Силовой установкой любого автомобиля является двигатель внутреннего сгорания (рис. 2.1).
В данной главе мы расскажем о его устройстве и основных принципах работы.
КАК И ПОЧЕМУ РАБОТАЕТ МОТОР АВТОМОБИЛЯ?
Работа двигателя внутреннего сгорания базируется на превращении тепловой энергии, образующейся в результате сгорания топлива, в механическую энергию, которая и применяется для приведения автомобиля в движение. При этом двигатель включает в себя следующие агрегаты, детали и узлы: головка блока цилиндров, блок цилиндров, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик, распределительный вал с кулачками, клапана, свечи зажигания (рис. 2.2).
Автомобили малого и среднего класса оборудуются обычно четырехцилиндровыми двигателями внутреннего сгорания. Именно такими моторами оснащались «Москвичи» и «Жигули» — самые известные представители советского автопрома. Машины среднего и большого класса могут оснащаться и шести-, и восьми-, и двенадцатицилиндровыми моторами. Здесь прослеживается следующая закономерность: чем больше цилиндров — тем мощнее мотор, но, с другой стороны, и тем больше топлива он будет расходовать.
Чтобы лучше уяснить принцип работы двигателя внутреннего сгорания, рассмотрим его на примере одноцилиндрового бензинового мотора. Его главной частью является цилиндр, внутренняя поверхность которого отполирована до зеркального состояния. Наглядно представить цилиндр очень просто — достаточно перевернуть вверх дном простой стакан. На цилиндре установлена съемная головка, а внутри его располагается поршень (рис. 2.3).
Поршень двигается внутри цилиндра вертикально — вверх-вниз. Снаружи по окружности поршня в специальных канавках расположены поршневые кольца. Дело в том, что поршень не прилегает плотно к внутренней поверхности цилиндра, а поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, а во-вторых — не «пускают» моторное масло в камеру сгорания (она находится над верхним положением поршня).
Поршень монтируется на шатуне с помощью поршневого пальца, а шатун, в свою очередь — на кривошипе коленчатого вала (рис. 2.4).
При сгорании горючей смеси образующиеся газы расширяются и давят на поверхность поршня, в результате чего он движется вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, заставляя его
вращаться. На конце коленвала находится маховик — массивный металлический диск. Он обеспечивает инерционное вращение коленчатого вала, благодаря чему совершаются подготовительные такты рабочего цикла двигателя.
Горючая смесь, представляющая собой смесь паров бензина и воздуха, поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания превращается в выхлопные газы и выходит через выпускной клапан. И впускной, и выпускной клапана открываются тогда, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала, и вновь плотно закрывают отверстие с помощью мощных пружин, когда кулачок уходит.
Распределительный вал приходит в движение от коленчатого вала. В головке блока цилиндров есть специальное отверстие с резьбой, в которое вкручивается свеча; именно она дает искру, от которой воспламеняется горючая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьмицилиндрового — восемь и т. д.).
При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в этих положениях он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее крайнее его положение — нижней мертвой точкой (сокращенно соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками называется ходом поршня.
Когда поршень находится в верхней мертвой точке, над ним остается пространство, которое называется камера сгорания; именно в этом пространстве воспламеняется и сгорает горючая смесь. В результате воспламенения образуется нечто вроде минивзрыва, который отталкивает поршень вниз — именно в этот момент происходит превращение тепловой энергии в механическую: двигаясь вниз, поршень толкает коленчатый вал, от которого крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля (более подробно о том, как это происходит, вы узнаете позже). Объем, занимаемый камерой сгорания, так и называется — объем камеры сгорания.
Объем, который находится в пространстве между ВМТ и НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Если сложить объем камеры сгорания и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра.
Сумма полных объемов всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания называется рабочим объемом двигателя.
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания — это определенная последовательность процессов, периодически совершающихся в каждом цилиндре.
Важно.
Каждый из рабочих процессов происходит в течение одного хода поршня и называется тактом.
Все двигатели внутреннего сгорания делятся на две категории: четырехтактные и двухтактные. Как нетрудно догадаться, в первом случае один рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, а во втором — за два хода поршня. Отметим, что современные автомобили, за редким исключением, оснащаются четырехтактными моторами. А двухтактные двигатели устанавливаются обычно на мотоциклах, мопедах, моторных лодках и т. п.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Начинается рабочий цикл с первого такта — впуска горючей смеси в цилиндр двигателя. Отметим, что топливо сгорает в камере сгорания не в чистом виде, а в виде смеси его паров с воздухом. Для подготовки топливно-воздушной смеси предназначен специальный прибор, который называется карбюратор (но в современных машинах карбюраторы, как правило, не используются — там эти функции возложены на специальные электронные приборы).
Смесь попадает в цилиндр в результате открытия впускного клапана, на который оказывает необходимое воздействие соответствующий кулачок распределительного вала. Знайте, что в этот момент поршень непременно располагается в ВМТ и начинает движение вниз в направлении НМТ. Получается, что, двигаясь вниз, поршень засасывает в цилиндр горючую смесь через открывшийся впускной клапан. Этот процесс продолжается, пока поршень не достигнет НМТ: одновременно с этим впускной клапан герметично закрывается под воздействием соответствующих пружин.
Важно.
При заполнении цилиндра горючей смесью она смешивается с остатками находящихся там выхлопных газов (они удаляются из цилиндра не полностью). После этого смесь называется рабочей смесью.
Пока совершается первый такт работы двигателя, коленвал проворачивается на пол-оборота.
После того как поршень достиг НМТ, впускной клапан плотно закрылся, а цилиндр заполнился рабочей смесью, начинается второй такт. В течение второго такта поршень поднимается вверх — от НМТ к ВМТ, сильно сжимая при этом рабочую смесь. В соответствии с законами физики температура рабочей смеси при сжатии существенно повышается. В тот момент, когда поршень достигает ВМТ, температура этой смеси составляет порядка 300–400 градусов по Цельсию. Второй такт завершается в момент максимального сжатия рабочей смеси, т. е. когда поршень достигает ВМТ. Пока совершается второй такт, коленвал проворачивается еще на пол-оборота. Получается, что за первые два такта работы двигателя коленвал делает один полный оборот.
Во время третьего такта работы двигателя тепловая энергия преобразуется в механическую. Когда поршень достигает ВМТ и рабочая смесь становится максимально сжатой, между электродами свечи зажигания проскакивает электрическая искра — и смесь воспламеняется. Сразу после этого она начинает активно расширяться и сильно давит на поршень, который находится в ВМТ. Другого выхода для энергии сгорания нет, так как оба клапана плотно закрыты. Под давлением поршень вынужден двигаться вниз, передавая свое движение через шатун на коленвал (а именно — на свой кривошип), заставляя его вращаться. Именно это вращение и заставляет в конечном итоге двигаться автомобиль. Коленвал за время совершения третьего такта проворачивается еще на пол-оборота.
Последний, четвертый такт рабочего цикла двигателя — выпуск отработанных (выхлопных) газов. Он начинается в тот момент, когда после третьего такта поршень достигает НМТ и вновь начинает подниматься вверх. При этом под воздействием соответствующего кулачка распредвала открывается выпускной клапан, и двигающийся вверх поршень выдавливает отработанные газы из цилиндра. После этого выпускной клапан под воздействием пружин закрывается. Затем выхлопные газы через глушитель и выхлопную трубу выводятся в атмосферу.
Завершается четвертый такт, когда поршень достигает ВМТ и закрывается выпускной клапан. За время совершения этого такта коленвал проворачивается еще на пол-оборота. Соответственно, за четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания (т. е. за один рабочий цикл) коленчатый вал делает два полных оборота. После этого вновь начинается первый такт и т. д.
ЧТО ТАКОЕ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ?
Газораспределительный механизм (сокращенно ГРМ) предназначен для обеспечения поступления горючей смеси в цилиндры двигателя, а также выпуска отработавших газов. ГРМ включает в себя распределительный вал, рычаги, ремень или цепь ГРМ, впускные и выпускные клапана с возвратными пружинами, впускные и выпускные каналы.
Распределительный вал (сокращенно — распредвал, рис. 2.5) располагается в головке блока цилиндров, вдоль ее верхней части. Главными функциональными элементами распредвала являются кулачки, число которых соответствует общему числу всех клапанов (как
впускных, так и выпускных). Распредвал установлен относительно клапанов так, что каждому из них соответствует свой кулачок. Когда распредвал вращается, его кулачки в определенной последовательности давят на соответствующие клапана, и те своевременно открываются. Когда кулачок перестает давить на клапан, он под воздействием возвратной пружины становится на прежнее место, герметично закрывая отверстие.
Другими словами, распредвал обеспечивает своевременное и согласованное с движением поршней в цилиндрах открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Поэтому впускной клапан откроется именно в самом начале первого такта, когда поршень находится в ВМТ, и закроется сразу, как только поршень достигнет НМТ. А выпускной клапан откроется точно в конце третьего такта, когда поршень еще находится в НМТ, и плотно закроет отверстие сразу, как только он достигнет ВМТ.
Энергию вращения распредвал получает от коленвала, с которым он соединен либо цепью, либо зубчатым ремнем ГРМ (рис. 2.6).
На конце распредвала для этого установлена специальная шестерня, а на конце коленчатого вала — либо зубчатый шкив, либо звездочка. Что именно используется в ГРМ — ремень или цепь, зависит от конкретной модели автомобиля.
Примечание.
Цепь все время должна быть натянута соответствующим образом, и для этого применяется специальный натяжитель, который монтируется в комплекте с башмаком. Если же в автомобиле применяется ремень ГРМ, то его требуемое натяжение обеспечивается с помощью соответствующего натяжного ролика.
Учтите, что разрыв цепи или ремня ГРМ грозит серьезной поломкой мотора (будут погнуты клапана и др.), в результате чего придется делать сложный и дорогостоящий капитальный ремонт. Обычно ремень ГРМ выдерживает пробег порядка 60 000 км, а цепь считается более надежной. Также очень важными деталями являются ролики ремня ГРМ — они со временем изнашиваются, и их также необходимо своевременно менять (поломка ролика чревата тем же, что и разрыв ремня ГРМ).
НАЗНАЧЕНИЕ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА
Кривошипно-шатунный механизм (сокращенно КШМ) обеспечивает преобразование поступательно-вращательного движения поршня внутри цилиндра во вращательное движение коленчатого вала двигателя. У стандартного четырехцилиндрового мотора КШМ включает в себя блок цилиндров с картером, головку блока цилиндров, поддон картера двигателя, поршни в комплекте с поршневыми кольцами и пальцами, шатуны (на которых крепятся поршни), коленчатый вал и маховик.
Главная часть КШМ (да и двигателя вообще) — это блок цилиндров. Он состоит не только из цилиндров (рис. 2.7) и деталей поршневой группы, но и целого ряда прочих элементов: каналов, заглушек, подшипников, сверлений. Коленвал, который установлен на специальных подшипниках, вращается именно в блоке цилиндров.
Внизу блока цилиндров расположен картер. Внутри блока цилиндров во время работы двигателя постоянно циркулирует охлаждающая жидкость: летом это может быть простая вода, в холодный же сезон необходимо использовать тосол или антифриз. Также внутри блока цилиндров проходят масляные каналы, которые относятся к системе смазки двигателя.
Примечание.
Немалая доля навесного моторного оборудования монтируется именно на блоке цилиндров, и при включенном двигателе работает с ним как единое целое.
Что касается назначения и принципа работы поршня и иных деталей поршневой группы, то об этом мы уже говорили выше. Напомним лишь, что под силой мощного давления, которое образуется в цилиндре после сгорания рабочей смеси, поршень движется вниз и передает свое движение через шатун (на котором он установлен) на коленчатый вал, образуя тот самый крутящий момент, с помощью которого автомобиль и приводится в движение.
Знайте, что двигатель внутреннего сгорания работает в довольно жестком режиме. На холостых оборотах (т. е. когда мотор работает, но машина стоит на месте, находясь на нейтральной передаче) коленчатый вал вращается со скоростью 600–900 оборотов в минуту (или около 10–16 оборотов в секунду). Во время движения со средней скоростью мотор работает еще интенсивнее, и коленчатый вал крутится со скоростью от 2000 до 3000 оборотов в минуту. А у современных спортивных авто скорость вращения коленвала может зашкаливать за 200 оборотов в секунду (10 000 — 13 000 оборотов в минуту).
Следовательно, поршни в цилиндрах перемещаются вверх-вниз очень быстро. Ранее мы уже отмечали, что за один полный оборот коленвала поршень успевает дважды пройти расстояние между ВМТ и НМТ. Так вот: эти движения он выполняет буквально за какие-то доли секунды. Если к этому добавить мощное давление, а также высокую температуру в каждом цилиндре, то условия работы двигателя внутреннего сгорания можно назвать экстремальными.
