ДВИГАТЕЛЬ
Общее устройство и рабочий цикл двигателя
внутреннего сгорания. Порядок работы
цилиндров двигателя
На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего
сгорания, в которых используется давление расширяющихся
газов, образующихся при сгорании топлива непосредственно
в цилиндре. Однако следует отметить, что фактически
сжигается рабочая смесь, состоящая из горючей смеси и остатков
отработавших газов предыдущего рабочего цикла.
По способу образования горючей смеси (пары топлива и
воздух) и виду используемого топлива различают двигатели:
• с внешним смесеобразованием (карбюраторные, работающие
на бензине, и газосмесительные, работающие
на горючем газе);
• с внутренним смесеобразованием (дизельные, работающие
на дизельном топливе).
Воспламенение рабочей смеси осуществляется с помощью
электрического разряда или высокой степени сжатия (дизельные
двигатели). В результате сгорания рабочей смеси образу
ющиеся газы давят на поршень, придавая ему прямолинейное
движение, которое с помощью шатуна и коленчатого вала
преобразуется во вращательное движение маховика. Чтобы
поддержать работу двигателя, необходимо периодически очищать
камеру сгорания цилиндра от отработавших газов и наполнять
ее свежим зарядом горючей смеси, что осуществляется
с помощью выпускных и впускных клапанов.
Поршень, перемещаясь в цилиндре, совершает возвратно-
поступательное движение. Крайние положения, в которых
поршень меняет направление движения, соответственно называются
верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ).
Расстояние, проходимое поршнем между ВМТ и НМТ,
называется ходом поршня. Процесс, происходящий в цилиндре
за один ход поршня, называют тактом.
Пространство в цилиндре, освобождаемое поршнем при
его перемещении от ВМТ к НМТ, называется рабочим объемом
цилиндра. Наименьшее пространство в цилиндре образуется
при нахождении поршня в ВМТ и называется объемом
камеры сгорания. Рабочий объем цилиндра и объем
камеры сгорания составляют полный объем цилиндра. Сумма
всех рабочих объемов цилиндров называется литражом
двигателя и выражается в кубических сантиметрах. Отношение
полного объема цилиндра к объему камеры сгорания
называется степенью сжатия, которая является важным
показателем двигателя. С повышением степени сжатия повышается
экономичность и мощность двигателя.
Для выполнения основного рабочего такта, при котором
происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов, необходимо
выполнить подготовительные такты: впуск горючей
смеси, сжатие, и заключительный — выпуск отработавших
газов. Таким образом, непрерывность работы двигателя достигается
совокупностью периодически повторяющихся в цилиндре
процессов — тактов, объединяющихся в рабочий цикл.
Так как рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня,
автомобильные двигатели называются четырехтактными.
Последовательность чередования тактов в рабочих циклах
двигателей с внешним смесеобразованием такая же, как
и в дизеле. Отличие состоит только в степени сжатия и способе
воспламенения рабочей смеси.
Впуск — поршень движется от ВМТ к НМТ. Открыт впускной
клапан. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра
создается разряжение и происходит заполнение цилиндра
свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие — поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной
и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршнем уменьшается.
Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшаются
испарение и перемешивание паров топлива с воздухом,
Рабочий ход (сгорание и расширение) — происходит воспламенение
рабочей смеси от электрического разряда в двигателях
с внешним смесеобразованием или вследствие высокой
степени сжатия — в дизельных двигателях. Под
давлением расширяющихся газов поршень перемещается от
ВМТ к НМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Высокое
давление газов, температура их достигает 9000°С.
Выпуск — поршень двигается от НМТ к ВМТ. Открыт
выпускной клапан. Происходит вытеснение отработавших
газов из камеры сгорания цилиндра.
Для обеспечения нормальной работы двигатель внутреннего
сгорания имеет следующие механизмы и системы:
• кривошипно-шатунный механизм;
• газораспределительный механизм;
• систему охлаждения;
• систему смазки;
• систему питания;
• систему зажигания.
Дизельные двигатели системы зажигания не имеют, так
как воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя
происходит за счет высокой степени сжатия.
Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давле
ние газов при их расширении и преобразует прямолинейное,
возвратно-поступательное движение поршня во вращательное
движение коленчатого вала двигателя.
Газораспределительный механизм предназначен для своевременного
впуска в камеру сгорания цилиндра двигателя
необходимого заряда горючей смеси и выпуска из него отработавших
газов.
Система охлаждения служит для отвода излишнего тепла
от деталей двигателя и для поддержания оптимального температурного
режима работающего двигателя. Существуют
жидкостная и воздушная системы охлаждения двигателя.
Система смазки предназначена для подачи смазки к трущимся
поверхностям деталей двигателя, отвода тепла от
деталей; уноса механических частиц, образующихся в результате
трения, и очистки моторного масла.
Система питания служит для приготовления горючей
смеси в карбюраторных и газосмесительных двигателях,
подачи ее в камеры сгорания цилиндров двигателя и удаления
продуктов сгорания. В дизельных двигателях система
питания обеспечивает впрыск топлива в мелкораспыленном
виде в цилиндры.
Система зажигания предназначена для преобразования
тока низкого напряжения в ток высокого напряжения с целью
образования электрического разряда в камере сгорания
цилиндра двигателя для воспламенения рабочей смеси.
В одноцилиндровом двигателе на один рабочий ход приходится
три подготовительных такта, вследствие чего такой
двигатель работает неравномерно. Более того, масса двигателя,
приходящаяся на единицу его мощности, будет велика.
С целью устранения этих недостатков применяют двигатели
с большим числом цилиндров, шатуны которых связаны с
кривошипами общего коленчатого вала. Конструктивно коленчатый
вал изготовлен таким образом, что рабочие такты
в цилиндрах не совпадают, а подготовительные такты приходятся
на рабочие такты других цилиндров. В этом случае
роль маховика снижается, что позволяет уменьшить его массу,
и, следовательно, уменьшается общая масса двигателя,
приходящаяся на единицу его мощности. Достигается равномерность
в работе двигателя.
В многоцилиндровых двигателях цилиндры располагаются
в один ряд вертикально или наклонно, а также в два
ряда под углом 90° (или V-образное расположение двигуна).