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.
Важно.
Каждый из рабочих процессов происходит в течение одного хода поршня и называется тактом.
Все 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.
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.
Важно.
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.
Пока совершается первый такт работы двигателя, коленвал проворачивается на пол-оборота.
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.
