Вся библиотека >>>

Содержание раздела >>>

 

Автолюбителю

Легковые автомобили


Учебное пособие для средней школы

 

Глава 2. Двигатель и системы обеспечивающие его работу

 

 

2.1. Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

 

Создатели первых транспортных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) отталкивались от конструкции уже существовавшей паровой машины. Для установки на автомобиль необходимо было сделать ее более компактной и производительной. Самые объемные и тяжелые, а также опасные элементы паровой машины — топка и котел. Значит, именно их и надо было преобразовать в первую очередь. А как?

Ответ на этот вопрос казался простым: изготовить резервуар с горючим газом, например светильным. Газ надо смешать с воздухом, ввести в цилиндр машины и там воспламенить. Горение и расширение смеси заменят работу пара, топка и котел больше не будут нужны. Подобный двигатель, напоминавший паровую машину, построил еще в 1860 г. французский механик Э. Ленуар. Это был так называемый газовый двигатель. Он был проще парового в обслуживании, но имел очень низкий коэффициент полезного действия (КПД)—всего 4% — и при сравнительно больших размерах развивал малую мощность.

Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 г. Н.-А. Отто совместно с Е. Лангеном (Германия). КПД нового двигателя уже достигал 15%. (Рабочий процесс двигателя совершался в течение четырех ходов поршня и двух оборотов коленчатого вала, поэтому его назвали четырехтактным.) К недостаткам двигателя Отто относятся тихоходность и большая масса (для размещения запаса газа требовался огромный резервуар), и двигатель оказался непригодным для установки на автомобиль.

Положение изменилось, когда ДВС стал работать на жидком топливе, приобрел быстроходность, компактность и легкость. Наибольший вклад в создание такого двигателя внесли немецкие инженеры Г. Даймлер, В. Май-бах.

Основными элементами автомобильного ДВС являются (см. табл. II цв. вкл.): цилиндр / с головкой 2 и размещенным внутри него поршнем 3; корпус 4, к которому прикреплен цилиндр и коленчатый вал 5; шатун 6, соединяющий поршень через поршневой палец 7 с коленчатым валом. При работе двигателя возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре превращается во вращательное движение коленчатого вала. Это вращение затем с помощью трансмиссии передается ведущим колесам автомобиля.

Размер двигателя (рабочий объем в литрах) определяется диаметром цилиндра и ходом поршня, а также числом цилиндров. Поэтому автомобильные двигатели принято классифицировать по литражу: микро- и малолитражные (до 1...2 л), среднего и большого литража (до 4 л и более).

 



Когда поршень находится в крайнем верхнем положении, над ним в цилиндре остается небольшой свободный объем — камера сгорания. Отношение полного объема цилиндра (поршень находится в крайнем нижнем положении) к объему камеры сгорания и называют степенью сжатия двигателя. У бензиновых ДВС она составляет 6...10 единиц, у дизельных — !5—22 единицы. Чем выше степень сжатия, тем большую мощность может развить двигатель. Однако она ограничивается свойствами используемого топлива и рядом других факторов (например, повышением загрязнения атмосферы вредными для человека и окружающей среды компонентами выхлопа).

По числу цилиндров автомобильные ДВС делятся на 2-, 3-, 4-, 5-', 6-и 8-цилиндровые. Они могут быть расположены в ряд вертикально, наклонно и горизонтально или в два ряда (V-образные, оппозитные) (рис. 2.1). При одинаковом числе цилиндров рядные двигатели имеют большую длину, чем V-образные или оппозитные. Рабочий процесс ДВС может осуществляться по 2- и 4-тактному циклам.

Учитывая, что подавляющее большинство автомобильных двигателей являются 4-тактными как наиболее экономичные, рассмотрим именно их рабочий процесс.

Цикл работы 4-тактного  карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов (рис. 2.2): впуск смеси   воздуха   и   топлива   в   цилиндр, сжатие ее, горение смеси  (рабочий ход)  и выпуск отработавших газов. Впуск смеси осуществляется при движении поршня от верхней (ВМТ)  к нижней (НМТ) мертвой точке (ВМТ и НМТ — точки, в которых поршень соответственно максимально и минимально удален от оси коленчатого вала). Над поршнем возникает разряжение (примерно 0,08 МПа), и смесь воздуха и топлива из системы питания поступает в цилиндр через впускной трубопровод и открытый впускной клапан.

При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Давление смеси топлива с воздухом поднимается до 0,9 МПа, и ее температура возрастает до 300°С. Чтобы обеспечить полное сгорание топлива, смесь в цилиндре поджигают с помощью электрической искры, проскакивающей между электродами свечи (рис. 2.3), ввернутой в головку цилиндра в момент, когда поршень еще не дошел до ВМТ. Это так называемое опережение зажигания. Однако опережение должно быть таким, чтобы в цилиндре не возникало слишком большого давления, мешающего движению поршня к ВМТ (это при раннем зажигании), и чтобы топливо успело полностью сгореть (это при позднем зажигании). И в том и другом случае снижается мощность двигателя, увеличивается расход топлива и выброс компонентов, вредных для окружающей среды.

Во время рабочего хода поршень опять движется к НМТ, а оба клапана закрыты. Идет процесс горения смеси, давление возрастает до 4 МПа, температура около 2000°С.

Когда поршень подходит к НМТ; открывается выпускной клапан и при дальнейшем движении поршня к ВМТ осуществляется выпуск отработавших газов в окружающую среду (давление около 0,11 МПа, температура 800° С).

Таким образом, цикл работы 4-тактного двигателя состоит из трех подготовительных тактов и одного рабочего хода за два оборота коленчатого вала. Вращение коленчатого вала в течение подготовительных ходов происходит за счет энергии, накопленной маховиком, установленным на вал во время рабочего хода.

При принудительном движении поршня вверх смесь воздуха с топливом, находящаяся в цилиндре, сжимается. Для уплотнения зазора между поршнем и цилиндром на поршне делают несколько канавок (рис. 2.4), в которые вставляют специальные кольца.

Чтобы двигатель работал устойчиво, надо своевременно подавать в цилиндр смесь топлива и воздуха и очищать его от продуктов сгорания. Для этой цели большинство автомобильных ДВС снабжено клапанным механизмом газораспределения (рис. 2.5 и 2.6). Каждый цилиндр двигателя снабжается, как минимум, одним впускным и одним выпускным клапанами.

Привод клапанов осуществляется от коленчатого вала двигателя с помощью шестерен, цепной (рис. 2.7) или ременной передачи.

Кроме того, нормальная работа двигателя обеспечивается специальными системами: питания, охлаждения, смазки, зажигания (у двигателей с принудительным воспламенением смеси), пуска.

Мощность, развиваемая ДВС на коленчатом валу, зависит главным образом от размеров двигателя и степени сжатия. Большое значение имеет форма камеры сгорания. Желательно, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (меньше потери тепла), в ней отсутствовали и перегретые и переохлажденные зоны. В этом отношении полусферическая форма камеры сгорания наиболее предпочтительна, что, однако, приводит к усложнению конструкции двигателя и особенно клапанного механизма газораспределения.

В цилиндр 4-тактного дизельного двигателя всасывается чистый воздух, давление и температура которого при сжатии сильно повышаются (примерно до 4 МПа и свыше 500°С). Когда поршень подходит к ВМТ, в камеру сгорания с помощью насоса и форсунки впрыскивается топливо. Оно смешивается с горячим воздухом и загорается. Во время рабочего хода давление в цилиндре достигает 10 МПа, а температура превышает 2000°С. Таким образом, детали дизеля более механически и термически нагружены, чем у бензинового двигателя. Поэтому их приходится делать из более качественных материалов и большей толщины, увеличиваются масса, размеры и стоимость двигателей. Работа дизельного двигателя сопровождается большим шумом.

Однако дизельные двигатели находят все большее применение даже на легковых автомобилях. Главными их преимуществами являются меньший (примерно на 30%), чем в карбюраторных двигателях, расход топлива, а также возможность использования более тяжелых его сортов. Модификацией дизельного двигателя является так называемый многотопливный двигатель, т. е. способный работать на дизельном топливе, керосине, бензине, спирте.

Существует еще один вариант классификации автомобильных двигателей по способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием (например, карбюраторные) и с внутренним смесеобразованием (дизельные). Первые имеют более простую конструкцию, дешевы в производстве, неприхотливы в эксплуатации.

Водитель в любых условиях может разобрать, очистить, собрать и отрегулировать карбюратор, а для обслуживания насоса высокого давления и форсунки дизельного двигателя необходимы специальная аппаратура и более высокая квалификация.

В зависимости от вида используемого топлива двигатели делят на работающие на жидком (бензин, дизельное топливо) и на газообразном (природные и промышленные газы) топливе.

 

1. Общее устройство автомобиля

2. Общее устройство и рабочий цикл двигателя

3. Кривошипно-шатунный механизм

4. Газораспределительный механизм

5. Система охлаждения

6. Масла и смазки, применяемые в автомобилях

7. Система смазки

 

1. Горючая смесь для карбюраторного двигателя

2. Принцип работы простейшего карбюратора

3. Устройство и работа карбюратора

4. Система питания дизельного двигателя

5. Система питания двигателя от газобаллонной установки

6. Подача топлива, очистка воздуха, подогрев горючей смеси

 

 «Легковые автомобили»         Следующая страница >>>

 

Смотрите также:  Автомобиль  Советы, ремонт автомобиля  Диагностирование электрооборудования автомобилей  История автомобиля  Старинные автомобили  "Автомобиль за 100 лет"  "Очерки истории науки и техники"   Быт. Хозяйство. Техника   Техническое творчество