GENIE ABTI M1KIUВам, наверное, памятен простой школьный опыт с нагреванием эфира в пробирке, плотно закрытой пробкой. Немного терпения — и пробка с шумом вылетает из сосуда, вытолкнутая упругостью разогретых паров. Дала себя знать сила Теплового расширения газообразных веществ. Этот эффект в результате научных поисков неокольиих поколений ученых и многолетнего упорного труда изобретателей-инженеров был использован для создания машины, направившей «силу огня» в нужное русло. Так родился тепловой двигатель. В оонове рабочего процесса всех тепловых двигателей — расширение тел при нагревании. Поскольку больше всего расширяются газообразные вещества, в качестве рабочего тела в этих двигателях применяется пар или газ. Пар получают, нагревая воду в паровых котлах вне рабочих органов двигателя. Поэтому говорят, что паровые машины имеют «внешнее» сгорание. В отличие от них в двигателях внутреннего сгорания выделение тепла и нагревание рабочего тела происходит внутри цилиндра. Рабочим телом в таких двигателях является газ, образующийся при сгорании топлива. Созданный в последнее десятилетие XIX века поршневой двигатель внутреннего сгорания, непрерывно совершенствуясь, приобрел современные качества: большую мощность при малых габаритах и весе, высокую надежность и долговечность, хорошую экономичность. Это позволило ему почти полностью вытеснить паровые машины и занять господствующее положение в энергетике наземного транспорта. Колоссальная армада автомобилей всего мира — легковые и грузовые, юркиемикролитражки и гиганты, степенно несущие громаду груза, вездеходы, пересекающие пески Африки или снега и торосы Антарктиды, — активно трудится благодаря своему сердцу — двигателю внутреннего сгорания. При всем многообразии автомобильных двигателей основа у них одна — цилиндр и поршень (рис. 1). Внутренняя полость цилиндра 8, ограниченная сверху его головкой 27, а снизу — днищем поршня 26, является рабочей. Здесь рабочее тело, увеличивая свою упругость при нагревании, расширяется и совершает нужное силовое воздействие на подвижный поршень. Конструктивно цилиндр объединен с корпусом двигателя — картером 13. Образуется жесткий и прочный остов для крепления всех деталей. Внутренняя поверхность цилиндра отшлифована до зеркального блеска, она так и называется«зеркало» цилиндра. По ней скользит поршень, имеющий форму стакана. Поршень отливают обычно из алюминиевого сплава. Для того, чтобы газ не мог прорваться через зазор между цилиндром ипорш ­ нем, на нем в специальных канавках установлены три-четыре упругих разрезных поршневых кольца 25, плотно прижимающихся к зеркалу цилиндра и обеспечивающих герметичность рабочей полости. Поршень внутри цилиндра совершает периодическое возвратно-поступательное движение. Как же его преобразовать в непрерывное вращательное? Для этого поршень специальной тягой — шатуном 11 — связывают с кривошипом, образованным шейкой коленчатого вала 14. Соединение обеспечивается при помощи стального полированного поршневого пальца 9, проходящего через отверстия в стенках поршня ив верхней головке шатуна. Нижняя головка шатуна образует шатунный подшипник, охватывающий кривошип. Коленчатый вал обычно куется из стали. В последние годы все чаще применяют валы, отлитые из специального высокопрочного чугуна. Коренные 16 и шатунные шейки вала связаны между собой щеками 15. Коренными вал опирается на подшипники 17, установленные в картере, и вращается в них. Картер вместе с цилиндром, поршнем, коленчатым валом и соединительными деталями образует кривошипно-шатунный механизм двигателя. К огда коленчатый вал вращается, шатунная шейка через шатун заставляет поршень двигаться по прямой. В определенные моменты поршень останавливается, а затем движется в обратном направлении. Крайние положения поршня называются мертвыми точками. Вверхуверхняя (в. м. т.), внизу — нижняя (к. м. т.) мертвая точка. Движение между ними — ход поршня. Объем рабочей полости между мертвыми точками называют рабочим объемом цилиндра. Его часто называют «литражом» * и обязательно указывают в технической характеристике двигателя. Для многоцилиндровых двигателей литраж — сумма рабочих объемов цилиндров. Чтобы двигатель действовал, нужен механизм, который, «дирижируя» рабочим телом, обеспечивал бы возможность своевременно наполнять цилиндр и освобождать его после работы, уступая ме*См. «За рулем», 1968, № 2 — «Строки технической характеристики».сто новой порции. Эти функции выполняет газораспределительный механизм, состоящий из клапанов 5и7и деталей их привода. У каждого клапана широкая часть — тарелка, плавно переходящая в длинный тонкий стержень. Тарелки имеют обработанный конусный поясокфаску, закрывающую отверстия между рабочей полостью цилиндра и каналами в головке блока. У этих отверстий тоже обработанная коническая поверхность — гнездо, к которому точно прилегает фаска клапана. Клапаны центрируются в направляющих втулках головки цилиндра и плотно прижимаются к гнездам пружинами 3. Для управления клапанами служит привод с кулачковым механизмом. В картере двигателя устанавливается распределительный вал 21 с выступами специальной формы — кулачками 22. Он обычно связан с коленчатым валом парой шестерен 20. В последние годы все больше распространяются конструкции двигателей, где эта связь осуществляется цепью. При работе двигателя кулачки вращаются ив нужные моменты поднимают толкатели 23, толкатели через длинные металлические стержни (называемые штангами) 24 воздействуют на коромысла 2, которые качаются на подвижной оси 28 и своим вторым плечом опускают клапаны. В образовавшуюся щель между гнезд оми тарелкой клапана может входить свежий заряд или выходить отработавший газ. В зависимости от этого клапаны называются впускными или выпускными. Когда выступ вращающегося кулачка пройдет толкатель, пружины возвращают весь механизм в исходное положение, и клапаны вновь «садятся» в свои гнезда. Для того чтобы двигатель заработал, необходимо прежде всего заполнить раб очую полость цилиндра зарядом. Им может служить горючая смесь мельчайших капелек и паров бензина с воздухом. Теоретически для обеспечения нормального сгорания каждый килограмм бензина должен смешиваться с 15-кратным (по весу) количеством воздуха. Практически, с изменением оборотов двигателя и нагрузки на него, это соотношение несколько меняется. Такая горючая смесь приготовляется в особом приборе — карбюраторе 4. Не будем сейчас рассматривать систему питания двигателя подробно. Отметим только, что карбюратор насыщает проходящий через него воздух дозированным количеством мелко распыленного бензина. В исходном положений поршень находится в в. м. т. При вращении коленчатого вала пусковой рукояткой или электрическим двигателем—стартеромшатун переместит поршень вниз. Объем рабочей полости увеличится, давление в ней понизится, и туда начнет поступать из карбюратора горючая смесь. Впускной клапан 5в это время открыт. В течение этого хода поршня совершается первый такт рабочего цикла — ВПУСК (рис. 2а). По окончании его впускной клапан закрывается — он выполнил свою роль. в результате впуска цилиндр оказался заполненным горючей смесью. Однако при этом поршень пришел в крайнее нижнее положение. Сейчас он не может «принять» работу расширения, которую мог бы совершить газ. Придется возвратить поршень в в. м. т. Чтобы удержать горючую смесь в цилиндре, оба клапана при этом ходе нужно закрыть. Тогда при возвращении поршня вверх смесь с повышением давления будет сжиматься. Это второй такт — СЖАТИЕ (рис. 26). В существовании его может убедиться каждый, проворачивая рукояткой коленчатый вал двигателя. В определенные моменты ощущается увеличение сопротивления вращению, которое оказывает сжимаемая внутри цилиндра смесь. Такое сжатие называется компрессией. Число, показывающее, во сколько раз уменьшается объем смеси в такте сжатия, называется степенью сжатия. Чем она выше, тем сильнее сжимается смесь и тем большую работу она сможет совершить в следующем такте при той же затрате топлива. Иными словами, рост степени сжатия повышает коэффициент полезного действия двигателя. Большая часть отечественных карбюраторных двигателей имеет степень сжатия 6,5—7. Итак, в конце такта сжатия поршень «взведен» в стартовое положение, горю2 чая смесь сжата до 10—12 кг/см . Теперь ее можно поджигать. Зажигание в нашем двигателе осуществляется электрической искрой, возникающей между электродами особой свечи 6, ввернутой в головку цилиндра. Эта искра вызывается импульсом высокого напряжения (12—18 тысяч вольт), вырабатываемым в специальной электрической системе зажигания. Под воздействием искры горючая смесь воспламеняется и быстро сгорает. Тепло, выделяющееся в результате сгорания бензина, разогревает содержимое цилиндра до температуры порядка 2000 градусов. Сгорание происходит чрезвычайно быстро, и поршень не успевает существенно изменить своего положения. Поэтому сильный нагрев газа в малом объеме камеры сгорания значительно повышает давление. Оно становится рав2 ным 30—40 кг/ом . Днища поршней современных двигателей имеют площадь 40—80 см 2 . Нетрудно подсчитать, что сила давления горячих газов на каждый поршень достигает 2—3 тонн. Под действием этой огромной силы поршень устремляется к н. м. т. Совершается третий такт — РАБОЧИЙ ХОД (рис. 2в). В этом такте сила давления газов совершает полезную работу, вращая при помощи шатуна коленчатый вал и, в конечном счете, — колеса автомобиля. Из всех рассмотренных тактов полезным с точки зрения совершения работы является только третий. Для того, чтобы произвести остальные, необходим маховик 12, который накапливает энергию при рабочем ходе и затем вращается по инерции. Чем больше масса маховика и скорость его вращения, тем равномернее работает двигатель, тем меньше будут ощущаться толчки во время рабочего хода и уменьшение его оборотов в такте сжатия. После рабочего хода надо удалить отработавшие газы из цилиндре. Для этого в конце третьего такта открьтается выпускной клапан, и поршень, двигаясь за счет инерции маховика к в. м. т., вытесняет газы из цилиндра в выпускную трубу и через специальное устройство для уменьшения шума — глушитель 1 — в атмосферу. Так совершается заключительный, четвертый, такт ВЫПУСК (рис. 2г). Это полный рабочий цикл четырехтактного двигателя, в результате которого топливо отдает заключенную в нем химическую энергию в виде тепла, а механизм двигателя преобразует его в работу.1. Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания: 1 — глушитель; 2 — коромысла; 3 — клапанные пружины; 4 — карбюратор; 5 — впускной клапан; 6 — свеча зажигания; 7 — выпускной клапан; 8 — цилиндр; 9 — поршневой палец; 10 — водяная рубашка; 11 — шатун; 12 — маховик; 13 — картер; 14 — коленчатый вал; 15 — щека коленчатого вала; 16 коренная шейка коленчатого вала; 17 коренные подшипники; 18 — поддон; 19 — запас масла; 20 — распределительные шестерни; 21 — распределительный вал; 22 — кулачки; 23 толкатели; 24 — штанги; 25 — поршневые кольца; 26 поршень; 27 — головка цилиндра; 28 — ось клапанных коромысел.Рабочий цикл можно совершить не только за четыре, но и за два такта. Нужно только успеть «перезарядить» двигатель на стыке двух тактов: рабочего хода и сжатия. Такой двигатель существует, его называют двухтактным. Работа, которую выполняет двигатель в единицу времени, называется мощностью. Очевидно, что, чем быстрее совершается рабочий цикл, тем больше раз он успеет повториться в единицу времени и тем больше будет мощность двигателя.В современных двигателях циклы следуют один за другим с огромной частотой, при которой коленчатый вал успевает обернуться за минуту несколько тысяч раз. Двигатель последней модели «Москвича» — «412», например, достигает максимальной мощности при 5800 оборотах вала в минуту. Мы рассмотрели работу двигателя, в котором горючая смесь зажигается принудительно электрической искрой. Однако можно обойтись и без нее. Если быстро сжать воздух в 15—16 раз, то егоГ2. «За рулем» № 8. 2. Схема рабочего цикла четырехтактного карбюраторного двигателя: а — впуск; б — сжатие; в • рабочий ход; — г — выпуск.температура повысится до 700—800 грасжатия вызывает взрывное сгорание, кодусов. В такой «раскаленной» атмосфере торое называется детонацией. Она резко воспламенится любое топливо. Это явповышает давление в камере сгорания. ление используется в двигателях с восВозникают сильные удары газовых волн пламенением от сжатия — дизелях. о детали кривошипно-шатунного мехаВо время впуска цилиндр такого двиганизма, слышится звонкий металлический теля заполняется чистым воздухом. Застук. Двигатель теряет мощность, перетем воздух сжимается, и в конце такта гревается. Возникновение детонации во сжатия в цилиндр через особый примногом зависит от сорта бензина. Для бор — форсунку — под большим давлекаждого типа двигателя предназначается нием впрыскивается порция топлива. Тобензин, соответствующий его конструкпливная струя при выходе из форсунки ции, степени сжатия и другим параметраспадается на мельчайшие капельки, чарам. Обладая высокой экономичностью, дистично испаряется и под действием высокой температуры воздуха воспламезель имеет свои недостатки. Очень уж няется. Чтобы этот процесс происходил резко повышается давление в его каме70быстрее, для таких двигателей примере сгорания — оно достигает 2 няют топливо, имеющее хорошую вос90 кг/см . Это заставляет конструкторов пламеняемость. Его называют дизельным. делать детали дизеля значительно прочДля надежного и своевременного воснее, а следовательно, массивнее, чем у пламенения заряда при всех условиях двигателей с искровым воспламенением дизели имеют высокую степень сжатия, топлива. Таким образом, дизель, обеспеа это, как нам теперь известно, повычивая выигрыш в экономичности, явшает к. п. д. двигателя. Поэтому дизели ляется в то же время более тяжелым и обладают чрезвычайно важным достоингромоздким. Поэтому его выгоднее исством. Они расходуют топлива на 20пользовать на грузовиках большой гру30 процентов меньше, чем карбюраторзоподъемности. Надо сказать, что дизели быстро совершенствуются ив ряде ные двигатели. случаев теснят карбюраторные двигатеПочему же не повысить степень сжали, особенно на автомобилях средней тия у карбюраторных двигателей, чтобы грузоподъемности. А сейчас их начали ликвидировать этот их недостаток? Дело применять даже на легковых машинах (многие потребители больше всего зав том, что при зажигании смеси от постоинтересованы в экономии за счет тороннего источника по-иному протекает плива). рабочий процесс, и повышение степениТеперь о количестве и расположении цилиндров. Мощность, которую можно получить от одного цилиндра двигателя (разумных размеров), далеко не достаточна для обеспечения движения автомобиля. Поэтому автомобильные двигатели делают многоцилиндровыми, соединяя в один блок от четырех до двенадцати цилиндров. Многоцилиндровые двигатели не нуждаются в большом маховике, поскольку такты в их цилиндрах происходят в разное время и взаимно перекрываются. Чем больше цилиндров, тем равномернее и плавнее работает двига тель. Цилиндры двигателей располагают в ряд или двумя рядами под углом (6090 градусов) один к другому. Так как спереди подобные двигатели по виду напоминают латинскую букву «V», они получили наименование V-образных. На рис. 3 показан V-образный восьмицилиндровый двигатель, который устанавливается на автомобилях Горьковского автозавода ГАЗ-53А и ГАЗ-66. V-образные двигатели короче и легче однорядных, а главное, их основа — блок цилиндров — обладает большей, чем у рядных, жесткостью, обеспечивающей длительный срок службы. Современные дизели также делают V-образными. Таков, например, наш четырехтактный шестицилиндровый дизель ЯМЗ-236 (рис. 4) Ярославского моторного завода. Из предыдущего описания мы установили, что механизмы любого двигателя состоят из большого числа деталей, перемещающихся с трением одна относительно другой. Попробуйте не смазать трущиеся поверхности поршней или подшипников маслом. Мало того, что вал такого двигателя было бы очень трудно вращать. Все его детали в короткое время должны были бы износиться и выйти из строя. Поэтому двигатели обязательно снабжаются надежной системой смазки, обеспечивающей непрерывную подачу масла ко всем трущимся поверхностям. Обычно для этой цели в нижнюю часть двигателя — поддон 18 (см. рис. 1) — помещают запас масла 19, которое нагнетается масляным насосом (с приводом от двигателя) по специальным каналам ко всем подшипникам коленчатого и распределительного валов. Часть масла подается к коромыслам газораспределительного механизма. Благодаря обильной подаче оно вытекает из всех этих точек смазки и разбрызгивается внутри двигателя, создавая масляный туман и смазывая зеркало цилиндра, поршневой палец и другие детали. А затем стекает в поддон, откуда вновь поступает в масляный насос. Так обеспечивается непрерывная циркуляция масла все время, пока работает двигатель. Для его очистки в систему непременно включаются один или даже два фильтра. Периодические вспышки горючей смеси очень сильно нагревают поршень, стенки и головку цилиндра, клапаны. При чрезмерном повышении температуры возникает (из-за теплового расши-3. Общий вид карбюраторного V-образного восьмицилиндрового двигателя автомобиля ГАЗ-53А (в сборе со сцеплением и коробкой передач).