Необходимая литература: В. А. Родичев, А. А. Кива "Устройство и техническое обслуживание легковых автомобилей"
Двигатели внутреннего сгорания в зависимости от своих конструктивных особенностей могут работать на:
- бензине — это инжекторные и карбюраторные двигатели;
- соляре — дизели;
- газе.
Бензиновые – это двигатели, работающие на жидком топливе (бензине) с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя топливо перемешивается с воздухом в определенной пропорции с помощью карбюратора.
Дизельные – это двигатели с воспламенением от сжатия, работающие на жидком топливе (дизельном топливе). Подача топлива осуществляется форсункой, а смешивание с воздухом происходит внутри цилиндра.
Газовые – это двигатели с принудительным зажиганием, которые работают на метане или пропанобутановой смеси. Перед подачей в цилиндры двигателя газ смешивается с воздухом в смесителе. По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от бензиновых.
Поэтому в объеме этой книги не имеет смысла подробно останавливаться на рассмотрении газовых установок. Но, если вы переоборудовали свой автомобиль на газ, то советуем вам внимательно изучить прилагаемую к газовому оборудованию инструкцию.
При работе двигателя внутреннего сгорания из каждых десяти литров использованного топлива, к сожалению, только около двух литров идет на полезную работу, а все остальные – на «согревание»
окружающей среды. Коэффициент полезного действия (КПД) ныне выпускаемых двигателей составляет всего около 20%. Но мир пока не придумал более совершенного теплового двигателя, который мог бы долго и надежно работать при более высоком КПД.
Бензиновые двигатели.
Это самые распространенные двигатели в мировом легковом автомобилестроении.
В школе вы изучали как получают бензин, это продукт переработки нефти. Когда вы заправляете свой автомобиль на заправочной станции, ваш автомобиль получает полуфабрикат для питания двигателя, и вы надеетесь, что он без примеси!
Схема рабочего цикла с внешним смесеобразованием
Но вашему автомобилю этот вкус еще не подходит, так как двигатель работает на смеси бензина и воздуха. Карбюратор или инжектор готовят этот коктейль для автомобиля в определенных пропорциях вне цилиндрах двигателя. В цилиндры двигателя поступает уже готовая смесь — коктейль. Карбюратор крепится в верхней части двигателя и в нем то и происходит подготовка смеси, а инжекторы готовят коктейль для двигателя во впускном коллекторе. Поэтому бензиновые двигатели имеют второе название — двигатель с внешним смесеобразованием, т.е. с приготовлением смеси вне цилиндров. Внимательный читатель заметит, что при заправке вы платите за бензин,а вот воздухом мы пользуемся бесплатно, хотя воздуха требуется значительно больше для приготовления питательной смеси для двигателя.
Смесь — коктейль из бензина и воздуха ваш двигатель употребляет различный и, это зависит от режима работы.
В зависимости от соотношения бензина и воздуха различают смеси богатые, обогащенные, нормальные, обедненные и бедные.
- Богатые смеси — на одну часть бензина приходится менее 13 частей воздуха.
- Обогащенные смеси — соотношение бензин-воздух соответствует 1: 13-15.
- Нормальные смеси — 1:15 соответственно.
- Обедненные смеси — соотношение 1: 15-17 соответственно.
- Бедные смеси — соотношение 1:17.
Из приведенной квалификации смесей видно, что чем больше бензина в смеси, тем она богаче. И чем меньше — тем беднее.
В последнее время многие водители переводят свои автомобили на топливо газ, в двигателях с внешним смесеобразованием используют пропан-бутан. Пропан-бутан не природный газ, это тоже продукт нефти и сконденсированных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалось жидкой, ее хранят и перевозят в цистернах и баллонах под давлением. Для перевода бензинового двигателя на газ нужно установить в автомобиль специальное оборудование.
Схема рабочего цикла с внешним смесеобразованием
Смесь бензина или газа с воздухом, приготовленная снаружи двигателя, подается в его цилиндры, где ее воспламеняют с помощью свечи зажигания — это называется принудительным зажиганием, поскольку без искры, создаваемой свечей зажигания,смесь гореть не будет. Вы слышали наверное от водителей, что свечи зажигания нужно подчистить если двигатель не заводится, проверь свечи.
Дизели
Дизели - двигатели, работающие на солярке, дизельном топливе. Воспламенение в них происходит от сжатия, так как в дизелях нет свечей зажигания.
Схема рабочего цикла с внутренним смесеобразованием.
Смешивание солярки с воздухом в дизельных двигателях происходит непосредственно внутри цилиндров, это и есть двигатели с внутренним смесеобразованием.
Гибридные двигатели
Представляют собой сочетание двигателя внутреннего сгорания и электромотора, аккумулятор для которого под заряжается во время движения. Такие двигатели могут работать совместно или по отдельности при различных режимах движения. Конечно, здесь управляет электроника, а водитель и пассажиры не ощущают никаких рывков на переходных режимах.
Но чаще всего встречаются двигатели внутреннего сгорания, поэтому нужно его изучить тщательнее, ведь именно двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию топлива в механическую.
Механизмы и системы двигателя
Двигатели внутреннего сгорания на легковых автомобилях состоят из двух механизмов:
кривошипно-шатунного и газораспределительного и из пяти систем:
- системы охлаждения;
- системы питания;
- системы смазки;
- системы зажигания;
- системы выпуска отработавших газов.
Общее устройство и рабочий циклодноцилиндрового бензинового двигателя
Рассмотрим принцип работы простейшего одноцилиндрового бензинового двигателя и разберемся с принципом его работы. А также рассмотрим протекающие в нем процессы и выясним, наконец, откуда все-таки берется тот самый крутящий момент, который в конечном итоге приходит на ведущие колеса автомобиля.
Основной частью одноцилиндрового двигателя является цилиндр с укрепленной на нем съемной головкой, рассмотрите рисунок:
Одноцилиндровый бензиновый двигатель внутреннего сгорания: 1 – головка цилиндра; 2 – цилиндр; 3 – поршень;
4 – поршневые кольца; 5 – поршневой палец; 6 – шатун; 7 – коленчатый вал; 8 – маховик; 9 – кривошип;
10 – распределительный вал; 11 – кулачок распределительного вала; 12 – рычаг; 13 – впускной клапан;
14 – свеча зажигания
В цилиндре находится поршень. Поршень имеет форму цилиндрического стакана, состоящего из головки и юбки.
На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца.
|
Принцип работы одноцилиндрового бензинового двигателя: 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — герметизирующая прокладка; 6 — головка цилиндра; 7 — выпускной клапан; 8 — свеча зажигания; 9 — впускной клапан; 10 — компрессионные кольца; 11 — масло съемное кольцо; 12 — маховик; 13 — картер двигателя |
Задача колец — обеспечить герметичность пространства над поршнем, не дав возможности газам, образующимся при работе двигателя, прорваться под поршень, а также не допустить попадания масла, смазывающего внутреннюю поверхность цилиндра, в пространство над поршнем. Эти кольца играют роль уплотнителей, причем те из них, которые не пропускают газы, назвали компрессионными, а оберегающие от масла — масло съемными. |
Далее необходимо преобразовать перемещение поршня во вращение вала. Для этого использовали следующее механическое приспособление: поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединили с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя.
Самое нижнее положение поршня в цилиндре, т.е. то место, где поршень перестает двигаться вниз и начинает движение вверх, называют нижней мертвой точкой, сокращенно НМТ.
Расстояние между крайними положениями поршня — от ВМТ до НМТ —называется ходом поршня:
Ход поршня и объемы цилиндра двигателя:
а) поршень в нижней мертвой точке; б) поршень в верхней мертвой точке
Крайние положения поршня, когда он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней «мертвой» точкой (ВМТ) и нижней «мертвой» точкой (НМТ).
При езде на велосипеде колено вашей ноги, так же как и поршень, периодически будет находиться в крайнем верхнем и в крайнем нижнем положении.
Ходом поршня (S) называется путь, пройденный от одной«мертвой» точки до другой.
Объемом камеры сгорания (Vc) называется объем, расположенный над поршнем, находящимся в ВМТ.
Рабочим объемом цилиндра (Vp) называется объем, освобождаемый поршнем при перемещении от ВМТ к НМТ.
Полным объемом цилиндра является сумма объемов камеры сгорания и рабочего объема: Vn = VP + Vc.
Рабочий объем двигателя – это сумма рабочих объемов всех цилиндров. Измеряется рабочий объем в литрах.
Пока мы рассматриваем только одноцилиндровый двигатель, а вообще двигатели современных легковых автомобилей, как правило, имеют 2, 3, 4, 5, 6, 8 и даже 12 цилиндров.
Чем больше суммарный рабочий объем, тем более мощным будет двигатель. Измеряется мощность в киловаттах или в лошадиных силах (кВт или л.с. ).
При перемещении поршня сверху вниз — от ВМТ до НМТ — объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в БМТ называется камерой сгорания.
|
Ход поршня от ВМТ до НМТ |
Рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах, называется литражом двигателя. |
Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах, 1 л.с. примерно равна 0,735 кВт.
Работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре смеси топлива и воздуха. Как уже говорилось, в бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания, в дизелях — от сжатия.
|
Расположение маховика коленчатого вала: |
Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. |
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
Двигатели внутреннего сгорания отличаются друг от друга рабочим циклом, по которому они работают.
Рабочий цикл – это комплекс последовательных рабочих процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре при работе двигателя.
Рабочий процесс,происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом.
По числу тактов,составляющих рабочий цикл, двигатели делятся на два вида:
- четырехтактные, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня,
- двухтактные, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня.
На легковых автомобилях, как правило, применяются четырехтактные двигатели, а на мотоциклах и моторных лодках – двухтактные. О путешествиях по водным просторам поговорим как-нибудь потом, а с четырьмя тактами работы автомобильного двигателя разберемся сейчас.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов:
- впуск горючей смеси,
- сжатие рабочей смеси,
- рабочий ход,
- выпуск отработавших газов.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя: а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск
Первый такт – впуск горючей смеси Ознакомьтесь с рисунком а).
Горючей смесью называется смесь мелко распыленного бензина с воздухом в определенной пропорции.
Приготовлением смеси в двигателе занимается карбюратор или форсунка, о чем мы поговорим чуть позже. А пока следует знать, что соотношение бензина к воздуху примерно 1:15 читается оптимальным для обеспечения нормального процесса сгорания.
При такте впуска поршень от верхней мертвой точки перемещается к нижней мертвой точке. Объем над поршнем увеличивается. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Иными словами, поршень всасывает горючую смесь.
Впуск смеси продолжается до тех пор, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки. За первый такт работы двигателя кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота.
В процессе заполнения цилиндра горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов и меняет свое название, теперь эта смесь называется рабочая.
Второй такт – сжатие рабочей смеси Ознакомьтесь с рисунком б).
При такте сжатия поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты, поэтому рабочая смесь сжимается.
Из школьной физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9–10 кг/см², а температура 300–400°С.
В заводской инструкции к автомобилю можно увидеть один из параметров двигателя с названием – «степень сжатия» . А что это такое?
Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания ( Vn/Vc ).У бензиновых двигателей в конце такта сжатия объем над поршнем уменьшается в 8–11 раз.
В процессе такта сжатия коленчатый вал двигателя поворачивается на очередные пол-оборота. От начала первого такта и до окончания второго, он повернется уже на один оборот.
Третий такт – рабочий ход. Ознакомьтесь с рисунком в).
Во время третьего такта происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал.
Вот откуда берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.
В самом конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. Поскольку впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход – давить на подвижный поршень.
Под действием давления, достигающего величины 50 кг/см², поршень начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила в несколько тонн, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент.
При такте рабочего хода температура в цилиндре достигает более 2000 градусов.
Коленчатый вал при рабочем ходе делает очередные пол-оборота.
Четвертый такт – выпуск отработавших газов Ознакомьтесь с рисунком г).
При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (впускной все еще закрыт), и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя.
Вот почему слышен тот сильный грохот, когда по дороге движется автомобиль без глушителя, но об этом позже. А пока обратим внимание на коленчатый вал двигателя – при такте выпуска он делает еще пол-оборота. И всего, за четыре такта рабочего цикла, он сделал два полных оборота.
После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, и все повторяется: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск… и так далее.
Теперь, интересно, кто из вас обратил внимание на то, что полезная механическая работа совершается одноцилиндровым двигателем только в течение одного такта – такта рабочего хода!
Остальные три такта (выпуск, впуск и сжатие) являются лишь подготовительными и совершаются они за счет кинетической энергии вращающихся по инерции коленчатого вала и маховика.
Маховик
Маховик – это массивный металлический диск, который крепится на коленчатом валу двигателя. Во время рабочего хода поршень через шатун и кривошип раскручивает коленчатый вал двигателя, который передает маховику запас энергии вращения.
Коленчатый вал двигателя с маховиком: 1 – шатунная шейка; 2 – противовес; 3 – маховик с зубчатым венцом;
4 – коренная (опорная) шейка; 5 – коленчатый вал двигателя
Запасенная в массе маховика энергия вращения позволяет ему в обратном порядке через коленчатый вал, шатун и поршень осуществлять подготовительные такты рабочего цикла двигателя. Поршень движется вверх (при такте выпуска и сжатия) и вниз (при такте впуска) именно за счет отдаваемой маховиком энергии.
Если двигатель имеет несколько цилиндров, работающих в определенном порядке, то подготовительные такты в одних цилиндрах совершаются за счет энергии, развиваемой в других, ну и маховик, конечно, тоже помогает.
В детстве у вас наверняка была игрушка, которая называлась волчок. Вы раскручивали его энергией своей руки (рабочий ход) и радостно наблюдали за тем, как долго он вращается. Точно так же и массивный маховик двигателя – раскрутившись, он запасает энергию, но только значительно большую, чем детская игрушка, а затем эта энергия используется для перемещения поршня в подготовительных тактах.
Дизельные двигатели
Главной особенностью работы дизельного двигателя является то, что топливо подается форсункой или насосом-форсункой непосредственно в цилиндр двигателя под большим давлением в конце такта сжатия. Необходимость подачи топлива под большим давлением обусловлена тем, что степень сжатия у таких двигателей значительно больше, чем у бензиновых.
Поскольку давление и температура в цилиндре дизельного двигателя очень велики, то происходит самовоспламенение топлива. Это означает, что искусственно поджигать смесь не надо. Поэтому у дизельных двигателей отсутствуют не только свечи, но и вся система зажигания.
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя
Первый такт – впуск, служит для наполнения цилиндра двигателя только воздухом.
При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке происходит всасывание воздуха через открытый впускной клапан.
Второй такт – сжатие, необходим для подготовки к самовоспламенению дизельного топлива.
При движении к верхней мертвой точке поршень сжимает воздух в 18–22 раза (у бензиновых в 8–11 раз). Поэтому в конце такта сжатия, давление над поршнем достигает 40 кг/см², а температура поднимается выше 500 градусов.
Третий такт – рабочий ход, служит для преобразования энергии сгораемого топлива в механическую работу.
В конце такта сжатия в камеру сгорания через форсунку под давлением подается дизельное топливо, которое самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха.
При сгорании дизельного топлива расширяющиеся газы создают усилие, которое перемещает поршень к нижней мертвой точке и через шатун проворачивает коленчатый вал.
Во время рабочего хода давление в цилиндре достигает 100 кг/см², а температура превышает 2000°С.
Четвертый такт – выпуск отработавших газов,служит для освобождения цилиндра от отработавших газов.
Поршень от нижней мертвой точки поднимается к верхней мертвой точке и, через открытый выпускной клапан, выталкивает отработавшие газы.
При последующем движении вниз поршень засасывает свежую порцию воздуха, происходит такт впуска и рабочий цикл повторяется.
В дизельном двигателе нагрузки на все механизмы и детали значительно больше, чем в бензиновом, и это закономерно приводит к увеличению его массы, размеров и стоимости.
В то же время, дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества – меньший расход топлива, чем у его бензинового «брата», а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации.
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя.
Ранее рассматривалась работа одноцилиндрового двигателя.Это было необходимо для простоты восприятия протекающих в нем процессов.
На большинстве легковых автомобилей, как отечественных, так и зарубежных, устанавливаются четырехцилиндровые двигатели. Конечно, существуют варианты и с другим количеством цилиндров (от двух до двенадцати), но в объеме этой книги мы ограничимся знакомством именно с четырехцилиндровым двигателем, так как он является самым распространенным.
Основные детали четырехцилиндрового бензинового двигателя: а) продольный разрез; б) поперечный разрез;
1 – блок цилиндров; 2 – головка блока цилиндров; 3 – поддон картера; 4 – поршни с кольцами и пальцами;
5 – шатуны; 6 – коленчатый вал; 7 – маховик; 8 – распределительный вал; 9 – рычаги; 10 – впускные клапаны;
11 – выпускные клапаны; 12 – пружины клапанов; 13 – впускные и выпускные каналы
Кривошипно-шатунный механизм состоит из:
- блока цилиндров с картером головки блока цилиндров;
- поддона картера двигателя;
- поршней с кольцами и пальцами;
- шатунов;
- коленчатого вала;
- маховика.
Блок цилиндров объединяет в себе не только уже известные нам цилиндры и шатунно-поршневую группу, но и другие системы двигателя. Блок является основой двигателя, в которой имеется множество литых каналов и сверлений, подшипников и заглушек. Именно в блоке вращается (на подшипниках) коленчатый вал. Во внутренних полостях блока циркулирует жидкость системы охлаждения, там же проходят и масляные каналы системы смазки двигателя. Большая часть из навесного оборудования двигателя монтируется, опять же, на блоке цилиндров. Нижняя часть блока называется картером.
Головка блока цилиндров является второй по значимости и по величине составной частью двигателя. В головке расположены камеры сгорания, клапаны и свечи цилиндров, в ней же на подшипниках вращается распределительный вал с кулачками. В головке, как и в блоке цилиндров, имеются водяные и масляные каналы и полости. Головка крепится к блоку цилиндров и при работе двигателя составляет с блоком единое целое.
Устройство и взаимодействие основных деталей кривошипно-шатунного механизма (шатунно- поршневой группы) мы с вами рассмотрели ранее, при изучении работы ног велосипедиста и рабочего цикла двигателя.
Для тех, кто уже вернулся обратно на эту страницу, предлагается небольшой экскурс в мир цифр.
На холостом ходу коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 800–900 оборотов в минуту (13–15 об/сек). На средней и большой скорости движения автомобиля число оборотов коленчатого вала в минуту составляет от 2000 до 4000. А в ходе автомобильных соревнований, у специально подготовленных автомобилей, двигатель «раскручивается» до 12000 об/мин (200 оборотов в секунду) и даже больше.
А что поршни? Они движутся в цилиндре с огромной скоростью! За один оборот коленчатого вала каждый поршень успевает подняться вверх, «развернуться» и опуститься вниз (или наоборот – сначала вниз, потом вверх). При этом путь от одной мертвой точки до другой поршни «пролетают» за сотые доли секунды! А если вспомнить еще и об огромных температурах и давлении в цилиндрах в это время!
Вот в таких непростых, мягко выражаясь, условиях работают детали двигателя вашего автомобиля.
Мы с вами разобрались с очень сложным и уникальным процессом, происходящим внутри двигателя с одним цилиндром. Многоцилиндровый двигатель принципиально ничем не отличается от простейшего одноцилиндрового. Но, когда цилиндров много, представьте, в каких условиях работает двигатель (температуры, давление, трение…), при этом работает безотказно и продолжительное время, ничего не требуя взамен, кроме лишь «кормления» бензином и периодического обслуживания.
Основные неисправности кривошипно-шатунного механизма
- Стуки в двигателе могут возникнуть по причине износа поршневых пальцев, шатунных и коренных подшипников. Для устранения неисправности необходимо заменить изношенные детали.
- Повышенная дымность выхлопных газов и (или) падение компрессии (давление в конце такта сжатия) случается из-за износа поршневых колец, поршней, цилиндров, залегания поршневых колец в канавках поршней. Для устранения неисправности следует заменить изношенные детали.
Эксплуатация кривошипно-шатунного механизма двигателя
Правильная эксплуатация двигателя крайне необходима, так как его ремонт достаточно трудоемкий и дорогостоящий процесс. И к кривошипно-шатунному механизму это относится в первую очередь.
Ресурс двигателя – это продолжительность нормальной работы двигателя без его капитального ремонта.
Для отечественных автомобилей ресурс двигателя составляет приблизительно 150–200 тысяч километров пробега, и несколько больше для иномарок.
Многим из вас эти цифры покажутся недосягаемо большими, но это не означает, что можно забывать о своевременной смене масел, жидкостей, фильтров и других расходных материалов. Плюс к этому, двигатель требует периодических регулировок.
Необходимо соблюдать сроки обслуживания его механизмов и систем, как это рекомендовано заводом-изготовителем вашего автомобиля. А иначе, через удивительно короткий промежуток времени, вам может понадобиться капитальный ремонт двигателя.
Газораспределительный механизм
(ГРМ) предназначен для своевременного впуска в цилиндры двигателя горючей смеси и выпуска отработавших газов в соответствии с протеканием рабочего цикла. Кроме того, он обеспечивает надежную изоляцию камеры сгорания от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода.
Газораспределительный механизм состоит из:
- распределительного вала;
- рычагов или толкателей;
- впускных и выпускных клапанов с пружинами;
- впускных и выпускных каналов.
Устройство газораспределительного механизма показано на рисунке:
Устройство кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов: 1 - зубчатый шкив коленчатого вала;
2 - зубчатый ремень; 3 - зубчатый шкив распределительного вала; 4 - распределительный вал; 5 - кулачок;
6 - толкатель; 7 - пружина; 8 - клапан; 9 - маховик; 10 - поршень, 11 - шатун; 12 - коленчатый вал
Распределительный вал на большинстве двигателей легковых автомобилей установлен на головке блока цилиндров. Его образуют кулачки (эксцентрики), количество которых соответствует количеству клапанов двигателя, т.е. каждый кулачок работает только со своим конкретным клапаном. При вращении распределительного вала его кулачки воздействуют через рычаги на клапаны или непосредственно на клапаны через толкатели, помните, что клапаны похожи на гвозди с большими шляпками.
Этим обеспечивается своевременное (согласованное с положением поршней в цилиндрах) открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.
Вы уже поняли, что для открытия и закрытия клапанов распределительный (он же кулачковый) вал должен повернуться на определенный угол.
Распределительный вал в двигателях большинства автомобилей получает вращение от коленчатого вала самым «примитивным» образом:
|
либо с помощью цепной передачи
Цепной привод ГРМ: 2 - цепь; 3 - успокоитель цепи; 4 - зубчатый шкив привода масляного насоса; 5 - зубчатый шкив коленчатого вала 6 - башмак натяжителя цепи; 7 - натяжитель цепи либо зубчатым ремнем |
либо зубчатым ремнем 4 - натяжной ролик; 5 - зубчатый шкив распределительного вала натяжение которых можно отрегулировать специальными устройствами. |
Преимущества ременного привода заключаются в низкой шумности его работы, простоте установки, отсутствии смазки, упрощении конструкции двигателя и снижении его массы. Натяжение в цепном приводе регулируется под пружиненным плунжером, а ремня — роликом. В настоящее время большинство автомобильных двигателей оснащают ременным приводом распределительного вала.
Итак, распределительный вал, получив вращение от коленчатого вала, поворачивается. В результате его кулачок набегает на рычаг или непосредственно на толкатель, который нажимает на стержень под пружиненного клапана и, преодолев сопротивление пружины, открывает его. При дальнейшим вращении распределительного вала кулачок сбегает с рычага (толкателя) и под воздействием пружины клапан закрывается. Кулачок воздействует на клапан непосредственно через толкатель.
Существуют двигатели, каждый цилиндр которых имеет два впускных и два выпускных клапана. В этом случае чаще всего впускными клапанами управляет один кулачковый вал, а выпускными — другой:
Газораспределительный механизм с двумя распределительными валами: 1,2-выпускные клапаны; 3-пружина;
4-толкатель; 5-кулачок; 6-распределительный вал выпускных клапанов; 7,10-впускные клапаны;
8-распределительный вал впускных клапанов; 9,15-зубчатые шкивы распределительных валов;
11-натяжной ролик ремня; 12-зубчатый шкив коленчатого вала; 13-коленчатый вал; 14- зубчатый ремень
В любом случае кулачки на распределительном валу размещены относительно друг друга определенным образом, и вращение коленчатого и распределительного валов согласовано так, что впускной клапан открывается в начале такта впуска (поршень в цилиндре находится в ВМТ), а выпускной — в начале такта выпуска (поршень в цилиндре находится в НМТ).
Моменты открытия и закрытия клапанов в соответствии с углом поворота коленчатого вала двигателя и, естественно, одновременным перемещением поршня от БМТ к НМТ и наоборот символизируют дуги окружности на диаграмме фаз газораспределения. Впускной клапан открывается несколько раньше, чем поршень достиг ВМТ . Это сделано специально для лучшего наполнения цилиндров рабочей смесью. Выпускной клапан открывается несколько раньше, чем поршень доберется до НМТ. Это необходимо для лучшей очистки от отработавших газов. В результате впускной клапан начинает открываться в тот момент, когда выпускной клапан еще полностью не закрылся. Такое положение клапанов называется их перекрытием. Во время тактов сжатия или рабочего хода оба клапана в цилиндре надежно закрыты.
Тепловой зазор между рычагом или толкателем и кулачком распределительного вала регулируется на холодном двигателе. При этом клапан, у которого регулируется тепловой зазор, должен быть закрыт.
Этот зазор составляет доли миллиметра и контролируется специальным щупом. Конкретный зазор, необходимый конкретному двигателю, указан в руководстве по его эксплуатации. Известно, что при нагреве тела расширяются, в том числе и детали газораспределительного механизма. Если тепловой зазор станет меньше обходимого, то клапан откроется на большую величину, но самое неприятное то, что он не успеет закрыться в нужный момент либо из-эа теплового удлинения его ножки останется приоткрытым. Все это приведет к снижению мощности двигателя, ведь если клапан не закрыт, то при такте сжатия мы не получим необходимого давления в цилиндре. При длительной эксплуатации в таких условиях произойдет прогар клапана и двигатель выйдет из строя. Прогар возникает потому, что часть рабочей смеси будет сгорать за пределами цилиндра, попав туда через приоткрытый клапан. При этом она будет обжигать расположенную там часть клапана, которая не рассчитана на такую температуру. Увеличенный сверх нормы тепловой зазор приведет к тому, что клапан не сможет открываться полностью.
Такое нарушение регулировки впускного клапана не позволит горючей смеси в нужном количестве заполнить цилиндр, а нарушение регулировки пускного клапана затруднит очистку цилиндров от отработавших газов. При эксплуатации двигателя необходимо постоянно следить за натяжением цепи или зубчатого ремня привода распределительного вала. Кроме того, владельцам автомашин с двигателями, в которых установлен ременный привод распределительного вала, следует периодически проверять не только натяжение, но и состояние ремня, чтобы не опоздать с его заменой. Обрыв ремня при работающем двигателе не только обездвижит автомобиль, но и может привести к серьезной поломке двигателя.
Основные неисправности газораспределительного механизма двигателя
- Стуки в газораспределительном механизме появляются по причине увеличенных тепловых зазоров в клапанном механизме, износе подшипников или кулачков распределительного вала, рычагов, а также из-за поломки пружин клапанов. Для устранения стуков необходимо отрегулировать тепловой зазор, а изношенные детали и узлы заменить.
- Повышенный шум цепи привода распределительного вала появляется вследствие износа шарнирных соединений звеньев цепи и ее удлинения. Следует отрегулировать натяжение цепи, а при чрезмерном ее износе заменить.
- Потеря мощности двигателя и повышенная дымность выхлопных газов происходят при нарушении теплового зазора в клапанном механизме, неплотном закрытии клапанов, износе масло отражательных колпачков. Зазор следует отрегулировать, изношенные колпачки заменить, а клапаны «притереть» к седлам.
Эксплуатация газораспределительного механизма двигателя Обратите внимание на тепловой зазор между рычагом и кулачком распределительного вала (рис. 12 б). Немного знаний физики позволит понять, что этот зазор должен быть строго определенного размера. Ведь при нагревании все детали двигателя расширяются, в том числе и детали газораспределительного механизма.
Если зазор между рычагом и кулачком распределительного вала меньше нормального, то клапан будет открываться больше, чем ему положено, и не будет полностью закрываться. Это нарушит рабочий цикл двигателя и, плюс ко всему, в скором времени придется менять «подгоревшие» клапаны.
Если тепловой зазор будет слишком велик, то встреча кулачка с рычагом будет происходить с ударом, что выразится в заметном увеличении шума при работе двигателя и приведет к быстрому износу деталей газораспределительного механизма.
При неправильной установке теплового зазора наблюдается целый «букет» неприятностей. Двигатель начинает работать неустойчиво, глохнуть и преподносить прочие «сюрпризы», описанные в неисправностях газораспределительного механизма. Используя инструкцию по эксплуатации своего автомобиля, следует периодически контролировать правильность «зазора в клапанах».
Причем разговор идет о десятых долях миллиметра! Например, для двигателей ВАЗ, в зависимости от модели, тепловой зазор должен быть в пределах 0,15–0,35 мм. Если у вас есть соответствующие инструменты и решимость «залезть» в двигатель, то после нескольких попыток можно научиться «регулировать клапана». А если вы не собираетесь осваивать профессию автомеханика, то при подозрениях на «разрегулированные клапана» следует обратиться к специалистам.
При эксплуатации двигателя необходимо следить за натяжением цепи (зубчатого ремня) привода распределительного вала и при необходимости его регулировать.
Владельцам ВАЗ-2108 и 2109 с рабочим объемом двигателя 1,3 литра следует быть особенно внимательными к состоянию ремня привода распределительного вала и вовремя его менять, не допуская обрыва изношенного ремня при движении. У этих двигателей при выходе ремня из строя возможна «встреча» поршней с клапанами, что влечет к серьезным взаимным повреждениям.
Это отнюдь не та встреча, на которую стремишься со сладостным ожиданием, а совсем другая, за которой последует сложный ремонт с заменой деталей газораспределительного и кривошипно-шатунного механизмов двигателя.
Большинству из вас никогда не придется разбирать и собирать двигатель, да это и не нужно, если вы не являетесь специалистом в этой области.
Но при любых экспериментальных работах с автомобилем, разбирая какой-то узел, а потом его собирая, обязательно запоминайте расположение деталей и последовательность демонтажа. А то могут остаться «лишние» детали!
Причем, сборка всегда труднее, чем разборка. Не забывайте арабскую пословицу:
«Прежде чем тащить осла на крышу подумай, как снять его оттуда».
Вначале автомобильной жизни не рекомендуется включать музыку сразу же после запуска двигателя. Проехав некоторое расстояние, прислушайтесь к звукам, доносящимся из-под капота. Они могут быть самыми разными, но любой «выделяющийся» звук говорит о том, что с двигателем не все в порядке. При появлении новых, незнакомых вам звуков, следует обратиться в автосервис или к знакомому умельцу.
Ни одна неисправность в автомобиле не появляется, не предупредив водителя об этом заранее. В то же время немало «юных» водителей ездят на своих машинах с явно аварийными узлами, думая, что так и должно быть.
Одной из проблем начинающих водителей является то, что зачастую они не знают, как должен вести себя исправный автомобиль, какие шумы нормальные, а какие «говорят» о надвигающихся финансовых затратах. А знать это важно, так как многие неисправности влияют еще и на безопасность движения.
Если во время движения вы ничего не слышите из-под капота своей машины (не слышно или не умеете слышать), то дайте проехаться на ней знающему человеку, который сможет определить причину постороннего шума.
Система охлаждения
По традиции эту систему называют системой охлаждения, хотя применительно к современным автомобилям ее правильнее было бы назвать системой поддержания оптимальной температуры двигателя. Охлаждение двигателя — ее основная функция.
При сгорании топливо воздушной смеси выделяется значительное количество тепла, способного вывести из строя агрегаты двигателя. Что же произойдет при перегреве? Подвижные элементы расширятся, поршни заклинит в цилиндрах, а многие детали будут изогнуты или просто сломаны.
Кстати, масло при высокой температуре теряет смазывающую способность, разлагаясь на составные части.
Отводом избыточного тепла как раз и занимается система охлаждения.
Как происходит процесс охлаждения, вы, конечно, знаете и не раз выполняли эту процедуру, когда дули на горячую пищу, чтобы ее охладить. В автомобиле практически все то же самое: на двигатель дуют, чтобы он не перегревался. Как дуют? Главным образом через специальные щели и отверстия. На большинстве автомобилей поток воздуха к двигателю попадает через декоративную решетку, расположенную в передней части машины. На этой решетке или сразу над ней чаще всего расположена эмблема, символизирующая марку автомобиля. При движении машины туда попадает встречный поток воздуха. Оценить его интенсивность им могли, высунув ладонь в окно движущегося автомобиля. К тому же часть воздуха попадает к двигателю, проходя под днищем машины. Для более интенсивного обдува применяют вентиляторы. На некоторых автомобилях этим и ограничиваются. В автомобильном мире таких машин совсем немного. Это, например, популярный когда-то «Запорожец» и известный «Фольскваген Жук». На этих машинах применяется воздушная система охлаждения. Но она довольно часто оказывается недостаточно эффективной. Большей эффективностью обладает жидкостная система охлаждения. Хотя сразу отметим, что и тут без воздуха не обойтись. Те из вас, кто не забыл школьный курс физики, знают, что теплообмен происходит между телами в направлении от более нагретого тела к менее нагретому. Так вот, при жидкостной системе охлаждения тепло от работающего двигателя передается сначала охлаждающей жидкости и лишь затем от нее воздуху.
При воздушном охлаждении тепло передавалось непосредственно от двигателя воздуху.
Как же передать тепло от двигателя охлаждающей жидкости? Поступили очень просто. Надели на двигатель рубашку и назвали ее рубашкой охлаждения. На самом деле просто сделали двигателю двойные стенки, между которыми и залили жидкость. У жидкости самая большая теплоемкость, поэтому она быстро забирает тепло. Проблема лишь в том, что она сама при этом сильно нагревается и ее охлаждают воздухом. Для этого пропускают нагретую жидкость через радиатор — устройство, состоящее из множества трубочек, обдуваемых воздухом, и после охлаждения снова направляют в двигатель.
На автомобилях в подавляющем большинстве случаев применяется жидкостная система охлаждения.
Нормальная температура охлаждающей жидкости работающего двигателя составляет 80-95 «С. При пуске холодного двигателя система охлаждения помогает двигателю по возможности быстрее достичь рабочей температуры. О том, как это делается, чуть позже. А сейчас познакомимся с конструкцией этой системы.
Жидкостная система охлаждения с принудительной циркуляцией (принудительная — потому что она перемещается не сама по себе, а ее заставляет двигаться насос) состоит из следующих основных элементов:
- рубашки охлаждения (как вы уже знаете, двойных стенок блока цилиндров и головок, пространство между которыми заполнено охлаждающей жидкостью);
- радиатора, выполняющего функцию теплообменника и состоящего из двух бачков, соединенных большим количеством трубок;
- расширительного бачка, поддерживающего постоянный объем циркулирующей жидкости и определенное давление в системе;
- насоса, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей жидкости в системе;
- термостата (автоматического клапана, открывающегося при достижении охлаждающей жидкостью температуры 90-102 °С);
- вентилятора, обеспечивающего прокачку воздуха между трубками радиатора;
- трубопроводов.
Более подробно устройство системы охлаждения представлено на рисунке:
Система охлаждения двигателя:
1-радиатор отопителя салона; 2-расширительный бачок; 3-крышка расширительного бачка; 4-термостат; 5-выпускной патрубок головки блока цилиндра; 6-радиатор; 7-электровентилятор; 8-ремень привода ГРМ;
9-насос охлаждающей жидкости; 10-кран отопителя
В большинстве автомобилей в качестве охлаждающей жидкости применяют специальные составы с низкой температурой кристаллизации — антифризы (от английского «аntifreeze» — незамерзающий).
Воду стараются не использовать по многим причинам, главная из которых то, что она замерзает при 0°С и при замерзании расширяется. Помните опыт со стеклянной бутылкой с водой, выставленной на мороз? Ее разорвет. Та же судьба ждет двигатель, в систему охлаждения которого залита вода: его стенки разорвет абсолютно так же, как и бутылку. Отремонтировать такой двигатель будет невозможно. Вы, наверное, обращали внимание, что на некоторых автомобилях или автобусах, обычно принадлежащим автопредприятиям, за ветровым стеклом в зимний период устанавливают табличку с надписью «Антифриз» или «Вода». В последнем случае водитель зимой не должен выключать двигатель на длительное время, а по окончании работы, если машина остается на улице, должен слить воду из системы охлаждения. И все же в подавляющем большинстве случаев в настоящее время используют антифризы. Они ядовиты, и представляют собой водный раствор этиленгликоля и могут проникать в организм через кожу. Эта смесь агрессивна не только к организму человека, но и к самой системе охлаждения. Она разрушает сталь, алюминий, чугун, медь. Чтобы уберечь детали системы охлаждения от разрушения, в антифризы добавляют целый комплекс присадок: антикоррозионных (ингибиторы), антивспениваюших и стабилизирующих. Предприятия-изготовители присваивают антифризам фирменные названия (например, «Тосол», «Лена» и т.п.) и (или) указывают температуру их замерзания, точнее кристаллизации (Тосол А-40, ОЖ-40, ОЖ-65, где ОЖ — охлаждающая жидкость).
Импортные антифризы для легковых автомобилей, произведенные на основе этиленгликоля, должны соответствовать нормам АSТМ (Американская ассоциация по испытанию материалов) и SАЕ (Общество автомобильных инженеров США): АSТМ D 3306 и ASTM D 4656 . Кроме основных стандартов, большинство изготовителей учитывают и дополнительные требования (например, нормы Ceneral Motors USA - Аntifreеzе Соncentrate GМ 1899-М, GМ 6038-М или система нормативов G концерна Volkswagen). За рубежом также изготавливают антифризы на основе пропиленгликоля. Такой антифриз менее токсичен, однако он почти на порядок дороже.
В процессе эксплуатации системы охлаждения антифриз стареет: в нем снижается концентрация ингибиторов, ухудшается теплопередача, возрастает пенообразование, он начинает вступать в реакции с деталями системы охлаждения.
Ресурс охлаждающий жидкости связан с пробегом автомобиля. Преждевременное старение наступает в том случае, если в систему охлаждения проникают отработавшие газы или регулярно попадает воздух. Поэтому необходимо своевременно обнаруживать утечки жидкости и следить за состоянием и креплением трубопроводов. Своевременно заменяйте антифриз. Сроки замены указаны в инструкции по эксплуатации вашего автомобиля.
При перегреве двигателя все манипуляции проводите после его остановки с особой осторожностью. Берегитесь ожогов. Не спешите, дайте двигателю немного остыть. Не открывайте сразу крышку расширительного бачка или пробку радиатора. Кипящий антифриз в системе находится под давлением. Даже по прошествии времени открывайте пробку или крышку, взяв в руку тряпку и повернув в сторону лицо. Сливайте антифриз только после того, как он остынет.
Уровень антифриза в системе охлаждения может понизиться при испарении из него воды или при утечках (негерметичности системы). В первом случае нужно доливать дистиллированную воду (если ее нет, то хотя бы прокипяченную), во втором — охлаждающую жидкость той же марки. Отечественные антифризы можно смешивать, если они произведены по одним техническим условиям (ТУ). Если номера ТУ различаются, то охлаждающие жидкости могут быть несовместимы. Поэтому в сомнительных случаях целесообразно использовать воду, а затем заменить всю жидкость в системе.
Механический насос (помпа) обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по полым зонам неподвижных частей двигателя (рубашке охлаждения).
Тепло, образующееся при работе двигателя, поглощается циркулирующей жидкостью, а при прохождении последней через радиатор — воздухом.
Радиатор отдает тепло воздуху, который обтекает трубки. Воздух проходит через радиатор при движении автомобиля, а также под действием электрического вентилятора или в некоторых автомобилях механического вентилятора, который приводится в движение от коленчатого вала (в последнем случае вентилятор работает постоянно, пока работает двигатель). В большинстве автомобилей, выпускаемых в настоящее время, используются электрические вентиляторы. Они включаются при достижении определенной температуры охлаждающей жидкости. В остальное время охлаждение происходит воздухом, проходящим через радиатор за счет движения транспортного средства.
При нагревании тела расширяются, то же самое происходит и с охлаждающей жидкостью. Вы, наверное, обращали внимание, как пластиковая бутыль для воды, даже пустая, разбухает в теплом помещении и сморщивается на холоде. Для предохранения от разрушения элементов системы охлаждения при нагревании жидкости использован расширительный бачок . Именно в него отводятся избыточная жидкость и пар, а с помощью клапана, которым оборудована его крышка, удаляется избыточное давление. Но это еще не все. При остывании двигателя расширительный бачок предохраняет систему от сдавливания трубок радиатора.
Вы уже знаете, что система охлаждения должна отводить избыточное (лишнее) тепло от двигателя. А вот при пуске холодного двигателя, чтобы она не мешала ему быстрее достичь оптимальной температуры, используют специальный клапан, который перекрывает доступ охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения к радиатору. Этот клапан называется термостатом.
При пуске холодного двигателя
Схема системы охлаждения двигателя:
1 – радиатор; 2 – патрубок для циркуляции охлаждающей жидкости; 3 – расширительный бачок; 4 – термостат;
5 – водяной насос; 6 – рубашка охлаждения блока цилиндров; 7 – рубашка охлаждения головки блока;
8 – радиатор отопителя с электровентилятором; 9 – кран радиатора отопителя; 10 – пробка для слива охлаждающей жидкости из блока; 11 – пробка для слива охлаждающей жидкости из радиатора; 12 – вентилятор
основной клапан термостата остается закрытым и охлаждающая жидкость не может проходить через радиатор, она циркулирует только в головке блока и самом блоке цилиндров. В результате двигатель быстро прогревается. При достижении охлаждающей жидкостью установленной температуры термостат открывает ей доступ в радиатор для охлаждения. А уж если радиатор не справляется с охлаждением жидкости до необходимой температуры, в дело вступает электровентилятор.
Отопитель салона тоже относится к системе охлаждения. Главный его элемент — радиатор.
Заметьте, не тот, основной, который расположен перед двигателем и спрятан за декоративной отделкой передней части автомобиля, а другой, меньших размеров, расположенный за двигателем. Включая отопитель, водитель открывает кран, и горячий антифриз попадает в радиатор. Так нагревается воздух, поступающий в салон автомобиля. Включать отопитель следует при прогретом двигателе. Включение отопителя при холодном двигателе лишь увеличит время прогрева последнего со всеми вытекающими последствиями (вы же знаете, что, пока двигатель не прогрелся до необходимой температуры, происходит повышенный износ его узлов и агрегатов). А вот если двигатель перегревается, то включение отопителя позволит снизить температуру охлаждающей жидкости и отвести избыток тепла от двигателя.
Как уже говорилось, перегрев весьма опасен для двигателя. Поэтому в поездке, бросая взгляд на приборный щиток, не оставляйте без внимания указатель температуры охлаждающей жидкости. К сожалению,подавляющее большинство легковых автомобилей не оборудовано сигнализатором, предупреждающим о начале повышения температуры охлаждающей жидкости свыше допустимого. Поэтому внимание и еще раз внимание, а главное, помните основные неисправности системы охлаждения.
Если температура растет, а электрический вентилятор не включается, то вот вам и причина. Правда выйти из строя могут как он сам, так и его система управления и даже сгоревший предохранитель. Если неисправность не устранена на месте, то следовать к месту ремонта придется с продолжительными остановками, охлаждая двигатель. В такой ситуации поможет включение на полную мощность отопителя.
Запомните самое главное: как только стрелка указателя температуры охлаждающей жидкости приблизится к красной зоне, тотчас останавливаемся, глушим двигатель, открываем капот и ждем.
Еще одна причина перегрева — неисправность термостата. Обычно это его банальное заклинивание в закрытом положении. В результате охлаждающая жидкость циркулирует по малому кругу, не попадая в радиатор. Вы помните, ведь это режим прогрева двигателя, после которого клапан термостата должен открыться. В том, что термостат заклинило в закрытом положении, убедимся на ощупь. Если при перегревающемся двигателе радиатор остается холодным, то все дело в термостате. Надо его менять. Однако попробуйте постучать по его корпусу. Бывает, что после этого клапан термостата открывается. Но в дальнейшем при первой возможности замените термостат. Если постукивание не помогает, то к месту ремонта вновь движемся, внимательно следя за датчиком температуры, даже в жару включив отопитель на полную мощность.
То есть мы охлаждаем двигатель не за счет основного радиатора большого размера, а за счет меньшего радиатора отопителя салона. Конечно, вам при этом придется охлаждать и салон, открыв окна.
Если до места ремонта очень далеко, то можно снять термостат (предварительно слив антифриз), пробить в нем внутри сквозное отверстие и поставить на место. В этом случае жидкость в системе будет циркулировать только по большому кругу и проходить через радиатор. Но это, как говорится, для продвинутых пользователей. Думаю, что со временем и Вы станете продвинутым пользователем автомобиля, просто регулярно совершенствуйтесь и практикуйтесь.
