Двигатели внутреннего сгорания, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также следующих пяти систем:

Системы питания;

Системы зажигания;

Системы охлаждения;

Системы смазки;

Системы выпуска отработавших газов.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.

Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания. Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма. Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм.

Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами и, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня. Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ). Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом.

Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S = 2R. Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа = Vс + Vh.

Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh = пД ^ 3 * S/4, где Д - диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр = (пД ^ 2 * S)/4 * i, где i - число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E = (Vc + Vh)Vc = Va/Vc = Vh/Vc + 1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность.

Для ознакомления с главной и неотъемлемой частью любого транспортного средства рассмотрим устройство двигателя автомобиля . Для полноценного восприятия его важ-нос-ти, двигатель всегда сравнивают с сердцем человека. Пока сердце работает - человек живет. Аналогично и двигатель, как только он останавливается, или не запускается - автомобиль со всеми его системами и механизмами превращается в груду бесполезного железа.

За время модернизации и совершенствования автомобилей, двигатели очень сильно изменились по своей конструкции в сторону компактности, экономичности, бесшумности, долговечности и т.д. Но принцип работы остался неизменным - на каждом автомобиле имеется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Исключение составляют только элект-ро-дви-га-те-ли как альтернативный способ получения энергии.

Ниже представлено устройство двигателя автомобиля в разрезе.

Название «двигатель внутреннего сгорания» произошло именно от принципа по-лу-че-ния энергии. Топливно-воздушная смесь, сгорая внутри цилиндра двигателя, выделяет ог-ром-ное количество энергии и заставляет через многочисленную цепочку узлов и механизмов в конечном итоге двигаться автомобиль. Именно пары топлива в смешивании с воздухом при воспламенении дают такой эффект в ограниченном пространстве.

Для наглядности на рисунке показано устройство одноцилиндрового двигателя ав-то-мо-би-ля.

В одноцилиндровом двигателе рабочий цилиндр изнутри представляет собой замк-ну-тое пространство. Поршень, соединенный через шатун с коленчатым валом, является единственным подвижным элементом в цилиндре одноцилиндрового двигателя. Когда пары топлива и воздуха воспламеняются, вся высвобождаемая энергия давит на стенки цилиндра и поршень, заставляя его перемещаться вниз. Конструкция коленчатого вала в од-но-ци-линд-ро-вом двигателе выполнена таким образом, что движением поршня через шатун создается крутящий момент, заставляя проворачиваться сам вал и получать вращательную энергию. Таким образом, высвобождаемая энергия от горения рабочей смеси преобразуется в ме-ха-ни-чес-кую энергию.

Для приготовления топливно-воздушной смеси используются два способа: внутреннее или внешнее смесеобразование. Оба способа еще отличаются по составу рабочей смеси и методов ее воспламенения.

Чтобы иметь четкое понятие об устройстве двигателя автомобиля, стоит знать, что в двигателях применяют два вида топлива: бензин и дизельное топливо. Оба вида энер-го-но-си-те-лей получаются на основе переработки нефти. Бензин очень хорошо испаряется на воздухе. Поэтому для двигателей, работающих на бензине, для получения топливно-воздушной смеси применяется такое устройство как карбюратор. Более подробно устройство карбюратора будет рассмотрено в разделе, посвященном системе питания двигателя . В карбюраторе поток воздуха смешивается с капельками бензина и подается в цилиндр. Там полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется при подаче искры через свечу за-жи-га-ния для двигателя .

Дизельное топливо (ДТ) обладает малой испаряемостью при обычной температуре, но при смешивании с воздухом под огромным давлением, полученная смесь са-мо-вос-пла-ме-ня-ет-ся. На этом и основан принцип работы дизельных двигателей (см. устройство ди-зель-но-го двигателя). ДТ впрыскивается в цилиндр отдельно от воздуха через форсунку. Узкие сопла форсунки в сочетании с большим давлением при впрыскивании в цилиндр превращают дизельное топливо в мелкие капли, которые смешиваются с воздухом. Для визуального представления - это аналогично тому, когда вы давите на крышку баллончика с духами или одеколоном: выдавливаемая жидкость моментально смешивается с воздухом, образуя мел-ко-дис-пер-си-он-ную смесь, которая тут же распыляется, оставляя приятный аромат. Тот же самый эффект распыления происходит и в цилиндре. Поршень, двигаясь вверх, сжимает воздушное пространство, увеличивая давление, и смесь самовозгорается, заставляя поршень двигаться в обратном направлении.

В обоих случаях качество приготовленной рабочей смеси сильно влияет на пол-но-цен-ную работу двигателя. Если идет недостаток в топливе или воздухе - рабочая смесь не полностью сгорает, а вырабатываемая мощность двигателя существенно уменьшается.

Как же и за счет чего подается рабочая смесь в цилиндр?

На рисунке видно, что от цилиндра вверх выходят два стержня с большими шляпками. Это впускной и выпускной клапаны, которые закрываются и открываются в определенные моменты времени, обеспечивая рабочие процессы в цилиндре. Они могут быть оба закрыты, но никогда оба не могут быть открыты. Об этом будет сказано чуть позже.

На бензиновом двигателе в цилиндре присутствует та самая свеча, которая вос-пла-ме-ня-ет топливно-воздушную смесь. Это происходит за счет возникновения искры под воз-дейст-ви-ем электрического разряда. Принцип действия и работы будет рассмотрен при изучении системы зажигания двигателя .

Впускной клапан обеспечивает своевременное поступление рабочей смеси в цилиндр, а выпускной клапан - своевременный выпуск отработавших газов, которые больше не нужны. Клапаны работают в определенный момент времени движения поршня. Весь процесс превращения энергии от сгорания в механическую энергию называется рабочим циклом, состоящим из четырех тактов: впуск рабочей смеси, сжатие, рабочий ход и выпуск от-ра-бо-тав-ших газов. Отсюда и название - четырехтактный двигатель.

Рассмотрим работу поршня по следующему рисунку.

Поршень в цилиндре совершает только возвратно-поступательные движения, то есть вверх-вниз. Это называется ходом поршня. Крайние точки, между которыми двигается поршень, называются мертвыми точками: верхняя (ВМТ) и нижняя (НМТ). Название «мертвая» идет от того, что в определенный момент, поршень, меняя направление на 180°, как бы «застывает» в нижнем или верхнем положении на тысячные доли секунды.

ВМТ находится на определенном расстоянии до верхней границы цилиндра. Эта область в цилиндре называется камерой сгорания. Область с ходом поршня носит название рабочего объема цилиндра. Это понятие вы, наверняка, слышали при перечислении ха-рак-те-рис-тик любого двигателя автомобиля. Ну а сумма рабочего объема и камеры сгорания об-ра-зу-ет полный объем цилиндра.

Соотношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется сте-пенью сжатия рабочей смеси. Это довольно важный показатель в устройстве двигателя автомобиля. Насколько сильно сжата смесь, настолько больше получается отдача при сго-ра-нии, которая преобразуется в механическую энергию.

С другой стороны, чрезмерное сжатие топливно-воздушной смеси приводит к ее взрыву, а не горению. Это явление носит название «детонация». Она ведет к потере мощности и разрушению или чрезмерному износу всего двигателя. Для избегания детонации двигателя современное топливное производство выпускает бензин, устойчивый к высокой степени сжатия. Каждый видел на АЗС надписи вроде АИ-92 или АИ-95. Цифра обозначает октановое число. Чем больше ее значение, тем больше устойчивость топлива к детонации, со-от-ветст-вен-но его можно применять с большей степенью сжатия.

После рассмотрения работы поршня вернемся к рабочему циклу цилиндра. Рас-смот-рим схему работы двигателя автомобиля.

Первый такт , с чего начинается весь процесс – это впуск. Поршень находится в ВМТ. С началом его движения вниз открывается впускной клапан. Из-за возникающего вакуума, воздух или уже готовая рабочая смесь засасывается в цилиндр. В дизельном двигателе в этот момент впрыскивается топливо через форсунку. В момент достижения поршнем НМТ впуск-ной клапан полностью закрывается. Таким образом, полный объем цилиндра заполнен рабочей смесью, состоящей из паров топлива и воздуха. Первый такт завершен.

Такт второй – сжатие. Перед воспламенением рабочей смеси и получения большей энергии от ее горения, саму смесь надо предельно сжать. Для этого создается полная герметичность внутреннего пространства цилиндра закрытием всех клапанов, а поршень движется вверх к ВМТ. При достижении верхней мертвой точки такт сжатия заканчивается в камере сгорания происходит воспламенение.

Наступает третий такт – рабочий ход поршня.

Напомним, что у бензиновых двигателей возгорание происходит через проскакивание искры в свечи зажигания. У дизельных ДВС воспламенение происходит самопроизвольно при достижении максимального давления. Клапаны по-прежнему закрыты. Огромная выс-во-бож-да-е-мая энергия от возгорания давит на поршень, заставляя его двигаться вниз. Этот ход поршня или такт и является ключевым в работе двигателя автомобиля. Только он дает энергию, которой хватает совершать остальные такты рабочего процесса и заставлять двигаться в целом весь автомобиль. Этому способствует находящийся маховик на конце коленчатого вала. Получая энергию от движения поршня через шатун, он обеспечивает вра-ще-ние вала для совершения трех остальных тактов рабочего цикла. Поэтому, если двигатель глохнет или не заводится - значит в цилиндре рабочая смесь по какой-то причине не воспламеняется. Из-за названия такта «рабочий ход поршня», остальные 1, 2 и 4 такты называют «холостыми», которые, по сути, и обеспечивают работу 3 такта.

По достижении НМТ при работе поршня процесс сгорания завершен, а полный объем цилиндра занят газами и остатками горения, которые нужно вытеснить наружу для начала нового цикла.

Начинается заключительный, четвертый такт - выпуск отработавших газов.

С началом движения поршня вверх открывается выпускной клапан. Газы под воз-дейст-ви-ем давления, создаваемым поршнем, выталкиваются через выпускной канал из цилиндра. К моменту достижения ВМТ при работе поршня, клапан закрывается. В этот момент рабочий цикл завершается и начинается новый.

На примере одноцилиндрового двигателя мы рассмотрели сам процесс получения энергии. Но для бесперебойной и равномерной работы любого двигателя одного такого цилиндра мало. Ведь из четырех тактов рабочий только один. В современных автомобилях, даже самых простых, двигатели имеют минимум 4-6 цилиндров, обычно 6-8, бывает и доходит до 12. И это число всегда четное.

Для полного понимания стоит взглянуть на рисунок, где представлена диаграмма ра-бо-ты двигателя автомобиля.

Здесь представлен классический вариант работы двигателя автомобиля с 4 цилиндрами. Они пронумерованы 1, 2, 3, 4 и под ними показано, когда в каждом цилиндре происходят такты рабочего цикла. Если рассмотреть внимательно - то видны две за-ко-но-мер-нос-ти.

Первая - по горизонтали: ни в одном цилиндре не происходит один и тот же такт одновременно с происходящими тактами в других цилиндрах. То есть 4 цилиндра – од-нов-ре-мен-но 4 разных такта.

Вторая закономерность. Смотрим слева направо и сверху вниз. Везде соблюдена очередность тактов: впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск. Такая очередность работы ци-линд-ров обеспечивает равномерную работу двигателя автомобиля в целом. Чем больше цилиндров, тем стабильней работает ДВС, даже если какой-нибудь один из них не работает.

Но увеличение числа цилиндров ведет к повышению сложности устройства двигателя автомобиля, что тоже ведет к снижению эффективности. Поэтому самый оптимальный вариант устройства двигателя автомобиля - это 4-8 цилиндров.

На этом теория о получении механической энергии от энергоносителей закончена. В следующем разделе мы рассмотрим работу основных систем ДВС, обеспечивающих его непрерывный рабочий процесс.

Двигатель внутреннего сгорания в сочетании со всеми системами, механизмами и узлами, обеспечивающими его полноценную работу, называется силовой установкой. Сам ДВС состоит из двух механизмов, с одним из которых мы уже отчасти столкнулись в те-о-ре-ти-чес-кой части. Устройства этих механизмов нам с вами предстоит подробно рассмотреть в следующих главах. Это газораспределительный механизм и кривошипно-шатунный механизм . Кроме этого у двигателя есть 4 системы, без которых работа двигателя автомобиля просто невозможна. Это система питания двигателя, система охлаждения двигателя , система смазки двигателя и система зажигания двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - самый распространенный тип двигателя легкового автомобиля. Работа двигателя этого типа основана на свойстве газов расширяться при нагревании. Источником теплоты в двигателе является смесь топлива с воздухом (горючая смесь).

Двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов: бензиновые и дизельные. В бензиновом двигателе горючая смесь (бензина с воздухом) воспламеняется внутри цилиндра от искры, образующейся на свече зажигания 3 (рис. 3). В дизельном двигателе горючая смесь (дизельного топлива с воздухом) воспламеняется от сжатия, а свечи зажигания не применяются. На обоих типах двигателей давление образующейся при сгорании горючей смеси газов повышается и передается на поршень 7. Поршень перемещается вниз и через шатун 8 действует на коленчатый вал 11, принуждая его вращаться. Для сглаживания рывков и более равномерного вращения коленчатого вала на его торце устанавливается массивный маховик 9.

Рис.3. Схема одноцилиндрового двигателя.

Рассмотрим основные понятия о ДВС и принцип его работы.

В каждом цилиндре 2 (рис. 4) установлен поршень 1. Крайнее верхнее его положение называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее - нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, пройденное поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня. За один ход поршня коленчатый вал повернется на половину оборота.

Рис.4. Схема цилиндра

Камера сгорания (сжатия) - это пространство между головкой блока цилиндров и поршнем при его нахождении в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра - пространство, освобождаемое поршнем при перемещении его из ВМТ в НМТ.

Рабочий объем двигател - это рабочий объем всех цилиндров двигателя. Его выражают в литрах, поэтому нередко называют литражом двигателя.

Полный объем цилиндра - сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.

Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. Степень сжатия у бензинового двигателя равна 8...10, у изельного - 20... 30.

От степени сжатия следует отличать компрессию.

Компрессия - это давление в цилиндре в конце такта сжатия характеризует техническое состояние (степень изношенности) двигателя. Если компрессия больше или численно равна степени сжатия, состояние двигателя можно считать нормальным.

Мощность двигателя - величина, показывающая, какую работу двигатель совершает в единицу времени. Мощность измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с), при этом одна лошадиная сила приблизительно равна 0,74 кВт.

Крутящий момент двигателя численно равен произведению силы, действующей на поршень во время расширения газов в цилиндре, на плечо ее действия (радиус кривошипа - расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки коленчатого вала). Крутящий момент определяет силу тяги на колесах автомобиля: чем больше крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля.

Максимальные мощность и крутящий момент развиваются двигателем при определенных частотах вращения коленчатого вала (указаны в технической характеристике каждого автомобиля).

Такт - процесс (часть рабочего цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, рабочий цикл которого происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным независимо от количества цилиндров.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Он протекает в одном цилиндре в такой последовательности (рис. 5):

Рис.5. Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рис.6. Схема работы четырехцилиндрового двигателя

1 -й такт - впуск. При движении поршня 3 вниз в цилиндре образуется разрежение, под действием которого через открытый впускной клапан 1 в цилиндр из системы питания поступает горючая смесь (смесь топлива с воздухом). Вместе с остаточными газами в цилиндре горючая смесь образует рабочую смесь и занимает полный объем цилиндра;

2-й такт - сжатие. Поршень под действием коленчатого вала и шатуна перемещается вверх. Оба клапана закрыты, и рабочая смесь сжимается до объема камеры сгорания;

3-й такт - рабочий ход, или расширение. В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, которая воспламеняет рабочую смесь (в дизельном двигателе рабочая смесь самовоспламеняется). Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал;

4-й такт - выпуск. Поршень перемещается вверх, и через открывшийся выпускной клапан 4 выходят наружу из цилиндра отработавшие газы.

При последующем ходе поршня вниз цилиндр вновь заполняется рабочей смесью, и цикл повторяется.

Как правило, двигатель имеет несколько цилиндров. На отечественных автомобилях обычно устанавливают четырехцилиндровые двигатели (на автомобилях «Ока» -двухцилиндровый). В многоцилиндровых двигателях такты работы цилиндров следуют друг за другом в определенной последовательности. Чередование рабочих ходов или одноименных тактов в цилиндрах многоцилиндровых двигателей в определенной последовательности называется порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы цилиндров в четырехцилиндровом двигателе чаще всего принят I -3-4-2 или реже I -2-4-3, где цифры соответствуют номерам цилиндров, начиная с передней части двигателя. Схема на рис. 6 характеризует такты, происходящие в цилиндрах во время первого полуоборота коленчатого вала. Порядок работы двигателя необходимо знать для правильного присоединения проводов высокого напряжения к свечам при установке момента зажигания и для последовательности регулировки тепловых зазоров в клапанах.

В действительности любой реальный двигатель гораздо сложнее упрощенной схемы, представленной на рис. 3. Рассмотрим типовые элементы конструкции двигателя и принципы их работы.

Почти на всех современных автомобилях в качестве силовой установки применяется двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 2.1).

Существуют еще электромобили, но их мы рассматривать не будем.

Рис. 2.1.

В основе работы каждого ДВС лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.

При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку
будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.

ПРИМЕЧАНИЕ
В ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.

ДВС, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:

• питания;
• выпуска отработавших газов;
• зажигания;
• охлаждения;
• смазки.

Основные детали ДВС:

• головка блока цилиндров;
• цилиндры;
• поршни;
• поршневые кольца;
• поршневые пальцы;
• шатуны;
• коленчатый вал;
• маховик;
• распределительный вал с кулачками;
• клапаны;
• свечи зажигания.

Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восьмью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 2.2). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.

Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы - стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 2.3). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 2.4).

Рис. 2.2.
а - четырехцилиндровые; б - шестицилиндровые; в - двенадцатицилиндровые (α - угол развала)

Рис. 2.3.

Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия превращается в механическую.

Рис. 2.4.

1 - шатун в сборе; 2 - крышка шатуна;3 - вкладыш шатуна; 4 - гайка болта; 5 - болт крышки шатуна; 6 - шатун; 7 - втулка шатуна; 8 - стопорные кольца; 9 - палец поршня; 10 - поршень; 11 - маслосъемное кольцо; 12, 13 - компрессионные кольца

Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 2.5).

Рис. 2.5.

1 - коленчатый вал; 2 - вкладыш шатунного подшипника; 3 - упорные полукольца; 4 - маховик; 5 - шайба болтов крепления маховика; 6 - вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 - вкладыш центрального (третьего) подшипника

В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.

Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 2.3). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис. 2.3). А расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.

Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ - это камера сгорания.

А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра. В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.

Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливовоздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6-14, у дизельных - 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт. Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливовоздушной смеси.

В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 2.6), в дизельных - от сжатия.

Рис. 2.6.

При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.

Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск - маховик (см. рис. 2.5). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются. А сейчас поговорим немного подробнее о работе одноцилиндрового двигателя.
Повторим, первое действие - попадание внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливовоздушной смеси, которую приготовил карбюратор или инжектор.

Этот процесс называется тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливовоздушной смесью происходит, когда поршень из верхнего положения движется в нижнее. При этом к цилиндру двигателя подведены два канала: впускной и выпускной. Горючая смесь впускается через первый канал, а продукты ее сгорания выходят через второй. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: клапан - это подобие гвоздя с большой круглой шляпкой, перевернутый шляпкой вниз, которой закрывается вход из канала в цилиндр.

При этом шляпка прижимается к кромке канала мощной пружиной и закупоривает его. Если нажать на клапан (тот самый гвоздь), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала откроется (рис. 2.7).

Первый такт - впуск

Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным. Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на полоборота.

Второй такт - сжатие

После того как топливовоздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.

Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.7). Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное простран ство - камера сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °С.

Третий такт - рабочий ход

Третий такт - самый ответственный момент, когда тепловая энергия превращается в механическую. В начале третьего такта (а на самом деле в конце такта сжатия) горючая смесь воспламеняется с помощью искры свечи зажигания (рис. 2.8).

Рис. 2.7.

а - такт впуска; б - такт сжатия; в - такт рабочего хода; г - такт выпуска

Давление от расширяющихся газов передается на поршень, и он начинает двигаться вниз (от ВМТ к НМТ). При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Рабочая смесь сгорает с выделением большого количества тепла, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень с большой силой перемещается вниз, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800–2000 °С, а давление - до 2,5–3,0 МПа.

Рис. 2.8.

Обратите внимание, что главная цель создания самого двигателя - это как раз и есть третий такт (рабочий ход). Поэтому остальные такты называют вспомогательными.

Четвертый такт - выпуск

Во время этого процесса впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (трубопровод). Далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известная часть которой - глушитель, отработавшие газы уходят в атмосферу (рис. 2.9).

Рис. 2.9.

Все четыре такта периодически повторяются в цилиндре двигателя, тем самым обеспечивая его непрерывную работу, и называются рабочим циклом. Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые отличия от рабочего цикла бензинового. В нем во время такта впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух.

Во время такта сжатия он сжимается и нагревается. В конце первого такта, когда поршень приближается к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство - форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, - под большим давлением впрыскивается дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгорают.

При этом выделяется большое количество тепла и температура в цилиндре повышается до 1700–2000 °С, а давление - до 7–8 МПа.

Под действием давления газов поршень перемещается вниз, и происходит рабочий ход. Такт выпуска дизельного двигателя аналогичен такту выпуска бензинового двигателя.

Вспомогательные такты (первый, второй и четвертый) совершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя - маховика, о котором также шла речь выше. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также позволяет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя стартером. Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал передает запас инерции маховику. Инерция помогает ему осуществлять вспомогательные такты рабочего цикла двигателя. Из этого следует, что при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень ходит в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилиндровом двигателе порядок работы цилиндров устанавливается таким образом, чтобы рабочий ход хотя бы одного поршня помогал осуществлять вспомогательные такты и плюс ко всему вращал маховик.

А теперь подведем итоги: совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за
один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала.