Общее устройство и рабочий цикл одноцилиндрового бензинового двигателя

Рассмотрим принцип работы простейшего одноцилинд­рового бензинового двигателя (рис. 2.3). Такой двигатель состоит из цилиндра, к которому при­кручена съемная головка.

В цилиндре находится поршень. Он имеет форму цилинд­рического стакана, состоящего из головки и юбки (рис. 2.4). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Их задача - обеспечить герметич­ность пространства над поршнем, не дав возможности газам, образующимся при работе двигателя, прорваться под поршень, а также не допустить попадание масла, смазывающего внутреннюю поверхность цилиндра, в пространство над поршнем. Эти кольца играют роль уплотнителей, причем те из них, которые не пропускают газы, назвали компрессионными, а оберегающие от масла - маслосъемными. Цилиндр необходимо заправить топливной смесью бензина с воздухом, приготовленной карбюратором или инжектором, сжать ее поршнем и поджечь, а она, сгорая и расширяясь, за­ставит поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия топлива превратится в механическую.

Теперь необходимо преобразовать перемещение поршня во вращение вала. Для этого использовали следующее механическое приспособление: поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединили с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 2.3 и 2.4). В результате перемещение поршня в цилиндре сверху вниз и обратно легко преобразуется во вращение вала. Верхней мертвой точкой, сокращенно ВМТ, называют са­мое верхнее положение поршня в цилиндре (т.е. то место, где поршень перестает двигаться вверх и начинает движе­ние вниз) (рис. 2.5).

Самое нижнее положение поршня в цилиндре (т.е. то мес­то, где поршень перестает двигаться вниз и начинает дви­жение вверх) называют нижней мертвой точкой, сокра­щенно НМТ (см. рис. 2.5).

Расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня (см. рис. 2.5). При перемещении поршня сверху вниз (от ВМТ до НМТ) объем над ним изменяется от минимального до максималь­ного. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания (см. рис. 2.5).

Объем, освобождаемый в цилиндре поршнем при его пере­мещении от ВМТ до НМТ, называют рабочим объемом ци­линдра - Vp (см. рис. 2.5).

Рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах, называется литражом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабоче­го объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ. Важной характеристикой двигателя является его степень сжатия. Она определяется как отношение полного объе­ма цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр смесь при перемещении поршня снизу вверх (от НМТ к ВМТ). У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6-14, у дизельных - 14-24. Сте­пень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Рис. 2.4. Поршень: 1 - маслосъемное кольцо; 2 - ком­прессионные кольца; 3 - поршневой палец; 4 - стопорное кольцо; 5 - юбка поршня; 6 - втулка; 7 - болт; 8 - вклады­ши; 9 - шатун; 10 - крышка шатуна

Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лоша­диных силах (1 л.с. примерно равна 0,735 кВт). Работа двигателя внутреннего сгорания основана на ис­пользовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре смеси топлива и воздуха. Как уже гово­рилось, в бензиновых и газовых двигателях смесь воспла­меняется от свечи зажигания (см. рис. 2.3), в дизелях - от сжатия.

Совокупность последовательных процессов, периоди­чески повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называет­ся рабочим циклом.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из че­тырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Пол­ный рабочий цикл осуществляется за два оборота ко­ленчатого вала.

При работе одноцилиндрового двигателя его коленча­тый вал вращается неравномерно, он резко ускоряется в момент сгорания горючей смеси, а все остальное вре­мя замедляется. Для повышения равномерности враще­ния на валу коленчатого вала, выходящего наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск (ма­ховик) - рис. 2.6. Когда двигатель работает, вал с махо­виком вращаются.

Теперь поговорим немного подробнее о работе такого двигателя.

Итак, первая задача - поместить внутрь цилиндра (в про­странство над поршнем) топливовоздушную смесь, кото­рую, как вы помните, приготовил карбюратор или инжек­тор. Это действие называют тактом впуска (первый такт). На рис. 2.7-2.10 показан принцип работы инжек­торного двигателя. Заполнение цилиндра двигателя топ- ливовоздушной смесью очень похоже на заполнение шприца лекарством (см. рис. 2.7): поршень из верхнего положения движется в нижнее. Но в шприце лекарство набирается, а затем выпускается через один и тот же ка­нал (иглу). В двигателе же горючая смесь впускается че-

Рис. 2.6

рез один канал, а продукты ее сгорания - через другой, т.е. к цилиндру двигателя подведены сразу два канала: впускной и выпускной. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их прин­цип действия очень прост: представьте себе гвоздь с большой круглой шляпкой, перевернутый «вверх нога­ми» (шляпкой вниз). Эта круглая шляпка закрывает вход из канала в цилиндр. При этом она прижимается к кром­ке канала мощной пружиной и как пробкой закупоривает его (см. рис. 2.15). Если нажать на клапан (тот самый «гвоздь»), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала будет открыт (см. рис. 2.16). Теперь, познакомившись с принципом работы клапанов, вернемся к первому такту работы двигателя.

Первый такт - такт ВПУСКА.

Первый такт - впуск или, как иногда говорят, всасыва­ние горючей смеси (см. рис. 2.7). Во время этого такта поршень перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю. Впускной клапан при этом от­крыт, а выпускной надежно закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью. Все это продолжается до того момента, пока поршень не окажется в нижней мертвой точке, т.е. его дальней­шее движение вниз окажется невозможным. Мы уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. За первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) он повернется на пол-оборота.

Второй такт - такт СЖАТИЯ.

До сих пор топливовоздушную смесь, приготовленную инжектором или карбюратором, мы называли горючей. А вот теперь (после того как она попала в цилиндр, смеша­лась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан) будем называть ее рабочей. Итак, насту­пил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и пу­ти ее отхода оказались отрезанными, поскольку впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. Теперь поршень, начав движение снизу вверх (от ни­жней мертвой точки к верхней), попытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.8). Одна­ко «стереть в порошок» эту смесь ему не удастся. Вы же помните, что преступить черту верхней мертвой точки поршень не в силах. А внутреннее пространство цилин­дра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), что­бы над поршнем, «застывшим» в верхней мертвой точ­ке, всегда оставалось пусть и не очень большое, но сво­бодное пространство. Напомним, что это пространство называют камерой сгорания.

К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8-1,2 МПа, а температура достигает 450-500 °С. Для того чтобы получить максимальную отдачу, хоте­лось бы сжать рабочую смесь как можно сильнее. Пред­ставьте себе, что вы пальцем закрыли выходное отвер­стие обыкновенного велосипедного насоса и сжимаете воздух. Чем сильнее сожмете, тем с большей силой «вы­стрелит» вверх рукоятка насоса, связанная с поршнем. Однако степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия ограничивается свойствами применяемого бен­зина, в первую очередь его антидетонационной стой­костью, характеризуемой октановым числом (у бензи­

нов оно изменяется от 66 до 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топли­ва. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может происхо­дить детонационное (от сжатия) воспламенение смеси и нарушаться нормальная работа двигателя. Третий такт - РАБОЧИЙ ХОД.

Вот теперь мы подошли к самому главному моменту - превращению тепловой энергии в механическую. В на­чале третьего такта, даже с некоторым опережением (на самом деле в конце такта сжатия), горючая смесь вос­пламеняется с помощью электрической искры свечи за­жигания (см. рис. 2.9).

Давление от расширяющихся газов передается на пор­шень, и он начинает движение вниз (от ВМТ к НМТ). При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Смесь сгорает с выделением большого количества теп­ла. Из-за этого давление в цилиндре резко возрастает и поршень с большой силой перемещается вниз, приво­дя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800-2000 °С, а давление - до 2,5-3,0 МПа. Обратите внимание, что только из-за третьего такта и создавался двигатель, хотя без остальных тактов он бы не состоялся. Поэтому все такты, кроме такта ра­бочего хода, иногда называют вспомогательными. А нам еще предстоит познакомиться с последним из вспомо­гательных тактов.

Четвертый такт - такт ВЫПУСКА.

В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпу­скной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через от­крытый выпускной клапан в выпускной канал (трубо­провод) и далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известным представителем которой является глушитель, в атмосферу (см. рис. 2.10). Все четыре такта периодически повторяются в рассмо­тренной последовательности в цилиндре двигателя, обеспечивают его непрерывную работу и называются рабочим циклом.

Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые от­личия (см. рис. 2.2). При такте впуска по впускному тру­бопроводу в цилиндр поступает не горючая смесь, а чис­тый воздух. Во время такта сжатия он сжимается и на­гревается. В конце этого такта, когда поршень, двигаясь вверх, подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное ус­тройство - форсунку, ввернутую в верхнюю часть голо­вки цилиндра, под большим давлением впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгора­ют. При этом выделяется большое количество тепла, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700-2000 °С, а давление - до 7-8 МПа. Под действи­ем давления газов поршень перемещается вниз - проис­ходит рабочий ход. Такт выпуска у дизельного двигателя аналогичен одноименному такту бензинового двигателя. Как мы уже сказали, лишь во время третьего такта (рабочий ход) совершается полезная механическая ра­бота. Остальные три такта - вспомогательные. Они со­вершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя. Этот диск называют маховиком (см. рис. 2.6 и 2.11). Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик также способствует преодолению сопротивления сжа

тия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также поз­воляет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигате­ля стартером. Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал дви­гателя передает запас инерции маховику.Накопленная таким образом инерция помогает махови­ку осуществлять вспомогательные такты рабочего цик­ла двигателя. В результате при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень перемещается в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилин­дровом двигателе порядок работы цилиндров устанав­ливается так, что рабочий ход, совершаемый в данный момент хотя бы в одном цилиндре, помогает проведе­нию вспомогательных тактов плюс оказывает помощь энергетическое донорство маховика.