Страница:
Коробка переключения передач предназначена для изменения крутящего момента, передаваемого на ведущие колеса автомобиля, для езды задним ходом, а также для отключения двигателя от трансмиссии (точнее – от ведущих колес) при движении «накатом», а также во время длительной стоянки автомобиля.
Сцепление необходимо для кратковременного отключения двигателя от трансмиссии (ведущих колес) и плавного их соединения при работающем двигателе. Это необходимо при переключении передач, а также при трогании с места.
Карданная передача предназначена для того, чтобы передавать крутящий момент между валами, которые расположены под углом, изменяющимся при движении автомобиля. С помощью главной передачи осуществляется увеличение крутящего момента и его передача под прямым углом на полуоси автомобиля. В свою очередь, полуоси передают крутящий момент на ведущие колеса.
Для того чтобы ведущие колеса автомобиля вращались с различными скоростями там, где это нужно (на поворотах, при езде по ухабистой дороге), используется специальный механизм, называемый дифференциал.
Ходовая часть легкового автомобиля внешне напоминает обыкновенную тележку и включает в себя совмещенный с кузовом подрамник (в легковых автомобилях чаще используется просто несущий кузов), передний и задний мост, подвеску (с рессорами и амортизаторами) и колеса.
На совмещенном с кузовом подрамнике крепятся агрегаты автомобиля. Отметим, что в некоторых легковых автомобилях имеется отдельная рама, выполняющая эти функции.
Мосты автомобиля предназначены для поддерживания кузова, через них вертикальная нагрузка передается на колеса. С помощью подвески устанавливается упругая связь кузова с мостами (колесами), а посредством колес осуществляется связь всего автомобиля с дорогой.
Механизмы управления автомобиля состоят из рулевого управления, с помощью которого осуществляется изменение направления движения автомобиля, и тормозной системы, предназначенной для замедления движения, остановки автомобиля и удержания его во время стоянки в неподвижном состоянии.
Кузов автомобиля – это то, что, собственно, мы видим, глядя на автомобиль. Он предназначен для размещения водителя, пассажиров и грузов (багажа). Кузов стандартного легкового автомобиля состоит из моторного отсека, пассажирского салона и багажника.
Помимо того, что кузов предназначен для размещения водителей, пассажиров и грузов, он является несущим элементом любого современного легкового автомобиля. В нем находится салон, к нему крепятся все агрегаты трансмиссии, ходовой части, двигатель внутреннего сгорания, механизмы управления, а также все дополнительное оборудование. Кроме этого, на кузов замыкается «минус» электрической цепи автомобиля.
В основном кузов современного автомобиля состоит из металла и стекла, но используются и другие материалы (краска, грунтовка, резиновые прокладки на дверях и стеклах, дерматин, утеплитель и др.). Существуют модели автомобилей, у которых кузова делают из специального крепкого пластика. Правда, это исключения, и большинство кузовов все же изготовлены из металла, и в дальнейшем мы будем исходить именно из этого.
Металлическая часть кузова включает в себя следующие основные компоненты: днище, крыша, крылья, панели, двери, капот и крышка багажника. Кроме них, каждый кузов включает в себя ряд более мелких металлических деталей и элементов. Лобовое и заднее стекла вставляются в специальные проемы соответственно в передней и задней частях кузова; боковые стекла устанавливаются в дверях, которые навешиваются на петли.
Двери кузова крепятся к соответствующим стойкам петлями, которые держатся на винтах. При этом имеется возможность регулирования дверей по вертикали и по горизонтали относительно оси кузова. Это бывает необходимо, в частности, после ДТП, или для обеспечения герметичности салона.
Замки как передних, так и задних дверей автомобиля имеют специальную конструкцию, которая полностью соответствует установленным требованиям безопасности. В частности фиксаторы замков сконструированы таким образом, что самопроизвольное открывание дверей при столкновении автомобиля с каким-то препятствием практически полностью исключается.
Каждая дверь имеет специальный ограничитель, который не позволяет ей упираться в кузов автомобиля внешней стороной при открывании. Такая конструкция приобретает особую важность в ветреную погоду: часто приоткрытую дверь сильным порывом ветра вырывает из рук и распахивает настежь, и в это время ограничитель предотвращает выламывание двери и соприкосновение ее с кузовом.
Внутри дверей имеются стеклоподъемники, предназначенные для открывания и закрывания бокового стекла. Стеклоподъемники бывают двух типов: ручные и электрические.
Ручные стеклоподъемники приводятся в действие с помощью специальной рукоятки, расположенной на внутренней поверхности двери, и имеют привод от металлического троса. Электрический стеклоподъемник работает от электрической цепи автомобиля и приводится в действие нажатием специальной кнопки, расположенной в салоне автомобиля – например, на дверной ручке или между передними сидениями (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Кнопки привода стеклоподъемника
Отметим, что на многих автомобилях используются и ручные, и механические стеклоподъемники: например, спереди могут использоваться электрические стеклоподъемники, а сзади – ручные.
Лобовое (иногда его называют ветровое) и заднее стекла являются панорамными (за исключением задних стекол кузовов «хэтчбэк» и «универсал»). Лобовое стекло является трехслойным, а заднее и боковые стекла – закаленными. Поэтому лобовое стекло при ударе может лишь потрескаться, а все остальные стекла рассыпаются на мелкие кусочки. Это предотвращает водителя и пассажиров от травм, которые могли бы быть нанесены большими осколками стекла в результате дорожно-транспортного происшествия.
Спереди и сзади кузова установлены бамперы. На современных автомобилях, как правило, устанавливаются бамперы, изготовленные из пластмассы или других подобных материалов (пенополиуретан с добавкой стекловолокна и др.). В случае дорожнотранспортного происшествия при столкновении спереди или сзади именно бампер первым принимает на себя силу удара.
Водитель и пассажиры автомобиля размещаются на сиденьях. Большинство современных легковых автомобилей предусматривают перевозку людей в количестве не более пяти человек, включая водителя.
Передние сиденья автомобиля, как правило, являются раздельными и установлены на специальных салазках, по которым их можно передвигать в продольном направлении в зависимости от роста водителя и пассажира. Спинки передних сидений можно наклонять как вперед, так и назад, вплоть до полного откидывания спинки для организации спального места.
В трех– и двухдверных автомобилях («Опель-Астра», «Форд-Эскорт», ВАЗ-2108, «Запорожец» и др.) спинки передних сидений откидываются вперед, чтобы открыть пассажирам доступ к заднему сидению.
Кузова типа «хэтчбэк» и «универсал» можно преобразовывать из пассажирского в грузовой вариант и наоборот. При этом убирается складная полка или тент, отделяющий багажное отделение от пассажирского салона, а заднее сиденье складывается, в результате чего получается довольно внушительное пространство для перевозки объемных или многочисленных грузов.
Днища кузовов, а также внутренние поверхности крыльев покрыты специальным средством для защиты от коррозии и улучшения шумоизоляции. Но, несмотря на это, рекомендуется сделать полную антикоррозийную обработку кузова (в российских условиях эксплуатации это особенно актуально).
Внутри салона располагаются все органы управления автомобилем (рис. 1.14), а также великое множество устройств и приспособлений, призванных обеспечить комфорт, безопасность и удобство во время движения. К ним, в частности, относятся пепельница, подлокотники сидений, подголовники, ремни безопасности и т. д.
Рис. 1.14. Органы управления автомобилем
Снаружи кузов автомобиля окрашен заводом-изготовителем. Причем краска кладется не на голый металл: процесс покраски современного автомобиля довольно сложен и состоит из нескольких этапов: подготовка поверхности кузова к покраске, грунтовка, сушка, нанесение основного слоя и т. д. Это обусловлено тем, что автомобили эксплуатируются в сложных условиях – жара, дождь, снег, химические реагенты на дорогах и т. д., что подразумевает необходимость высокой антикоррозийной стойкости кузова и надежность всех слоев краски.
Глава 2
Как и почему работает мотор автомобиля?
Что такое газораспределительный механизм?
Назначение кривошипно-шатунного механизма
Система смазки
Сцепление необходимо для кратковременного отключения двигателя от трансмиссии (ведущих колес) и плавного их соединения при работающем двигателе. Это необходимо при переключении передач, а также при трогании с места.
Карданная передача предназначена для того, чтобы передавать крутящий момент между валами, которые расположены под углом, изменяющимся при движении автомобиля. С помощью главной передачи осуществляется увеличение крутящего момента и его передача под прямым углом на полуоси автомобиля. В свою очередь, полуоси передают крутящий момент на ведущие колеса.
Для того чтобы ведущие колеса автомобиля вращались с различными скоростями там, где это нужно (на поворотах, при езде по ухабистой дороге), используется специальный механизм, называемый дифференциал.
Ходовая часть легкового автомобиля внешне напоминает обыкновенную тележку и включает в себя совмещенный с кузовом подрамник (в легковых автомобилях чаще используется просто несущий кузов), передний и задний мост, подвеску (с рессорами и амортизаторами) и колеса.
На совмещенном с кузовом подрамнике крепятся агрегаты автомобиля. Отметим, что в некоторых легковых автомобилях имеется отдельная рама, выполняющая эти функции.
Мосты автомобиля предназначены для поддерживания кузова, через них вертикальная нагрузка передается на колеса. С помощью подвески устанавливается упругая связь кузова с мостами (колесами), а посредством колес осуществляется связь всего автомобиля с дорогой.
Механизмы управления автомобиля состоят из рулевого управления, с помощью которого осуществляется изменение направления движения автомобиля, и тормозной системы, предназначенной для замедления движения, остановки автомобиля и удержания его во время стоянки в неподвижном состоянии.
Кузов автомобиля – это то, что, собственно, мы видим, глядя на автомобиль. Он предназначен для размещения водителя, пассажиров и грузов (багажа). Кузов стандартного легкового автомобиля состоит из моторного отсека, пассажирского салона и багажника.
Помимо того, что кузов предназначен для размещения водителей, пассажиров и грузов, он является несущим элементом любого современного легкового автомобиля. В нем находится салон, к нему крепятся все агрегаты трансмиссии, ходовой части, двигатель внутреннего сгорания, механизмы управления, а также все дополнительное оборудование. Кроме этого, на кузов замыкается «минус» электрической цепи автомобиля.
В основном кузов современного автомобиля состоит из металла и стекла, но используются и другие материалы (краска, грунтовка, резиновые прокладки на дверях и стеклах, дерматин, утеплитель и др.). Существуют модели автомобилей, у которых кузова делают из специального крепкого пластика. Правда, это исключения, и большинство кузовов все же изготовлены из металла, и в дальнейшем мы будем исходить именно из этого.
Металлическая часть кузова включает в себя следующие основные компоненты: днище, крыша, крылья, панели, двери, капот и крышка багажника. Кроме них, каждый кузов включает в себя ряд более мелких металлических деталей и элементов. Лобовое и заднее стекла вставляются в специальные проемы соответственно в передней и задней частях кузова; боковые стекла устанавливаются в дверях, которые навешиваются на петли.
Двери кузова крепятся к соответствующим стойкам петлями, которые держатся на винтах. При этом имеется возможность регулирования дверей по вертикали и по горизонтали относительно оси кузова. Это бывает необходимо, в частности, после ДТП, или для обеспечения герметичности салона.
Замки как передних, так и задних дверей автомобиля имеют специальную конструкцию, которая полностью соответствует установленным требованиям безопасности. В частности фиксаторы замков сконструированы таким образом, что самопроизвольное открывание дверей при столкновении автомобиля с каким-то препятствием практически полностью исключается.
Каждая дверь имеет специальный ограничитель, который не позволяет ей упираться в кузов автомобиля внешней стороной при открывании. Такая конструкция приобретает особую важность в ветреную погоду: часто приоткрытую дверь сильным порывом ветра вырывает из рук и распахивает настежь, и в это время ограничитель предотвращает выламывание двери и соприкосновение ее с кузовом.
Внутри дверей имеются стеклоподъемники, предназначенные для открывания и закрывания бокового стекла. Стеклоподъемники бывают двух типов: ручные и электрические.
Ручные стеклоподъемники приводятся в действие с помощью специальной рукоятки, расположенной на внутренней поверхности двери, и имеют привод от металлического троса. Электрический стеклоподъемник работает от электрической цепи автомобиля и приводится в действие нажатием специальной кнопки, расположенной в салоне автомобиля – например, на дверной ручке или между передними сидениями (рис. 1.13).
Отметим, что на многих автомобилях используются и ручные, и механические стеклоподъемники: например, спереди могут использоваться электрические стеклоподъемники, а сзади – ручные.
Лобовое (иногда его называют ветровое) и заднее стекла являются панорамными (за исключением задних стекол кузовов «хэтчбэк» и «универсал»). Лобовое стекло является трехслойным, а заднее и боковые стекла – закаленными. Поэтому лобовое стекло при ударе может лишь потрескаться, а все остальные стекла рассыпаются на мелкие кусочки. Это предотвращает водителя и пассажиров от травм, которые могли бы быть нанесены большими осколками стекла в результате дорожно-транспортного происшествия.
Спереди и сзади кузова установлены бамперы. На современных автомобилях, как правило, устанавливаются бамперы, изготовленные из пластмассы или других подобных материалов (пенополиуретан с добавкой стекловолокна и др.). В случае дорожнотранспортного происшествия при столкновении спереди или сзади именно бампер первым принимает на себя силу удара.
Водитель и пассажиры автомобиля размещаются на сиденьях. Большинство современных легковых автомобилей предусматривают перевозку людей в количестве не более пяти человек, включая водителя.
Передние сиденья автомобиля, как правило, являются раздельными и установлены на специальных салазках, по которым их можно передвигать в продольном направлении в зависимости от роста водителя и пассажира. Спинки передних сидений можно наклонять как вперед, так и назад, вплоть до полного откидывания спинки для организации спального места.
В трех– и двухдверных автомобилях («Опель-Астра», «Форд-Эскорт», ВАЗ-2108, «Запорожец» и др.) спинки передних сидений откидываются вперед, чтобы открыть пассажирам доступ к заднему сидению.
Кузова типа «хэтчбэк» и «универсал» можно преобразовывать из пассажирского в грузовой вариант и наоборот. При этом убирается складная полка или тент, отделяющий багажное отделение от пассажирского салона, а заднее сиденье складывается, в результате чего получается довольно внушительное пространство для перевозки объемных или многочисленных грузов.
Днища кузовов, а также внутренние поверхности крыльев покрыты специальным средством для защиты от коррозии и улучшения шумоизоляции. Но, несмотря на это, рекомендуется сделать полную антикоррозийную обработку кузова (в российских условиях эксплуатации это особенно актуально).
Внутри салона располагаются все органы управления автомобилем (рис. 1.14), а также великое множество устройств и приспособлений, призванных обеспечить комфорт, безопасность и удобство во время движения. К ним, в частности, относятся пепельница, подлокотники сидений, подголовники, ремни безопасности и т. д.
Снаружи кузов автомобиля окрашен заводом-изготовителем. Причем краска кладется не на голый металл: процесс покраски современного автомобиля довольно сложен и состоит из нескольких этапов: подготовка поверхности кузова к покраске, грунтовка, сушка, нанесение основного слоя и т. д. Это обусловлено тем, что автомобили эксплуатируются в сложных условиях – жара, дождь, снег, химические реагенты на дорогах и т. д., что подразумевает необходимость высокой антикоррозийной стойкости кузова и надежность всех слоев краски.
Глава 2
Силовая установка автомобиля – двигатель внутреннего сгорания
Силовой установкой любого автомобиля является двигатель внутреннего сгорания (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Двигатель автомобиля «Рено»
В данной главе мы расскажем о его устройстве и основных принципах работы.
В данной главе мы расскажем о его устройстве и основных принципах работы.
Как и почему работает мотор автомобиля?
Работа двигателя внутреннего сгорания базируется на превращении тепловой энергии, образующейся в результате сгорания топлива, в механическую энергию, которая и применяется для приведения автомобиля в движение. При этом двигатель включает в себя следующие агрегаты, детали и узлы: головка блока цилиндров, блок цилиндров, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик, распределительный вал с кулачками, клапана, свечи зажигания (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Двигатель внутреннего сгорания в разрезе
Автомобили малого и среднего класса оборудуются обычно четырехцилиндровыми двигателями внутреннего сгорания. Именно такими моторами оснащались «Москвичи» и «Жигули» – самые известные представители советского автопрома. Машины среднего и большого класса могут оснащаться и шести-, и восьми-, и двенадцатицилиндровыми моторами. Здесь прослеживается следующая закономерность: чем больше цилиндров – тем мощнее мотор, но, с другой стороны, и тем больше топлива он будет расходовать.
Чтобы лучше уяснить принцип работы двигателя внутреннего сгорания, рассмотрим его на примере одноцилиндрового бензинового мотора. Его главной частью является цилиндр, внутренняя поверхность которого отполирована до зеркального состояния. Наглядно представить цилиндр очень просто – достаточно перевернуть вверх дном простой стакан. На цилиндре установлена съемная головка, а внутри его располагается поршень (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Поршень
Поршень двигается внутри цилиндра вертикально – вверх-вниз. Снаружи по окружности поршня в специальных канавках расположены поршневые кольца. Дело в том, что поршень не прилегает плотно к внутренней поверхности цилиндра, а поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, а во-вторых – не «пускают» моторное масло в камеру сгорания (она находится над верхним положением поршня).
Поршень монтируется на шатуне с помощью поршневого пальца, а шатун, в свою очередь – на кривошипе коленчатого вала (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Коленчатый вал с поршнями, стоящими на шатунах
При сгорании горючей смеси образующиеся газы расширяются и давят на поверхность поршня, в результате чего он движется вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, заставляя его вращаться. На конце коленвала находится маховик – массивный металлический диск. Он обеспечивает инерционное вращение коленчатого вала, благодаря чему совершаются подготовительные такты рабочего цикла двигателя.
Горючая смесь, представляющая собой смесь паров бензина и воздуха, поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания превращается в выхлопные газы и выходит через выпускной клапан. И впускной, и выпускной клапана открываются тогда, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала, и вновь плотно закрывают отверстие с помощью мощных пружин, когда кулачок уходит.
Распределительный вал приходит в движение от коленчатого вала. В головке блока цилиндров есть специальное отверстие с резьбой, в которое вкручивается свеча; именно она дает искру, от которой воспламеняется горючая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьмицилиндрового – восемь и т. д.).
При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений – верхнего и нижнего: в этих положениях он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее крайнее его положение – нижней мертвой точкой (сокращенно соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками называется ходом поршня.
Когда поршень находится в верхней мертвой точке, над ним остается пространство, которое называется камера сгорания; именно в этом пространстве воспламеняется и сгорает горючая смесь. В результате воспламенения образуется нечто вроде минивзрыва, который отталкивает поршень вниз – именно в этот момент происходит превращение тепловой энергии в механическую: двигаясь вниз, поршень толкает коленчатый вал, от которого крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля (более подробно о том, как это происходит, вы узнаете позже). Объем, занимаемый камерой сгорания, так и называется – объем камеры сгорания.
Объем, который находится в пространстве между ВМТ и НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Если сложить объем камеры сгорания и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра.
Сумма полных объемов всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания называется рабочим объемом двигателя.
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания – это определенная последовательность процессов, периодически совершающихся в каждом цилиндре.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Начинается рабочий цикл с первого такта – впуска горючей смеси в цилиндр двигателя. Отметим, что топливо сгорает в камере сгорания не в чистом виде, а в виде смеси его паров с воздухом. Для подготовки топливно-воздушной смеси предназначен специальный прибор, который называется карбюратор (но в современных машинах карбюраторы, как правило, не используются – там эти функции возложены на специальные электронные приборы).
Смесь попадает в цилиндр в результате открытия впускного клапана, на который оказывает необходимое воздействие соответствующий кулачок распределительного вала. Знайте, что в этот момент поршень непременно располагается в ВМТ и начинает движение вниз в направлении НМТ. Получается, что, двигаясь вниз, поршень засасывает в цилиндр горючую смесь через открывшийся впускной клапан. Этот процесс продолжается, пока поршень не достигнет НМТ: одновременно с этим впускной клапан герметично закрывается под воздействием соответствующих пружин.
После того как поршень достиг НМТ, впускной клапан плотно закрылся, а цилиндр заполнился рабочей смесью, начинается второй такт. В течение второго такта поршень поднимается вверх – от НМТ к ВМТ, сильно сжимая при этом рабочую смесь. В соответствии с законами физики температура рабочей смеси при сжатии существенно повышается. В тот момент, когда поршень достигает ВМТ, температура этой смеси составляет порядка 300–400 градусов по Цельсию. Второй такт завершается в момент максимального сжатия рабочей смеси, т. е. когда поршень достигает ВМТ. Пока совершается второй такт, коленвал проворачивается еще на пол-оборота. Получается, что за первые два такта работы двигателя коленвал делает один полный оборот.
Во время третьего такта работы двигателя тепловая энергия преобразуется в механическую. Когда поршень достигает ВМТ и рабочая смесь становится максимально сжатой, между электродами свечи зажигания проскакивает электрическая искра – и смесь воспламеняется. Сразу после этого она начинает активно расширяться и сильно давит на поршень, который находится в ВМТ. Другого выхода для энергии сгорания нет, так как оба клапана плотно закрыты. Под давлением поршень вынужден двигаться вниз, передавая свое движение через шатун на коленвал (а именно – на свой кривошип), заставляя его вращаться. Именно это вращение и заставляет в конечном итоге двигаться автомобиль. Коленвал за время совершения третьего такта проворачивается еще на пол-оборота.
Последний, четвертый такт рабочего цикла двигателя – выпуск отработанных (выхлопных) газов. Он начинается в тот момент, когда после третьего такта поршень достигает НМТ и вновь начинает подниматься вверх. При этом под воздействием соответствующего кулачка распредвала открывается выпускной клапан, и двигающийся вверх поршень выдавливает отработанные газы из цилиндра. После этого выпускной клапан под воздействием пружин закрывается. Затем выхлопные газы через глушитель и выхлопную трубу выводятся в атмосферу.
Завершается четвертый такт, когда поршень достигает ВМТ и закрывается выпускной клапан. За время совершения этого такта коленвал проворачивается еще на пол-оборота. Соответственно, за четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания (т. е. за один рабочий цикл) коленчатый вал делает два полных оборота. После этого вновь начинается первый такт и т. д.
Автомобили малого и среднего класса оборудуются обычно четырехцилиндровыми двигателями внутреннего сгорания. Именно такими моторами оснащались «Москвичи» и «Жигули» – самые известные представители советского автопрома. Машины среднего и большого класса могут оснащаться и шести-, и восьми-, и двенадцатицилиндровыми моторами. Здесь прослеживается следующая закономерность: чем больше цилиндров – тем мощнее мотор, но, с другой стороны, и тем больше топлива он будет расходовать.
Чтобы лучше уяснить принцип работы двигателя внутреннего сгорания, рассмотрим его на примере одноцилиндрового бензинового мотора. Его главной частью является цилиндр, внутренняя поверхность которого отполирована до зеркального состояния. Наглядно представить цилиндр очень просто – достаточно перевернуть вверх дном простой стакан. На цилиндре установлена съемная головка, а внутри его располагается поршень (рис. 2.3).
Поршень двигается внутри цилиндра вертикально – вверх-вниз. Снаружи по окружности поршня в специальных канавках расположены поршневые кольца. Дело в том, что поршень не прилегает плотно к внутренней поверхности цилиндра, а поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, а во-вторых – не «пускают» моторное масло в камеру сгорания (она находится над верхним положением поршня).
Поршень монтируется на шатуне с помощью поршневого пальца, а шатун, в свою очередь – на кривошипе коленчатого вала (рис. 2.4).
При сгорании горючей смеси образующиеся газы расширяются и давят на поверхность поршня, в результате чего он движется вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, заставляя его вращаться. На конце коленвала находится маховик – массивный металлический диск. Он обеспечивает инерционное вращение коленчатого вала, благодаря чему совершаются подготовительные такты рабочего цикла двигателя.
Горючая смесь, представляющая собой смесь паров бензина и воздуха, поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания превращается в выхлопные газы и выходит через выпускной клапан. И впускной, и выпускной клапана открываются тогда, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала, и вновь плотно закрывают отверстие с помощью мощных пружин, когда кулачок уходит.
Распределительный вал приходит в движение от коленчатого вала. В головке блока цилиндров есть специальное отверстие с резьбой, в которое вкручивается свеча; именно она дает искру, от которой воспламеняется горючая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьмицилиндрового – восемь и т. д.).
При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений – верхнего и нижнего: в этих положениях он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее крайнее его положение – нижней мертвой точкой (сокращенно соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками называется ходом поршня.
Когда поршень находится в верхней мертвой точке, над ним остается пространство, которое называется камера сгорания; именно в этом пространстве воспламеняется и сгорает горючая смесь. В результате воспламенения образуется нечто вроде минивзрыва, который отталкивает поршень вниз – именно в этот момент происходит превращение тепловой энергии в механическую: двигаясь вниз, поршень толкает коленчатый вал, от которого крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля (более подробно о том, как это происходит, вы узнаете позже). Объем, занимаемый камерой сгорания, так и называется – объем камеры сгорания.
Объем, который находится в пространстве между ВМТ и НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Если сложить объем камеры сгорания и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра.
Сумма полных объемов всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания называется рабочим объемом двигателя.
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания – это определенная последовательность процессов, периодически совершающихся в каждом цилиндре.
ВажноВсе двигатели внутреннего сгорания делятся на две категории: четырехтактные и двухтактные. Как нетрудно догадаться, в первом случае один рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, а во втором – за два хода поршня. Отметим, что современные автомобили, за редким исключением, оснащаются четырехтактными моторами. А двухтактные двигатели устанавливаются обычно на мотоциклах, мопедах, моторных лодках и т. п.
Каждый из рабочих процессов происходит в течение одного хода поршня и называется тактом.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Начинается рабочий цикл с первого такта – впуска горючей смеси в цилиндр двигателя. Отметим, что топливо сгорает в камере сгорания не в чистом виде, а в виде смеси его паров с воздухом. Для подготовки топливно-воздушной смеси предназначен специальный прибор, который называется карбюратор (но в современных машинах карбюраторы, как правило, не используются – там эти функции возложены на специальные электронные приборы).
Смесь попадает в цилиндр в результате открытия впускного клапана, на который оказывает необходимое воздействие соответствующий кулачок распределительного вала. Знайте, что в этот момент поршень непременно располагается в ВМТ и начинает движение вниз в направлении НМТ. Получается, что, двигаясь вниз, поршень засасывает в цилиндр горючую смесь через открывшийся впускной клапан. Этот процесс продолжается, пока поршень не достигнет НМТ: одновременно с этим впускной клапан герметично закрывается под воздействием соответствующих пружин.
ВажноПока совершается первый такт работы двигателя, коленвал проворачивается на пол-оборота.
При заполнении цилиндра горючей смесью она смешивается с остатками находящихся там выхлопных газов (они удаляются из цилиндра не полностью). После этого смесь называется рабочей смесью.
После того как поршень достиг НМТ, впускной клапан плотно закрылся, а цилиндр заполнился рабочей смесью, начинается второй такт. В течение второго такта поршень поднимается вверх – от НМТ к ВМТ, сильно сжимая при этом рабочую смесь. В соответствии с законами физики температура рабочей смеси при сжатии существенно повышается. В тот момент, когда поршень достигает ВМТ, температура этой смеси составляет порядка 300–400 градусов по Цельсию. Второй такт завершается в момент максимального сжатия рабочей смеси, т. е. когда поршень достигает ВМТ. Пока совершается второй такт, коленвал проворачивается еще на пол-оборота. Получается, что за первые два такта работы двигателя коленвал делает один полный оборот.
Во время третьего такта работы двигателя тепловая энергия преобразуется в механическую. Когда поршень достигает ВМТ и рабочая смесь становится максимально сжатой, между электродами свечи зажигания проскакивает электрическая искра – и смесь воспламеняется. Сразу после этого она начинает активно расширяться и сильно давит на поршень, который находится в ВМТ. Другого выхода для энергии сгорания нет, так как оба клапана плотно закрыты. Под давлением поршень вынужден двигаться вниз, передавая свое движение через шатун на коленвал (а именно – на свой кривошип), заставляя его вращаться. Именно это вращение и заставляет в конечном итоге двигаться автомобиль. Коленвал за время совершения третьего такта проворачивается еще на пол-оборота.
Последний, четвертый такт рабочего цикла двигателя – выпуск отработанных (выхлопных) газов. Он начинается в тот момент, когда после третьего такта поршень достигает НМТ и вновь начинает подниматься вверх. При этом под воздействием соответствующего кулачка распредвала открывается выпускной клапан, и двигающийся вверх поршень выдавливает отработанные газы из цилиндра. После этого выпускной клапан под воздействием пружин закрывается. Затем выхлопные газы через глушитель и выхлопную трубу выводятся в атмосферу.
Завершается четвертый такт, когда поршень достигает ВМТ и закрывается выпускной клапан. За время совершения этого такта коленвал проворачивается еще на пол-оборота. Соответственно, за четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания (т. е. за один рабочий цикл) коленчатый вал делает два полных оборота. После этого вновь начинается первый такт и т. д.
Что такое газораспределительный механизм?
Газораспределительный механизм (сокращенно ГРМ) предназначен для обеспечения поступления горючей смеси в цилиндры двигателя, а также выпуска отработавших газов. ГРМ включает в себя распределительный вал, рычаги, ремень или цепь ГРМ, впускные и выпускные клапана с возвратными пружинами, впускные и выпускные каналы.
Распределительный вал (сокращенно – распредвал, рис. 2.5) располагается в головке блока цилиндров, вдоль ее верхней части. Главными функциональными элементами распредвала являются кулачки, число которых соответствует общему числу всех клапанов (как впускных, так и выпускных). Распредвал установлен относительно клапанов так, что каждому из них соответствует свой кулачок. Когда распредвал вращается, его кулачки в определенной последовательности давят на соответствующие клапана, и те своевременно открываются. Когда кулачок перестает давить на клапан, он под воздействием возвратной пружины становится на прежнее место, герметично закрывая отверстие.
Рис. 2.5. Распределительный вал
Другими словами, распредвал обеспечивает своевременное и согласованное с движением поршней в цилиндрах открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Поэтому впускной клапан откроется именно в самом начале первого такта, когда поршень находится в ВМТ, и закроется сразу, как только поршень достигнет НМТ. А выпускной клапан откроется точно в конце третьего такта, когда поршень еще находится в НМТ, и плотно закроет отверстие сразу, как только он достигнет ВМТ.
Энергию вращения распредвал получает от коленвала, с которым он соединен либо цепью, либо зубчатым ремнем ГРМ (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Зубчатый ремень газораспределительного механизма
На конце распредвала для этого установлена специальная шестерня, а на конце коленчатого вала – либо зубчатый шкив, либо звездочка. Что именно используется в ГРМ – ремень или цепь, зависит от конкретной модели автомобиля.
Распределительный вал (сокращенно – распредвал, рис. 2.5) располагается в головке блока цилиндров, вдоль ее верхней части. Главными функциональными элементами распредвала являются кулачки, число которых соответствует общему числу всех клапанов (как впускных, так и выпускных). Распредвал установлен относительно клапанов так, что каждому из них соответствует свой кулачок. Когда распредвал вращается, его кулачки в определенной последовательности давят на соответствующие клапана, и те своевременно открываются. Когда кулачок перестает давить на клапан, он под воздействием возвратной пружины становится на прежнее место, герметично закрывая отверстие.
Другими словами, распредвал обеспечивает своевременное и согласованное с движением поршней в цилиндрах открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Поэтому впускной клапан откроется именно в самом начале первого такта, когда поршень находится в ВМТ, и закроется сразу, как только поршень достигнет НМТ. А выпускной клапан откроется точно в конце третьего такта, когда поршень еще находится в НМТ, и плотно закроет отверстие сразу, как только он достигнет ВМТ.
Энергию вращения распредвал получает от коленвала, с которым он соединен либо цепью, либо зубчатым ремнем ГРМ (рис. 2.6).
На конце распредвала для этого установлена специальная шестерня, а на конце коленчатого вала – либо зубчатый шкив, либо звездочка. Что именно используется в ГРМ – ремень или цепь, зависит от конкретной модели автомобиля.
ПримечаниеУчтите, что разрыв цепи или ремня ГРМ грозит серьезной поломкой мотора (будут погнуты клапана и др.), в результате чего придется делать сложный и дорогостоящий капитальный ремонт. Обычно ремень ГРМ выдерживает пробег порядка 60 000 км, а цепь считается более надежной. Также очень важными деталями являются ролики ремня ГРМ – они со временем изнашиваются, и их также необходимо своевременно менять (поломка ролика чревата тем же, что и разрыв ремня ГРМ).
Цепь все время должна быть натянута соответствующим образом, и для этого применяется специальный натяжитель, который монтируется в комплекте с башмаком. Если же в автомобиле применяется ремень ГРМ, то его требуемое натяжение обеспечивается с помощью соответствующего натяжного ролика.
Назначение кривошипно-шатунного механизма
Кривошипно-шатунный механизм (сокращенно КШМ) обеспечивает преобразование поступательно-вращательного движения поршня внутри цилиндра во вращательное движение коленчатого вала двигателя. У стандартного четырехцилиндрового мотора КШМ включает в себя блок цилиндров с картером, головку блока цилиндров, поддон картера двигателя, поршни в комплекте с поршневыми кольцами и пальцами, шатуны (на которых крепятся поршни), коленчатый вал и маховик.
Главная часть КШМ (да и двигателя вообще) – это блок цилиндров. Он состоит не только из цилиндров (рис. 2.7) и деталей поршневой группы, но и целого ряда прочих элементов: каналов, заглушек, подшипников, сверлений. Коленвал, который установлен на специальных подшипниках, вращается именно в блоке цилиндров.
Рис. 2.7. Цилиндры двигателя внутреннего сгорания
Внизу блока цилиндров расположен картер. Внутри блока цилиндров во время работы двигателя постоянно циркулирует охлаждающая жидкость: летом это может быть простая вода, в холодный же сезон необходимо использовать тосол или антифриз. Также внутри блока цилиндров проходят масляные каналы, которые относятся к системе смазки двигателя.
Знайте, что двигатель внутреннего сгорания работает в довольно жестком режиме. На холостых оборотах (т. е. когда мотор работает, но машина стоит на месте, находясь на нейтральной передаче) коленчатый вал вращается со скоростью 600–900 оборотов в минуту (или около 10–16 оборотов в секунду). Во время движения со средней скоростью мотор работает еще интенсивнее, и коленчатый вал крутится со скоростью от 2000 до 3000 оборотов в минуту. А у современных спортивных авто скорость вращения коленвала может зашкаливать за 200 оборотов в секунду (10 00013 000 оборотов в минуту).
Следовательно, поршни в цилиндрах перемещаются вверх-вниз очень быстро. Ранее мы уже отмечали, что за один полный оборот коленвала поршень успевает дважды пройти расстояние между ВМТ и НМТ. Так вот: эти движения он выполняет буквально за какие-то доли секунды. Если к этому добавить мощное давление, а также высокую температуру в каждом цилиндре, то условия работы двигателя внутреннего сгорания можно назвать экстремальными.
Главная часть КШМ (да и двигателя вообще) – это блок цилиндров. Он состоит не только из цилиндров (рис. 2.7) и деталей поршневой группы, но и целого ряда прочих элементов: каналов, заглушек, подшипников, сверлений. Коленвал, который установлен на специальных подшипниках, вращается именно в блоке цилиндров.
Внизу блока цилиндров расположен картер. Внутри блока цилиндров во время работы двигателя постоянно циркулирует охлаждающая жидкость: летом это может быть простая вода, в холодный же сезон необходимо использовать тосол или антифриз. Также внутри блока цилиндров проходят масляные каналы, которые относятся к системе смазки двигателя.
ПримечаниеЧто касается назначения и принципа работы поршня и иных деталей поршневой группы, то об этом мы уже говорили выше. Напомним лишь, что под силой мощного давления, которое образуется в цилиндре после сгорания рабочей смеси, поршень движется вниз и передает свое движение через шатун (на котором он установлен) на коленчатый вал, образуя тот самый крутящий момент, с помощью которого автомобиль и приводится в движение.
Немалая доля навесного моторного оборудования монтируется именно на блоке цилиндров, и при включенном двигателе работает с ним как единое целое.
Знайте, что двигатель внутреннего сгорания работает в довольно жестком режиме. На холостых оборотах (т. е. когда мотор работает, но машина стоит на месте, находясь на нейтральной передаче) коленчатый вал вращается со скоростью 600–900 оборотов в минуту (или около 10–16 оборотов в секунду). Во время движения со средней скоростью мотор работает еще интенсивнее, и коленчатый вал крутится со скоростью от 2000 до 3000 оборотов в минуту. А у современных спортивных авто скорость вращения коленвала может зашкаливать за 200 оборотов в секунду (10 00013 000 оборотов в минуту).
Следовательно, поршни в цилиндрах перемещаются вверх-вниз очень быстро. Ранее мы уже отмечали, что за один полный оборот коленвала поршень успевает дважды пройти расстояние между ВМТ и НМТ. Так вот: эти движения он выполняет буквально за какие-то доли секунды. Если к этому добавить мощное давление, а также высокую температуру в каждом цилиндре, то условия работы двигателя внутреннего сгорания можно назвать экстремальными.
Система смазки
Для работы двигателя внутреннего сгорания необходимо обеспечение тщательной смазки всех его трущихся элементов – в противном случае он будет выходить из строя чуть ли не моментально. Для этого предназначена система смазки двигателя, с которой мы здесь кратко и познакомимся.
Система смазки двигателя внутреннего сгорания включает в себя перечисленные ниже элементы.
• Маслоналивная горловина.
• Масляный фильтр.
• Поддон картера.
• Масляный насос с маслоприемником.
• Редукционный клапан с пружиной.
• Каналы для доставки масла под давлением.
Маслоналивная горловина находится вверху двигателя и предназначена для залива масла при его замене или добавления масла при его недостаточном количестве. Для удобства в маслоналивную горловину можно вставлять воронку.
Масляный фильтр (рис. 2.8) необходим для очистки моторного масла от всяких примесей (металлической стружки, опилок и др.). Очистка масла должна производиться перед его подачей в систему, поэтому масляный фильтр находится сразу после масляного насоса. Масляный фильтр следует периодически менять – одновременно с заменой моторного масла.
Система смазки двигателя внутреннего сгорания включает в себя перечисленные ниже элементы.
• Маслоналивная горловина.
• Масляный фильтр.
• Поддон картера.
• Масляный насос с маслоприемником.
• Редукционный клапан с пружиной.
• Каналы для доставки масла под давлением.
Маслоналивная горловина находится вверху двигателя и предназначена для залива масла при его замене или добавления масла при его недостаточном количестве. Для удобства в маслоналивную горловину можно вставлять воронку.
Масляный фильтр (рис. 2.8) необходим для очистки моторного масла от всяких примесей (металлической стружки, опилок и др.). Очистка масла должна производиться перед его подачей в систему, поэтому масляный фильтр находится сразу после масляного насоса. Масляный фильтр следует периодически менять – одновременно с заменой моторного масла.