Загальна будова і робочий процес двигуна

3.1.1. Загальна будова і принцип роботи двигуна

Двигун – це агрегат, що перетворює який-небудь вид енергії в механічну роботу. На легкових автомобілях, які вивчаються, встановлюються поршневі двигуни внутрішнього згоряння, в яких теплова енергія, одержувана при згорянні палива в циліндрах двигуна перетворюється в механічну роботу, що використовуються для пересування автомобіля. Гази, яки розширюються при згорянні робочої суміші (суміш палива з повітрям) в циліндрах двигуна, діють на поршні, поступальний рух яких перетворюється кривошипно-шатунним механізмом в обертальний рух колінчастого вала, який в свою чергу передається за допомогою агрегатів трансмісії на ведучі колеса автомобіля, приводячи його в рух.

Класифікація автомобільних двигунів здійснюється за наступними ознаками: за способом створення пальної суміші і її запалення - із зовнішнім сумішоутворенням і примусовим запаленням від електричної іскри (карбюраторні і газові) і з внутрішнім сумішоутворенням і самозапалюванням від зіткнення з нагрітим внаслідок сильного стиску повітрям (дизельні); за способом здійснення робочого циклу - чотиритактні і двотактні; за кількістю і розташуванням циліндрів - однорядні з вертикальним чи похилим розташуванням циліндрів і V-подібні дворядні з розташуванням рядів циліндрів під кутом один до одного; за способом охолодження - з рідинним і повітряним охолодженням.

Загальна будова, основні параметри і принцип роботи двигуна розглянемо на прикладі одноциліндрового чотиритактного карбюраторного двигуна.

Основними частинами двигуна є кривошипно-шатунний механізм, механізм газорозподілу і системи: охолодження, змащення, живлення, запалювання і пуску двигуна. Ці системи виконують різні функції і забезпечують при взаємодії між собою роботу двигуна.

3.1.2. Основні параметри двигуна.

Хід поршня S – шлях, який він проходить від однієї мертвої точки до іншої (рис. 1). Хід поршня дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа. За один хід поршня колінчастий вал повертається на 180°, тобто здійснює півоберта.

Мертвими точками називаються крайні положення поршня, в яких він змінює напрямок руху і його швидкість дорівнює нулю. При перебуванні в верхній мертвій точці (ВМТ) поршень найбільше віддалений від осі колінчастого вала, а в нижній мертвій точці (НМТ) - найбільше наближений до неї.

Робочий об’єм циліндра V - об’єм, який звільняється поршнем при русі від верхньої мертвої точки до нижньої. Сума робочих об’ємів всіх циліндрів багатоциліндрового двигуна, виражена в літрах, називається робочим об’ємом двигуна (літражем). Чим більший робочий об’єм циліндрів двигуна, тим, за інших рівних умов, вища його потужність.

Об’єм камери згоряння V - це об’єм, який утворюється над поршнем, коли останній знаходиться в ВМТ.

Повний об’єм циліндра V - це об’єм простору над поршнем при його перебуванні в НМТ. Він дорівнює сумі робочого об’єму і об’єму камери згоряння.

Ступінь стиску – це відношення повного об’єму циліндра до об’єму камери згоряння. При більшому ступені стиску робоча суміш наприкінці такту стиску буде займати менший об’єм, тому збільшуються тиск і температура робочої суміші, а також швидкість її згоряння. В результаті цього підвищуються економічність і потужність двигуна за рахунок зменшення теплових втрат і збільшення середнього тиску газів на поршень при робочому ході. Однак підвищення ступеня стиску в карбюраторному двигуні обмежено стійкістю палива до детонації (суть детонації розглядається в розділі "Система живлення"). Ступінь стиску в карбюраторних двигунах знаходиться в межах від 6 до 10.

Потужність, яка розвивається газами в циліндрах двигуна при згорянні палива, називається індикаторною, а та що знімається з колінчастого вала -ефективною. Вона на 15 – 25% менша індикаторної через втрати на тертя в двигуні, надання руху його механізмам і пристроям і виконання допоміжних ходів поршня.

Робочим циклом називається сукупність процесів, що періодично повторюються у визначеній послідовності в циліндрі двигуна.

Робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна відбувається за два оберти колінчастого вала і складається з чотирьох тактів: впуску, стиску, робочого ходу (згоряння і розширення) і випуску відпрацьованих газів (рис. 2).

Такт - це процес, що відбувається в циліндрі за один хід поршня.

Перший такт - впуск. Під час руху поршня 12 від ВМТ вниз до НМТ внаслідок збільшення об’єму в циліндрі утворюється розрідження до 0, 07–0, 08 МПа, під дією якого з карбюратора через впускний клапан 11, який відкривається, в камеру згоряння 4 і циліндр 2 по впускному трубопроводу 10 надходить пальна суміш (суміш розпиленого бензину з повітрям). В камері згоряння пальна суміш змішується з відпрацьованими газами, які залишилися в ній від попереднього робочого циклу, і утворює робочу суміш з температурою100 – 130 С.

Другий такт - стиск. Поршень рухається вгору, обидва клапани закриті. Через зменшення об’єму в циліндрі відбувається стиск робочої суміші і підвищення її температури. Тиск в циліндрі наприкінці такту стиску складає 0,8 – 1,2 МПа, а температура підвищується до 300 – 480°С.

Третій такт - робочий хід (згоряння і розширення). Наприкінці такту стиску робоча суміш запалюється за допомогою електричної іскри 14 від свічки запалювання 6 і швидко згоряє (протягом 0,001 – 0,002 с). При цьому виділяється велика кількість тепла, температура підвищується до 2000 – 2500'С і тиск газів, який зростає до 3,5 – 4,0 МПа, передається на поршень, переміщаючи його від ВМТ до НМТ. Сила тиску газів від поршня 12 передається через поршневий палець 3, шатун 13 і кривошип на колінчастий вал 1, створюючи на ньому крутний момент.

Четвертий такт - випуск. Поршень знову рухається до ВМТ і під тиском 0,11 – 0,12 МПа виштовхує відпрацьовані гази, які мають температуру 800 – 1100°С, в атмосферу через відкритий випускний клапан 7 і випускний

трубопровід 5. Після цього циліндр готовий до повторення робочого циклу. З розглянутого робочого циклу видно, що корисна робота відбувається протягом тільки одного такту - робочого ходу, інші ж три такти є допоміжними і на їх здійснення витрачається частина енергії. Енергія, отримана під час робочого ходу, накопичується маховиком 11 (див. рис. 1) – масивним диском, встановленим на задньому кінці колінчастого вала. З метою отримання більшої потужності і рівномірності обертання колінчастого вала двигуни роблять багатоциліндровими. Так, в чотирициліндрових двигунах легкових автомобілів, які вивчаються, за два оберти колінчастого вала відбувається вже не один, а чотири робочих ходи (по одному в кожному циліндрі).

Для рівномірної і плавної роботи багатоциліндрового двигуна однойменні такти в різних його циліндрах повинні чергуватися в певній послідовності. Ця встановлена послідовність чергування однойменних тактів в циліндрах називається порядком роботи двигуна.

Порядок роботи двигуна залежить від розташування шатунних шийок із кривошипами на колінчастому валу і кулачків на розподільному валу. Якщо в чотирициліндровому двигуні (рис. 3), в якого шатунні шийки розташовані попарно під кутом 180° (перша з четвертою і друга з третьою) в одній площині, в першому циліндрі протягом першого півоберту колінчастого вала відбувається робочий хід, то в четвертому циліндрі в цей час – впуск.

Рис. 3. Порядок роботи циліндрів двигуна

 

При цьому поршні другого і третього циліндрів одночасно будуть рухатися вгору, виконуючи відповідно випуск і стиск. Тоді за наступні три півоберти колінчастого вала відбудеться робочий хід послідовно в третьому, потім в четвертому і, нарешті, в другому циліндрах. Такий порядок роботи циліндрів (1-3-4-2) застосований на всіх двигунах, які вивчаються. Порядок роботи необхідно знати для правильного приєднання проводів високої напруги до свічок під час встановлення запалювання, а також для регулювання теплових зазорів в механізмі газорозподілу.

Загальне компонування двигуна на прикладі двигуна ВАЗ-2105 приведене на рис. 4.

 

Рис. 4. Двигун автомобіля ВАЗ-2105:

а – загальний вигляд; б – поперечний розріз; 1 – колінчастий вал; 2 – зубчастий шків колінчастого вала; 3 – шків приводу вентилятора водяного насоса і генератора; 4 – храповик; 5 – кришка приводу розподільного вала; 6 – середня кришка; 7 – шків генератора; 8 – зубчастий шків приводу масляного насоса і розподільника запалювання; 9 – вентилятор; 10 – блок циліндрів; 11– натяжний ролик; 12 – зубчастий пас; 13 – головка блоку циліндрів; 14 – зубчастий шків розподільного вала; 15 – верхня кришка; 16 – випускний клапан; 17 – впускний клапан; 18 – розподільний вал; 19 – кришка механізму газорозподілу; 20 – прокладка головки блоку циліндрів; 21 –маховик; 22 – кронштейн передньої опори; 23 – буфер подушки передньої опори; 24 – подушка; 25 – картер; 26 – поршень; 27 – пробка для зливу масла; 28 – шатун; 29 і 40 – відповідно вал і шестерня приводу масляного насосу і розподільника запалювання; 30 – піддон; 31 – провід, що з'єднує двигун з “масою”; 32 – сорочка охолодження; 33 – випускний трубопровід; 34 – впускний трубопровід; 35 – карбюратор; 36 – повітряний фільтр; 37 – розподільник запалювання; 38 – свічка; 39 – паливний насос; 41 – штуцер масляного фільтра; 42 – масляний фільтр; 43 – масляний насос; 44 – маслоприймач