Общее устройство, параметры, рабочий цикл и порядок работы цилиндров двигателя

Общее устройство и принцип работы двигателя

Двигатель — это агрегат, преобразующий какой-либо вид энергии в механическую работу. На отечественных легковых автомобилях устанавливаются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива внутри цилиндров двигателя преобразуется в механическую работу, используемую для передвижения автомобиля. Расширяющиеся при сгорании рабочей смеси (смесь топлива с воздухом) в цилиндрах двигателя газы воздействуют на поршни, поступательное движение которых преобразуется кривошипно-шатунным механизмом во вращательное движение коленчатого вала, которое в свою очередь передается при помощи агрегатов трансмиссии на ведущие колеса автомобиля, приводя его в движение.

Классификация автомобильных двигателей осуществляется по следующим признакам: по способу образования горючей смеси и ее воспламенения — с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением от электрической искры (карбюратор ные и газовые) и с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением от соприкосновения с нагретым в результате сильного сжатия воздухом (дизельные); по способу осуществления рабочего цикла — четырехтактные и двухтактные; по числу и расположению цилиндров — однорядные с вертикальным или наклонным расположением цилиндров и V-образные двухрядные с расположением рядов цилиндров под углом друг к другу; по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением.



Общее устройство, основные параметры и принцип работы двигателя рассмотрим на примере одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя.

Основными частями двигателя являются кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения и системы: система охлаждения, смазочная система, система питания, система зажигания и система пуска двигателя, которые выполняют различные функции и обеспечивают при взаимодействии работу двигателя.

Основные параметры двигателя

Основные параметры двигателя включают в себя следующие. Ход поршня S — путь, проходимый им от одной мертвой точки до другой (рис. 4). Ход поршня равен удвоенному радиусу R кривошипа. За один ход поршня коленчатый вал поворачивается на 180°, т. е. совершает половину оборота.



Мертвыми точками называются крайние положения поршня, где он меняет направление движения и его скорость равна нулю. При нахождении в верхней мертвой точке (ВМТ) поршень наиболее удален от оси коленчатого вала, а в нижней мертвой точке (НМТ) — наиболее приближен к ней.



Рабочий объем цилиндра Vp — объем, освобождаемый поршнем при движении от верхней мертвой точки до нижней. Сумма рабочих объемов всех цилиндров многоцилиндрового двигателя, выраженная в литрах, называется рабочим объемом двигателя (литражом). Чем больше рабочий объем цилиндров двигателя, тем при прочих равных условиях выше его мощность.

Объем камеры сгорания Vc — объем, образующийся над поршнем, когда последний находится в ВМТ.

Полный объем цилиндра — это объем пространства над поршнем при его нахождении в НМТ. Он равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.

Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. При большей степени сжатия рабочая смесь в конце такта сжатия будет занимать меньший объем, поэтому увеличиваются давление и температура рабочей смеси, а также скорость ее сгорания. В результате этого повышаются экономичность и мощность двигателя за счет уменьшения тепловых потерь и увеличения среднего давления газов на поршень при рабочем ходе. Однако повышение степени сжатия в карбюраторном двигателе ограничено стойкостью топлива к детонации (сущность детонации рассматривается в разд. «Система питания»). Степень сжатия в карбюраторных двигателях находится в пределах от 6 до 10.

Мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя при сгорании топлива, называется индикаторной,а снимаемая с коленчатого вала — эффективной. Она на 15... 25% меньше индикаторной из-за потерь на трение в двигателе, приведение в движение его механизмов и приборов и совершение вспомогательных ходов поршня.



Рабочим циклом называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности в цилиндре двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из четырех тактов: впуска, сжатия, рабочего хода (сгорание и расширение) и выпуска отработавших газов (рис. 5).



Такт — это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня.

Первый такт — впуск. При движении поршня 12 от ВМТ вниз к НМТ вследствие увеличения объема в цилиндре создается разрежение до 0,07...0,08 МПа, под действием которого из карбюратора через открывающийся впускной клапан 11 в камеру сгорания 4 и цилиндр 2 по впускному трубопроводу 10 поступает горючая смесь (смесь мелкораспыленного бензина с воздухом). В камере сгорания горючая смесь смешивается с оставшимися в ней от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь с температурой 100...130°C.



Второй такт — сжатие. Поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси и повышение ее температуры. Давление в цилиндре в конце такта сжатия составляет 0,8...1,2 МПа, а температура повышается до 300...480°C.

Третий такт — рабочий ход (сгорание и расширение). В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой 14 от свечи зажигания 6 и быстро сгорает (в течение 0,001...0,002 с). При этом выделяется большое количество тепла и, как следствие, повышается температура до 2000...2500°C и давление газов, которое возрастает до 3,5... 4,0 МПа и передается на поршень, перемещая его от ВМТ к НМТ. Сила давления газов от поршня 12 передается через поршневой палец 3, шатун 13 и кривошип на коленчатый вал 1, создавая на нем крутящий момент.

Четвертый такт — выпуск. Поршень вновь движется к ВМТ и под давлением 0,11...0,12 МПа выталкивает отработавшие газы, имеющие температуру 800...1100°C, в атмосферу через открывающийся выпускной клапан 7 и выпускной трубопровод 5, после чего цилиндр оказывается подготовленным к повторению рабочего цикла. Из рассмотренного рабочего цикла видно, что полезная работа совершается в течение только одного такта — рабочего хода, остальные же три такта являются вспомогательными и на их осуществление затрачивается часть энергии. Энергия, полученная при рабочем ходе, накапливается маховиком 11 (см. рис. 4) — массивным диском, установленным на заднем конце коленчатого вала. В целях получения большей мощности и равномерности вращения коленчатого вала двигатели делают многоцилиндровыми. Так, в четырехцилиндровых двигателях изучаемых легковых автомобилей за два оборота коленчатого вала получается уже не один, а четыре рабочих хода (по одному в каждом цилиндре).



Для равномерной и плавной работы многоцилиндрового двигателя одноименные такты в разных его цилиндрах должны чередоваться в определенной последовательности. Эта установленная последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называется порядком работы двигателя.

Порядок работы двигателя

Порядок работы двигателя зависит от расположения шатунных шеек с кривошипами на коленчатом валу и кулачков на распределительном валу. Если в четырехцилиндровом двигателе (рис. 6), у которого шатунные шейки расположены попарно под углом 180° (первая с четвертой и вторая с третьей) в одной плоскости, в первом цилиндре в течение первого полуоборота коленчатого вала происходит рабочий ход, то в четвертом цилиндре в это время — впуск. При этом поршни второго и третьего цилиндров одновременно будут двигаться вверх, совершая соответственно выпуск и сжатие. Тогда за следующие три полуоборота коленчатого вала произойдет рабочий ход последовательно в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндрах. Такой порядок работы цилиндров (1-3-4-2) применен на всех изучаемых двигателях. Порядок работы необходимо знать для правильного присоединения проводов высокого напряжения к свечам при установке зажигания, а также для регулировки тепловых зазоров в механизме газораспределения.





Общая компоновка двигателя на примере двигателя ВАЗ-2105 приведена на рис. 7. Основные технические характеристики изучаемых двигателей приведены в табл. 2.