Введение
Двигателем называется устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в механическую работу. В зависимости от преобразуемого вида энергии различают двигатели тепловые, электрические, гидравлические и др. В современных автомобилях применяются главным образом тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), т. е. двигатели, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую работу, а сгорание топлива происходит внутри цилиндра.
Человечеству понадобился не один век, чтобы осуществить мечту о быстром и удобном передвижении. Для этого требовалось создать новый, достаточно мощный и компактный двигатель.
В разных странах над этой проблемой работали многие изобретатели. Так, в 1860 г. Жан Жозеф Этьен Ленуар построил первый промышленный двигатель внутреннего сгорания, работающий на светильном газе (рис. 2.1).
В 1867 г. Николаус Август Отто и Эйген Ланген на Всемирной выставке в Париже представили новую версию двигателя внутреннего сгорания, КПД которого превышал КПД двигателя Ленуара примерно в три раза. В 1878 г. Николаус Август Отто построил первый работающий на газе четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с КПД примерно 15 %. В России в 1882 г. Огнеслав Стефанович Костович построил на Охтинской судоверфи восьмицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, для которого в качестве топлива использовался бензин. Двигатель был создан для воздухоплавания. В 1883 году Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах разработали первый четырехтактный бензиновый двигатель для автомобиля. В 1887 году Вильгельм Майбах изобрел карбюратор, имеющий поплавковую камеру. Генрих Форд в этом же году построил свой первый автомобиль. В 1897 году Рудольф Дизель подготовил свой двигатель к запуску в производство. На исследовательские работы ему потребовалось четыре года.
2.1. Классификация двигателей
Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим критериям:
1. По характеру движения рабочих частей:
– с возвратно-поступательным движением поршней;
– роторно-поршневые (двигатели Ванкеля) (рис. 2.2).
2. По расположению цилиндров:
– рядные (рис. 2.3, а);
– V-образные (рис. 2.3, б);
– оппозитные (рис. 2.3, в);
– звездообразные (рис. 2.3, г).
3. По способу осуществления рабочего цикла:
– четырехтактные двигатели;
– двухтактные двигатели.
4. По способу воспламенения горючей смеси:
– бензиновые двигатели с принудительным воспламенением;
– дизельные двигатели с воспламенением от сжатия.
5. По способу смесеобразования:
– с внешним смесеобразованием (вне камеры сгорания), преимущественно бензиновые двигатели;
– с внутренним смесеобразованием (в камере сгорания), преимущественно дизельные двигатели.
6. По типу систем охлаждения:
– с жидкостным охлаждением;
– с воздушным охлаждением.
7. По расположению распределительных валов:
– с верхним расположением распределительного вала;
– с нижним расположением распределительного вала.
8. По типу топлива:
– бензиновые;
– дизельные;
– работающие на газе.
9. По способу наполнения цилиндров:
– без наддува (атмосферные);
– с наддувом.
В автомобилях применяются, в основном, двигатели с возвратнопоступательным движением поршней. Скорее всего, эта тенденция сохранится и в ближайшем будущем.
Совершенствование конструкции двигателей происходит постоянно. С течением времени двигатели становятся все компактнее, а применяемые для их изготовления материалы – все качественнее. Для повышения мощностных показателей и экономичности совершенствуются системы подготовки топливной смеси процесса сгорания. Одновременно ужесточаются и закрепляются законодательно экологические требования к качеству отработанных газов. Двигатели, не соответствующие этим требованиям, запрещены к эксплуатации.Двигатель является сердцем автомобиля, и чтобы он работал долго и надежно, необходимо правильно его эксплуатировать. Для этого требуется знать основные принципы работы и устройство двигателя.
2.2. Устройство и работа
Бензиновый двигатель – это двигатель с возвратно-поступательным движением поршней и принудительным воспламенением, работающий на топливно-воздушной смеси. В процессе сгорания запасенная в топливе химическая энергия преобразуется в тепловую, а тепловая энергия – в механическую.
Основные элементы четырехтактного бензинового двигателя (рис. 2.4):
Рис. 2.4. Основные элементы двигателя
• головка блока цилиндров;
• блок цилиндров;
• кривошипно-шатунный механизм;
• газораспределительный механизм.
Необходимо иметь в виду, что блок цилиндров является номерной деталью, подлежащей регистрации.
Двигатель с возвратно-поступательным движением поршней и воспламенением от сжатия называется дизельным. При воспламенении от сжатия химическая энергия топливно-воздушной смеси преобразуется в тепловую, а затем, посредством поршней, в механическую энергию. Необходимая для сгорания смесь образуется непосредственно в камере сгорания.
Конструктивно дизельные двигатели не отличаются от бензиновых, только вместо свечей зажигания установлена форсунка впрыска топлива. Степень сжатия в дизельном двигателе выше, чем в бензиновом. Из-за меньшего тепловыделения дизельные двигатели имеют больший КПД по сравнению с бензиновыми.
2.2.1. Принцип работы бензинового двигателя
В цилиндре происходит сгорание топлива и преобразование тепловой энергии в механическую работу. Для этого в цилиндре имеется поршень, который при помощи пальца и шатуна связан с коленчатым валом (рис. 2.5).
Поршень движется в цилиндре, заставляя коленчатый вал вращаться, и, таким образом, возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное. Это преобразование происходит благодаря работе кривошипно-шатунного механизма.
Поршень надет на поршневой палец, одновременно проходящий через верхнюю головку шатуна. Нижняя разъемная головка шатуна охватывает шейку коленчатого вала. Такую шейку называют шатунной. Она смещена относительно других шеек, называемых коренными, на некоторое расстояние. Коренные и шатунные шейки связаны между собой пластинами почти прямоугольной формы – щеками. Щеки вместе с коренными и шатунными шейками образуют кривошип .
Коренные шейки коленчатого вала являются его осью и вращаются в подшипниках, расположенных в картере (основании) цилиндра. Шатунная шейка, как любая точка на ободе колеса, вынуждена вращаться относительно своей оси, описывая окружность, радиус которой называется радиусом кривошипа .
Чтобы полнее представить работу двигателя, необходимо знать, что такое рабочий объем цилиндра, объем камеры сгорания, полный объем цилиндра, степень сжатия, верхняя мертвая точка (в. м. т.), нижняя мертвая точка (н. м. т.) и число оборотов коленчатого вала (рис. 2.6, см. также на цветной вклейке рис. ЦВ 2.6).
Рабочий объем цилиндра (рис. 2.6, б) – пространство между мертвыми точками. Он заполняется горючей смесью при такте впуска, т. е. когда поршень движется от верхней мертвой точки к нижней. Когда поршень достигает в. м. т., над ним остается небольшое свободное пространство, называемое камерой сжатия или сгорания (рис. 2.6, а). Объем камеры сгорания в совокупности с рабочим объемом составляют полный объем цилиндра (рис. 2.6, в). Все перечисленные объемы измеряют в кубических сантиметрах.
При делении полного объема цилиндра на объем камеры сгорания получается величина, называемая степенью сжатия. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимают горючую смесь в цилиндре. Чем выше степень сжатия, тем сильнее будет давление на поршень при сгорании смеси и, следовательно, больше мощность двигателя. При увеличении степени сжатия от того же количества топлива можно получить больше полезной работы. Однако при чрезмерном увеличении степени сжатия происходит самовоспламенение рабочей смеси, и она сгорает с высокой скоростью – происходит детонация топлива, вызывающая неустойчивую работу двигателя. При детонации в двигателе появляется резкий стук, мощность снижается, и из глушителя выходит черный дым.
Теперь рассмотрим, как работает двигатель. Допустим, что поршень наиболее удален от коленчатого вала, т. е. находится в положении верхней мертвой точки. Шатун и кривошип коленчатого вала как бы вытянулись в одну линию (рис. 2.6, а). В цилиндре воспламеняется топливо. Расширяющиеся газы (продукты горения) начинают перемещать поршень вниз, в сторону коленчатого вала, и вместе с поршнем перемещается шатун. В это время нижняя головка шатуна, связанная с коленчатым валом, поворачивает коленчатый вал на 180 градусов, в положение нижней мертвой точки (рис. 2.6, б). При дальнейшем вращении нижняя головка шатуна вместе с шатунной шейкой начнет двигаться обратно, т. е. вверх, в исходное положение. Соответственно, поршень также начнет обратное движение. Таким образом, поршень то удаляется, то приближается к коленчатому валу. В крайних точках поршень на мгновение останавливается, и его скорость равна нулю. Поэтому такие точки названы «мертвыми».
Каждое движение поршня между двумя мертвыми точками называется ходом поршня. Расстояние между мертвыми точками, как видно из рисунка, равно удвоенной длине кривошипа (расстояние между коренной и шатунной шейкой). При каждом ходе поршня коленчатый вал поворачивается на пол-оборота или 180 градусов.
Сверху цилиндр закрыт головкой. В верхней части поршня установлены пружинистые кольца , уплотняющие зазор между поршнем и стенками цилиндра. В результате пространство над поршнем изолируется от пространства, расположенного под ним. При движении поршня от верхней к нижней точке в цилиндре создается разрежение (давление меньше 1 кг/см2). Если цилиндр соединить с трубопроводом, по которому поступает горючая смесь, то он заполнится этой смесью. Процесс заполнения цилиндра горючей смесью называется впуском (рис. 2.7).
При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней (цилиндр по-прежнему изолирован от внешней среды) рабочая смесь сжимается, и давление в цилиндре возрастает от 8 до 14 кг/см2 – происходит сжатие (рис. 2.8), при этом коленчатый вал поворачивается еще на пол-оборота. Сжатая горючая смесь готова к сгоранию (цилиндр по-прежнему изолирован от внешней среды), поэтому достаточно электрической искры, чтобы смесь воспламенилась и началось выделение горячих газов. Под давлением газов поршень вынужден начать движение от верхней мертвой точки к нижней. Одновременно с поршнем коленчатый вал поворачивается еще на пол-оборота. Этот процесс называется расширением или рабочим ходом (рис. 2.9).За счет энергии, образующейся при работе газов, поршень движется поступательно вниз, и коленчатый вал вращается. Далее поршень продолжает двигаться, но уже от нижней к верхней мертвой точке, а коленчатый вал в четвертый раз поворачивается на пол-оборота. Цилиндр соединен с трубопроводом, через который выбрасываются отработавшие газы. Этот процесс называется выпуском (рис. 2.10).
За это время поршень четыре раза прошел мертвые точки и совершил четыре хода. Коленчатый вал повернулся вокруг своей оси два раза (всего на 720 градусов), в цилиндре полностью произошел так называемый рабочий цикл.
Процессы в цилиндре, связанные с движением поршня и вращением коленчатого вала, называют тактами : впуск, сжатие, рабочий ход (расширение), выпуск. Такт рабочего хода совершается за счет тепловой энергии газов, а такты впуска, сжатия и выпуска – за счет кинетической энергии маховика , укрепленного на конце коленчатого вала.
Как любое раскрученное колесо продолжает вращаться по инерции, так и маховик, запасаясь энергией при рабочем ходе, продолжает вращать коленчатый вал, перемещая поршень в цилиндре. Поэтому эти такты (впуск, сжатие и выпуск) являются вспомогательными.
Двигатель, рабочий цикл которого совершается за четыре такта (два оборота коленчатого вала), называется четырехтактным. Существуют также двухтактные двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня и один оборот коленчатого вала. Их почти не применяют на автомобилях, а устанавливают на мотоциклах и мопедах.
Выше был описан рабочий цикл одноцилиндрового двигателя. На современные автомобили, в зависимости от их назначения, веса и размера, ставят двигатели, имеющие два, четыре, шесть, восемь и двенадцать цилиндров. Рабочие объемы всех цилиндров многоцилиндрового двигателя суммируются, и получается объем, называемый литражом двигателя. Литраж определяет класс автомобиля; увеличение литража двигателя сопровождается ростом его мощности.
Изучив рабочий цикл одноцилиндрового двигателя, легко представить рабочий цикл двигателя многоцилиндрового. У двигателя, имеющего четыре цилиндра, число рабочих ходов во всех цилиндрах за рабочий цикл двигателя будет равно тоже четырем. А во время рабочего хода в одном цилиндре в трех других будут совершаться вспомогательные такты. Коленчатый вал будет равномерно вращаться в результате непрерывно повторяющихся рабочих ходов в его отдельных цилиндрах.
Очередность рабочих ходов и других тактов в цилиндрах подчинена строгому порядку работы. В четырехцилиндровых четырехтактных двигателях применяется следующая очередность работы цилиндров: 1-2-4-3 и 1-3-4-2.
Такты работы дизельного четырехтактного двигателя аналогичны тактам бензинового двигателя. Дизельные и бензиновые двигатели отличаются способом воспламенения горючей смеси.
2.2.2. Кривошипно-шатунный механизм
Основные части кривошипно-шатунного механизма и схемы их взаимодействия показаны на рисунках.
Цилиндр является основной частью двигателя, в которой происходит весь рабочий процесс. Внутренняя часть цилиндра отполирована до зеркального блеска, поэтому ее называют зеркалом цилиндра. У многоцилиндровых двигателей цилиндры изготовлены в одной общей отливке, образующей блок цилиндров. Материалом для блока цилиндров служит серый чугун или алюминиевый сплав. В блок, отлитый из алюминиевого сплава, запрессовывают чугунные гильзы, образующие цилиндры. Первый цилиндр находится, как правило, со стороны шкива привода аксессуаров (рис. 2.11), за исключением двигателей французских производителей, у которых по установившейся традиции нумерация цилиндров осуществляется со стороны коробки передач.
Нумерация цилиндров двигателей с двумя рядами цилиндров (V-образных двигателей) начинается с правого полублока (рис. 2.12).
Различают двигатели с правым и левым направлением вращения, если смотреть со стороны шкива (рис. 2.13). Распространение получили двигатели с правым направлением вращения.
Сверху блок плотно закрывает головка, отлитая из алюминиевого сплава или серого чугуна. В головке цилиндров имеются впускные и выпускные каналы, перекрываемые клапанами, и отверстия для свечей зажигания. Через впускные каналы в цилиндры поступает горючая смесь, а через выпускные каналы выходят отработавшие газы. Между блоком и головкой ставят уплотняющую прокладку, обеспечивающую герметичность соединения. Блок и головка имеют двойные стенки, образующие полость, которые заполняют охлаждающей жидкостью. Эту полость называют рубашкой охлаждения.
Поршень должен быть легким и обладать хорошей теплопроводностью, потому его отливают из алюминиевого сплава. Нижнюю часть поршня называют юбкой, верхнюю – головкой, а плоскость, которая воспринимает давление газов, – днищем. С внутренней стороны юбка имеет приливы – бобышки с отверстиями для поршневого пальца. Юбка поршня должна постоянно прилегать к зеркалу цилиндра и не заклиниваться при тепловом расширении – для этого на ней имеется разрез, допускающий ее сжатие (см. рис. 2.5).
