Глава 4. Работа двигателя
При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх – вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения. У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке. За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз). При постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре - в верхней и нижней части. В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения. Точки в цилиндре, где поршень «останавливается» и изменяет направление своего движения, называются «мёртвыми точками». Самое дальнее положение поршня в цилиндре относительно оси коленчатого вала, называют «верхней мёртвой точкой» , самое ближнее положение поршня в цилиндре относительно оси коленчатого вала, называют «нижней мёртвой точкой».
Поршень, движущийся в цилиндре, проходит расстояние равное расстоянию между верхней и нижней мёртвыми точками. Это расстояние называется ходом поршня. Двигатели, у которых ход поршня меньше его диаметра, носят название короткоходных. За один ход поршня кривошип КВ проходит расстояние равное двум его радиусам, т.е. совершает полуоборот (180°).
Объем цилиндра, заключённый между крайними положениями поршня в цилиндре (между мёртвыми точками) называют рабочим объёмом цилиндра (Vр). Сумма рабочих объёмов всех цилиндров двигателя, равняется рабочему объёму двигателя, называемому также - литражом двигателя. Сумма рабочего объёма цилиндра (Vр) и объёма камеры сгорания (Vксг) равняется полному объёму (Vп).
Литраж двигателя (рабочий объём) указывается в технической характеристике автомобиля. Сравнивая рабочие характеристики двигателей различных автомобилей можно заметить, что чем больше литраж двигателя, тем выше его мощность и удельный расход топлива.
Камерой сгорания называют объём цилиндра над поршнем, при положении поршня в верхней мёртвой точке. Топливно-воздушная смесь в цилиндре сжимается поршнем как раз до этого объёма и сгорает в этом объёме после воспламенения. Отношение объёма смеси, поступившей в цилиндр на такте впуска, к объёму смеси, сжатой до объёма камеры сгорания при такте сжатия, называют степенью сжатия двигателя. Степень сжатия показывает, во сколько раз в цилиндре сжимается смесь и определяется по формуле n = Vп/Vксг.
Степень сжатия современных бензиновых двигателей лежит в пределах 8 – 12, дизельных – в среднем 18 – 22. От степени сжатия во многом зависит топливная экономичность и мощностные характеристики двигателя. Степени сжатия двигателей ограничиваются, у бензиновых двигателей – свойством применяемого топлива (бензина), у дизельных – конструктивными особенностями применяемых материалов, из которых изготавливаются детали двигателя и которые с повышением степени сжатия «обязаны» выдерживать большие нагрузки.
Свойства бензинов описываются октановым числом бензина, характеризующим его антидетонационную стойкость.
Детонационное сгорание рабочей смеси (детонация) предполагает нехарактерно быстрое сгорание (взрыв) топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя, приводящее к повышению нагрузок, в первую очередь на детали цилиндропоршневой группы. Скорость распространения фронта пламени, сгорающего в цилиндре топлива, может возрастать с 40 м/сек. до 2000 м/сек. и более. Признаком работы двигателя с детонацией являются характерные и хорошо прослушиваемые стуки, получившие название детонационных стуков. Детонационные стуки возникают вследствие вибрации стенок цилиндра и других деталей ЦПГ под воздействием «ударной волны».
Причиной детонации может быть:
1) применение топлива с октановым числом ниже рекомендованного инструкцией производителя;
2) перегрев двигателя;
3) перегрузка двигателя по оборотам или крутящему моменту;
4) чрезмерно раннее зажигание, а также та или иная совокупность перечисленных явлений.
Работа двигателя с детонацией может сопровождаться перегревом двигателя, падением его мощности и высоким расходом топлива. Иногда появляется искристый или дымный выхлоп из глушителя. Следствием работы двигателя с детонацией могут быть поломки перемычек между кольцами на поршнях, поломки самих колец, оплавление кромки и/или прогорание днища поршня. Лавинообразное повышение температуры в цилиндре вследствие разрушения деталей из-за детонации часто приводит к появлению ещё одного весьма нежелательного явления – калильного зажигания.
Калильное зажигание- самопроизвольное и несвоевременное воспламенения смеси от сильно нагретых деталей двигателя (юбки свечи, кромки поршня, кромки клапана, тлеющего нагара и т.п.). Причина появления калильного зажигания может быть и более тривиальной, как-то несоответствие свечей зажигания данному типу двигателя или повышенное нагароотложение на днищах поршней.
На работающем двигателе, при движении поршня к нижней мёртвой точке силы, действующие на поршень, прижимают его к правой стенке цилиндра, а при движении к верхней мёртвой точке, к левой. При переходе поршня через мёртвые точки происходит изменение опоры поршня (перекладка поршня) с одной стенки цилиндра на другую.
Изменение направления действия сил в цилиндре приводит к неравномерному износу цилиндра (под овал и под конус с образованием износного уступа в верхней части цилиндра). Неравномерный износ цилиндра следует учитывать при его измерениях и последующем ремонте.
Давление, создаваемое поршнем в цилиндре в конце такта сжатия называется компрессией.Порядок работы цилиндров двигателя определяется порядком чередования одноимённых тактов в цилиндрах двигателя (например, тактов рабочего хода).
Например, у широко распространенных рядных четырёхцилиндровых двигателей, возможны два варианта порядка работы цилиндров: 1 – 2 – 4 – 3 или 1 – 3 – 4 – 2. Иной порядок работы может быть лишь при изменении имеющейся, и являющейся оптимальной для этого типа двигателей, конструкции коленчатого и/или распределительного валов, что не практикуется. Данный порядок цифр означает, что при работе двигателя, такты рабочего хода (равно, как и другие такты) чередуются в цилиндрах в изложенной последовательности.