Для ознайомлення з головною і невід'ємною частиною будь-якого транспортного засобу розглянемо пристрій двигуна автомобіля. Для повноцінного сприйняття його важливості, двигун завжди порівнюють з серцем людини. Поки серце працює - людина живе. Аналогічно і двигун, як тільки він зупиняється, або не починається - автомобіль з усіма його системами і механізмами перетворюється в купу непотрібного заліза.
За час модернізації та вдосконалення автомобілів, двигуни дуже сильно змінилися за своєю конструкцією в сторону компактності, економічності, безшумність, довговічності і т.д. Але принцип роботи залишився незмінним - на кожному автомобілі є двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Виняток становлять тільки електродвигуни як альтернативний спосіб отримання енергії.
Нижче представлено пристрій двигуна автомобіля в розрізі.
Назва «двигун внутрішнього згоряння» відбулося саме від принципу отримання енергії. Паливно-повітряна суміш, згораючи всередині циліндра двигуна, виділяє величезну кількість енергії і змушує через численну ланцюжок вузлів і механізмів в кінцевому підсумку рухатися автомобіль. Саме пари палива в змішуванні з повітрям під час займання дають такий ефект в обмеженому просторі.
одноциліндровий двигун
Для наочності на малюнку показано пристрій одноциліндрового двигуна автомобіля.
У одноциліндровий двигун робочий циліндр зсередини являє собою замкнутий простір. Поршень, з'єднаний через шатун з колінчастим валом, є єдиним рухомим елементом в циліндрі одноциліндрового двигуна. Коли пари палива і повітря спалахують, вся вивільнена енергія тисне на стінки циліндра і поршень, змушуючи його переміщатися вниз. Конструкція колінчастого вала в одноциліндровий двигун виконана таким чином, що рухом поршня через шатун створюється крутний момент, змушуючи провертатися сам вал і отримувати обертальну енергію. Таким чином, вивільняється енергія від горіння робочої суміші перетвориться в механічну енергію.
Для приготування паливно-повітряної суміші використовуються два способи: внутрішнє або зовнішнє сумішоутворення. Обидва способи ще відрізняються за складом робочої суміші і методів її займання.
Щоб мати чітке поняття про будову двигуна автомобіля, варто знати, що в двигунах застосовують два види палива: бензин і дизельне паливо. Обидва види енергоносіїв виходять на основі переробки нафти. Бензин дуже добре випаровується на повітрі. Тому для двигунів, що працюють на бензині, для отримання паливно-повітряної суміші застосовується такий пристрій як карбюратор. Більш детально пристрій карбюратора буде розглянуто в розділі, присвяченому системі харчування двигуна . У карбюраторі потік повітря змішується з крапельками бензину і подається в циліндр. Там отримана паливно-повітряна суміш запалюється при подачі іскри через свічку запалювання для двигуна .
Дизельне паливо (ДТ) має малу испаряемостью при звичайній температурі, але при змішуванні з повітрям під величезним тиском, отримана суміш самозаймається. На цьому і заснований принцип роботи дизельних двигунів (див. пристрій дизельного двигуна ). ДТ впорскується в циліндр окремо від повітря через форсунку. Вузькі сопла форсунки в поєднанні з великим тиском при уприскуванні в циліндр перетворюють дизельне паливо в дрібні краплі, які змішуються з повітрям. Для візуального представлення - це аналогічно тому, коли ви тиснете на кришку балончика з духами або одеколоном: видавлюється рідина моментально змішується з повітрям, утворюючи мелкодісперсіонную суміш, яка тут же розпорошується, залишаючи приємний аромат. Той же самий ефект розпилення відбувається і в циліндрі. Поршень, рухаючись вгору, стискає повітряний простір, збільшуючи тиск, і суміш самозаймається, змушуючи поршень рухатися в зворотному напрямку.
В обох випадках якість приготовленої робочої суміші сильно впливає на повноцінну роботу двигуна. Якщо йде недолік в паливі або повітрі - робоча суміш не повністю згоряє, а вироблювана потужність двигуна істотно зменшується.
Як же і за рахунок чого подається робоча суміш в циліндр?
На малюнку видно, що від циліндра вгору виходять два стержня з великими капелюшками. Це впускний і випускний клапани, які закриваються і відкриваються в певні моменти часу, забезпечуючи робочі процеси в циліндрі. Вони можуть бути обидва закриті, але ніколи обидва не можуть бути відкриті. Про це буде сказано трохи пізніше.
На бензиновому двигуні в циліндрі присутня та сама свічка, яка запалює паливно-повітряну суміш. Це відбувається за рахунок виникнення іскри під впливом електричного розряду. Принцип дії і роботи буде розглянуто при вивченні системи запалювання двигуна .
Впускний клапан забезпечує своєчасне надходження робочої суміші в циліндр, а випускний клапан - своєчасний випуск відпрацьованих газів, які більше не потрібні. Клапани працюють в певний момент часу руху поршня. Весь процес перетворення енергії від згорання в механічну енергію називається робочим циклом, що складається з чотирьох тактів: впуск робочої суміші, стиснення, робочий хід і випуск відпрацьованих газів. Звідси і назва - чотиритактний двигун.
Робота поршня
Розглянемо роботу поршня по наступного малюнку.
Поршень в циліндрі робить тільки зворотно-поступальні рухи, тобто вгору-вниз. Це називається ходом поршня. Крайні точки, між якими рухається поршень, називаються мертвими точками: верхня (ВМТ) і нижня (НМТ). Назва «мертва» йде від того, що в певний момент, поршень, змінюючи напрямок на 180 °, як би «застигає» в нижньому або верхньому положенні на тисячні частки секунди.
ВМТ знаходиться на певній відстані до верхньої межі циліндра. Ця область в циліндрі називається камерою згоряння. Область з ходом поршня носить назву робочого об'єму циліндра. Це поняття ви, напевно, чули при перерахуванні характеристик будь-якого двигуна автомобіля. Ну а сума робочого об'єму і камери згоряння утворює повний обсяг циліндра.
Співвідношення повного обсягу циліндра до об'єму камери згоряння називається ступенем стиснення робочої суміші. Це досить важливий показник в пристрої двигуна автомобіля. Наскільки сильно стиснута суміш, настільки більше виходить віддача при згорянні, яка перетворюється в механічну енергію.
З іншого боку, надмірне стиснення паливно-повітряної суміші призводить до її вибуху, а не горіння. Це явище носить назву «детонація». Вона веде до втрати потужності і руйнування або надмірного зносу всього двигуна. для уникнення детонації двигуна сучасне паливне виробництво випускає бензин, стійкий до високого ступеня стиснення. Кожен бачив на АЗС написи на кшталт АІ-92 або АІ-95. Цифра позначає октанове число. Чим більше її значення, тим більше стійкість палива до детонації, відповідно його можна застосовувати з більшим ступенем стиснення.
Робота двигуна автомобіля
Після розгляду роботи поршня повернемося до робочого циклу циліндра. Розглянемо схему роботи двигуна автомобіля.
Перший такт, з чого починається весь процес - це впуск. Поршень знаходиться в ВМТ. З початком його руху вниз відкривається впускний клапан. Через що виникає вакууму, повітря або вже готова робоча суміш засмоктується в циліндр. У дизельному двигуні в цей момент впорскується паливо через форсунку. У момент досягнення поршнем НМТ впускний клапан повністю закривається. Таким чином, повний обсяг циліндра заповнений робочою сумішшю, що складається з парів палива і повітря. Перший такт завершено.
Такт другий - стиснення. Перед запалюванням робочої суміші і отримання більшої енергії від її горіння, саму суміш треба гранично стиснути. Для цього створюється повна герметичність внутрішнього простору циліндра закриттям всіх клапанів, а поршень рухається вгору до ВМТ. При досягненні верхньої мертвої точки такт стиснення закінчується в камері згоряння відбувається займання.
Настає третій такт - робочий хід поршня.
Нагадаємо, що у бензинових двигунів загоряння відбувається через проскакування іскри в свічки запалювання. У дизельних ДВС займання відбувається спонтанно при досягненні максимального тиску. Клапани і раніше закриті. Величезна вивільняється енергія від загоряння тисне на поршень, змушуючи його рухатися вниз. Цей хід поршня або такт і є ключовим в роботі двигуна автомобіля. Тільки він дає енергію, якої вистачає здійснювати інші такти робочого процесу і змушувати рухатися в цілому весь автомобіль. Цьому сприяє знаходиться маховик на кінці колінчастого вала. Отримуючи енергію від руху поршня через шатун, він забезпечує обертання валу для здійснення трьох інших тактів робочого циклу. Тому, якщо двигун глухне або не заводиться - значить в циліндрі робоча суміш з якоїсь причини не запалюється. Через назви такту «робочий хід поршня», інші 1, 2 і 4 такти називають «холостими», які, по суті, і забезпечують роботу 3 такту.
Після досягнення НМТ при роботі поршня процес згоряння завершено, а повний обсяг циліндра зайнятий газами і залишками горіння, які потрібно витіснити назовні для початку нового циклу.
Починається заключний, четвертий такт - випуск відпрацьованих газів.
З початком руху поршня вгору відкривається випускний клапан. Гази під впливом тиску, створюваним поршнем, виштовхуються через випускний канал з циліндра. До моменту досягнення ВМТ при роботі поршня, клапан закривається. У цей момент робочий цикл завершується і починається новий.
На прикладі одноциліндрового двигуна ми розглянули сам процес отримання енергії. Але для безперебійної та рівномірної роботи будь-якого двигуна одного такого циліндра мало. Адже з чотирьох тактів робочий тільки один. У сучасних автомобілях, навіть найпростіших, двигуни мають мінімум 4-6 циліндрів, зазвичай 6-8, буває і доходить до 12. І це число завжди парне.
Для повного розуміння варто поглянути на малюнок, де представлена діаграма роботи двигуна автомобіля.
Тут представлений класичний варіант роботи двигуна автомобіля з 4 циліндрами. Вони пронумеровані 1, 2, 3, 4 і під ними показано, коли в кожному циліндрі відбуваються такти робочого циклу. Якщо розглянути уважно - то видно дві закономірності.
Перша - по горизонталі: ні в одному циліндрі не відбувається один і той же такт одночасно з відбуваються тактами в інших циліндрах. Тобто 4 циліндри - одночасно 4 різних такту.
Друга закономірність. Дивимося зліва направо і зверху вниз. Скрізь дотримана черговість тактів: впуск-стиснення-робочий хід-випуск. Така черговість роботи циліндрів забезпечує рівномірну роботу двигуна автомобіля в цілому. Чим більше циліндрів, тим стабільніше працює ДВС, навіть якщо який-небудь один з них не працює.
Але збільшення числа циліндрів веде до підвищення складності пристрою двигуна автомобіля, що теж веде до зниження ефективності. Тому найоптимальніший варіант пристрою двигуна автомобіля - це 4-8 циліндрів.
На цьому теорія про отримання механічної енергії від енергоносіїв закінчена. У наступному розділі ми розглянемо роботу основних систем ДВС, що забезпечують його безперервний робочий процес.
Двигун внутрішнього згоряння в поєднанні з усіма системами, механізмами і вузлами, що забезпечують його повноцінну роботу, називається силовою установкою. Сам ДВС складається з двох механізмів, з одним з яких ми вже частково зіткнулися в теоретичній частині. Пристрої цих механізмів нам з вами треба буде детально розглянути в наступних розділах. це газорозподільчий механізм і кривошипно-шатунний механізм . Крім цього у двигуна є 4 системи, без яких робота двигуна автомобіля просто неможлива. Це система харчування двигуна, система охолодження двигуна , система мастила двигуна і система запалювання двигуна.
:
Кривошипно-шатунний механізм (КШМ) двигуна
:
Пристрій легкового автомобіля