А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.
В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.
Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливо-воздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.
Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт.
Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливо-воздушной смеси.
В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 2.6), в дизельных — от сжатия.
Рис. 2.6. Свеча зажигания
При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.
Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск — маховик (см. рис. 2.5). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.
А сейчас поговорим немного подробнее о работе одноцилиндрового двигателя.
Повторим, первое действие — попадание внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливо-воздушной смеси, которую приготовил карбюратор или инжектор. Этот процесс называется тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью происходит, когда поршень из верхнего положения движется в нижнее. При этом к цилиндру двигателя подведены два канала: впускной и выпускной. Горючая смесь впускается через первый канал, а продукты ее сгорания выходят через второй. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: клапан — это подобие гвоздя с большой круглой шляпкой, перевернутый шляпкой вниз, которой закрывается вход из канала в цилиндр.
При этом шляпка прижимается к кромке канала мощной пружиной и закупоривает его.
Если нажать на клапан (тот самый гвоздь), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала откроется (рис. 2.7).
Первый такт — впуск
Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным. Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на пол-оборота.
Второй такт — сжатие
После того как топливо-воздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.
Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.7). Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное пространство — камера сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °C.
Рис. 2.7. Процесс работы четырехтактного двигателя:
а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт рабочего хода; г — такт выпуска
Третий такт — рабочий ход
Третий такт — самый ответственный момент, когда тепловая энергия превращается в механическую. В начале третьего такта (а на самом деле в конце такта сжатия) горючая смесь воспламеняется с помощью искры свечи зажигания (рис. 2.8). Давление от расширяющихся газов передается на поршень, и он начинает двигаться вниз (от ВМТ к НМТ). При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Рабочая смесь сгорает с выделением большого количества тепла, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень с большой силой перемещается вниз, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800–2000 °C, а давление — до 2,5–3,0 МПа.
Рис. 2.8. Искра между электродами свечи
Обратите внимание, что главная цель создания самого двигателя — это как раз и есть третий такт (рабочий ход). Поэтому остальные такты называют вспомогательными.
Четвертый такт — выпуск
Во время этого процесса впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (трубопровод). Далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известная часть которой — глушитель, отработавшие газы уходят в атмосферу (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Фрагмент глушителя
Все четыре такта периодически повторяются в цилиндре двигателя, тем самым обеспечивая его непрерывную работу, и называются рабочим циклом.
Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые отличия от рабочего цикла бензинового. В нем во время такта впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух.
Во время такта сжатия он сжимается и нагревается. В конце первого такта, когда поршень приближается к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство — форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, — под большим давлением впрыскивается дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгорают.
При этом выделяется большое количество тепла и температура в цилиндре повышается до 1700–2000 °C, а давление — до 7–8 МПа.
Под действием давления газов поршень перемещается вниз, и происходит рабочий ход.
Такт выпуска дизельного двигателя аналогичен такту выпуска бензинового двигателя.
Вспомогательные такты (первый, второй и четвертый) совершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя — маховика, о котором также шла речь выше. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также позволяет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя стартером. Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал передает запас инерции маховику. Инерция помогает ему осуществлять вспомогательные такты рабочего цикла двигателя. Из этого следует, что при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень ходит в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилиндровом двигателе порядок работы цилиндров устанавливается таким образом, чтобы рабочий ход хотя бы одного поршня помогал осуществлять вспомогательные такты и плюс ко всему вращал маховик.
А теперь подведем итоги: совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала.
Порядок работы цилиндров четырехцилиндрового двигателя: 1-3-4-2. Пятицилиндрового, как правило, — 1-2-4-3-5.
Бензиновые и дизельные двигатели
По характеру рабочего процесса поршневые ДВС, устанавливаемые на большинстве автомобилей, делятся на двигатели с внешним смесеобразованием и воспламенением топливо-воздушной смеси от электрической искры и с внутренним смесеобразованием и воспламенением смеси от сжатия. Первые работают на бензине, вторые — на дизельном топливе.
Бензиновые двигатели работают на жидком топливе с принудительным зажиганием. Перед попаданием в цилиндры топливо в определенных пропорциях смешивается с воздухом — эту функцию выполняют карбюратор или инжектор, закрепляемые на двигателе снаружи. По-этому бензиновые двигатели называют также двигателями с внешним смесеобразованием.
Дизельные двигатели работают на жидком топливе (солярке) по принципу воспламенения от сжатия. Топливо подает в цилиндры форсунка, а уже внутри цилиндров оно смешивается с воздухом.
Есть еще один вид ДВС — газовые, работающие на метане или пропан-бутане. По принципу работы они практически не отличаются от бензиновых.
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)
Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя.
Ранее мы рассматривали устройство и работу одноцилиндрового двигателя. Но на большинстве современных легковых автомобилей установлены моторы с четырьмя и более цилиндрами. Такие моторы имеют либо обычное расположение цилиндров, либо V-образное.
В первом случае цилиндры расположены в одну линию, во втором — в два ряда с некоторым углом между ними. Эта информация нужна исключительно для общего развития, поскольку для успешной сдачи экзамена в ГИБДД необходимо знать устройство и работу лишь двух видов ДВС: с одним цилиндром и с четырьмя (причем на примере советских автомобилей).
У стандартного четырехцилиндрового двигателя кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих элементов:
¦ блока цилиндров с картером;
¦ головки блока цилиндров;
¦ поддона картера двигателя;
¦ поршней в комплекте с поршневыми
¦ кольцами и пальцами;
¦ шатунов, на которых закреплены поршни (см. рис. 2.4);
¦ коленчатого вала (см. рис. 2.5);
¦ маховика.
В блоке цилиндров расположены поршни, шатуны и коленчатый вал, образующие шатунно-поршневую группу (рис. 2.10), а также другие системы двигателя.
Блок цилиндров — «сердце» ДВС. Кроме шатунно-поршневой группы, в нем предусмотрены литые и высверленные каналы и отверстия, а также места установки подшипников.
На подшипниках в блоке цилиндров вращается коленчатый вал (см. рис. 2.5). Во внутренних полостях блока, между его двойными стенками, циркулирует охлаждающая жидкость, там же проходят специальные каналы системы смазки двигателя, по которым циркулирует масло. Наружное оборудование двигателя монтируется преимущественно на блоке цилиндров и при работающем моторе составляет с ним единое целое. Нижняя часть блока называется картером и представляет собой поддон (резервуар) для масла.
Рис. 2.10. Детали шатунно-поршневой группы:
1 — маслосъемное поршневое кольцо; 2, 3 — компрессионные поршневые кольца; 4, 6 — поршни; 5 — поршневой палец; 7 — шатун; 8 — крышка шатуна; 9 — шатунный вкладыш; 10 — отверстие на шатуне для выхода масла; 11 — метка «П» на поршне
Верхняя часть двигателя — вторая по значимости и по величине его составляющая — называется головкой блока цилиндров. В ней расположены камеры сгорания, клапаны и свечи зажигания, а также распределительный вал (на большинстве двигателей легковых автомобилей). В головке, как и в блоке цилиндров, предусмотрены каналы и полости для циркуляции охлаждающей жидкости и масла. Головка крепится к блоку цилиндров с помощью резьбовых соединений, а сверху через прокладку закрывается штампованной крышкой.
ДВС работает в очень жестком режиме: коленчатый вал двигателя на холостом ходу совершает около 1000 оборотов в минуту, то есть за секунду — около 16 полных вращений.
При движении автомобиля количество оборотов возрастает в 2–5 раз, то есть всего лишь за одну секунду коленвал совершает до 80 оборотов. При этом коленвал связан с поршнями, причем всего за пол-оборота вала поршень проделывает весь путь в цилиндре сверху вниз или наоборот, а за полный оборот — совершает два хода, да еще с полной остановкой в верхней и нижней мертвых точках и последующим изменением направления движения на противоположное. При этом поршни перемещаются в цилиндрах при очень высоких температурах и давлении.
Газораспределительный механизм (ГРМ)
Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в цилиндры двигателя горючей смеси и выпуска отработавших газов. Также он обеспечивает надежную изоляцию камеры сгорания от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода.
ГРМ состоит из следующих основных элементов (рис. 2.11):
¦ распределительного вала;
¦ рычагов;
¦ ремня газораспределительного механизма (ремень ГРМ) или цепи;
¦ впускных и выпускных клапанов с мощными пружинами;
¦ впускных и выпускных каналов.
Рис. 2.11. Газораспределительный механизм:
1 — коленчатый вал; 2 — ведущая звездочка; 3 — звездочка натяжного устройства; 4 — двуплечий рычаг; 5 — пружина; 6 — регулировочный винт; 7 — коромысло; 8 — ось коромысла; 9 — наконечник регулировочного винта; 10 — опорная шайба пружины; 11 — наружная и внутренняя пружины; 12 — крепления опорной шайбы на клапане; 13, 16 — выпускной и впускной клапаны; 14 — кулачок; 15 — ведомая звездочка распределительного вала; 17 — упорный фланец
Распределительный вал в большинстве двигателей легковых автомобилей установлен на головке блока цилиндров. Его образуют кулачки (эксцентрики), количество которых соответствует числу клапанов двигателя, то есть каждый кулачок работает только со своим конкретным клапаном. При вращении распределительного вала его кулачки через рычаги воздействуют на клапаны. Этим обеспечивается своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Иными словами, для открытия и закрытия клапанов должен повернуться распределительный (или кулачковый) вал.
В большинстве ДВС распредвал вращается от коленвала: с помощью или цепной передачи, или зубчатого ремня, натяжение которых регулируется специальными устройствами.
Ременный привод работает тише, прост в установке, не требует смазки, упрощает конструкцию двигателя и снижает его массу. Цепной привод имеет обратный эффект. Но если рвется ремень ГРМ, выходят из строя клапаны, если же повреждена цепь, то «страдает» фактически только она. Натяжение в цепном приводе регулируется подпружиненным плунжером, а ремня — роликом.
Большинство современных двигателей оснащено ременным приводом распредвала.
На примере одноцилиндрового ДВС рассмотрим работу газораспределительного механизма (см. рис. 2.7). Распредвал, получив вращение от коленвала, поворачивается. Его кулачок набегает на рычаг, который нажимает на стержень подпружиненного клапана и, преодолев сопротивление пружины, открывает его. Продолжая вращаться, кулачок сбегает с рычага (толкателя), и под воздействием пружины клапан закрывается. Дальше поршень через открытый впускной или выпускной клапан соответственно засасывает горючую смесь или выталкивает отработавшие газы.