Двигатели, установленные на большинстве автотранспортных средств, называются двигателями внутреннего сгорания, потому что процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращение ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах двигателя.
Классификация двигателей основана на следующих признаках:
по способу смесеобразования — на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые), у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров, и двигатели с внутренним смесеобразованием (дизели), у которых рабочая смесь образуется внутри цилиндров;
способу выполнения рабочего цикла — на четырех- и двухтактные;
числу цилиндров — на одно-, двух- и многоцилиндровые;
расположению цилиндров — на двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд и на V-образные двигатели с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180° двигатель называется оппозитным, или двигателем с противолежащими цилиндрами);
способу охлаждения — на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;
виду применяемого топлива — на бензиновые (карбюраторные и с системой впрыска топлива), газовые, дизельные, газодизельные и многотопливные.
В зависимости от вида применяемого топлива способы воспламенения рабочей смеси в двигателях различны:
в бензиновых двигателях смесь, приготовленная из паров бензина и воздуха, а в газовых двигателях смесь, состоящая из сжатого или сжиженного горючего газа и воздуха, воспламеняется электрической искрой;
в дизелях мелкораспыленное дизельное топливо, впрыскнутое в цилиндры, самовоспламеняется под действием высокой температуры и высокого давления без постороннего источника зажигания;
в многотопливных двигателях типа дизеля ЗИЛ-6451, конструкции которых позволяют использовать высокооктановый бензин, дизельное топливо, метаноловые смеси и другие виды топлива, воспламенение рабочей смеси происходит так же, как и в дизелях.
Механизмы и системы двигателя, их общее устройство и принцип работы рассмотрим на примере четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя (рис. 1). Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также системы питания, смазочная система и системы охлаждения и зажигания.
Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала и состоит из цилиндра 17, головки 6, являющейся как бы крышкой, закрывающей цилиндр сверху, поршня 5 с кольцами 14 и пальцем 16, который соединяет поршень с верхней головкой шатуна 18. Нижняя головка шатуна соединена с коленчатым валом 21, на заднем конце которого установлен маховик 19. Коленчатый вал вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере 20, последний снизу закрыт поддоном 22, используемым как резервуар для масла.
Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Этот механизм приводится в действие от коленчатого вала через зубчатые колеса. При этом распределительный вал 2, воздействуя на толкатели 3, штанги 4 и коромысла 8, открывает впускной 11 или выпускной 13 клапаны, закрытие которых происходит под действием пружин 9.
Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания из цилиндра. При помощи насоса топливо из топливного бака подается в карбюратор 10, где оно в необходимом соотношении смешивается с воздухом, образуя горючую смесь, которая затем по впускному газопроводу поступает (показано стрелкой) в цилиндр двигателя. В систему питания также входят фильтры для очистки воздуха и топлива, выпускной газопровод с глушителем 7 шума выпуска.
Смазочная система обеспечивает подачу масла к взаимодействующим деталям и состоит из насоса, маслоподводящих каналов, фильтров для очистки масла и радиатора для его охлаждения.
Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндропоршневой группы и клапанного механизма. Система охлаждения бывает жидкостная или воздушная. Жидкостная система охлаждения состоит из рубашки-полости /5, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость, жидкостного насоса, термостата, вентилятора и радиатора.
При воздушной системе охлаждения заданный температурный режим достигается удалением теплоты от наружных ребер, имеющихся на цилиндре и его головке, которые при движении автомобиля обдуваются встречным потоком воздуха. Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя и включает в себя источники электрической энергии (аккумуляторную батарею, генератор), приборы, преобразующие ток низкого напряжения в ток высокого напряжения, прерыватель-распределитель и провода, подводящие ток высокого напряжения к свече зажигания 12, электрическая искра от которой воспламеняет рабочую смесь.
При другом — верхнем — расположении распределительного вала привод его может быть цепным или ременным.
Взаимодействие механизмов и систем двигателя происходит следующим образом. Когда поршень 5 опускается вниз, горючая смесь через открытый впускной клапан 11 поступает в цилиндр. При движении поршня вверх она сжимается и, когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, воспламеняется от электрической искры и сгорает. В процессе сгорания образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под действием давления расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун 18 приводит во вращение коленчатый вал 21. Таким образом, происходит преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Затем поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы через открывающийся клапан 13.
Основными конструктивными параметрами двигателя являются диаметр цилиндра, ход поршня и число цилиндров, которые обусловливают его габаритные размеры.
При одном обороте коленчатого вала 3 двигателя (рис. 2) поршень 2 делает один ход вниз и один ход вверх. Изменение направления движения поршня в цилиндре 1 происходит в двух крайних точках, называемых мертвыми, так как в них скорость поршня равна нулю.
Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом S поршня, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.
Следовательно, при перемещении поршня от одной мертвой точки до другой коленчатый вал поворачивается на 180°, т.е. совершает половину оборота.
Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания. Ее объем обозначается через Vc, a пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh.
Сумма объема камеры сгорания Vc и рабочего объема Vh, цилиндра составляет полный объем цилиндра, обозначаемый Vа.
Рабочий объем цилиндра измеряется в кубических сантиметрах или литрах и определяется по формуле
Vh = пD2S/4,
где D — диаметр цилиндра.
Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом (литражом) двигателя:
Vл = nD2Si/4,
где i — число цилиндров.
Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия:
e = (Vc+ Vh)/Vc = Va/Vc = Vh/Vc+1
Степень сжатия — безразмерная величина, она показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси или воздуха, находящихся в цилиндре, при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Чем выше степень сжатия, тем больше температура и давление рабочей смеси при подходе поршня к ВМТ.
С увеличением степени сжатия повышается КПД, мощность и топливная экономичность двигателя. Однако повышение степени сжатия карбюраторных и газовых двигателей возможно лишь до определенных пределов, после достижения которых увеличение степени сжатия приводит к преждевременному самовоспламенению рабочей смеси и вызывает взрывное сгорание — детонацию топлива, снижающую работоспособность и срок службы двигателя.
Различные виды жидких и газообразных топлив имеют разные температуры самовоспламенения, поэтому вид топлива, на котором работает двигатель, определяет пределы его степени сжатия. Автомобильные двигатели, работающие на бензине (карбюраторные двигатели), имеют степень сжатия 6—10, на газе — 7 — 9,5, а дизели — 14 — 21. Верхний предел степени сжатия (е = 18 — 21) для дизелей в основном обусловлен максимально допустимыми нагрузками от давления газов на детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов.
