На автомобилях устанавливаются преимущественно тепловые двигатели внутреннего сгорания, т.е. такие двигатели, в которых топливо сжигается непосредственно внутри цилиндра, а выделяющаяся в процессе сгорания топлива тепловая энергия при помощи кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу.
Для объяснения принципа работы двигателя возьмем цилиндр с поршнем, свободно перемещающимся внутри цилиндра, и соединим поршень при помощи шатуна с кривошипом вала (рис.10). В цилиндр введем заряд горючей смеси (пары бензина, смешанные с воздухом) и этот заряд воспламеним электрической искрой. Образующиеся при быстром сгорании газы, нагреваясь, расширяются, создают давление и перемещают поршень. Так как поршень шарнирно связан с шатуном, другой конец которого так же шарнирно закреплен на шейке кривошипа коленчатого вала, то при перемещении поршня вместе с шатуном повернется коленчатый вал и закрепленный на его конце маховик. Прямолинейное движение поршня посредством шатуна и кривошипа преобразовалось во вращательное движение коленчатого вала и маховика.
Рис.10. Схема кривошипно-шатунного механизма.
Для продолжения работы двигателя необходимо периодически возобновлять заряд горючей смеси, предварительно освободив цилиндр от отработавших газов. В верхней части цилиндра для этой цели сделаны впускное и выпускное отверстия (см. рис. 3), перекрываемые клапанами. Маховик изготовляется достаточно тяжелым, чтобы, получив разгон во время сгорания смеси, он смог перемещать поршень в цилиндре до нового воспламенения.
При движении поршня вверх клапан выпускного отверстия открывается, и отработавшие газы поршнем выталкиваются наружу. Коленчатый вал, продолжая вращаться, перемещает поршень вниз, и в освобождаемой части цилиндра создается разрежение, под действием которого цилиндр через впускное отверстие заполняется новым зарядом горючей смеси.
При нижнем положении поршня зажигать смесь нецелесообразно, так как давление газов не может быть использовано; поэтому поршень необходимо вернуть в первоначальное положение — вверх — и сжать рабочую смесь. Сжатую рабочую смесь зажигают, и под действием создавшегося давления газов поршень вновь переместится вниз.
Крайние положения поршня в цилиндре, в которых направление движения поршня меняется, называются мертвыми точками (рис.11, а), а путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой, - ходом поршня. За один ход поршня коленчатый вал повернется на пол-оборота - 180°.
Рис.11. Крайние положения поршня и объемы цилиндра.
Процесс, происходящий внутри цилиндра за один ход поршня, называется тактом.
Пространство внутри цилиндра над поршнем при положении его в верхней мертвой точке называется камерой сгорания.
Объем, освобождаемый поршнем при его движении от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.), называется рабочим объемом цилиндра.
В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров, выраженная в литрах, называется литражом двигателя.
Полным объемом цилиндра называется рабочий объем и объем камеры сгорания, вместе взятые (рис.11, б).
Горючая смесь при впуске заполняет полный объем цилиндра. В конце сжатия объем, занятый смесью, уменьшится то объема камеры сгорания.
Рис.12. Схема работы четырехтактного одноцилиндрового двигателя
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. В изучаемых двигателях, работающих на бензине, степень сжатия равна 6,2-6,6.
Чем больше степень сжатия, тем выше экономичность и мощность двигателя за счет уменьшения тепловых потерь и увеличения среднего давления на поршень. Снижение тепловых потерь в двигателе достигается уменьшением внутренней поверхности камеры сгорания, с которой соприкасаются газы. Среднее давление на поршень повышается за счет увеличения температуры и скорости сгорания рабочей смеси при ее большем сжатии.
Из описания принципа работы одноцилиндрового двигателя видно, что для выполнения одного такта рабочего хода, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов, необходимы три подготовительных такта: впуск, сжатие и выпуск (рис.12).
1-й такт - впуск служит для наполнения цилиндра горючей смесью. Поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан открыт, выпускной - закрыт. Под действием разрежения горючая смесь заполняет полость цилиндра над поршнем.
2-й такт - сжатие служит для подготовки рабочей смеси к воспламенению. Поршень перемещается вверх от н.м.т. к в.м.т., оба клапана закрыты, объем, занимаемый рабочей смесью, уменьшается в 6-7 раз, смесь сжимается и давление достигает 10-12 кг/см2. При сжатии рабочая смесь нагревается до 300-400°.
3-й такт - рабочий ход служит для преобразования энергии сжигаемого топлива в полезную механическую работу. Сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой; выделенное при этом тепло нагревает газы до температуры 2200-2500°. Расширяющиеся газы создают давление в 35-40 кг/см2, под действием которого поршень перемещается вниз от в.м.т. к н.м.т. Оба клапана при этом закрыты.
Действующая на поршень сила давления газов через шатун передается на кривошип, создавая крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Крутящий момент двигателя выражается в килограммометрах (кгм) и определяется умножение действующей на кривошип коленчатого вала силы, выраженной в килограммах, на радиус кривошипа, выраженный в метрах.
4-й такт - выпуск служит для освобождения цилиндра от отработавших газов. Поршень перемещается вверх от н.м.т. к в.м.т., выпускной клапан открыт, впускной - закрыт.
В дальнейшем процесс работы двигателя повторяется в указанном порядке.
Совокупность процессов, происходящих в цилиндре во время его работы в определенной последовательности (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск), называется рабочим циклом.
Рис.13. Схема одноцилиндрового двигателя.
Двигатель, у которого такты повторяются через каждые 4 хода поршня или 2 оборота коленчатого вала, называется четырехтактным.
При пуске двигателя подготовительные такты осуществляются проворачиванием коленчатого вала пусковой рукояткой или стартером. В работающем двигателе эти такты происходят за счет энергии маховика, накопленной при рабочем такте.
Для осуществления всех процессов рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания служат: кривошипно-шатунный и газораспределительный механизм (рис.13) и системы - охлаждения, смазки, питания и зажигания.
1. Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования прямолинейного, возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
2. Газораспределительный механизм: служит для своевременного впуска в цилиндры свежей горючей смеси и выпуска отработавших газов.
3. Система охлаждения предназначена для отвода тепла от деталей двигателя. Наиболее распространенным является жидкостное охлаждение.
4. Система смазки служит для подачи масла к трущимся деталям двигателя, частичного охлаждения их и очистки масла.
5. Система питания предназначена для подвода топлива, очистки и подачи воздуха к карбюратору, приготовления горючей смеси, подачи ее в цилиндры и отвода из них отработавших газов.
6. Система зажигания служит для образования электрической искры и воспламенения ею рабочей смеси в цилиндрах двигателя.
Одноцилиндровый двигатель, несмотря на наличие маховика, уменьшающего неравномерность работы двигателя, все же работает неравномерно, толчками, так как из четырех тактов только один является рабочим. Работа двигателя толчками вызывает его вибрацию и расшатывание деталей крепления, повышенный износ и возможную поломку деталей. Неравномерность вращения коленчатого вала значительно уменьшается при применении многоцилиндровых двигателей, представляющих собой как бы несколько одноцилиндровых двигателей, имеющих общий коленчатый вал. В этом случае равномерность работы многоцилиндрового двигателя достигается тем, что происходящие в разных цилиндрах рабочие такты не совпадают по времени, а чередуются в определенной последовательности.
(перечень неисправностей перечисляется для агрегата полученного по заданию.)