Разделы сайта:

Из всего многообразия существующих в настоящее время автомобильных силовых установок устойчивое положение занимают конструкции, практически не отличающиеся по принципу работы от двигателей, устанавливаемых на самые первые серийные автомобили. Стабильные позиции в производстве занимают два типа поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС): бензиновый — потребляющий в качестве основного топлива бензин и дизельный — появившийся на автомобилях несколько позже, потребляющий дизельное топливо («солярку-»). Появление впрыска топлива в бензиновых моторах конструктивно сблизило эти два типа двигателей (в обеих конструкциях применяются форсунки, насосы высокого давления и т. д.), но все же принцип воспламенения топливной смеси как основное отличие, у каждого остается индивидуальным. Справедливости ради нужно упомянуть бензиновый роторно-поршневой двигатель Ванкеля -—.весьма интересную конструкцию, значительно превосходящую по своим техническим параметрам выше упомянутые моторы. При малых габаритах силовой установки Ванкелю удалось получить недостижимую для обычного двигателя мощность. Этот двигатель хорошо уравновешен и по сравнению с поршневыми имеет существенно меньшее количество деталей, без особых последствий переносит любой тип бензина, что, несомненно, является заманчивым для производства. Но, увы, сложность изготовления, дорогой

ремонт основных составляющих, не редко малый ресурс, большой расход масла и повышенная токсичность выхлопа не позволяют пока наладить массовый выпуск этого передового устройства. Краткая справка: первый двигатель внутреннего сгорания был создан французским инженером Этвеном Лену аром в 1860 г., а в 1862 г. изобретатель Бо де Pouia, кстати, из той же Франции, придумал четырехтактный цикл: всасывание топливовбздушной смеси, ее сжатие в цилиндре посредством поршня, поджог сжатой смеси электрическим разрядом, сгорание, тепловое расширение и выхлоп. Немецкий изобретатель Н. Отто развил эту замечательную идею, и в 1878 г построил первый четырехтактный ДВС, превосходивший более чем в два раза по коэффициенту полезного действия (КПД) существующие на то время тепловые машины. Дизельный двигатель с воспламенением от сжатия изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель, 28 февраля 1892 г. он получил патент на четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. В отличие от бензиновых ДВС, в цилиндре этого двигателя сжималась не горючая смесь, а всасываемый воздух. И только тогда, когда температура воздуха в конце такта сжатия поднималась до 600-700 °С, в цилиндр под высоким давлением подавалось топливо. По началу топливом служил керосин, он моментально воспламенялся, и продукты сгорания, расширяясь от температуры, приводили в движение поршень цилиндра. В конце 1896 г. был создан работоспособный экземпляр, примерно в три раза превышавший КПД парового двигателя. Подлинную революцию в области ДВС совершил немецкий инженер Феликс Ванкель. Патент на двигатель внутреннего сгорания без поршней и клапанов он получил в 1929 г, а в 1967 г. роторный NSU Ro-80 на Франкфуртском автосалоне получил престижный титул «Автомобиль года». В двигателе этого автомобиля трехгранный ротор вращался в цилиндре

специального профиля по определенной траектории, отрабатывая все те же четыре такта. Незамедлительно все ведущие моторостроительные фирмы приобрели патент на производство роторно-поршневого двигателя (РПД), но, столкнувшись с большими техническими проблемами, были вынуждены отказаться от дальнейших разработок. До уровня серийного двигателя дотянули японская фирма Mazda и наш автопром. Двигатель при всех его недостатках отличался компактностью, которая превосходила однотипные по мощности поршневые моторы в 2—3 раза. Спортивный автомобиль Mazda RX-7 (или Mazda Savanna) выпускался с двухсекционным роторным двигателем, а позже его преемник Mazda RX-8 стал лучшим автомобилем 2003 г. в Японии, сделав очередной переворот в двигателестроении. В нашей стране РПД выпускались малыми сериями и исключительно для целей силовых структур. Двигатели внутреннего сгорания подразделяются: 1. По количеству тактов за рабочий цикл — двухтактные (на сегодняшний день крайне редко применяются в легковых автомобилях, в основном это удел мотоциклов) и четырехтактные. 2. По способу образования топливно-воздушной смеси — с внешним смесеобразованием (то есть смесь готовится вне цилиндров) — бензиновые и с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь готовится внутри цилиндров) — дизельные и бензиновые с непосредственным впрыском. 3. По типу системы охлаждения — принудительная воздушная и, гораздо больше распространенная, жидкостная. 4. По расположению цилиндров — в один ряд, в два ряда под острым углом V-образно и с противоположными цилиндрами (то есть под углом 180°). Последние еще называют оппозйтными. 5. По числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровый и многоцилиндровые. Зачастую в солидных автомобилях встречаются и 12-цилиндровые двигатели.

6. По принципу подачи воздуха в цилиндры— атмосферные (то есть те, у которых воздух в цилиндры поступает за счет разрежения, создаваемого собственными поршнями) и наддувные (воздух в цилиндры которых подается с помощью дополнительного механического устройства — турбины либо нагнетателя). Последние, несмотря на сложность, имеют внушительный перевес по литровой мощности за счет дополнительного заряда топливной смеси. Первое место по количеству производимых экземпляров до сих пор занимают бензиновые двигатели, несомненные плюсы которых: > • 1. Меньшая по сравнению с дизельными моторами масса при одной и той же мощности, 2. Лучшие скоростные характеристики. 3. Менее проблематичный зимний пуск, что особенно важно при эксплуатации северных районах. 4. Стоимость капитального ремонта меньше, чем у дизельного. 5. Стоимость запасных частей также несколько меньше. К основным недостаткам бензиновых двигателей, прежде всего, следует отнести: 1. Повышенный расход топлива. 2. Пониженный крутящий момент (дизельные моторы при одной и той же мощности гораздо более «тяговитые»)3. Повышенную пожароопасность (за счет применения бензина и газа в качестве основного вида топлива). 4. Более сложную навеску (то сеть вспомогательные агрегаты систем питания, зажигания и пр.). 5. Повышенную требовательность к качеству топлива и смазывающих материалов. 6. Как правило, более дорогое топливо. Развитие бензинового двигателя происходило сразу по нескольким направлениям: 1. Ход поршня в цилиндре постепенно изменялся в сторону уменьшения. Делалось это для уменьшения массы перемещающихся деталей, соответственно удешевлялось

производство и повышались максимальные обороты коленчатого вала. Эта тенденция постепенно уводит максимальный крутящий момент в область более высоких оборотов. 2. Одновременно снижалась высота поршня, что уменьшало площадь трения и общую массу шатунно-поршневой группы. 3. Неуклонно увеличивалась литровая мощность двигателя за счет увеличения степени сжатия, применения многоклапанных механизмов и оптимизации процессов топливообразования и зажигания. 4. Повсеместно применявшийся чугун (из него делались блоки двигателей, головки блоков и поршни) стал постепенно вытесняться более легкими алюминиевыми сплавами. 5. Толщина компрессионных колец постепенно снижалась и в настоящее время на некоторых моделях уже не превышает 1 мм. Такая тенденция позволяет уменьшить силы трения колец о стенки цилиндров, соответственно уменьшается износ и легче происходит их приработка. 6. Карбюраторные системы питания практически вытеснены сложными системами впрыска. Точность дозирования топлива, несомненно, возросла, но при этом возросли требования к его качеству и усложнились ремонт и техническое обслуживание. 7. Контактные системы зажигания, хотя еще и встречаются на выпускаемых автомобилях устаревшей конструкции, практически полностью вытеснены электронными устройствами (которые не имеют не только подвижных контактов, но зачастую лишены высоковольтного распределителя с сопутствующими ненадежными элементами). В последних конструкциях все эти устройства, включая катушку зажигания, совмещены в свечном наконечнике. Ко всему вышесказанному можно добавить, что у дизельных моторов неуклонно повышалось давление впрыска, что положительно сказывалось на технических характеристиках и токсичности выхлопа.

Конструкция дизельных двигателей в последние годы претерпела существенную модернизацию. Ранее тихоход, ные, в настоящий момент они вплотную подошли по своим скоростным характеристикам к современным бензиновым моторам, обладая при этом значительным превосходством по такому немаловажному параметру, как крутящий момент. Но ничто не дается даром; чтобы получить такие замечательные характеристики, пришлось оборудовать систему впуска турбонаддувом, современными микропроцессорными системами управления подачи топлива и т. д. Соответственно, стоимость двигателей до* вольно заметно возросла, что, впрочем, не помешало довести уровень их продаж в европейских странах до уровня продаж бензиновых двигателей. Бесспорными плюсами дизельных моторов являются: 1. Экономичность, особенно проявляющаяся во время междугородных поездок. 2. Значительно больший моторесурс по сравнению с бензиновыми двигателями. 3. Крутящий момент на низких и средних оборотах ощутимо превосходит этот показатель бензиновых моторов при одной и той же мощности. 4. Гораздо меньшая токсичность выхлопа. Несмотря на все достижения передовой конструкторской мысли, все еще остаются некоторые «дизельные» недостатки: 1. Повышенный шум и вибрации, особенно проявляющиеся на холостых оборотах. 2. Относительная дороговизна двигателя по сравнению с аналогичным по параметрам бензиновым. 3. Повышенная требовательность двигателей, особенно с турбонаддувом, к качеству моторного масла. Все поршневые двигатели, в принципе, устроены довольно схоже и имеют следующие механизмы и системы:, 1. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) — служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней 2 в цилиндрах 1 во

вращательное движение коленчатого вала 5 посредством шатунов 4 (рис. 4.1). 2. Газораспределительный механизм (ГРМ) — служит для своевременного наполнения цилиндров горючей смесью, создает условия для сжатия этой смеси и осуществляет выпуск отработанных/Газов посредством распределительного вала 3, клапанов 6 и механизмов их привода (рис. 4.2). Привод распределительного вала состоит из нижней (которая находится на коленчатом валу) и верхней 1 шестерен. Шестерни механически связаны между собой зубчатым ремнем 2. Для того чтобы привести клапаны в движение, кулачки распределительного вала 4 давят на регулировочные шайбы стаканчиков 5, тем самым создавая усилия для сжатия клапанных пружин 8. При этом тарелки клапанов отходят от их седел, создавая условия для впуска рабочей смеси либо выпуска выхлопных газов.

Как правило, привод газораспределительного механиз ма современных двигателей осуществляется зубчатым рем нем, но иногда встречается устаревший цепной привод и совсем уже редкость — привод распредвала косозубой ш§ стерней. Если конструкцией четырехтактного двигателя предусматривается применение одного распределительного вала, передаточное число привода в обязательном поряд ке должно соответствовать соотношению 1:2 (т. е. шестерня распредвала должна быть по диаметру в два раза больше той, которая установлена на коленчатом валу) Делается это для синхронизации газораспределительно го механизма с кривошипно-шатунным, так как для пра

вильной работы двигателя за один оборот распределительного вала коленчатый вал должен сделать два оборота. Дефекты газораспределительного механизма, если их вовремя не устранить, способны надолго вывести двигаI те ль из строя. 3. Система смазки — осуществляет посредством масляного насоса смазку жидким маслом под давлением подшипников коленчатого и распределительных валов, а также некоторых других тяжело нагруженных механизмов. Система смазки также отводит продукты износа и тепло от трущихся пар, поэтому всегда имеет узел очистки (масляный фильтр или центрифугу) и иногда обладает своим собственным масляным радиатором. Отказ этой системы не позволяет проехать автомобилю более 2-2,5 км даже по ровному асфальту, после этого наступает остановка двигателя за счет полного разрушения подшипников коленчатого вала и другие тяжелые последствия. 4. Система питания — предназначена для приготовления, оптимизации и подачи топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя. Бензиновые двигатели первоначально оборудовались карбюратором, который в настоящее время встречается только на устаревших моделях. На смену карбюратору на довольно короткий промежуток, времени устанавливалась система с одной форсункой в коллекторе (моновпрыск). Затем количество форсунок увеличилось до числа цилиндров двигателя (плюс специальная пусковая форсунка, предназначенная для обогащения топливовоздушной смеси в момент холодного запуска). В конечном итоге форсунки из впускного коллектора переместились в камеру сгорания (непосредственный впрыск). Система питания дизельных ДВС, имеющая в своем составе топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки, с момента ее установки на первые дизельные автомобили коренных изменений не претерпела. Дефекты этой системы отрицательно сказываются на токсичности выхлопа, ресурсе двигателя, легкости запуска и ходовых качествах.

Коленчатый вал (рис. 4.4) является одной из основных частей двигателя и состоит из щек 2, коренных 4 и шатунных 3 шеек. В передней части вала находится шейка 1 под шестерню привода ГРМ (иногда масляного насоса) и шкив привода вспомогательных агрегатов (генератора, помпы и т. д.). В заднем торце вала расположено гнездо под подшипник ведущего вала коробки переда1* (КПП) и посадочная поверхность под маховик 7, который за счет своей массы сглаживает толчки от поршней

и обеспечивает безостановочный их проход через мертвые точки. Маховик представляет собой массивное металлическое колесо с зубчатым венцом для зацепления с ведущей шестерней стартера во время запуска двигателя. Коленчатый вал в основной массе двигателей отливается из высокопрочного чугуна и для 4-цилиндрового двигателя имеет четыре шатунные и пять коренных шеек, закаленных токами высокой частоты (на глубину около Змм). Столь глубокая закалка производится для того, чтобы при последующих ремонтах была возможность восстановить поверхность изношенных или поврежденных шеек путем перешлифовки на уменьшенный размер, при этом применяются ремонтные, уменьшенные по внутреннему размеру вкладыши. Вертикальное перемещение поршня ограничивается радиусом кривошипа коленчатого вала. В двух его крайних положениях скорость поршня равна нулю. Крайнее

В конце рабочего хода поршня (при приближении его к НМТ) открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — д0 950-1200 °С. 4. Такт выпуска (рис. 4.8). Во время этого такта коленчатый вал совершает поворот на 180°, поршень перемещается от НМТ к ВМТ, выталкивая продукты сгорания в выпускной коллектор 7 (при этом выпускной клапан открыт, а впускной закрыт). Работа четырехтактного дизельного двигателя также осуществляется за два оборота коленчатого вала, но при этом имеются существенные отличия от работы бензинового двигателя: 1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре образуется разряжение и через воздушный

фильтр в его полость (при этом впускной клапан открыт) поступает атмосферный воздух (с температурой 30—60 °С) с давлением немного ниже атмосферного. 2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ (впускной и выпускной клапаны при этом закрыты), сжимая поступивший воздух. Для надежного воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления. 3. Такт расширения (или рабочий ход). Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, начинается процесс сгорания с быстрым повышением температуры и давления (в этот момент оба клапана закрыты). При этом максимальное давление газов достигает 6-10 МПа, а температура— 18002000 °С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ, тем самым совершая полезную работу. 4. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ (выпускной клапан открыт, а впускной закрыт) выталкивая в выпускной коллектор отработавшие газы, температура которых снижается к этому моменту до 700 °С. После завершения последнего такта рабочий цикл повторяется заново, в той же самой последовательности.