в которых установлен поршневой
палец 5, служащий для шарнирного соединения поршня с шатуном 6. Шатун
одновременно шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала 7. На конце
коленчатого вала закреплен тяжелый металлический диск - маховик 8,
необходимый для обеспечения равномерной работы двигателя. Коленчатый вал
вращается в подшипниках, установленных в картере 9. Цилиндр, поршень,
шатун, коленчатый вал и картер составляют кривошипно-шатунный механизм
двигателя, который предназначен для преобразования
прямолинейно-возвратного движения поршня во вращательное движение
коленчатого вала.
На отечественных легковых автомобилях
применяются только карбюраторные двигатели, поэтому двигатели с
воспламенением от сжатия (дизели) в этой книге не рассматриваются.
Поршень совершает только прямолинейно-возвратное движение в цилиндре.
Допустим, что поршень находится в крайнем верхнем положении в цилиндре,
а шатун и кривошип коленчатого вала расположены по одной вертикальной
линии (фиг. 18). Если в этом положении поршня на него сверху будет
действовать сила давления газа, то эта сила не может провернуть
коленчатый вал, а вызовет лишь его некоторый прогиб. Такое же явление
будет происходить тогда, когда поршень находится в крайнем нижнем
положении. Каждое крайнее положение поршня в цилиндре называется мертвой
точкой, соответственно верхней или нижней. Расстояние от верхней мертвой
точки (в. м. т.) до нижней мертвой точки (н. м. т.) называется ходом
поршня, а часть рабочего цикла, происходящая в цилиндре за один ход
поршня, называется тактом.
Для того чтобы поршень сделал один ход, а в цилиндре произошла часть
рабочего цикла, соответствующая одному такту, коленчатый вал должен
повернуться на V2 оборота.
Пространство в цилиндре над поршнем, находящимся в в. м. т., называется
камерой сгорания (или камерой сжатия), а число, показывающее, во сколько
раз объем камеры сгорания меньше полного объема цилиндра, называют
степенью сжатия.
Сгорание топлива происходит непосредственно внутри цилиндра, поэтому
двигатель носит название двигателя внутреннего сгорания. Для работы
двигателя необходимо прежде всего ввести в цилиндр горючую смесь (смесь
паров бензина с воздухом), затем зжать, ее для подготовки к быстрому
сгоранию и воспламенить. Смесь при сгорании расширяется и производит
полезную работу. Наконец, из цилиндра следует удалить продукты сгорания,
подготовляя его для нового заряда (фиг. 19).
Рассмотрим подробнее рабочий цикл четырехтактного карбюраторного
автомобильного двигателя (фиг. 19).
Первый такт - впуск. Допустим, что поршень в цилиндре двигателя начал
движение вниз и в этот момент открылся впускной клапан. Двигаясь вниз,
поршень втягивает в цилиндр, подобно насосу, горючую смесь, состоящую из
паров бензина и воздуха. Смесь заполняет цилиндр по мере движения поршня
вниз. Происходит процесс - такт впуска горючей смеси, называемый иногда
также тактом всасывания, вследствие всасывающего действия поршня во
время этого такта. Следует отметить, что в цилиндре перед началом впуска
всегда имеются остатки продуктов сгорания (остаточные газы) от
предыдущего рабочего цикла. Поэтому, когда при такте впуска цилиндр
заполняется горючей смесью, она смешивается с остаточными газами и
образует рабочую смесь. После того как поршень придет в н. м. т. и
начнет движение вверх, горючая смесь еще некоторое время по инерции
поступает в цилиндр. Однако вскоре впускной клапан закрывается и доступ
смеси в цилиндр прекращается. Поршень начинает новый ход - начинается
новый такт.
Второй такт - сжатие. При движении поршня вверх оба клапана цилиндра
закрыты, поэтому поршень уплотняет (сжимает) рабочую смесь, происходит
сжатие рабочей смеси. В конце такта сжатия, когда поршень придет в в. м.
т., объем рабочей смеси уменьшится в 6-7 раз.
Предварительное сжатие рабочей смеси в цилиндре имеет большое значение
для подготовки ее к последующему воспламенению и сгоранию. В процессе
сжатия пары топлива перемешиваются с воздухом, неиспарившиеся частицы
жидкого топлива испаряются, т.к. температура смеси в конце сжатия
поднимается примерно до 350°. В конце такта сжатия к свече зажигания
подводится ток высокого напряжения и на ее электродах расположенных в
камере сгорания, появляется искра.
Фиг. 18. Мертвые точки кривошипно-шатунного
механизма двигателя.
Фиг. 19. Рабочий процесс двигателя внутреннего
сгорания
Хорошо подготовленная (однородная) уплотненная и подогретая рабочая
смесь легко воспламеняется, причем температура продуктов сгорания резко
поднимается - примерно до 2000°. Сгорание рабочей смеси в цилиндре
проходите такой скоростью, при которой 0i)0 заканчивается полностью к
моменту, когда поршень только что начнет отходить от в. м. т. Под
влиянием высокой температуры продукты сгорания стремятся расшириться, а
так как цилиндр закрыт, то происходит повышение давления на стенки
цилиндра и на поршень. Сразу после вспышки и повышения температуры объем
продуктов сгорания начинает увеличиваться, в результате чего газы
оказывают давление на каждый квадратный сантиметр днища поршня с силой
30-40 кг. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз и через шатун
вращать коленчатый вал двигателя.
Чтобы яснее представить процесс расширения продуктов сгорания и
повышения давления внутри цилиндра, приведем аналогичный пример. Если
наполнить воздухом стеклянный сосуд, плотно его закупорить и затем
нагреть, то воздух, находящийся в нем, расширится и может разорвать
сосуд или выбить пробку.
После того как рабочая смесь в цилиндре воспламенится, поршень начинает
новый ход - новый такт.
Третий такт - рабочий ход или расширение. Во время рабочего хода - такта
расширения - поршень движется вниз по цилиндру под действием давления
расширяющихся продуктов сгорания. Давление расширяющихся газов
используется для получения механической работы поршня и передачи ее на
коленчатый вал двигателя. Продукты сгорания во время рабочего хода
остывают и температура внутри цилиндра снижается, так как продукты
сгорания расширяются и одновременно отдают- свое тепло стенкам цилиндра
и различным деталям двигателя. Для отвода этого тепла от стенок цилиндра
и других деталей двигателя, как мы увидим в дальнейшем, служат системы
охлаждения и смазки. Расширение газов и падение их температуры при
рабочем ходе вызывает снижение давления на днище поршня и на стенки
цилиндра к концу рабочего хода примерно до 2-3 кг/см2. Однако это
давление используется для лучшей очистки цилиндра от продуктов сгорания
путем заблаговременного открытия выпускного клапана, через который газы
начнут выходить из цилиндра в атмосферу. Таким образом, к приходу поршня
в н. м. т. расширение газов в цилиндре заканчивается и поршень начинает
новый ход вверх - начинается новый такт.
Четвертый такт - выпуск. Как только откроется выпускной клапан, продукты
сгорания, под действием собственного давления, с силой вырываются из
цилиндра и продолжают выходить из него До тех пор, пока давление газов
не упадет почти до атмосферного. Далее поршень, пройдя н. м. т.,
поднимается и выталкивает из цилиндра остатки продуктов сгорания. Под
действием движущегося вверх поршня отработавшие газы с большой скоростью
отверстие, и газы продолжают по инерции выходить из цилиндра даже тогда,
когда поршень придет в в. м. т. Учитывая инерцию вытекающих продуктов
сгорания, выпускной клапан закрывают с некоторым запаздыванием, т. е.
после того как поршень пройдет в. м. т. Вследствие этого цилиндр
двигателя лучше очищается, а горючая смесь, поступающая в цилиндр при
такте впуска, в меньшей степени смешивается с остатками продуктов
сгорания.
Совокупность разобранных четырех тактов (процессов) называется рабочим
циклом. В цилиндре двигателя внутреннего сгорания рабочий цикл
непрерывно повторяется в рассмотренной выше последовательности.
Двигатель внутреннего сгорания работает сравнительно экономично: 20-25%
тепловой энергии сжигаемого в его цилиндре топлива превращается в
полезную механическую работу. Наибольшей экономичностью отличаются
двигатели с воспламенением от сжатия (дизели), применяемые на грузовых
автомобилях большой грузоподъемности и автобусах; эти двигатели
преобразуют в полезную работу до 35-40 'о тепловой энергии сжигаемого
топлива.
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания, как видно из изложенного
выше, складывается из отдельных процессов, связанных с подачей топлива
(в смеси с воздухом) в цилиндр, подготовкой топлива к воспламенению,
сжиганием топлива и использованием его тепловой энергии для получения
механической работы и, наконец, с удалением из цилиндра продуктов
сгорания. Эти процессы, или такты, принято называть: 1) впуск; 2)
сжатие; 3) рабочий ход; 4) выпуск.
Как мы видели, каждый из перечисленных процессов протекает в цилиндре
двигателя за один ход поршня, следовательно, весь рабочий цикл
двигателя, состоящий из четырех тактов, осуществляется за четыре хода
поршня и соответственно за два оборота коленчатого вала. Такой рабочий
цикл называется четырехтактным, а двигатель внутреннего сгорания,
работающий по этому циклу, четырехтактным двигателем.
Существуют также двигатели внутреннего сгорания, работающие по
двухтактному циклу, т.е. по циклу, осуществляющемуся за два хода поршня
и соответственно за один оборот коленчатого вала. Наибольшее
распространение на транспорте двухтактные двигатели получили на
мотоциклах и судах.
Моменты открытия и закрытия клапанов, а также продолжительность того или
иного процесса (такта) рабочего цикла двигателя измеряют углом поворота
кривошипа коленчатого вала, отсчитываемым от положения кривошипа, при
котором поршень находится в в. м. т. Моменты открытия или закрытия
впускных и выпускных клапанов, выраженные в градусах угла поворота
коленчатого вала, называются фазами газораспределения. Графическое
изображение продолжительности тактов определения двигателя называется
круговой диаграммой газораспределения.
В ,дальнейшем при рассмотрении конкретных конструкций автомобильных
двигателей будут приведены также и круговые диаграммы газораспределения.
В четырехтактном двигателе из четырех тактов рабочего цикла лишь один
такт является рабочим, когда поршень передает "работу расширяющихся
газов на коленчатый вал двигателя. Остальные три такта являются
вспомогательными или подготовительными и на их выполнение необходимо
затрачивать некоторую работу. В таких условиях двигатель не смог бы
работать, если бы на его коленчатом валу не был установлен тяжелый
маховик. Маховик получает и запасает механическую энергию во время
рабочего хода, а затем постепенно отдает ее на протяжении трех
вспомогательных тактов. Чем больше диаметр и вес маховика, тем больше
запасает он энергии во время рабочего хода, тем больше энергии он сможет
отдать на выполнение вспомогательных тактов и тем равномернее будет
вращаться коленчатый вал двигателя. Если двигатель имеет только один
цилиндр, то на два оборота коленчатого вала приходится всего один
рабочий ход, и для того чтобы двигатель работал равномерно, необходимо
применить маховик большого размера и веса, что конструктивно неудобно.
Учитывая указанный недостаток, а также ограниченную мощность двигателя с
одним цилиндром, конструкторы разработали двигатели с несколькими
цилиндрами - так называемые многоцилиндровые двигатели. На автомобилях
применяются двигатели с 2, 4, 6, 8 и 12 цилиндрами. Например, у
двигателя, имеющего четыре цилиндра, за каждые пол-оборота коленчатого
вала в одном из цилиндров будет происходить рабочий ход. Такой двигатель
работает равномерно при наличии маховика сравнительно небольшого размера
и веса.
