18 Июля 2017 г.    $ 59.07 (-0.81)    € 67.62 (-0.74)

Двигатель внутреннего сгорания. Основа движения

В XIX веке в Европе стали работать над созданием двигателя внутреннего сгорания. Многолетние усилия ученых и инженеров увенчались успехом. 9 мая 1876 года немец Николаус Август Отто запатентовал двигатель, оказавшийся настолько удачным, что без изменений выпускался 10 лет и был растиражирован более чем в 30 000 экземплярах. Дальнейшее совершенствование классических бензиновых моторов шло до 30-х годов прошлого века, когда они приобрели те черты, которые почти без изменений сохранились до нынешних дней. Из каких же важнейших деталей состоят эти двигатели?

Основой любого мотора, работающего на жидком топливе, считается блок цилиндров – массивная деталь, обычно отливаемая из чугуна или алюминия. Классической схемой считается отливка поверхностей цилиндров – рабочих полостей – или гильз вместе с остальной частью блока. К основе силового агрегата крепятся головка блока, коробка передач и другие агрегаты, а внутри устанавливаются поршневая группа и кривошипно-шатунный механизм. Основной причиной замены или ремонта узла считается естественный износ поверхности цилиндров. Также поломки могут быть вызваны плохим качеством масла или работой «движка» без него. Поскольку внутри блока цилиндров проходят каналы системы охлаждения, за температурой и уровнем антифриза нужно следить регулярно.

Над блоком цилиндров бензинового двигателя расположена его головка (ГБЦ), соединенная с деталями газораспределительного механизма. ГРМ – это механизм распределения впуска топливной смеси и выпуска отработавших газов, то есть именно его составляющие отвечают за своевременное поступление горючего в цилиндры и выхлоп. Основным элементом является распределительный вал, с помощью которого открываются и закрываются клапаны – впускные и выпускные. От кулачков распредвала к штангам механизма усилие передается толкателями, в свою очередь, штанги передают усилие к коромыслам, а последнее звено в этой сложной цепи – клапан. Нормальная работа мотора зависит от синхронизации вращения распредвала с вращением коленчатого вала при помощи ремня, или в большинстве случаев, цепи ГРМ. Существуют три варианта механизмов с изменяемыми для улучшения характеристик мотора фазами газораспределения – это известные на Дальнем Востоке VTEC от компании Honda и VVT-i от Toyota, а также Valvetronic концерна BMW. В зависимости от количества распредвалов в головке блока (один или два), различают механизмы SOHC и DOHC соответственно. Предотвратить выход двигателя из строя поможет своевременная замена цепи, а также иногда полезно слушать звук выхлопа своей машины – при нормальной температуре охлаждающей жидкости перебои в работе – верный признак износа деталей механизма.

охлаждение (ГАЗ-31105).jpg
Элементы системы охлаждения 4-цилиндрового двигателя

Благодаря двигателю внутреннего сгорания, тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топливной смеси, преобразуется в механическую, что позволяет автомобилю двигаться. При сгорании топлива возрастает давление в цилиндре, и поршень, представляющий собой «стакан», с которым соединен поршневой палец, перемещается вниз. Для предотвращения попадания масла в камеру сгорания служат маслосъемные кольца, а утечку горючего в систему смазки останавливают компрессионные кольца. Износ поршневых колец часто становится причиной повреждения стенок цилиндра, повышенного расхода масла и бензина. Для соединения поршня с коленвалом применяют шатуны, при сгорании паров топлива они передают энергию на вал, а при трех других тактах рабочего цикла с их помощью поршень переходит в нужное положение. Наконец, посредством коленчатого вала и маховика, поступательное движение элементов механизма преобразуется во вращательное. Кроме того, ремни, идущие от вала, приводят в движение и систему охлаждения, и генератор, а на некоторых автомобилях – еще и кондиционер.

Теперь о системах смазки и охлаждения, от которых зависит жизнеспособность двигателя. Без системы охлаждения невозможна работа мотора – менее половины энергии, получаемой при сгорании топлива, идет на совершение полезной работы, а остальная ее часть расходуется в виде тепловых потерь, и без своевременного отвода тепла двигатель может быстро выйти из строя. Обычно система охлаждения состоит из насоса (помпы), радиатора, вентилятора, расширительного бачка, рубашки (то есть протоков и каналов в блоке двигателя и его головки), а так же радиатора и вентилятора отопителя. Насос охлаждающей жидкости обеспечивает постоянную циркуляцию антифриза в системе: при прогреве – только через блок и головку, а при высокой температуре – включая радиатор. За режимы работы отвечает термостат, при его неисправности силовой агрегат перегревается или наоборот получает слишком холодную жидкость.

Последствия перегрева мотора могут быть непредсказуемыми, например, головку блока может «повести», а блок даже может треснуть. В этом плане довольно опасными считаются моторы с воздушным охлаждением, которое применяется все реже. Большое распространение такие силовые агрегаты получили на мотоциклах, а раньше применялись и на микролитражках. Качество их работы напрямую зависит от температуры воздуха «за бортом», то есть если на улице жарко – охлаждение минимально, и существует угроза поломки, а когда слишком холодно – непрогретый мотор работает с перебоями (если, конечно, заведется). Задачей системы смазки является подача моторного масла к трущимся деталям двигателя, частичного их охлаждения (на некоторых автомобилях используется даже масляный радиатор), унос частиц мелких примесей, а также очистка масла. Масло образовывает тончайшую и прочнейшую пленку на поверхности трущихся деталей и предотвращает прямой контакт их микронеровностей друг с другом.

Отличительными чертами бензинового мотора являются система зажигания и устройство, подающее в цилиндры смесь бензина и воздуха, в нашем случае это система электронного впрыска топлива. Впрыск, который также называется распределенным, заменил не экологичные и требующие ухода карбюраторы, которые появились еще в конце XIX века (их конструкция устарела, и рассматривать ее не будем). Инжекторный двигатель получает воздух через воздушный фильтр, а топливо – через насос высокого давления. Электроника определяет количество смеси, что положительно сказывается на расходе топлива.

На современных автомобилях применяется так называемая батарейная система зажигания, то есть та, которая получает электрический ток от внешнего источника – от аккумулятора при запуске мотора или от генератора в движении. Катушка зажигания представляет собой импульсный трансформатор, преобразующий напряжение в бортовой сети (12 или 24В) в высоковольтные импульсы для подачи тока к свечам (при работе двигателя напряжение в высоковольтной части электропроводки колеблется от 3 до 30 тысяч вольт). Для обслуживания нескольких цилиндров используется либо распределитель зажигания, либо несколько катушек, каждая из которых подведена к одной свече или к их паре. Задачей свечи является подача искры в нужное время, которое называют моментом зажигания.

Применяемые на современных автомобилях ДВС относятся к четырехтактным. Их рабочий цикл состоит из 4 операций, или тактов.

Такт впуска.jpg

I такт (впуск). Поршень движется от верхней мертвой точки (в.м.т., крайнего положения) к нижней (н.м.т., другому крайнему положению). Через открытый впускной клапан из впускного газопровода в цилиндр засасывается свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, который смешивается с остаточными отработавшими газами и образует рабочую смесь. Содержание выхлопных газов не превышает 20%, а если бы их не было, сгорание топлива происходило бы чересчур резко, такой процесс называется детонацией.

Такт сжатия.jpg

II такт (сжатие). Поршень возвращается в крайнее верхнее положение, оба клапана закрыты. Смесь сжимается, давление растет, и ее температура повышается до 200 - 400ºС.

Рабочий ход.jpg

III такт (рабочий ход). В конце сжатия возникает искровой разряд, топливо сгорает при температуре 1600 - 2200?С и давление в цилиндре резко возрастает, газы, образовавшиеся при сгорании топливной смеси расширяются, возвращая поршень в н.м.т., в результате чего энергия, полученная при сгорании, преобразовывается в полезную механическую работу.

Такт выпуска.jpg

IV такт (выпуск, или выхлоп). При открытом выпускном клапане поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы в атмосферу. На современных двигателях в выпускной трубопровод встроены каталитические нейтрализаторы, заметно снижающие количество выбросов в окружающую среду. За своевременное открытие и закрытие клапанов отвечает именно ГРМ, а подача искры в нужный момент зависит от четкой работы системы зажигания.

За один рабочий цикл (четыре такта) ДВС коленчатый вал совершает два оборота. В трех тактах из четырех движение поршня обеспечивается энергией, запасенной маховиком, который жестко соединен с коленвалом и представляет собой диск с массивным ободом. Маховик запасает энергию, необходимую для продолжения вращения вала вне времени рабочего хода, при этом скорость вращения заметно не меняется. Из-за этой особенности, в классических бензиновых моторах (также называемых двигателями Отто), маховик должен быть очень массивным. Кроме того, для обеспечения наилучших условий работы двигателя, все его цилиндры в каждый момент работы находятся в разных тактах рабочего цикла.

Главной характеристикой любого двигателя является коэффициент полезного действия (КПД), то есть цифра, указывающая какая часть энергии, выделенная при сгорании топлива, превращается в полезную работу. Максимальный КПД для наиболее совершенных бензиновых силовых агрегатов составляет 44%. Значит механизм, с помощью которого мы можем перемещаться на самые далекие расстояния, еще далек от идеала. Это дает стимул для развития техники и появления альтернативных источников энергии.