Детали двигателя автомобиля – Двигатель автомобиля. составляющие элементы, принцип работы и устройство автомобильного двигателя

Содержание

ЗА РУЛЕМ, №3, 1928 год. УСТРОЙСТВО АВТОМОБИЛЯ



ЗА РУЛЕМ, №3, 1928 год. УСТРОЙСТВО АВТОМОБИЛЯ

«За рулем», №3, июнь 1928 год, стр. 19-23

Проф. Е. ЧУДАКОВ

Статья вторая
Рабочий процесс автомобильного двигателя

1. Основные детали двигателя

В № 2 журнала «За Рулем», в нашей первой статье был дан перечень основных механизмов автомобиля и определено их назначение; дальше в отдельных статьях мы рассмотрим вопрос о том, как работают эти механизмы, из каких частей они состоят и что требуется для правильного их действия.

В первую очередь мы рассмотрим автомобильный двигатель, являющийся источником движущей силы автомобиля.

Автомобильный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине или еще на каком нибудь легко испаряющемся топливе. Двигателем внутреннего сгорания называется такой двигатель, у которого сгорание топлива происходит внутри его рабочего цилиндра; в отличие от этого у паровых машин сгорание топлива производится под паровым котлом, и уже полученный в котле пар поступает в рабочие цилиндры машины.

Фиг. 1.
А — Цилиндры двигателя
Г — Картер двигателя
Д — Коленчатый вал
Д1 — Маховик
К — Свечи
М — Карбюратор
П — Вентилятор
С — Магнето
Т — Водяной насос
У — Подвод холодной воды
Ф — Отвод горячей воды
Ц — Труба для отходящих газов

На фиг. 1 представлен общий вид автомобильного двигателя с правой и с левой сторон и дан перечень основных его деталей.

На фиг. 2 дан схематический рисунок поперечного разреза автомобильного двигателя с указанием лишь основных, наиболее существенных его деталей:

  • А — цилиндр.
  • Б — шатун.
  • В — поршень, «в» — поршневый палец.
  • Г — картер.
  • Д — коленчатый вал.
  • Е — цилиндрическая шестерня, укрепленная на коленчатом валу А.
  • Е1 и Е2 — цилиндрические шестерни, укрепленные на кулачковых валиках Ж.
  • Ж1 и Ж2 — кулачковые валики.
  • З1 и З2 — толкатели.
  • И1 и И2 — клапаны.
  • Л — клапанные пружины.
  • М — карбюратор.
  • К — электрическая свеча для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Коленчатый вал четырехцилиндрового двигателя совместно с укрепленными на нем шатунами и поршнями представлен отдельно на фиг. 3. Круглые точеные части коленчатого вала, за которые хватаются шатуны, называются шатунными шейками; круглые точеные части «е» коленчатого вала, лежащие в подшипниках картера, называются коренными шейками; плоские части Д, соединяющие шатунные шейки с коренными, носят название щек коленчатого вала.

Шатун Б, общий вид которого дан на фиг. 4, имеет две головки, представляющие собой подшипники; верхняя — целая — охватывает поршневый палец, показанный сверху отдельно, а нижняя — раз’емная — шатунную шейку коленчатого вала. Таким образом, шатун подвижно соединяет между собой поршень и коленчатый вал.

Фиг. 2.

Поршень представляет собой цилиндрическое тело, на которое непосредственно действуют газы в цилиндре двигателя; для того, чтобы газы, находящиеся под большим давлением, не утекали через зазор между поршнем и цилиндром, на поршень надеваются специальные пружинящие кольца, которые все время плотно прижимаются к стенкам цилиндра; на фиг. 3 дан общий вид поршня, а на фиг. 5 дан разрез через поршень, где видно соединение поршня с поршневым пальцем «в». Последний устанавливается в соответствующих выступах поршня, называемых поршневыми шашками.

Цилиндр двигателя представляет собою деталь, в которой происходит сгорание горючей смеси топлива и воздуха. Так как при этом сгорании получается очень высокая температура, могущая вредно отозваться на цилиндре, то почти во всех автомобильных двигателях цилиндры имеют водяное охлаждение. Для этой цели, как это видно из фиг. 2, цилиндр в своей верхней части — головке — имеет двойную стенку, внутри которой циркулирует вода. Наружная стенка цилиндра носит название водяной рубашки.

На фиг. 1 был дан общий вид блока четырехцилиндрового двигателя, имеющего общую водяную рубашку. Верхняя часть цилиндров носит название головки или крышки, внутренняя же его полость, где установлены клапана и электрическая свеча, называется камерой сгорания, так как здесь происходит воспламенение и горение рабочей смеси.

Цилиндры двигателя крепятся болтами на картере, устройство которого выясняется из фиг. 1 и 2. Картер представляет собой раз’емную коробку, посредине которой расположен коленчатый вал, и на который помимо цилиндров двигателя крепятся механизмы по обслуживанию двигателя, как-то: приборы зажигания, охлаждения и смазки двигателя.

Поршень движется в цилиндре вверх и вниз вдоль его оси, коленчатый вал вращается и своих подшипинках; благодаря соединению их шатуном, усилие от поршня передается коленчатому валу. Таким образом, части: цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал и картер образуют так называемый кривошипный механизм двигателя, служащий для изменения прямолинейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Фиг. 3.

Клапаны двигателя И служат для впуска в цилиндр свежего газа и выпуска из него сгоревшего. Как это видно из фиг. 2, клапаны поднимаются при помощи толкателей З, которые в свою очередь приводятся в движение при помощи кулачковых валиков Ж, связанных с коленчатым валом цилиндрическими шерстернями Е. Шестерни Е располагаются с переднего конца двигателя, как это показано на фиг. 6. Кулачковый вал имеет на некоторой части своей окружности выступы «к», которые при определенном положении этого валика заставляют толкатели З приподниматься, открывая тем самым клапаны. При вращении кулачкового валика эти выступы будут регулярно подходить к толкателям и таким образом осуществится регулярное поднимание клапанов. Кулачковый вал производит только под’ем клапана, а посадка его на место совершается при помощи цилиндрической пружины, обозначенной на фиг. 2 буквой Л.

В различных конструкциях двигателя применяется разное расположение клапанов, и число кулачковых валиков чаще равняется одному, как это, например, представлено на фиг. 6. На фигуре же 2 дана схема менее употребительной конструкции с двумя кулачковыми валами и с клапанами, расположенными по обе стороны цилиндра, для того чтобы с большей ясностью представить себе действие всего механизма.

Фиг. 4.

На фиг. 6 представлен общий вид клапанного механизма четырехцилиндрового двигателя, из которого видно устройство его деталей. Весь клапанный механизм, включая шерстерни Е, кулачковые валики Ж, толкатели З и клапаны Е1, Е2 носит название распределения двигателя.

В автомобильном двигателе для получения от него полезной работы сжигается смесь паров бензина (или какого-либо другого соответствующего топлива) и воздуха.

Для того, чтобы эта смесь, будучи воспламенена электрической искрой, сгорала хорошо, она должна быть правильно приготовлена, а именно:

  1. Соотношение количества бензина и воздуха должно быть определенным: примерно 15 кг воздуха на на 1 кг бензина.
  2. Бензин должен по возможности весь испариться и хорошо смешаться с воздухом.

Для осуществления этой задачи в автомобильном двигателе служит особый прибор, называемый карбюратором, который на фиг. 2 обозначен буквой М.

Фиг. 5.

К карбюратору М по отдельной трубке из бака подводится бензин, который внутри карбюратора и должен быть распылен и хорошо смешан с воздухом в надлежащей пропорции. Для лучшего перемешивания бензина с воздухом первый по тонкой трубке подводится к суженному сечению карбюратора, как это видно из фиг. 2; здесь, благодаря большой скорости воздуха, бензин высасывается из трубки, распыливается и хорошо смешивается с воздухом. Наиболее употребительные типы карбюраторов мы рассмотрим далее в отдельной статье.

Воспламенение горючего газа в цилиндре двигателя производится при помощи электрической искры, получающейся в свече К (фиг. 1 и 2) при пропускании через нее электрического тока высокого напряжения.

На фиг. 7 представлена отдельно такая свеча. Ток подводится к штифту «а», изолированному от других деталей свечи при помощи фарфорового изолятора «Б». Далее ток со штифта «а» проскакивает через контакты «в» к телу свечи «г», образуя между контактами электрическую искру.

Фиг. 6.

Ток для зажигания получается при помощи специального прибора, называемого магнето высокого напряжения, общий вид которого дан был на фиг. 1, а детальное описание которого будет приведено при рассмотрении вопроса о зажигании в автомобильных двигателях.

Как уже сказано было выше, для предупреждения перегрева цилиндра он охлаждается водой. Для того, чтобы эта вода в свою очередь не перегрелась и не начала кипеть, она при помощи специального водяного насоса, укрепленного на картере двигателя, прогоняется как через водяную рубашку двигателя, так и через специальный прибор — радиатор, служащий для охлаждения самой воды. Все механизмы, предназначенные для охлаждения двигателя, носят общее название приборов охлаждения и будут нами рассмотрены ниже.

Фиг. 7.

Наконец, для того, чтобы движущиеся части двигателя имели между собой возможно малое трение и чтобы они не могли «задрать» одна другую, или даже «заесть», между всеми движущимися частями должна быть обеспечена достаточно хорошая смазка. Для этой цели в двигателе служит обычно специальный масляный насос; этот насос через посредство трубок подводит масло к трущимся частям двигателя. Насос и все детали, служащие для смазки двигателя и носящие общее название приборов для смазки двигателя, будут нами рассмотрены в одной из последующих статей.

Таким образом, все механизмы двигателя могут быть подразделены на следующие 6 групп.

  1. Кривошипный механизм.
  2. Распределение.
  3. Карбюрация.
  4. Зажигание.
  5. Охлаждение.
  6. Смазка.

В дальнейшем в отдельных статьях мы порознь рассмотрим каждый из перечисленных механизмов в приведенном выше порядке.

2. Рабочий процесс автомобильного двигателя

Работа в автомобильном двигателе получается за счет сгорания внутри его цилиндров топлива, т.-е. за счет тепла, выделяющегося при этом сгорании.

Вся совокупность явлений, заполнение цилиндра двигателя свежей рабочей смесью, сгорание этой смеси и очищение цилиндра от получившихся продуктов сгорания — носит название рабочего процесса двигателя.

Автомобильный двигатель по своему рабочему процессу представляет собой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Ниже мы рассмотрим, как протекает этот процесс и из каких отдельных явлений он слагается.

На фиг. 8, 9, 10, 11 схематически представлен автомобильный двигатель при четырех различных положениях своих механизмов (поршня, коленчатого вала и клапанов).

Автомобильный двигатель всегда имеет несколько цилиндров (от 2 до 12), но в каждом из цилиндров рабочий процесс протекает совершенно одинаково; поэтому для изучения рабочего процесса двигателя мы рассмотрим все явление, происходящее в одном цилиндре.

Фиг. 8-11

Из фиг. 8 мы видим, что в этот момент при вращении коленчатого вала вправо (или, как говорят, по часовой стрелке) поршень движется вниз и создает в полости цилиндра разрежение; т.-е. давление газа здесь должно получиться меньше атмосферного.

Кулачковый вал Ж1, управляющий всасывающим клапаном, в это время располагается таким образом, что под толкателем проходит кулачок, т.-е. всасывающий клапан в это время открыт. Благодаря этому, внутрь цилиндра через этот клапан начнет засасываться образовавшаяся в карбюраторе смесь бензина и воздуха.

Это явление всасывания свежей смеси будет продолжаться до тех пор, пока поршень не дойдет до своего крайнего нижнего положения; примерно в этот же момент кулачок валика Ж1 повернется настолько, что минует толкатель всасывающего клапана, и последний опустится на свое место, от’единив полость цилиндра от карбюратора и всасывающей трубы.

Все описанное явление всасывання служит для зарядки цилиндра свежей рабочей смесью и представляет собой первый такт рабочего процесса двигателя. За этот первый такт поршень пройдет один свой ход сверху вниз, а коленчатый вал сделает половину оборота.

При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начнет из своего нижнего положения подниматься вверх; такой момент изображен на фиг. 9. При этом оба кулачковых валика находятся в таком положении, что их кулачки не подходят к толкателям клапанов, и последние остаются закрытыми за весь ход поршня вверх. Так как при этом полость цилиндра от’единена от наружного воздуха, а об’ем ее уменьшается, то внутри цилиндра происходит сжатие смеси, засосанной за ход всасывания. К моменту верхнего положения поршня сжатие получается максимальным, и для современного автомобильного двигателя оно равно около 6—6,5 атмосфер. Этот процесс сжатия является вторым тактом рабочего процесса двигателя. Он служит для подготовки смеси к ее воспламенению; как и первый такт, он соответствует одному ходу поршня и половине оборота коленчатого вала.

Когда поршень, двигаясь вверх и сжимая рабочую смесь, подходит к своему верхнему положению, через свечу К пропускается электрическая искра, чем и вызывается воспламенение смеси.

Воспламененная горючая смесь очень быстро (почти мгновенно) сгорает, отчего повышается ее температура и давление. Последнее в современных автомобильных двигателях к концу сгорания достигает 25—30 атмосфер.

Под давлением сгоревших газов поршень движется вниз, как это показано на фиг. 10, с большой силой заставляя повертываться коленчатый вал; так как при этом движении поршня вниз об’ем полости цилиндра увеличивается, то давление газа постепенно падает и к моменту нижнего положения поршня оно равно около 4—5 атмосфер.

Этот процесс расширения сгоревших газов и отдачи их полезной работы на коленчатый вал двигателя является третьим тактом рабочего процесса двигателя. За этот такт оба клапана — И1 и И2 — остаются закрытыми.

Когда поршень будет подходить к своему нижнему положению, кулачковый валик Ж2 повернется настолько, что его кулачок поднимет выпускной клапан И2, и газы, под влиянием имеющегося внутри цилиндра давления, выбрасываются наружу. Далее клапан И2 остается открытым за все движение поршня вверх, и через него за весь этот ход поршня будет выталкиваться из цилиндра сгоревший газ, как это показано на фиг. 11.

Этот процесс очищения цилиндра от сгоревших газов представляет собой четвертый такт рабочего процесса двигателя; он так же, как и предыдущие три такта, занимает одни ход поршня или половину оборота коленчатого вала.

Когда поршень за процесс выталкивания дойдет до своего верхнего положения, выпускной клапан И2 закрывается, так как к этому времени кулачок валика Ж2 пройдет толкатель клапана И2. Кулачок же валика Ж1 к этому моменту подойдут к толкателю всасывающего клапана и откроет последний; затем все явление начнется сначала, и вновь будут чередоваться четыре такта рабочего процесса в той же последовательности — всасывание, сжатие, расширение (или рабочий ход) и выталкивание.

Весь рабочий процесс двигателя, охватывающий четыре указанных такта,протекает за четыре хода поршня, или два оборота коленчатого вала.

За это же время всасывающий и выпускной клапаны открываются по одному разу; то-есть: за 2 оборота коленчатого вала кулачки должны подойти по одному разу к толкателям всасывающего и выпускного клапанов. Отсюда следует, что за 2 оборота коленчатого вала кулачковые валы должны повернуться на 1 оборот. Это достигается тем, что шестерня Е, сидящая на коленчатом валу, вдвое меньше, чем шестерни Е1 и Е2, связанные с кулачковыми валами. При многоцилиндровом двигателе за 2 оборота коленчатого вала в каждом из цилиндров завершится полный рабочий процесс; при этом чередование работы отдельных цилиндров устанавливается таким образом, чтобы вспышки в разных цилиндрах следовали через одинаковые промежутки времени. При таком чередовании вспышек получается наибольшая равномерность работы двигателя.

Мы видели, что за 2 оборота коленчатого вала или за 4 хода поршня в цилиндре автомобильного двигателя получается только один рабочий такт; или, другими словами, из 4-х ходов поршня только за один ход получается от газа полезная работа. Другие три такта: всасывание, сжатие и выталкивание, требуют затраты работы, которая должна покрываться за счет части работы, получаемой в рабочем такте двигателя.

Получив полезную работу от поршня за один его ход, коленчатый вал, продолжая вращаться, должен часть полученной работы отдать обратно поршню, т.-е за три «нерабочих» такта (всасывание, сжатие и выталкивание) усилие передастся не от поршня к коленчатому валу, а наоборот, от последнего к первому. За эти три такта коленчатый вал несколько замедлит скорость своего вращения с тем, чтобы вновь ее поднять за рабочий такт.

Чтобы уменьшить колебания скорости вращения коленчатого вала за рабочий процесс двигателя, на коленчатый вал крепится массивная деталь — маховик, который на фиг. 1 обозначен буквой Д1. Чем тяжелее маховик, тем ровнее получается ход двигателя и тем лучше он работает на тихих оборотах.

При многоцилиндровом двигателе за 2 оборота коленчатого вала в каждом цилиндре будет по одному рабочему ходу, а всего получится столько рабочих ходов, сколько имеется цилиндров.

Здесь полезная работа, получаемая в одном цилиндре, будет итти на покрытие «нерабочих» тактов в других цилиндрах; поэтому, неравномерность хода двигателя получится меньше, и маховик может быть значительно легче. Чем больше цилиндров у двигателя, тем плавнее ход автомобиля; особенно это заметно на тихом ходу.

Проф. Е. Чудаков


Автомобильный двигатель: основные детали и принцип работы  AutoRemka

 

Мотор автомобиля работает на бензине или на каком-либо другом горючем, которое легко воспламеняется. Двигатель машины чаще называют двигателем внутреннего сгорания, так как внутри цилиндра происходит процесс горения топлива.


Детали мотора

 

Коленчатый вал четырехцилиндрового мотора представляет собой круглые точеные элементы, на которых крепятся шатуны и поршни.

Две головки шатуна – это верхний и нижний подшипники, благодаря которым шатун подвижно крепит меж собой коленчатый вал и поршень.

Поршень – это цилиндрическое тело в двигателя, на которое оказывают воздействия действие газы. Специальные пружинящие кольца служат для того, чтобы удержать внутри газы большого давления. Они устанавливаются в выступах поршня, и называются поршневыми шашками.

В цилиндре мотора автомобиля происходит процесс сгорания топлива и воздуха. Следует отметить, что при этом вырабатывается высокая температура, которая довольно вредно воздействует на цилиндр, поэтому автомобильные цилиндры оборудованы водным охладителем. Для данного действия в верхней части цилиндра имеется двойная стенка, по которой циркулирует вода.

Нужно отметить, что цилиндры мотора машины закрепляются болтами на картере, который одновременно является разъемной коробкой, имеющей посередине коленчатый вал. На нем укреплены прибор зажигания, охлаждения и смазки мотора.

Внутри цилиндра поршень двигается вверх и вниз, вдоль оси, при этом коленчатый вал крутится подшипниками; при помощи шатуна, от поршня движение передается к коленчатому валу. Предназначение клапанов мотора состоит в запуске свежего газа в цилиндр и выпуска из него перегоревшего. Поднятие клапанов происходит с помощью толкателей, которые движутся кулачковыми валиками и связанными с коленчатым валом цилиндрическими шестернями.

В моторе машины происходит сжигание смеси паров бензина (или другого горючего) и воздуха. Отметим, что данная смесь воспламеняется электрической искрой, при этом сама смесь должна хорошо сгорать. Число горючего и воздуха должно составлять около 15 кг кислорода на 1 кг топлива, при этом горючее должно полностью испариться и смещаться с воздухом. Для этого в двигателе имеется карбюратор. К нему по особой трубке из бака поступает топливо, которое, в свою очередь, внутри карбюратора распыляется и смешивается с воздухом в четком количестве.

Чтобы элементы мотора имели меж собой малое трение, в моторе имеется специальный масляный насос, с помощью которого масло подается к трущимся деталям.

 

Особенности работы двигателя

 

Итак, мы рассмотрели основные детали двигатели и узнали, что мотор работает за счет внутреннего сгорания горючего в цилиндрах, а также за счет тепла, которое выделяется в процессе этого.

Следовательно, работа двигателя – это общность процессов, а именно: заполнение цилиндра двигателя рабочим раствором, сгорание которого и чистит цилиндр от остатков продуктов сгорания.

Обычно, двигатель машины имеет от двух до двенадцати цилиндров, однако рабочие процессы в них всегда одинаковы. При обороте коленчатого вала вправо, движущийся поршень создает в цилиндре давление газа  меньше внешнего. Вал расположен так, что позволяет под толкателем открывать всасывающий клапан. В цилиндр через клапан засасывается консистенция бензина и воздуха, которая образовалась в карбюраторе.

Процесс всасывания необходим для того, чтобы зарядить цилиндр новой рабочей смесью и является первый шагом к запуску мотора. За этот период поршень сделает один ход, а коленчатый вал пройдет половину оборота.

Вал, вращаясь, приводит поршень из нижнего положения в верхнее, а кулачковые валики не подходят к толкателям клапанов, поэтому они остаются прикрытыми, когда поршень движется вверх. В этот момент полость цилиндра не соприкасается с воздухом и   внутри цилиндра совершается сокращение консистенции.  При верхнем положении поршня сокращение является максимальным, не менее 6—6,5 атмосфер. Это второй шаг рабочего процесса мотора.

Поршень двигается вверх и сжимает рабочую смесь, затем на короткий промежуток времени останавливается в верхнем положении. В этот момент через свечу проходит электрическая искра, которая и воспламеняет смесь. Горючая смесь быстро сгорает, повышая ее температуру и давление до 25—30 атмосфер.

Далее поршень движется вниз под давлением газов, заставляя поворачиваться коленчатый вал. При этом возрастает размер полости цилиндра, и давление газа уменьшается. При нижнем положении поршня давление падает до 4—5 атмосфер.

Процедура расширения перегоревших газов и передачи их на коленчатый вал двигателя считается третьим шагом в работе мотора.

Тогда, когда поршень будет приближаться к нижней точке расположения, кулачковый вал развернется так, что его кулачок поднимет выпускной клапан и газы начнут извергаться вовне. Потом клапан остается раскрытым во время всех движений поршня вверх, через него будет выталкиваться с цилиндра перегоревшее топливо.

Эта процедура очистки цилиндра от перегоревшего топлива является четвертым тактом рабочего хода мотора.

Во время того, как поршень за процедуру выталкивания дойдет до собственного верхнего состояния, выпускной клапан прикрывается, так как кулачок уже минует толкач клапана. Кулачок валика к этому времени дойдет к толкателю всасывающего клапана и приоткроет последний, после чего все процессы начнутся сначала, и будут меняться друг за другом — всасывание, сжатие, расширение и выталкивание.

Тут же клапаны открываются по 1 разу, следовательно, за 2 оборота вала кулачки приблизятся по 1 разу к толкателям всасывающего и выпускного клапанов.

Для того, чтобы снизить колебания скорости оборотов коленчатого вала за рабочий процесс мотора, на коленчатый вал прикрепляется большой элемент — маховик. Чем он массивнее, тем правильнее ход двигателя и тем лучше он работает. В многоцилиндровом моторе за 2 оборота коленчатого вала такое количество рабочих ходов равно количеству цилиндров. Иными словами, чем больше имеется цилиндров у мотора, тем плавнее движется автомобиль.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

На протяжении многих десятков лет моторы изготавливали из самых обычных материалов — стали, чугуна, меди, бронзы, алюминия. Совсем немного пластика, иногда какие-то мелкие элементы, вроде корпусов карбюраторов, — из магниевых сплавов. На волне тенденции к всемерному облегчению конструкций и увеличению мощности при улучшении экологической составляющей состав материалов с тех времен заметно изменился. Из чего же сегодня делают двигатели? Разбираемся.

Большая часть автовладельцев наверняка знает главный тренд современного автомобилестроения: увеличение мощности двигателя при постоянном уменьшении его объема и массы. Секрет такого сочетания кроется в том числе в новых материалах и конструктивах. Ну и, разумеется, тщательной проработке всех элементов силового агрегата, а также уже не скрываемом отсутствии избыточных (читай: невыгодных) запасов прочности.

Как ни странно, всевозможные нанотрубки и прочий хай-тек, о котором постоянно говорят в СМИ, в моторостроении на самом деле почти не применяются. В серийных моторах самыми дорогими и сложными материалами являются кремнийникелевые покрытия, металлокерамический композит (например, известный как FRM у Honda), различные полимерно-углеродные композиции и постепенно появляющиеся в серийных двигателях титановые сплавы, а также сплавы с высоким содержанием никеля, например Inconel. В целом же двигателестроение остается очень консервативной областью машиностроения, где смелые эксперименты в серийном производстве не приветствуются.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

Прогресс обеспечивается в основном «тонкой настройкой» и применением давно известных технологий по мере их удешевления. Основная масса серийных агрегатов состоит в основном из чугуна, стали и алюминиевых сплавов — по сути, самых дешевых материалов в машиностроении. Однако тут все же есть место для новых технологий.

Самая крупная деталь любого мотора — блок цилиндров. Она же самая тяжелая. Долгие десятки лет основным материалом для блоков служил чугун. Он достаточно прочен, хорошо льется в любую форму, его обработанные поверхности обладают высокой износостойкостью. Список достоинств включает и невысокую цену. Современные моторы небольшого рабочего объема по-прежнему льются из чугуна, и вряд ли в ближайшее время индустрия полностью откажется от этого материала.

Основная задача в совершенствовании сплавов чугуна — это сохранение высокой твердости поверхности при улучшении его вспомогательных качеств, иначе это может привести к необходимости использования чугунных же гильз для блока цилиндров из более износостойкого сплава. Так изредка делают, но в основном на грузовых моторах, где эта технология финансово оправданна.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

Алюминий в качестве материала блока применяется также очень давно и совершенствуется примерно в том же направлении. Усилия направлены в основном на улучшение возможностей его обработки, на снижение коэффициента расширения при сохранении необходимой пластичности материала, повышение необходимых аспектов прочности сплавов.

Также развиваются технологии использования вторичного алюминия низкой очистки. Для таких сплавов применяются технологии, отличные от литья, причем налицо тенденция к изготовлению из алюминия блоков цилиндров более компактных моторов. Например, двигатель Volkswagen серии EA211 сегодня имеет алюминиевый блок, который оказался на 40% легче чугунного.

Магниевые сплавы значительно менее популярны. Они легче алюминиевых, но имеют значительно более низкую коррозийную стойкость, не переносят контакта с горячей охлаждающей жидкостью, со стальными крепежными деталями повышенной температуры. На рядных шестицилиндровых блоках моторов BMW серий N52 и N53, например, из магниевого сплава выполнена только внешняя часть блока, «рубашка» системы охлаждения. Для сравнительно длинного блока шестицилиндрового мотора это дает выигрыш в массе порядка 10 кг по сравнению с цельноалюминиевой конструкцией. Также магниевые сплавы используют для блок-картеров моторов с отъемными цилиндрами. В основном это двигатели мотоциклов.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителейИз чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

Компоненты двигателя

Если с самой большой деталью мотора новые технологии и материалы не очень «дружат» в целом, то в частностях возможны интересные сюрпризы. Гильзы цилиндров у любого блока являются точкой приложения всех новейших технологий и материалов. Высокопрочный чугун, методы поверхностного упрочнения алюминиевых высококремнистых сплавов, гальванические покрытия на основе сплава карбида кремния с никелем, металлокерамические матрицы и стальное напыление широко используются даже на серийных моторах. Про чугун и высококремнистый алюминий говорить не будем, все же сами технологии не только старые, но и массовые. А вот про остальные материалы лучше рассказать чуть подробнее.

Упрочненные чугунные гильзы по технологии CGI (Compacted Graphite Iron) появились для реализации экстремально высокой степени форсирования у дизельных моторов. Этот чугун сильно отличается от распространенного серого чугуна. У него на 75% выше прочность на разрыв, на 40% выше модуль упругости, и он в два раза устойчивее к знакопеременным нагрузкам. А его сравнительно невысокая стоимость и прочность позволяют создавать литые чугунные блоки с массой меньше, чем у алюминиевых. Но в основном его применение ограничено гильзами и коленчатыми валами. Гильзы получаются очень тонкими, теплопроводными и при этом столь же технологичными и надежными, как обычные гильзы из чугуна. А коленчатые валы по прочности соперничают с коваными стальными при заметно меньшей себестоимости.

Покрытие по технологии Nicasil, в общем-то, не редкость и далеко не новинка, но оно остается одним из самых высокотехнологичных и перспективных в своей сфере. Изобрели его еще в 1967 году для роторно-поршневых двигателей, и засветиться в массовом автомобилестроении оно успело. Porsche его применял для гильз цилиндров с 1970-х, а в 1990-е его попытались применить и на более массовых моторах, например в BMW и Jaguar, но недостатки технологии и высокая цена заставили отказаться от него в пользу более дешевых методов поверхностного упрочнения высококремниевых сплавов, например по технологии Alusil.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителейИз чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

Причем более вероятной причиной отказа является как раз повышенная стоимость блоков цилиндров с этим покрытием, связанная с низкой технологичностью процесса гальванического нанесения и высоким процентом не выявляемого сразу брака, который потом успешно списали на высокосернистые бензины.

Тем не менее это покрытие все еще остается лучшим выбором для создания рабочей поверхности в любом мягком металле, потому под различными торговыми наименованиями применяется в массовом и особенно гоночном двигателестроении. Например, под маркой SCEM в моторах Suzuki. Его недостатки в основном связаны с очень высокой стоимостью обработки и слабой приспособленностью к массовому производству при использовании с крупными многоцилиндровыми блоками.

Металлокерамическая матрица (MMC), более известная как FRM в моторах Honda, — еще один оригинальный и интересный материал. Например, двигатель на суперкаре NSX имел гильзы, выполненные по такой технологии. Опять же технология далеко не новая, но, как и материал, очень перспективная. Покрытие типа Nicasil тоже относится к MMC, но его приходится наносить гальваническим методом, и в качестве матрицы выступает достаточно твердый никель.

В технологии FRM материалом матрицы служит алюминий, а MMC получается в процессе заливки гильзы из волокнистого материала на основе карбоновой нити в алюминиевый блок. Использование углеродного волокна более технологично. К тому же матрица получается намного более толстой, чуть более мягкой, намного более упругой и абсолютно интегрированной в материал блока. Отслоение, как это происходило с Nicasil, попросту невозможно. Задиры и локальные повреждения в силу структуры материала ему почти не страшны, а в случае износа цилиндр можно расточить благодаря большому запасу по толщине.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителейИз чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

Минусы у такого покрытия тоже имеются. Во-первых, немалая цена, во-вторых, жесткое отношение к поршневым кольцам, поскольку его структура плохо «настраивается». Тут не создать полноценной сетки хона, правда, масло хорошо удерживается в волокнах и без того. Края волокон очень жесткие, и даже сверхтвердые кольца имеют ограниченный ресурс, а поршень в местах контакта интенсивно изнашивается при малейшем биении, что подразумевает использование поршней с минимальным зазором и очень короткой юбкой. К тому же покрытие очень маслоемкое. В итоге у моторов постоянно наблюдался повышенный расход масла, что на определенном этапе не позволило выполнять жесткие экологические требования.

Впрочем, сейчас эта проблема уже не актуальна, новые катализаторы и новые поколения малозольных масел позволяют об этом не беспокоиться. Ну и, разумеется, цена нанесения покрытия такого типа заметно выше, чем у алюсила или чугунных гильз, но все же меньше, чем у Nicasil-подобных материалов.

Покрытия MMC разных типов также используются в целом ряде деталей двигателей. Например, в седлах клапанов в ГБЦ, упрочнениях крайних постелей распредвалов, особо нагруженных местах креплений элементов конструкции. Это позволяет широко применять цельноалюминиевые детали и снижать массу конструкции за счет упрощения. Некоторые детали двигателей могут иметь крупные элементы из MMC, например клапаны. Но это и сейчас удел не серийных конструкций.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

Титановые сплавы также давно пытаются использовать в конструкции машин. В двигателях этот прочный, легкий и очень эластичный материал с превосходной химической стойкостью применяется очень ограниченно в силу высокой стоимости. Но можно найти серийные конструкции с деталями из титана. Титановые шатуны, например, давно устанавливаются в моторах Ferrari и тюнинговом подразделении AMG. Еще титан — неплохой выбор для пружин, шайб, рокеров и прочих элементов ГРМ, деталей теплообменников EGR, а также разных крепежных элементов. Кроме того, он используется для производства рабочих элементов высокопроизводительных турбин, а иногда —— для производства клапанов и даже поршней.

Теоретически детали из высококремнистых титановых сплавов с высоким содержанием интерметаллидов и сицилидов могут применяться в двигателях, но у большинства титановых сплавов наблюдается серьезная потеря прочности уже при температурах свыше 300 градусов — изменение пластичности в больших пределах и большой коэффициент расширения, что не позволяет создавать из них долговечные детали с низкой массой. Ограниченное применение имеет в двигателестроении и 3D-печать из титановых сплавов, например для создания выпускных систем на спорткарах.

А вот покрытия из нитрида титана — одни из самых популярных средств упрочнения поршневых колец. Этот материал отлично работает по кремниевому упрочненному слою гильз цилиндров. Его же используют как напыление на фаски клапанов, в том числе титановых, на торцы толкателей клапанного механизма и другие узлы двигателя. Начиная с 1990-х годов использование этого метода упрочнения неуклонно возрастает, и он вытесняет хромирование, азотирование и ТВЧ-закалку. Также нитрид титана является перспективным типом покрытия для гильз цилиндров: он может наноситься методом PA-CVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), а значит, такие технологии могут стать серийными в ближайшее время, если будет спрос на новые износостойкие покрытия цилиндров.

Уже упомянутая 3D-печать также активно применяется для создания высокопрочных и высокоточных жаростойких деталей сплав Inconel. Это семейство никельхромовых жаростойких сплавов давно служит материалом для создания выпускных клапанов, верхних компрессионных колец, пружин и даже выпускных коллекторов, корпусов турбин и крепежного материала для высокотемпературного применения.

В последние годы, в связи с развитием технологий 3D-печати и активным использованием в них Inconel-сплавов, мелкосерийные ДВС все чаще обзаводятся деталями из этого очень перспективного материала. Рабочий диапазон деталей из него минимум на 150–200 градусов выше, чем у самых жаростойких сталей, и доходит до 1200 градусов. Как материал упрочнения сплавы Inconel используются серийно уже достаточно давно, так, в моторах Mercedes-Benz покрытие из Inconel применяется на моторах серий M272/M273.

Пластмассы также продолжают внедрять в конструкции двигателей. Выполненные из пластика элементы системы впуска и охлаждения — дело уже привычное. Но дальнейшее расширение номенклатуры маслостойких и теплостойких пластмасс с низким короблением позволило создать пластмассовые картеры ДВС, клапанные крышки, направляющие, корпуса малых конструкций внутри двигателя. Концепты моторов с блоком цилиндров из пластмассы, а точнее, из полимерно-углеродных композиций, уже были представлены публике. При незначительно меньшей прочности, чем у легких сплавов, пластик в производстве обходится дешевле и значительно лучше перерабатывается.

Каков итог?

Изучение вопроса применяемости материалов в двигателестроении показывает четкую направленность: для снижения массы и улучшения других характеристик применение каких-то суперматериалов либо не особо требуется, либо невозможно в принципе в силу физических и химических свойств. Развитие технологий идет путем эволюционным — усовершенствования как самого производства, так и традиционных материалов, реорганизации рабочего процесса и конструкторской оптимизацией. Так что даже в среднесрочной перспективе мы вряд ли увидим революцию в производстве ДВС, скорее речь будет идти о постепенном отказе от этого типа двигателя в принципе в пользу электротехнологий, хотя и там пока не наблюдается бурного технологического прорыва.

Основные детали двигателей внутреннего сгорания

Фундаментная рама является основанием двигателя и состоит из двух продольных балок коробчатого или двутаврового сечения, на которые устанавливаются стойки и станины, и нескольких поперечных балок необходимой формы для установки рамовых подшипников. Фундаментные рамы могут быть сварными или литыми (стальными, чугунными). Они бывают закрытые и открытые, цельные и составные. Нижняя часть закрытой фундаментной рамы, т. е. поддон, выполнена за одно целое с продольными балками. Между поперечными балками вращаются кривошипы (мотыли) коленчатого вала, поэтому пространства между ними и продольными балками называют мотылевыми колодцами. Поперечные балки в нижней части имеют отверстия для перетекания масла из одного мотылевого колодца в другой. В быстроходных и легких двигателях применяют так называемые картерные рамы, позволяющие устанавливать блок цилиндров непосредственно на раме, в результате чего отпадает необходимость в станине. На рис. 55 показан общий вид фундаментной рамы. По блокам рамы по всей длине имеются горизонтальные полки с приливами, в которых сделаны отверстия для болтов, крепящих фундаментную раму к судовому фундаменту.


Рис. 55. Общий вид фундаментной рамы двигателя.

Станина двигателя устанавливается на фундаментную раму и соединяется с ней болтами. Станины бывают цельными и составными и могут иметь различную конструкцию. Некоторые двигатели большой мощности имеют станины открытого типа в виде соединенных между собой вверху и внизу колонн. Сверху на колонны устанавливают цилиндры двигателя.

На рис. 56 показана литая станина 3 мощного двигателя, которая так называемыми анкерными связями — длинными стяжными шпильками 1 — соединяется с рубашками цилиндров 2 и фундаментной рамой 4 в одно целое.


Рис. 56. Литая станина мощного двигателя.

Рабочие цилиндры изготовляют каждый в отдельности или в виде блочной конструкции. Конструкция отдельного цилиндра четырехтактного двигателя показана на рис. 57. Цилиндр состоит из рубашки 1 (или блока цилиндров) и рабочей втулки 2, запрессованной в расточку рубашки и опирающейся буртиком 9 на верхний кольцевой выступ рубашки. Между рубашкой и втулкой образуется замкнутая полость — зарубашечное пространство, куда непрерывно нагнетается насосом циркулирующая охлаждающая вода; через отверстие 3 вода вначале попадает в нижнюю часть зарубашечного пространства, а затем поднимается и переходит через отверстие 8 в полость охлаждения крышки цилиндра. Рубашка имеет фланец 4, которым цилиндр соединен со станиной двигателя. В нижней части рубашки расположен поясок 6 для фиксирования положения втулки. В пояске делают кольцевую выточку, в которую укладывают резиновые кольца 5 круглого сечения, что обеспечивает плотность соединения, т. е. предотвращает проникновение охлаждающей воды из зарубашечного пространства в картер двигателя. Для очистки и осмотра зарубашечного пространства в наружной рубашке предусмотрены горловины 7, плотно закрываемые крышками. Если рубашки цилиндров выполнены за одно целое, то такая общая конструкция называется блоком цилиндров.


Рис. 57. Цилиндр четырехтактного двигателя.

Рабочие цилиндры двухтактных двигателей отличаются от рабочих цилиндров четырехтактных тем, что имеют окна для подвода продувочного воздуха и удаления отработавших газов. Это приводит к необходимости обеспечивать уплотнение между втулкой и рубашкой не только в нижней ее части, но и в районе окон. В канавки, прилегающие к окнам, закладывают медные кольца, а в остальные канавки— резиновые кольца.

Крышка цилиндра — наиболее ответственная и сложная по конфигурации деталь двигателя. Она должна выдерживать высокое давление и температуру. Если две или более крышек выполнены за одно целое, то такая деталь называется головкой блока. Самой сложной по конфигурации является крышка четырехтактного двигателя, где кроме отверстий для форсунки и клапанов имеются канал для подвода воздуха к пусковому клапану и каналы для газообмена между цилиндром и атмоферой.

Простейшая конструкция крышки цилиндра двухтактного двигателя показана на рис. 58. Крышка имеет центральное отверстие в котором устанавливают объединенные в одном корпусе форсунку и пусковой клапан. В кольцевом пространстве 2 циркулирует охлаждающая вода. Крышка крепится к цилиндру при помощи шпилек 3. Для увеличения жесткости во внутренних полостях крышки имеются ребра 4. Уплотнение крышки осуществляется при помощи буртика 5, входящего в кольцевую выточку фланца цилиндра. В выточку для уплотнения устанавливают медное отожженное кольцо.


Рис. 58. Простейшая конструкция крышки цилиндра двухтактного двигателя.

Основные подвижные детали двигателя входят в состав кривошипно-шатунного механизма, назначение которого — преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипно-шатунный механизм тронковых двигателей состоит из поршня, поршневого пальца, поршневых колец, шатуна и коленчатого вала. В крейцкопфных двигателях в состав кривошипно-шатунного механизма входят, кроме того, поршневой шток и поперечина (крейцкопф) с ползунами. Крейцкопфом называется узел, соединяющий нижнюю часть штока с верхней головкой шатуна.

Поршень тронкового двигателя, выполняющий дополнительно функции ползуна, имеет сравнительно длинную направляющую часть, называемую «юбкой» или тронком. Поршень тронкового двигателя соединен с шатуном шарнирно — при помощи поршневого пальца. На рис. 59 показано устройство тронкового поршня, у которого головка 3 и тронк 1 отлиты за одно целое. Применяется наиболее часто такой способ установки поршневого пальца 5 в бобышках направляющей части поршня, когда он может свободно проворачиваться вокруг своей оси, но лишен возможности передвигаться вдоль оси. Такой палец называется плавающим. В верхних канавках 4 поршня установлены уплотнительные поршневые кольца 2, а в нижней части — маслосъемные кольца 6.


Рис. 59. Поршень тронкового двигателя.

На рис. 60 показана конструкция поршня крейцкопфного двигателя. Вогнутое днище 1 поршня подкреплено ребрами 2. В верхних канавках поршня установлены уплотнительные кольца 3, а в нижней части — маслосъемные кольца 4. Поршень соединен со штоком 6 при помощи шпилек 5 фланцем 7. Диск 8 закрывает внутреннюю полость поршня, охлаждаемую водой.


Рис. 60. Поршень крейцкопфного двигателя.

Поршневые кольца обеспечивают не только уплотнение цилиндра от прорыва газов и воздуха, но и передачу теплоты от головки поршня к стенкам втулки цилиндра. Кольца выполняют самопружинящими. Для надевания на поршень они снабжены косым или ступенчатым разрезом, который называют замком. Разрезные кольца хорошо пружинят и при движении поршня плотно прижимаются к стенкам цилиндра. В четырехтактных двигателях поршневые кольца в канавках обычно не фиксируют. В двухтактных двигателях кольца приходится фиксировать, если имеется опасность попадания их замков в зону продувочных или выпускных окон. Если такую фиксацию не предусмотреть, кольца могут сломаться.

Маслосъемные кольца имеют обычно скос на наружной поверхности. Благодаря этому при ходе поршня вниз маслосъемные кольца удаляют с поверхности цилиндра излишки смазочного масла, а при ходе вверх свободно проскальзывают по масляному слою.

Поршневой шток крейцкопфного двигателя соединен с поперечиной крейцкопфа фланцем или конусным соединением. Для уменьшения массы шток часто выполняют полым.

Крейцкопф состоит из поперечины и присоединенных к ней башмаков (ползунов). Поперечина имеет две цапфы для соединения с вилкой шатуна. Рабочую поверхность башмаков заливают баббитом. Крейцкопфы реверсивных двигателей имеют башмаки с обеих сторон. Для соединения с поршневым штоком поперечина имеет конусное отверстие, соответствующее конусу поршневого штока, или пятку для соединения с фланцем штока.

Шатун двигателя передает усилие от поршня коленчатому валу двигателя. На рис. 61 показан шатун тронкового двигателя. Он состоит из трех основных частей — нижней головки с мотылевым подшипником, стержня и верхней головки с головным подшипником. В неразрезной верхней головке устанавливают путем запрессовки головной подшипник 12, имеющий вид втулки. Эта втулка может фиксироваться шпонкой и пластиной 11 для обеспечения неизменного положения в головке. Стержень шатуна имеет центральное отверстие 10 для подачи под давлением смазки к головному подшипнику. Мотылевый подшипник состоит из двух половин 2 и 4, рабочая поверхность которых залита антифрикционным сплавом. Выступ 1 разгружает винты 7 от срезывающих усилий и служит также для центровки стержня с мотылевым подшипником. Изменяя толщину прокладки 9, установленной между пяткой шатуна и верхней половиной мотылевого подшипника, можно регулировать объем камеры сгорания. Набор прокладок 3 в разъеме мотылевого подшипника служит для установки и регулирования масляного зазора между мотылевой шейкой коленчатого вала и подшипником; прокладки фиксируют шпильками 8 и винтами 7. Обе половины мотылевого подшипника стягиваются двумя шатунными болтами 6, которые имеют три посадочных пояска и крепятся корончатыми гайками 5. У быстроходных дизелей наличие прокладок в разъеме мотылевого подшипника не допускается.


Рис. 61. Шатун тронкового двигателя.

Шатуны крейцкопфного двигателя отличаются от шатунов тронкового тем, что имеют два головных подшипника, соединяющихся с цапфами поперечины крейцкопфа, если шатун имеет вильчатую форму.

Коленчатый вал — одна из самых ответственных и дорогостоящих деталей двигателя. Валы изготовляют из высококачественной стали, а также отливают из модифицированного и легированного чугуна. В зависимости от конструкции и числа цилиндров коленчатый вал может иметь разное число колен (кривошипов). Кривошипы вала развертывают по отношению друг к другу на определенный угол, который зависит от числа цилиндров и от тактности двигателя. Коленчатые валы чаще всего бывают цельноковаными и реже сборными, состоящими из двух-трех отдельных частей, соединенных между собой фланцами.

Основными элементами коленчатого вала (рис. 62, а) являются рамовые или коренные шейки 1, мотылевые или шатунные шейки 2 и щеки 3, соединяющие шейки между собой. Иногда для уравновешивания сил инерции вращающихся масс к щекам 1 крепят противовесы 2 (рис. 62, б). Мотылевые шейки коленчатого вала охвачены подшипником нижней головки шатуна, а рамовые шейки опираются на рамовые подшипники, установленные в фундаментной раме двигателя. Смазка шеек осуществляется так: к рамовым шейкам масло подается под давлением через отверстие в крышке подшипника и верхнем вкладыше, а затем через сверление в щеке (рис. 62, в) направляется к мотылевой шейке.


Рис. 62. Коленчатый вал двигателя.

В коленчатых валах с полыми шейками масло поступает на рабочие поверхности мотылевых шеек через полости рамовых шеек и радиальные отверстия, выполненные в мотылевых шейках. Для предотвращения утечки масла из полостей шеек последние с торцов закрыты заглушками, стянутыми болтами или шпильками.

Из чего состоит автомобиль: схема и описание

Есть водители, которые ездят на своих машинах, но совершенно не знают из чего состоит автомобиль. Может, совсем необязательно знать все тонкости сложной работы механизма, но основные моменты все-таки должны быть известны каждому. Ведь от этого может зависеть жизнь как самого водителя, так и других людей. По своей сути, в упрощенном виде машины состоят из трех частей:

  • двигателя;
  • шасси;
  • кузова.

В статье рассмотрим подробнее, из каких частей состоит автомобиль и как они влияют на работу транспортного средства в целом.

Из чего состоит автомобиль: схема

Устройство автомобиля можно представить следующим образом.

В подавляющем большинстве случаев на машинах установлены двигатели внутреннего сгорания. Так как они не являются идеальными, велись и ведутся разработки по изобретению новых моторов. Так, с недавних пор введены в эксплуатацию автомобили с электрическими двигателями, для зарядки которых достаточно обычной розетки. Большую известность получил электромобиль «Тесла». Однако, о большом распространении таких машин, безусловно, пока говорить очень рано.

Шасси, в свою очередь, состоит из:

  • трансмиссии или силовой передачи;
  • ходовой;
  • механизма управления транспортным средством.

Кузов предназначен для размещения в машине пассажиров и комфортного перемещения. Основными видами кузова на сегодняшний день являются:

  • седан;
  • хэтчбек;
  • кабриолет;
  • универсал;
  • лимузин;
  • и другие.

ДВС: виды

Любому человеку понятно, что неполадки в работе мотора могут стать опасными для здоровья и жизни людей. Поэтому жизненно необходимо знать, из чего состоит двигатель автомобиля.

В переводе с латинского мотор означает «приводящий в движение». В машине под ним понимают устройство, которое предназначено для преобразования одного вида энергии в механическую.

Двигатели внутреннего сгорания бывают нескольких видов:

  • бензиновые;
  • дизельные;
  • газовые.

Больше всего используют бензиновые и дизельные варианты.

В первом случае, как вытекает из названия, топливом служит бензин. После прохода через специальную систему, он попадает во впускной коллектор или карбюратор. Затем распыленная там смесь, содержащая уже и частички воздуха, попадает в цилиндры, сжимается от поршней и поджигается искрой от свечей зажигания.

Бензиновые двигатели бывают карбюраторного и инжекторного типов. Первый уже почти не используется. Инжекторные системы моторов бывают, в свою очередь, механическими (в которых в качестве дозатора применяются механические рычаги, имеющие возможность регулировать получаемую смесь) и электронными (где составление и впрыск топлива полностью осуществляется ЭБУ — электронным блоком управления). Так как инжектор работает более тщательно, его продукты горения менее вредны по сравнению с карбюраторными.

Для дизелей применяется специальное дизельное топливо. Этот мотор не имеет системы зажигания: когда топливная смесь попадает в цилиндры, она взрывается сама из-за высоких показателей температуры и давления, получаемых за счет поршневой группы.

Газовые двигатели работают на сжиженном, генераторном сжатом газе. Такое топливо хранится в баллонах, откуда попадает в редуктор посредством испарителя и теряет при этом давление. Дальнейший процесс схож с инжекторным мотором. Иногда, правда, испаритель не применяется.

Работа мотора

Чтобы лучше понять принцип работы, нужно в деталях разобрать, из чего состоит двигатель автомобиля.

Корпусом является блок цилиндров. Внутри него находятся каналы, охлаждающие и смазывающие мотор.

Поршень — это не что иное, как пустотелый металлический стакан, наверху которого находятся канавки колец.

Поршневые кольца, расположенные внизу, маслосъемные, а наверху — компрессионные. Последние обеспечивают хорошее сжатие и компрессию воздушно-топливной смеси. Их применяют как для достижения герметичности камеры сгорания, так и в качестве уплотнителей для предотвращения попадания туда масла.

Кривошипно-шатунный механизм ответственен за возвратно-поступательную энергию движения поршней на коленчатый вал.

Итак, понимая из чего состоит автомобиль, в частности, его двигатель, разберемся в принципе работы. Топливо сперва попадает в камеру сгорания, перемешивается там с воздухом, свеча зажигания (в бензиновом и газовом вариантах) выдает искру, воспламеняя смесь, или же смесь воспламеняется сама (в дизельном варианте) под действием давления и температуры. Сформированные газы заставляют поршень двинуться вниз, передавая движение коленчатому валу, из-за чего он начинает вращать трансмиссию, где движение передается колесам передней, задней оси или обеим сразу, в зависимости от привода. Немного позже коснемся и того, из чего состоит колесо автомобиля. Но обо всем по порядку.

Трансмиссия

Выше мы выяснили из чего состоит автомобиль, и знаем, что в шасси входит трансмиссия, ходовая и механизм управления.

В трансмиссии выделяются следующие элементы:

  • коробка передач;
  • сцепление;
  • главная и карданная передачи;
  • дифференциал;
  • приводные валы.

Работа частей трансмиссии

Сцепление служит для того чтобы разъединять коробку передач (КП) от двигателя, затем их плавно соединять при переключении передач и при трогании с места.

КП меняет крутящий момент, передаваемый от коленчатого вала к карданному. Блок КП отключает соединение мотора с карданной передачей настолько, насколько это необходимо для движения автомобиля задним ходом.

Главной функцией карданной передачи является передача крутящего момента от КП к главной передаче под разным углом.

Основной функцией главной передачи является передача крутящего момента под углом в девяносто градусов от карданного вала через дифференциал к приводным валам основных колес.

Дифференциал вращает ведущие колеса с различной частотой при поворотах и неровной поверхности.

Ходовая часть

Ходовая часть автомобиля состоит из рамы, передней и задней оси, соединяющимися с рамой через подвеску. В большинстве современных легковых автомобилей рамой служит несущий кузов. Элементы, из чего состоит подвеска автомобиля, следующие:

  • рессоры;
  • пружины цилиндра;
  • амортизаторы;
  • пневматические баллоны.

Механизмы управления

Эти устройства состоят из рулевого управления, которое связано с передними колесами рулевым приводом и тормозами. В большинстве современных авто применяются бортовые компьютеры, сами контролирующие управление в ряде случаев, и даже вносящие нужные изменения.

Здесь же отметим такую важную часть, как то, из чего состоит колесо автомобиля. Без него машина бы просто не состоялась. Это поистине одно из самых великих изобретений состоит здесь из двух составляющих: шины из резины, которая бывает камерной и бескамерной, и диска из металла.

Кузов

В большинстве автомобилей сегодня кузов является несущим, который состоит из отдельных элементов, соединенных сваркой. Кузова сегодня очень разнообразны. Основным считается закрытый тип, имеющий один, два, три, а иногда даже четыре ряда сидений. Может сниматься часть или даже полностью крыша. Она при этом бывает жесткой или мягкой.

Если крыша снимается посередине, то это кузов тарга.

Полностью снимаемый мягкий верх получается в кабриолете.

Если же он не мягкий, а жесткий, то это кабриолет хардтоп.

На универсале, похожем на седан, наблюдается некоторая пристройка над багажным отсеком, что и является отличительным признаком.

А фургон получится уже из универсала в случае, если задние двери и окна заделать.

При грузовой платформе за кабиной водителя кузов называется пикапом.

Купе — это двухдверный закрытый кузов.

Такой же, но с мягким верхом получил название родстер.

Грузопассажирский кузов с задней дверью сзади называется комби.

Лимузин — закрытый тип с жесткой перегородкой за передними сидениями.

Из статьи мы выяснили из чего состоит автомобиль. Важна исправная работа всех составляющих, а она лучше понимается и чувствуется, когда есть соответствующие знания.

Устройство двигателя автомобиля. Описание, принцип работы

Самым распространенным двигателем из тех, которые устанавливаются в настоящее время, является мотор внутреннего сгорания. Устройство и работа двигателя автомобиля достаточно простые, несмотря на множество деталей, из которых он состоит. Рассмотрим это более подробно.

Общее устройство ДВС

Каждый из моторов имеет цилиндр и поршень. В первом происходит превращение тепловой энергии в механическую, которая способна вызвать движение автомобиля. Всего лишь за одну минуту этот процесс повторяется несколько сот раз, благодаря чему коленчатый вал, который выходит из мотора, вращается непрерывно.

Двигатель машины состоит из нескольких комплексов систем и механизмов, преобразующих энергию в механическую работу.

Ее базой являются:

Помимо этого, в нем работают следующие системы:

  • питания;

  • зажигания;

  • пуска;

  • охлаждения;

  • смазки.

Кривошипно-шатунный механизм

Благодаря ему возвратно-поступательное движение коленвала превращается во вращательное. Последнее передается всем системам легче, чем циклическое, тем более что конечным звеном передачи являются колеса. А они работают посредством вращения.

Если бы автомобиль не был колесным транспортным средством, то этот механизм для передвижения, возможно, не был бы необходимым. Однако в случае с машиной кривошипно-шатунная работа полностью оправдана.

Газораспределительный механизм

Благодаря ГРМ рабочая смесь или воздух поступает в цилиндры (в зависимости от особенностей образования смеси в моторе), затем удаляются отработавшие уже газы и продукты сгорания.

При этом обмен газов происходит в назначенное время в определенном количестве, организуясь с тактами и гарантируя качественную рабочую смесь, а также получение наибольшего эффекта от выделяемой теплоты.

Система питания

Смесь воздуха с топливом сгорает в цилиндрах. Рассматриваемая система регулирует их подачу в строгом количестве и пропорции. Бывает внешнее и внутреннее смесеобразование. В первом случае воздух и топливо перемешиваются вне цилиндра, а в другом — внутри него.

Систему питания с внешним образованием смеси имеет специальное устройство под названием карбюратор. В нем топливо распыляется в воздушной среде, а затем поступает в цилиндры.

Устройство двигателя автомобиля с системой внутреннего смесеобразования называется инжекторным и дизельным. В них происходит заполнение цилиндров воздухом, куда впрыскивается топливо посредством специальных механизмов.

Система зажигания

Здесь происходит принудительное воспламенение рабочей смеси в моторе. Дизельным агрегатам это не нужно, так как у них процесс осуществляется через высокую степень сжатия воздуха, который становится фактически раскаленным.

В основном в двигателях применяется искровый электрический разряд. Однако, помимо этого, могут использоваться запальные трубки, которые воспламеняют рабочую смесь горящим веществом.

Она может поджигаться и другими способами. Но самым практичным на сегодняшний день продолжает оставаться электроискровая система.

Пуск

Данной системой достигается вращение коленвала мотора при запуске. Это необходимо для начала функционирования отдельных механизмов и самого двигателя в целом.

Для запуска в основном используется стартер. Благодаря ему, процесс осуществляется легко, надежно и быстро. Но возможен и вариант пневматического агрегата, который работает на запасе сжатого воздуха в ресиверах либо обеспеченного компрессором с электрическим приводом.

Самой простой системой является заводная рукоятка, через которую в моторе проворачивается коленвал и начинается работа всех механизмов и систем. Еще недавно все водители возили ее с собой. Однако ни о каком удобстве в этом случае речи быть не могло. Поэтому сегодня все обходятся без нее.

Охлаждение

В задачу этой системы входит поддержание определенной температуры работающего агрегата. Дело в том, что сгорание в цилиндрах смеси происходит с выделением теплоты. Узлы и детали мотора нагреваются, и им необходимо постоянно охлаждаться, чтобы работать в штатном режиме.

Наиболее распространенными являются жидкостная и воздушная системы.

Для того чтобы двигатель охлаждался постоянно, необходим теплообменник. В моторах с жидкостным вариантом его роль исполняет радиатор, который состоит из множества трубок для ее перемещения и отдачи тепла стенкам. Отвод еще больше увеличивается через вентилятор, который установлен рядом с радиатором.

В приборах с воздушным охлаждением используется оребрение поверхностей самых нагретых элементов, из-за чего площадь теплообмена существенно возрастает.

Эта система охлаждения является низкоэффективной, а поэтому на современных автомобилях она устанавливается редко. В основном ее используют на мотоциклах и на небольших ДВС, для которых не нужна тяжелая работа.

Система смазки

Смазывание деталей необходимо для сокращения потерь механической энергии, которая происходит в кривошипно-шатунном механизме и ГРМ. Помимо этого, процесс способствует уменьшению износа деталей и некоторому охлаждению.

Смазка в двигателях автомобилей в основном используется под давлением, когда масло подается через трубопроводы посредством насоса.

Некоторые элементы смазываются путем разбрызгивания или окунания в масло.

Двухтактные и четырехтактные моторы

Устройство двигателя автомобиля первого вида в настоящее время применяется в довольно узком диапазоне: на мопедах, недорогих мотоциклах, лодках и бензокосилках. Его недостатком является потеря рабочей смеси во время удаления выхлопных газов. Кроме этого, принудительная продувка и завышенные требования к термической устойчивости выхлопного клапана служат причиной роста цены мотора.

В четырехтактном двигателе указанных недостатков нет благодаря наличию газораспределительного механизма. Однако и в этой системе имеются свои проблемы. Наилучший режим работы мотора будет достигнут в очень узком диапазоне оборотов коленчатого вала.

Развитие технологий и появление электронных БУ позволило решить эту задачу. Во внутреннее устройство двигателя теперь входит электромагнитное управление, при помощи которого выбирается оптимальный режим газораспределения.

Принцип работы

ДВС работает следующим образом. После того как рабочая смесь попадает в камеру сгорания, она сжимается и воспламеняется от искры. При сжигании в цилиндре образуется сверхсильное давление, которое приводит в движение поршень. Он начинает продвигаться к нижней мертвой точке, что является третьим тактом (после впуска и сжатия), называющимся рабочим ходом. В это время благодаря поршню начинает вращаться коленвал. Поршень, в свою очередь, перемещаясь к верхней мертвой точке, выталкивает отработанные газы, что является четвертым тактом работы двигателя — выпуском.

Вся четырехтактная работа происходит довольно просто. Чтобы легче было понять как общее устройство двигателя автомобиля, так и его работу, удобно посмотреть видео, наглядно демонстрирующее функционирование мотора ДВС.

Тюнинг

Многие автовладельцы, привыкнув к своей машине, хотят получить от нее больше возможностей, чем она способна дать. Поэтому нередко для этого делают тюнинг двигателя, увеличивая его мощность. Это можно реализовать несколькими способами.

Например, известен чип-тюнинг, когда путем компьютерного перепрограммирования мотор настраивают на более динамичную работу. У этого способа есть как сторонники, так и противники.

Более традиционным методом является тюнинг двигателя, при котором осуществляются некоторые его переделки. Для этого производится замена коленчатого вала с подходящими под него поршнями и шатунами; устанавливается турбина; проводятся сложные манипуляции с аэродинамикой и так далее.

Устройство двигателя автомобиля не такое уж сложное. Однако в связи с огромным количеством элементов, в него входящих, и необходимости согласования их между собой, для того чтобы любые переделки возымели желаемый результат, требуется высокий профессионализм того, кто их будет осуществлять. Поэтому, прежде чем решаться на это, стоит потратить усилия для поиска настоящего мастера своего дела.

В помощь будущему автомеханику — корпусные детали двигателя

Корпусные детали двигателя

 

К корпусным деталям двигателя относятся:

• блок цилиндров;

• головка блока цилиндров;

• масляный картер;

• передняя и задняя крышки;

• крышка клапанов;

• картер маховика.

 

Блок цилиндров является основой двигателя, на нем крепятся все детали кривошипно-ш атунного и газораспределительного механизмов, а также детали и узлы других систем.

По расположению цилиндров двигатели подразделяют на рядные и V-образные.

При V-образной конструкции двигателя цилиндры расположены в два ряда в виде двух секций блока, отлитых как единое целое, обычно под углом 90 или 75° между их осями.

У рядного двигателя все цилиндры расположены в одном корпусе- блоке в одну линию (ряд).

У рядны х двигателей имеется одна секция блока цилиндров, а у V-образных — две секции (правая и левая), объединенные общим картером.

В дизелях давление газов при сгорании значительно выше, чем в карбюраторных двигателях, т.е. детали дизелей испытывают большие нагрузки, поэтому их делают более прочными и жесткими.

Блок-картер дизеля изготавливают из специального чугуна особенно прочным и жестким . Это достигается увеличением толщины стенок цилиндра и картера, наличием внутри картера большого количества ребер и смещением плоскости разъема картера существенно ниже оси коленчатого вала.

В передней и задней стенках блок-картера и его внутренних перегородках размещены опоры коленчатого и распределительного валов.

Перегородки соединены со стенками блок-картера ребрами, что повышает его жесткость.

Картер, отлитый как единое целое с блоком, имеет внизу плоскость с фланцем, к которому на прокладке крепится стальной штампованный поддон, служащий емкостью для масла и предохраняющий двигатель снизу от загрязнения.

Плоскость разъема картера совпадает с осью коленчатого вала или расположена ниже ее, что также увеличивает жесткость блок-картера.

На верхнюю плоскость блока цилиндров или каждой его секции при V-образной конструкции устанавливается общая или отдельная для каждого цилиндра головка, закрывающая цилиндры сверху.

 

Гильзы цилиндров центрируют по тщательно обработанным поясам в отверстиях перегородок.

В блоке гильза закрепляется верхним или нижним буртиком, входящим в выточки перегородок блока, и зажимается устанавливаемой сверху на блок головкой на прокладке. Д ля надежного закрепления гильзы ее верхний буртик должен немного выступать за верхнюю плоскость блока (на 0,02… 0,1 мм).

Внутренняя рабочая поверхность цилиндров, тщательно обработанная и отшлифованная, называется зеркалом цилиндра.

Между стенками цилиндров и наружными стенками блока имеется полость — рубашка, которая заполняется специальной жидкостью, охлаждающей двигатель.

Гильза, непосредственно соприкасающаяся с охлаждающей жидкостью, циркулирующей в рубашке блока, называется «мокрой». В этом случае гильзу надежно уплотняют в нижней перегородке блока медными или резиновыми кольцами, устанавливаемыми внизу в выточках на пояске гильзы.

Гильза, запрессованная в блок и не имеющая соприкосновения с охлаждающей жидкостью , называется «сухой».

 

Головка блока цилиндров карбюраторного двигателя отливается из алюминиевого сплава (типа AЛ4).

Такая головка обладает высокой теплопроводностью, вследствие чего снижается температура рабочей смеси в цилиндре двигателя в конце такта сжатия. Это дает возможность повысить степень сжатия без появления детонационного сгорания топлива во время эксплуатации двигателя.

Головка блока цилиндров дизеля отливается, как правило, из высокопрочного чугуна и имеет увеличенную жесткость конструкции.

В головке над цилиндрами имеются углубления, образующие камеры сгорания, а также рубашка системы охлаждения, сообщающаяся с рубашкой охлаждения блока. Кроме того, в головке цилиндров выполнены гнезда для клапанов, впускные и выпускные каналы и отверстия с резьбой для ввертывания свечей зажигания.

Камера сгорания карбюраторного двигателя обычно имеет полуклиновую форму, обеспечивающую наилучшие условия для сгорания рабочей смеси.

В случае верхнего двухрядного расположения клапанов камере сгорания придают шатровую или полусферическую форму. Камера сгорания такой формы вследствие ее простоты может быть подвергнута обработке резанием , что позволяет точно выдержать объем камер сгорания во всех цилиндрах и повысить равномерность работы двигателя.

Камеры сгорания обычно имеют поверхности, близко расположенные от днища поршня при его положении в ВМТ, — вытеснители, которые способствуют лучшему распределению объема сжатой рабочей смеси и ее завихрению, что снижает возможность возникновения детонации при сгорании смеси. Для этого днище поршня в двигателях некоторых типов сделано выпуклым.

В двигателях с непосредственным впрыском топлива головка не имеет углублений над цилиндрами, а камера сгорания образуется углублением в днище поршня.

Головка цилиндров плотно и равномерно по всей поверхности крепится к блоку болтами или шпильками с гайками.

Между блоком и головкой установлена прокладка, препятствующая утечке газов из цилиндров и охлаждающей жидкости из системы охлаждения в местах стыков.

Прокладка изготавливается из специальной жаростойкой композиции, облицованной тонкой листовой сталью или пропитанной графитом. В последнем случае края прокладки и отверстия в ней окантованы металлом.

Двигатель со всеми имеющимися на нем механизмами и устройствами крепится на раме автомобиля.

Подвеска двигателя сделана упругой, чтобы перекосы рамы, возникающие при движении автомобиля, не нарушали крепления двигателя, а вибрации от двигателя не передавались на раму и кузов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.