§ 5. Поршневые двигатели внутреннего сгорания

Принципиальная схема устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть представлена двумя меха­низмами: кривошипно-шатунным и газораспределительным (рис. 99). При помощи кривошипно-шатунного механизма используется энергия образовавшегося в процессе сгорания газа.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя состоит из ци­линдра 1, закрытого головкой 2, внутри которого возвратно-поступательно перемещается поршень 3, соединенный поршне­вым пальцем 4, с шатуном 5. Шатун в свою очередь связан с коленчатым валом 6, опирающимся на картер 7. На конце коленчатого вала имеется маховик (массивный диск). Поршень воспринимает давление газов, возникающее в камере сгорания, и, перемещаясь в цилиндре, при помощи поршневого пальца и шатуна поворачивает коленчатый вал двигателя. Так возни­кает на коленчатом валу, а значит, и на маховике крутящий момент, который может быть использован для привода в движение других машин и механизмов.

Рис. 99. Устройство двигателя внутреннего сгорания:

1 — цилиндр; 2 — головка; 3 — поршень; 4 — палец; 5 — шатун; 6 — коленчатый вал; 7 — картер; 8 — клапаны;

9 — пружины; 10 — толкатели; 11 — распределительный вал; 12 — штанга; 13 — коромысло; 14 — шестерни.

Протекание процессов в цилиндре двигателя регулирует распределительный механизм. Он состоит из впускных и выпу­скных клапанов 8 с пружинами 9, толкателей 10, приводящих в движение клапаны, распределительного вала 11, действующего на толкатели, штанг 12 и коромысел 13, передающих движение от распределительного вала к клапанам, и шестерен 14, связывающих кривошипно-шатунный механизм с газораспредели­тельным.

Описанные два механизма, а также система питания (устрой­ства для подачи топлива и воздуха в цилиндр двигателя), система зажигания (устройства для воспламенения горючей смеси в цилиндре), система охлаждения (устройства для под­держания определенной температуры стенок цилиндра) и си­стема смазки (устройства для смазки трущихся поверхностей) обеспечивают работу автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

По характеру осуществления рабочего цикла двигатели внутреннего сгорания разделяются на карбюраторные и дизели.

В карбюраторных двигателях горючая смесь (смесь паров бензина и воздуха) приготавливаемся вне цилиндра (в карбю­раторе) и воспламеняется затем электрической искрой.

В дизелях горючая смесь образуется внутри цилиндра путем впрыска в него топлива и самовоспламеняется под влиянием высокой температуры сжатого в цилиндре воздуха.

Карбюраторные двигатели и дизели широко распространены, особенно на транспорте. Первые используются обычно там, где требуется небольшая мощность, компактность и легкость силовой установки — на всех автомобилях, кроме тяжелых грузови­ков, в электросварочных агрегатах с приводом генератора от двигателя внутреннего сгорания, на мотоциклах и др. В случаях, когда требуется большая мощность, применяют дизели на тракторах, автомобилях большой грузоподъемности, тепловозах, теплоходах и др.

Дизельные двигатели превосходят карбюраторные двигатели по экономичности (расход топлива на каждую лошадиную силу эффективной мощности в час составляет в них 165-170 Г, а в карбюраторных двигателях — 210—220 Г), но зато они уступают им в весе (дизели — 9 кГ/л, с, а карбюраторные — до 5 кГ/л. с.) и простоте устройства и обслуживания. При этом к. п. д. дизелей достигает 0,38, в то время как у карбюраторных двигателей он не превосходит 0,30. Ниже рассматривается устройство карбюраторного двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. В двигателе внутреннего сгорания энергия топлива превращает­ся в механическую энергию. С этой целью цилиндр двигателя заполняется горючей смесью, которая в нем сгорает. Образо­вавшиеся при этом газы имеют высокую температуру и давле­ние. Расширяясь, они перемещают поршень и совершают ра­боту. Затем отработавшие газы удаляются из цилиндра и он снова заполняется свежей горючей смесью. Все процессы, происходящие в двигателе, повторяются.

Сочетание этих процессов, последовательно повторяющихся в цилиндре двигателя, называется рабочим циклом, а каждый процесс — тактом.

Крайнее верхнее положение поршня в цилиндре называется верхней мертвой точкой (в. м. т.), крайнее нижнее — нижней мертвой точкой (н. м.т.). Путь, пройденный поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня.

Движение поршня сопровождается изменением объема, рас­положенного между днищем поршня и головкой блока ци­линдров. При положении поршня в в.м.т. над ним остается объем камеры сгорания V_с.

Рабочим объемом цилиндра называется объем, заклю­ченный между в. м. т. и н. м. т. Рабочий объем и объем камеры сгорания в сумме составляют полный объем ци­линдра V_а. Сумма рабочих объемов всех цилиндров много­цилиндрового двигателя, выраженная в литрах, называется его литражом и обозначается V_h. По литражу различают дви­гатели малолитражные (1,2л), среднелитражные (1,2— 2,4л) и крупнолитражные (свыше 2,5 л).

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из следу­ющих процессов (рис. 100): впуск, сжатие, рабочий ход (сгора­ние — расширение), выпуск.

Впуск. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. Объем над поршнем увеличивается, и в цилиндре образуется разрежение. Открывается впускной клапан, и горючая смесь заполняет ци­линдр, так как давление при впуске. Все время ниже атмосфер­ного.

Рис. 100. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

П роцесс впуска осуществляется непосредственно вслед за выпуском, поэтому свежая горючая смесь неизбежно смешивает­ся с отработавшими газами, которые всегда остаются в камере сгорания каждого цилиндра двигателя (остаточные газы). Образовавшаяся смесь воздуха, паров бензина и отработавших газов называется рабочей смесью. Температура газов в конце впуска лежит в пределах 80 – 130º С, а давление 0,6 – 0,9 кГ/см². На индикаторной диаграмме (рис. 101) процесс впуска изобра­жается линией ra, которая располагается под линией, изобра­жающей атмосферное давление (1 кГ/см²).

Сжатие. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. Оба клапана закрыты, объем над поршнем уменьшается, и рабочая смесь сжимается, температура ее по­вышается, благодаря чему улучшается испарение бензина и перемешивание его паров с воздухом. Рабочая смесь по­лучается более однородной, а ее сгорание — более полным. Так, для двигателя ГАЗ-51 температура в конце сжатия равна около 330° С, а давле­ние — 12 кГ/см².

Процесс сжатия характе­ризуется коэффициентом ε, называемым степенью сжатия, который представляет собой отношение полного объема ци­линдра υ_а к объему камеры сгорания υ_c

С увеличением степени сжатия повышается мощность и экономичность двигателя. Вот почему во всех вновь создаваемых двигателях стремятся под­нять степень сжатия возможно выше. Степень сжатия отечест­венных двигателей находится в пределах 6,0—7,5 и ограничена физическими свойствами бензина, который при чрезмерно высокой степени сжатия сгорает с огромной скоростью. Это взрывное (детонационное) сгорание нарушает нормальную ра­боту двигателя.

На индикаторной диаграмме процесс сжатия изображается линией ас.

Рабочий ход (сгорание—расширение). Сгора­ние. Рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой и, сгорая, выделяет большое количество теплоты.

Сгорание происходит при постоянном объеме, и поэтому под действием теплоты давление газов в цилиндре резко возрастает (до 50 кГ/см²).

На индикаторной диаграмме процесс сгорания показан линией cz.

В процессе сгорания углерод и водород топлива соединяются с кислородом воздуха.

C + O₂ = CO₂, 2Н₂ + О₂ = 2НО_2.

Расширение. Под давлением газов поршень движется к н. м. т. Свободное пространство над поршнем увеличивается, газы расширяются, температура и давление их падает. В про­цессе расширения энергия, полученная при сгорании топлива, переходит в энергию механическую. В конце расширения давле­ние газов в цилиндре падает до 4,5 кГ/см², а температура сни­жается до 1400° С.

На индикаторной диаграмме процесс расширения характе­ризуется линией zb.

Выпуск. После расширения поршень движется к в. м. т. Че­рез открытое выпускное отверстие цилиндра удаляются отрабо­тавшие газы. На индикаторной диаграмме процесс выпуска изо­бражается линией br. В среднем давление газов при выпуске равно 1,2 кГ/см², а температура — 700° С.

Из четырех тактов цикла лишь один — рабочий ход — яв­ляется основным, остальные три — вспомогательными.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя протекает за че­тыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала.

Порядок работы двигателя. Автомобильный двигатель обыч­но состоит из нескольких объединенных одноцилиндровых двигателей (четырех, шести и более). Это увеличивает его мощ­ность и обеспечивает равномерную работу двигателя, так как у четырехцилиндрового двигателя за два оборота коленчатого вала происходит четыре полных рабочих хода, у шестицилиндрового — шесть, у восьмицилиндрового — восемь и т. д.

Для согласования рабочих циклов в различных цилиндрах кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы устроены так, что они обеспечивают наиболее выгодное чередо­вание одноименных тактов в разных цилиндрах. Это чередова­ние называют порядком работы двигателя.

Для четырехцилиндровых двигателей приняты следующие два порядка работы: 1—3—4—2 (МЗМА-401 «Москвич»), 1—2—4—3 (М-20 «Победа», М-21 «Волга», МЗМА-407 «Моск­вич»). Для шестицилиндровых двигателей принят один поря­док работы: 1—5—3—6—2—4.

Система питания двигателя. В приготовлении горючей смеси, подаче ее в цилиндры двигателя и удалении отработавших газов участвуют приборы и устройства, объединенные в систему питания.

В систему питания карбюраторного автомобильного двига­теля входят следующие приборы и устройства (рис. 102): топ­ливный бак 1, топливный фильтр 2, топливный насос 3, карбюратор 4, воздухоочиститель 5, впускной трубопровод 6, выпуск­ной трубопровод 7, топливопровод 8, глушитель шума выпуска 9.

Рис. 102. Схема расположения приборов и устройств системы питания двигателя на автомобиле:

1 — топливный бак; 2 — фильтр; 3 — топливный насос; 4 — карбюратор; 5 — воздухоочиститель;

6 — впускной трубопровод; 7 — выпускной трубопровод; 8 — топливопровод; 9 — глушитель;

10 — датчик указателя уровня топлива; 11 — спускная пробка; 12 — заливная горловина; 13 — заборный топливопровод.

Топливом для автомобильных двигателей в основном слу­жат продукты переработки нефти — бензин и дизельное топли­во. В настоящее время применяются и синтетические жидкие топлива, полученные в результате переработки твердых топлив (угля, горючих сланцев, торфа), а также горючие газы.

Для карбюраторных двигателей топливом является бензин. Бензин — огнеопасная, легко воспламеняющаяся жидкость, с удельным весом 0,75 и теплотворной способностью 10 500 ккал/кг. Наша про­мышленность выпускает бензин различных марок, например: А-66 и А-70 — крекинг-бензин общего пользования, А-74 — бензин пря­мой перегонки и др. Число в марке бензина указывает на его стойкость против де­тонации и называется окта­новым числом.

Образование горючей сме­си в карбюраторе и ре­жимы работы двигателя. Горючая смесь состоит из паров бензина и воздуха в отличие от эмульсии, пред­ставляющей собой капли бензина, смешанные с воз­духом. В карбюраторном двигателе горючая смесь приготавливается в специальном при­боре — карбюраторе.

П ростейший карбюратор (рис. 103) состоит из поплавковой камеры 1, дозирующего устройства 2 и смесительной камеры 5. В поплавковой камере расположен пустотелый поплавок с ры­чажком и запорной иглой. При помощи этих деталей в камере поддерживается постоянный уровень бензина, подаваемого на­сосом из бака. Из поплавковой камеры бензин поступает в сме­сительную камеру через жиклер 2 (калиброванное отверстие) и распылитель 3. В смесительной камере имеется диффузор 6, представляющий собой сужающийся канал, и дроссельная заслонка 4.

Горючая смесь в карбюраторе приготовляется следующим образом. Засасываемый в цилиндры двигателя воздух с боль­шой скоростью проходит через смесительную камеру. В диффу­зоре скорость его резко увеличивается (в двигателе ГАЗ-51 в 5 раз), у выхода распылителя создается разрежение и из него вытекает топливо.

Количество горючей смеси, поступающей в цилиндры дви­гателя, регулируется дроссельной заслонкой 4.

Соотношение бензина и воздуха в горючей смеси, выражен­ное в весовых единицах, называют составом горючей смеси. Так как для полного сгорания 1 кГ бензина требуется 15 кГ воздуха, то в зависимости от соотношения воздуха и бензина различают смеси: нормальную (15 кГ воздуха в смеси с 1 кГ бензина), бедную (на 15 кГ воздуха приходится менее 0,7 кГ бен­зина) и богатую (на 15 кГ воздуха — более 1,2 кГ бензина).

Смеси промежуточного состава называются соответственно обедненной (0,7—1,0 кГ бензина на 15 кГ воздуха) и обога­щенной (1,0—1,2 кГ бензина на 15 кГ воздуха).

Если простейший карбюратор отрегулировать так, что он будет приготовлять обедненную смесь (0,8 кГ бензина на 15 кГ, воздуха — 0,8 : 15), то двигатель будет расходовать мало топлива на единицу пути, или, как говорят, будет работать экономич­но, но развивать малую мощность. Этот состав смеси, как известно, называют «экономичным». В экономичной смеси имеет­ся избыток воздуха'.

Если же карбюратор отрегулировать на нормальную горю­чую смесь (1 кГ бензина на 15 кГ воздуха — 1 : 15), двигатель будет развивать номинальную (расчетную) мощность, при этом полностью используются бензин и воздух.

Двигатель, у которого карбюратор отрегулирован на обога­щенную смесь (1,2: 15), работает с повышенным расходом топ­лива, но развивает наибольшую мощность. Такая смесь назы­вается «мощностной».

В обычных условиях эксплуатации от двигателя автомобиля требуется незначительная мощность (движение по хорошей до­роге без груза) и его, естественно, выгодно питать экономичной смесью. При полной нагрузке автомобиля от двигателя необхо­димо получить небольшую мощность, а для этого его надо пи­тать мощностной смесью. Это значит, что один и тот же карбю­ратор должен давать возможность двигателю работать с раз­личными нагрузками (на разных режимах).

Таких характерных режимов работы двигателя насчиты­вается пять: пуск, холостой ход, средние нагрузки, максималь­ные нагрузки, режим ускорения.

Очевидно, что каждому режиму работы двигателя должна соответствовать горючая смесь определенного состава: для хо­лостого хода требуется обогащенная^- горючая смесь, так как при малом открытии дроссельной заслонки ухудшается смесе­образование; для средних нагрузок - обедненная (экономич­ная); для максимальной нагрузки — обогащенная (мощностная); для резкого увеличения числа оборотов двигателя необходимо дополнительно вспрыснуть топливо, чтобы кратковремен­но обогатить смесь; при пуске холодного двигателя следует по­давать в смесительную камеру возможно больше бензина; в этом случае испарившиеся из него легкие фракции смогут образовать смесь, способную воспламеняться.

Карбюратор должен приготовлять наивыгоднейшую по со­ставу смесь для любого режима работы двигателя. Простейший карбюратор выполнить данную задачу не может, так как при­готовляемая им смесь может быть только одного состава (эко­номичная, нормальная или мощностная) независимо от изме­нения режима работы двигателя. Поэтому простейший карбю­ратор дополняют рядом приспособлений, совместная работа которых позволяет на каждом режиме получить смесь необхо­димого (наивыгоднейшего) состава. Устроены эти приспособления по-разному, но их назначение во всех карбюраторах одинаково.

Карбюратор состоит обычно из трех частей (рис. 104): воздуш­ного патрубка с крышкой 16, поплавковой камеры 19, корпуса 20 и нижнего патрубка 26. В воздушном патрубке установлена воздушная заслонка 15, которая тягой связана с дроссельной заслонкой 1, расположенной в нижнем патрубке. Корпус карбю­ратора состоит из поплавковой и смесительной камер. В смеси­тельной камере расположены блок диффузоров 8 и распылители 12, 13 топливных жиклеров.

Рис. 104. Схема устройства карбюратора К-22Г:

1 — дроссельная заслонка; 2 — пружина ограничителя максимального числа оборотов;

3 — ограничитель максимального числа оборотов двигателя; 4 — игла регулировки эмульсии;

5 — канал системы холостого хода; 6 — пластины диффузора; 7 — жиклер холостого хода; 8 — диффузор;

9 — распылитель жиклера холостого хода; 10 — эмульсионный жиклер; 11 — воздушные жиклер;

12 — распылитель главного жиклера; 13 — распылитель дополнительного жиклера; 14 — автоматический клапан;

15 — воздушная заслонка; 16 — крышка поплавковой камеры; 17 — форсунка ускорительного насоса;

18 — игольчатый клапан; 19 — поплавковая камера; 20 — корпус карбюратора; 21 — обратный капитал;

22 — поршенек ускорительного насоса; 23 — клапан экономайзера; 24 — дополнительный жиклер;

25 — главный жиклер; 26 — нижний патрубок.

Дополнительные приборы системы питания. Топливный бак служит для хранения запаса топлива, обеспечи­вающего пробег автомобиля на 300—400 км. Бак снабжен за­ливным патрубком с пробкой, датчиком уровня топлива, труб­кой для подачи топлива к насосу, пробкой сливного отверстия, перегородками, препятствующими сильному разбалтыванию топ­лива.

Бензиновый насос (рис. 105) служит для подачи бензина из бака в поплавковую камеру карбюратора. Насос состоит из диафрагмы 1, зажатой между корпусом 2 и крышкой 3 насоса, штока 4, рычага 5 и пружины 6. Привод насоса осуществляется от эксцентрика 7 распределительного вала.

Рис. 105. Схема устройства и работы бензинового насоса:

а — всасывания; б — нагнетание;

1 — диафрагма; 2 — корпус; 3 — крышка; 4 — шток; 5 — рычаг; 6 — пружина; 7 — эксцентрик; 8 — отстойник; 9 — сетка.

Система зажигания. В цилиндрах двигателя горючая смесь воспламеняется электрической искрой. Для индуктирования тока высокого напряжения, способного пробить искровой проме­жуток свечи, служит система зажигания (рис. 106).

Рис. 106. Схема устройства системы зажигания:

1 — источники тока; 2 — катушка зажигания; 3 — прерыватель-распределитель; 4 — свечи.

Система зажигания состоит из источников тока низкого на­пряжения (аккумулятора и генератора) 1, катушки зажига­ния 2, прерывателя-распределителя 3, свечей 4 и соединяющих их проводов низкого и высокого напряжения.

Система охлаждения. В момент сгорания топлива темпера­тура внутри цилиндра двигателя повышается до 2000° С, причем до 25% выделившейся теплоты передается стенкам цилиндра.

Данную теплоту необходимо отводить от цилиндров, иначе мо­гут настолько сильно нагреться детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, что это вызовет их за­клинивание и поломки. В то же время нельзя переохлаждать двигатель, так как в этом случае увеличивается износ его дета­лей. Устройства и приборы, обеспечивающие поддержание опре­деленного температурного режима двигателя, называются систе­мой охлаждения.

Система охлаждения двигателей современных автомобилей бывает водяной или воздушной. Устройство и работа системы водяного охлаждения (рис. 107) заключается в следующем. Блок цилиндров имеет двойные стенки, между которыми обра­зуется рубашка охлаждения 1 заполняемая водой; вода в ней нагревается и поступает в радиатор 2, где она растекается по тонким трубкам и отдает им свою теплоту. Радиатор распола­гается впереди двигателя на раме и охлаждается встречным потоком воздуха. Между радиатором и двигателем устанавли­вается вентилятор 3, который увеличивает обдув и охлаждение радиатора.

Рис. 107. Устройство системы охлаждения двигателя:

1 — рубашка охлаждения; 2 — радиатор; 3 — вентилятор; 4 — водяной насос.

Чтобы усилить циркуляцию воды и тем самым уменьшить емкость системы охлаждения, устанавливают водяной насос 4 центробежного типа. Рабочее колесо насоса и крыльчатка вентилятора расположены на одном валу и приводятся во враще­ние клиновым ремнем от шкива коленчатого вала.

Вода постоянно циркулирует в системе охлаждения работа­ющего двигателя, поступая из рубашки блока цилиндров к верх­нему резервуару радиатора, а от него по трубкам — в нижний резервуар и далее опять в, рубашку блока, т. е. в системе охлаж­дения двигателя происходит теплообмен между холодными и го­рячими слоями воды.

Опытами установлено, что наилучшим тепловым режимом для работы двигателя является такой, при котором темпера­тура воды на выходе из рубашки охлаждения в радиатор рав­на 85—90° С.

Система смазки. Детали автомобильного двигателя отли­чаются высокой точностью обработки. Однако на их поверхно­стях все-таки остаются микроскопические неровности - следы, оставленные обрабатывающими инструментами: резцами, шли­фовальными кругами и др. Неровности сопряженных деталей создают сопротивление перемещению, называемое трением. На преодоление сил трения затрачивается часть мощности машины.

Для уменьшения трения между поверхностями двух сопря­женных деталей вводят смазку. В этом случае трение между сопряженными металлическими поверхностями частично заме­няется трением слоев масла между собой. Кроме того, обильная подача масла на трущиеся поверхности охлаждает детали и уно­сит с собой продукты их износа - мельчайшую металлическую пыль.

В современных автомобильных двигателях применяется ком­бинированная система смазки (рис. 108), которая характери­зуется тем, что к наиболее ответственным сопряжениям масло подается под давлением масляного насоса, а на остальные де­тали масло разбрызгивается.

Рис. 108. Схема устройства комбинированной системы смазки двигателя:

1 — масляный насос; 2 — поддон картера; 3 — масленый радиатор; 4 — маслоприемник; 5 — фильтр грубой очистки;

6 — главная магистраль; 7 — кран включения масленого радиатора; 8 — трубка, подводящая масло к фильтру тонкой очисткой; 9 — редукционный клапан; 10 — перепускной клапан; 11 — подшипники распределительного вала;

12 — фильтр тонкой очистки; 13 — коренные подшипники коленчатого вала; 14 — маслонаполнительный патрубок;

15 — датчик манометра; 16 — отверстие в шатунном подшипнике для впрыска масла; 17 — предохранительный клапан;

18 — шестерня масленого насоса; 19 — валик привода шестерен масленого насоса;

20 — шестерни привода масленого насоса.

Запас масла содержится в поддоне картера 2, куда оно зали­вается через маслонаполнительный патрубок 14 до уровня, ука­зываемого верхней меткой маслоизмерительного стержня. Из поддона масло засасывается масляным насосом через маслоприемник 4 плавающего типа.

Масляный насос 1 шестеренчатого типа нагнетает масло через щелевой фильтр грубой очистки 5 в главную масляную магист­раль 6 двигателя. Фильтр грубой очистки включен в систему смазки последовательно.

Из главной магистрали масло по каналам в перегородках картера поступает к коренным подшипникам 13, подшипни­кам 11 распределительного вала и шестерням привода газо­распределительного механизма. По каналам в щеках коленча­того вала масло подается к шатунным подшипникам, а по спе­циальной трубке 8 часть масла отводится в фильтр 12 тонкой очистки. Фильтр тонкой очистки включен в систему смазки параллельно.

Сорт масла выбирается в зависимости от типа Двигателя (карбюраторный или дизель), его рабочего состояния, сезона использования (весенне-летний или осенне-зимний) и режима работы.

По мере загрязнения и разжижения масла его заменяют.