Рис. 2. Разрез автомобильного двигателя
А теперь остановимся немного на основных принципах работы автомобильного двигателя. На всех автомобилях установлены двигатели внутреннего сгорания. Так они называются потому, что смесь бензина и воздуха сгорает внутри двигателя.
В основе работы каждого двигателя внутреннего сгорания лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании бензиновой смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.
Само по себе топливо не горюче. Горят только его пары, перемешанные с воздухом. Это и является «пищей» для автомобильного двигателя или, выражаясь технически грамотно, рабочей смесью. Если поджечь эту смесь, то она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если смесь поместить в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку. Рассмотрим схему одноцилиндрового двигателя, изображенную на рисунке 3.
Рис. 3. Одноцилиндровый автомобильный двигатель: 1 - цилиндр; 2 - поршень, 3 - шатун; 4 - коленчатый вал
В автомобильном двигателе замкнутым объемом с прочными стенками, о котором мы говорили выше, является цилиндр, а подвижной стенкой — поршень. Поршень под воздействием давления от сгорания рабочей смеси перемещается вниз, давит на шатун, который соединяет его с коленчатым валом. «Коленчатым» вал назван потому, что у него имеются выступы — «колена». К этим коленам и крепится шатун. Так как ось крепления шатуна располагается на некотором расстоянии от оси коленчатого вала, возникает крутящий момент, который и поворачивает весь коленчатый вал.
По принципу приготовления рабочей смеси все автомобильные двигатели делятся на две категории: с внешним смесеобразованием, или карбюраторные, и с внутренним смесеобразованием, или дизельные.
В карбюраторных двигателях воздух и пары топлива смешиваются в специальном устройстве — карбюраторе, оттуда смесь поступает в цилиндр, где воспламеняется свечой зажигания. В дизельных двигателях смесь «приготавливается» непосредственно в цилиндре, поэтому они и называются с внутренним смесеобразованием. Через специальное устройство — форсунку в цилиндр под огромным давлением впрыскивается топливо, перемешивается с поступившим ранее воздухом и самовоспламеняется от сильного сжатия. В отличие от карбюратора на образование смеси остается мало времени, поэтому не успевает произойти хорошее перемешивание, и горение получается неравномерным. Отсюда громко «рычат» двигатели грузовиков. Этот шум в основном и происходит от неравномерного сгорания рабочей смеси.
Как видно по схеме, в цилиндре, кроме движущегося поршня, есть два отверстия, которые закрываются специальными тарелочками на длинных ножках — клапанами, и устройство для розжига рабочей смеси — свеча. Название «свеча» относится к небольшой детали из металла и термостойкой керамики. В свече образуется электрическая искра, которая и поджигает смесь в цилиндре. А подробнее на конструкции свечей мы остановимся позже, когда будем рассматривать систему зажигания. Впускные и выпускные каналы, а также свеча зажигания необходимы для нормальной работы двигателя.
По впускному каналу в цилиндр поступает свежая рабочая смесь, которая поджигается свечой. А через выпускной канал отводятся образующиеся после сгорания смеси газы.
При этом в каждом отдельном случае поршень совершает определенное перемещение в цилиндре. Это носит название «такт двигателя». Тактов в автомобильном двигателе четыре. Отсюда и название — «четырехтактный двигатель».
Теперь подробнее рассмотрим все такты, так как это очень важно для дальнейшего понимания тобой процесса работы автомобильного двигателя. Сначала объясню ряд понятий, без которых невозможно наше дальнейшее знакомство с двигателем. Рассмотрим рисунок 4.
Рис. 4. Объемы цилиндра и положение поршня: 1 - объем камеры сгорания; 2 - рабочий объем цилиндра; 3 - ход поршня; 4 - ВМТ; 5 - НМТ
Самое верхнее и самое нижнее положения поршня в цилиндре двигателя называются «мертвыми точками». Их две — верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ). Пространство, которое ограничено поршнем и стенками цилиндра, когда поршень находится в верхнем положении, называется камерой сгорания При движении от своего самого верхнего до самого нижнего положения поршень проходит расстояние, называемое ходом поршня Если умножить это расстояние на площадь поршня, то получим рабочий объем цилиндра. Сумма рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания называется полным объемом цилиндра.
Если полный объем цилиндра разделить на объем камеры сгорания, то получим очень важную характеристику — степень сжатия двигателя. Она показывает, во сколько раз уменьшается, сжимаясь в объеме, рабочая смесь перед тем, как воспламениться. Это очень важно.
В двигателе чем сильнее мы сожмем рабочую смесь, тем с большей силой она давит на поршень после воспламенения и тем большую мощность разовьет двигатель.
Но бесконечно сжимать смесь нельзя. Чем больше мы сжимаем смесь, тем выше вероятность взрыва смеси в цилиндре при воспламенении свечой. Это явление носит название детонации. Детонация очень вредна для двигателя. Она его быстро разрушает. Чтобы ее избежать, в современных двигателях с высокой степенью сжатия применяют высококачественные или высокооктановые сорта бензинов. Цифры и буквы, которые можно видеть на бензоколонках, как раз и обозначают стойкость топлива против детонации Буква «А» — это то, что бензин автомобильный, а цифра — октановое число.
Октановое число — условная единица, которая обозначает стойкость топлива к сильному сжатию. Чем больше число, тем сильнее можно сжать смесь топлива с воздухом.
Значит, этот бензин можно применять в двигателях с большей степенью сжатия.
А теперь рассмотрим следующую схему (рисунок 5).
Рис. 5. Такты работы автомобильного двигателя: 1 - впускной клапан; 2 - выпускной клапан
На ней изображены четыре разных момента работы цилиндра, или, как мы уже говорили, такта.
Еще раз отмечу, что тактов четыре, и вместе они составляют рабочий цикл каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Поэтому он и называется четырехтактным.
Есть, правда, еще и двухтактные двигатели внутреннего сгорания, но на них мы останавливаться не будем, так как они применяются в основном на мотоциклах.
Первый такт носит название такта впуска. К началу этого такта, как и всего рабочего цикла, поршень находится в верхнем положении (ВМТ). Впускной и выпускной каналы закрыты. С началом продвижения поршня вниз, к нижнему положению (НМТ), открывается впускной клапан, и в цилиндр, под действием разрежения, создаваемого поршнем, по впускному каналу поступает рабочая смесь. По мере приближения поршня к НМТ канал постепенно перекрывается и полностью закрыт, когда поршень находится в НМТ. В течение всего этого такта цилиндр наполняется рабочей смесью, которая, как мы отметили выше, является «пищей» для двигателя.
Итак, цилиндр заполнен рабочей смесью. Теперь надо ее сжать. Для этого и существует второй такт — такт сжатия. Оба клапана закрыты, и поршень при движении от НМТ к ВМТ начинает сжимать, как пружину, рабочую смесь. При достижении поршнем ВМТ вся рабочая смесь сжата и находится в камере сгорания.
Теперь смесь нужно поджечь. Этим-то и занимается следующий, третий такт такт рабочего хода. Оба канала по-прежнему закрыты, а сжатая смесь поджигается искрой, создаваемой свечой зажигания. Смесь быстро воспламеняется и с огромной силой давит на поршень, который перемещается вниз, к НМТ. Отдав при расширении свою энергию, смесь сгорает и превращается в отработавшие газы, которые заполняют теперь весь объем цилиндра.
Во время последнего, четвертого такта происходит очистка цилиндра от отработавших газов и подготовка его к приему новой чистой рабочей смеси. Этот такт так и называется — такт выпуска. По мере подъема поршня от НМТ открывается выпускной канал, и поршень, как из насоса, выдавливает отработавшие газы из цилиндра через выпускное отверстие. Выпускной клапан закрывается по мере приближения поршня к ВМТ и полностью закрыт, когда поршень достиг ВМТ
Так заканчивается полный рабочий цикл двигателя. За тактом выпуска следует такт впуска, и все повторяется снова.
Вернемся к тактам и рабочему циклу двигателя. Только один такт из четырех дает двигателю необходимую для работы энергию. Ты, наверное, уже догадался, что это — рабочий ход. Все остальные три такта являются подготовительными или, как их называют, «холостыми». Они, как заботливые няньки наполняют цилиндр смесью, сжимают ее, очищают цилиндр. И все это для того, чтобы во время рабочего хода получить как можно больше энергии.
Но если четырехтактный двигатель будет состоять из одного цилиндра, то на нем далеко не уедешь. Для придания работоспособности на коленчатом валу двигателя располагается маховик. Это очень массивное колесо, которое получает энергию для вращения при рабочем ходе поршня. Затем, вращаясь, оно перемещает поршень при холостых ходах. Но и этой энергии недостаточно, и двигатель работает нечетко, с перебоями.
Для того, чтобы получить отлично работающий двигатель, увеличивают количество цилиндров.
В современных автомобильных двигателях количество цилиндров может быть четыре, восемь и даже двенадцать. А чтобы было понятно, для чего так делают, рассмотрим несложную диаграмму (рисунок 6).
Рис. 6. Диаграмма работы двигателя
По этой таблице хорошо виден порядок работы четырехцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. В верхней горизонтальной строке написаны номера цилиндров с первого по четвертый. А в вертикальных столбцах выписаны такты, которые происходят в каждом цилиндре. Это — рабочий ход, выпуск, впуск и сжатие. Мы имеем как бы четыре одноцилиндровых двигателя, поршни которых вращают один коленчатый вал. Только такт рабочего хода придает двигателю необходимую энергию. Клеточки с этим тактом помечены красным цветом. Получилась интересная картина: как только закончился рабочий ход в первом цилиндре, начинается тот же такт во втором, затем в четвертом и, наконец, в третьем. Потом все повторяется сначала.
Получается, что каждый поршень, отдав свою энергию коленчатому валу, как бы «передает эстафету» другому. Так что на вал двигателя постоянно поступает необходимая для вращения энергия.
Цилиндры, как дружные братья, помогают друг другу преодолеть холостые, подготовительные такты. Последовательность чередования рабочих тактов в цилиндрах носит название порядка работы двигателя. Так, в нашем случае это 1-2-4-3. Чем больше цилиндров в двигателе, тем стабильнее поток энергии, сообщаемой коленчатому валу, тем равномернее вращение вала и устойчивее работает двигатель автомобиля. Но, правда, и тем сложнее устройство двигателя.
Несколько слов скажем о дизельном двигателе. В принципе в его цикле присутствуют те же такты, что и в карбюраторном, но с небольшими изменениями. В такте впуска в цилиндр поступает не рабочая смесь, а чистый воздух, который и сжимается в такте сжатия. А после сжатия происходит не воспламенение смеси искрой, а впрыск в цилиндр топлива под большим давлением. Для этого вместо свечи зажигания устанавливается форсунка. Это как бы маленький насос. Происходит перемешивание топлива с воздухом и мгновенное воспламенение полученной смеси. Затем совершается рабочий ход.
А теперь, получив знания по теории работы двигателя, переходим к его устройству.
Все автомобильные двигатели состоят из двух механизмов и четырех систем: кривошипно-шатунного механизма, газораспределительного механизма, системы питания, системы зажигания, системы смазки и системы охлаждения.