В этом разделе описываются основные части двигателя и объясняется, как они создают энергию, которая движет машиной.
Основные составляющие двигателя
Двигатель состоит из нескольких основных узлов (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Основные узлы двигателя внутреннего сгорания
Сверху двигателя находятся головки блока цилиндров, которые содержат механизмы. позволяющие клапанам синхронно открываться и закрываться, впуская горючую смесь в цилиндры и выпуская из них выхлопные газы. Ниже головки блока цилиндров находится сам блок цилиндров, в котором установлены поршни.
Что такое цилиндр? Это полая железная труба (рис. 6.12), с одной стороны которой находится крышка, в которую ввинчена свеча. При этом электроды свечи находятся в свободном пространстве камеры сгорания.
Рис. 6.12. Цилиндр в разрезе
Плохое обслуживание приводит к ухудшению характеристик
При плохом обслуживании (не своевременной смене масла и фильтров) быстро изнашиваются поршневые кольца и стенки цилиндров. В результате кольца не плотно прилегают к гильзам, и через этот зазор газы проникают в картер двигателя. Это уменьшает компрессию в цилиндрах и приводит к потере мощности двигателем. Поршневые кольца можно заменить, но это достаточно дорогое удовольствие. Прежде чем позволить кому-либо заняться кольцами, проверьте компрессию, чтобы узнать, нужна ли эта работа вообще (подробнее об этом — в главе 13 "Регулировка топливной системы"). Выбор за вами - либо заняться капитальным ремонтом, либо купить новый автомобиль.
Нумерация цилиндров у заднеприводных автомобилей идет от радиатора к перегородке моторного отсека. У переднеприводных автомобилей двигатель обычно представляет одно целое с трансмиссией Такие двигатели называются поперечными, так как они расположены под капотом поперек автомобиля, а нумерация цилиндров идет от одного борта автомобиля к другому (рис. 6.13).
Рис. 6.13 Основные узлы поперечно расположенного двигателя внутреннего сгорания
У рядных двигателей один ряд цилиндров, у V-образных — два параллельных ряда цилиндров. У роторных двигателей (они установлены на некоторые спортивные модели автомобилей "Мазда") цилиндры расходятся из центра, как спицы в колесе.
Каждому цилиндру присвоен номер, определяемый порядком нумерации цилиндров двигателя. Описания и иллюстрации порядка нумерации цилиндров разных двигателей приведены в главе 13.
Внутри каждого цилиндра находится металлический поршень, который плотно прилегает к стенкам, чтобы газы не прорывались мимо него в картер. На поршне установлены поршневые кольца, обеспечивающие плотное прилегание поршней к стенкам цилиндра.
Кроме отверстий для свечи и поршня, в цилиндре имеются отверстия для впускных и выпускных клапанов.
Внизу двигателя расположен картер, в котором находятся коленчатый вал и поддон картера. По системе охлаждения вода циркулирует по двигателю для охлаждения, а масло — для обеспечения свободного движения деталей.
Теперь, когда вы познакомились с "участниками", можно перейти к главному событию с их участием — горячей встрече воздуха, топлива и огня, называемой четырехтактный цикл.
Четырехтактный цикл
Внутри цилиндра поршень ходит вверх и вниз на шатуне, прикрепленном к коленвалу, заставляя его поворачиваться. Каждое движение поршня называется тактом. Цикл, создающий энергию для работы двигателя, состоит из четырех тактов: вниз, вверх, вниз, вверх. Соответственно этот процесс называется четырехтактным циклом. Четырехтактный цикл слегка отличается в зависимости от типа двигателя: обыкновенного двигателя внутреннего сгорания, двигателя со слоистой структурой топливной смеси или дизельного двигателя. О первых двух я расскажу здесь, а о дизельном - в главе 7 "От лошади к гибридам: дизели и автомобили с альтернативными источниками энергии".
Обыкновенный двигатель внутреннего сгорания
Вот что происходит в обыкновенном двигателе внутреннего сгорания во время каждого такта.
1. Такт впуска. Когда поршень опускается, он создает разрежение в верхней части цилиндра (там. где был поршень после последнего движения вверх) (рис. 6.14). Благодаря кольцам воздух не проходит сквозь поршень Затем впускные клапаны, размешенные на стыке впускного коллектора и цилиндра, открываются и впускают горючую смесь в цилиндр. Смесь стремится заполнить разрежение, созданное поршнем.
Рис. 6.14. Такт впуска
2. Такт сжатия. Поршень поднимается, сжимая смесь в маленьком пространстве между поршнем и верхней частью цилиндра (рис. 6.15), Это пространство называется камерой сгорания и находится там, где свеча входит в цилиндр. Отношение между общим объемом цилиндра и объемом камеры сгорания называется степенью сжатия. Ее значение определяет, во сколько раз поднимется давление по сравнению с атмосферным в конце такта сжатия, что усилит энергию взрыва.
В этот момент впускные клапаны закрыты и у смеси нет пути для выхода. (Впускные и выпускные клапаны закрываются герметично и не пропускают газы наружу).
Рис. 6.15. Такт сжатия
3. Рабочий такт. Между электродами свечи проходит электрическая искра (рис. 6.16), которая воспламеняет сжатую смесь. Затем горючая смесь взрывается, создавая сильное давление, перемещающее поршень вниз. Сила, опускающая поршень, передается по шатуну на коленчатый вал. Затем она по трансмиссии — через сцепление, коробку передач, карданный вал, дифференциал и т.д. — направляется к колесам. (Краткий обзор этого процесса приведен в главе 4 "Раскрываем тайны вашей машины").
Рис. 6.16. Рабочий такт
4. Такт выпуска. Поршень снова поднимается, толкая отработанные газы вверх, затем открывается выпускной клапан и выпускает газы в выпускной коллектор (рис. 6.17). Отсюда газы удаляются по выхлопной системе (в новых машинах опа оснащена устройствами каталитической очистки) через глушитель и выхлопную трубу в окружающую среду.
Рис. 6.17. Такт выпуска
Цилиндры работают не одновременно. Для плавной работы двигателя они должны работать в определенном порядке, называемом порядком зажигания. Поэтому, пока один цилиндр проходит первый такт, другой будет проходить второй такт и т.д. Порядок зажигания у двигателей разных марок различается, и в главе 12 "Регулировка электрооборудования" есть описание порядков зажигания разных типов двигателей.
Теперь вы понимаете, почему так важна регулировка зажигания. Если сделать ее правильно, то она в полном объеме обеспечит подачу тока аккумуляторной батареей, усиление его катушкой зажигания, направление его распределителем на нужную свечу в нужное время. Результатом слабой искры или появления ее до или после полного сжатия смеси поршнем будут потеря мощности и плохое сгорание топлива. Увеличенное загрязнение атмосферы и большой расход топлива — это высокая цена за затягивание времени между регулировками! В главе 12 "Регулировка электрооборудования" и главе 13 "Регулировка топливной системы" объясняется, как поддерживать топливную и электросистему в хорошем состоянии.
Двигатель со слоистой структурой топливной смеси
В попытках разработать и создать экономичные машины автопроизводителям пришлось столкнуться с таким парадоксом — для максимальной экономии топлива и уменьшения выброса в атмосферу загрязняющих воздух углеводородов и угарного газа лучше использовать обедненную горючую смесь (ту, в которой относительно мало топлива по отношению к воздуху). Однако, для получения большей мощности и снижения выбросов окислов азота, которые тоже загрязняют атмосферу, лучше использовать обогащенную смесь. Как же можно использовать преимущества работы на обеих типах смесей? Ответом на этот вопрос и служит двигатель со слоистой структурой топливной смеси .
По сути, конструкция двигателя со слоистой структурой топливной смеси такая же, как и обыкновенного двигателя внутреннего сгорания. Но есть существенное отличие — в таких двигателях в цилиндры подаются бедная w богатая смеси, но держатся они отдельно до момента сгорания. Свеча поджигает богатую смесь, а она. в свою очередь, поджигает бедную. Соотношение воздуха к топливу в обыкновенном двигателе около 15:1, а в двигателях со слоистой структурой топливной смеси могут использоваться смеси с соотношением 30:1 (некоторые двигатели успешно работали даже на смесях с соотношением 200:1!). Теперь становится понятно, почему эти новые двигатели обеспечивают сенсационную экономию топлива и чистоту выбросов.
Конструкция двигателей со слоистой структурой топливной смеси у каждого производителя своя. Самая выдающаяся была представлена компанией Honda в двигателе CVCC. В нем использовалась форкамера, которая не давала богатой смеси смешиваться с бедной. Ниже описывается четырехтактный цикл двигателя со слоистой структурой топливной смеси.
1. Такт впуска. В головке блока цилиндров есть маленькая камера - форкамера с собственным впускным клапаном. Свеча находится в этой камере. Во время такта впуска открывается маленький дополнительный клапан и впускает в форкамеру очень богатую горючую смесь. В этом же такте открывается главный впускной клапан и впускает в цилиндр очень бедную горючую смесь. На рис. 6.18 показана схема работы двигателя со слоистой структурой топливной смеси во время такта впуска. Сравните его с обыкновенным двигателем, показанным на рис. 6.14.
Рис. 6.18. Четырехтактный цикл двигателя со слоистой структурой топливной смеси
2. Такт сжатия. Бедная смесь сжимается в камере сгорания, и две смеси входят в контакт.
3. Рабочий такт. Свеча воспламеняет богатую смесь в форкамере, где опа сильно горит, поджигая бедную смесь в камере сгорания. Это заставляет поршень опуститься и создает энергию, которая приводит в движение машину. Бедная смесь сгорает медленнее, поэтому топливо сгорает полностью. Получается, что у двигателей го слоистой структурой топливной смеси больший ресурс и выхлопные газы чище.
4. Такт выпуска. Выпускной клапан открывается и выпускает отработанные газы через выхлопную систему.
В других двигателях со слоистой структурой топливной смеси в качестве места для воспламенения богатой смеси вместо форкамеры используется специальная выемка в поршне. Такая конструкция показала свою эффективность на многих автомобилях.