Як працює двигун внутрішнього згоряння: пояснення чотиритактного циклу
Відкрийте капот. Уважно розгляньте клубок із металу, пластику та гуми. Це схоже на набір для розмінування бомб, розроблений хаотичним художником. Якщо ви купуєте автомобіль і чуєте такі терміни, як “2,5-літровий рядний чотирициліндровий” або “турбований старт-стоп”, ви, ймовірно, не зовсім розумієте, що це означає для вашої повсякденної їзди.
Цікавість убила кішку. Але знання пристрою двигуна допомагає йому жити.
У своїй основі бензиновий двигун виконує одне завдання: перетворює хімічну енергію на механічний рух. Він спалює паливо усередині герметичної камери. Саме тому він називається двигуном внутрішнього згоряння. Горіння відбувається усередині.
Є інші пристрої. Дизельні двигуни. Газові турбіни Але у всіх них одна й та сама основна мета. Існують також двигуни зовнішнього згоряння – парові двигуни, які тягли потяги. Вугілля згоряє поза циліндром, утворюючи пару. Пара штовхає поршні. Двигуни внутрішнього згоряння виграють за рахунок ефективності та компактності. Вони менші. Вони щільніші. Вони працюють інтенсивніше.
Давайте розберемо “серцебиття” вашого автомобіля.
Чотирьохтактний цикл
Майже кожен бензиновий автомобіль використовує чотиритактний цикл згоряння. Він також відомий як цикл Отто, названий на честь Ніколауса Отто, який закріпив цю концепцію у 1867 році.
Принцип дії жорстоко простий. Візьміть високоенергетичне паливо. Помістіть його у невеликий замкнутий простір. Підпаліть. В результаті вибуху виділяється величезна енергія у вигляді газу, що розширюється. Використовуйте цей вибух сотні разів на хвилину. Отримайте рух.
Цикл складається із чотирьох різних етапів. Впуск. Стиснення. Згоряння. Випуск.
- Такт впускання: Поршень починає рух зверху. Відкривається впускний клапан. Поршень рухається вниз. Він засмоктує суміш повітря та дрібного струменя бензину. Палива потрібно небагато. Лише достатньо для згоряння.
- Такт стиснення: Поршень рухається назад. Він стискає цю повітряно-паливну суміш. Стиснення суміші робить наступний вибух значно потужнішим.
- Такт згоряння: У верхній точці ходу свічки запалювання спрацьовують. Крихітна електрична дуга спалахує стислу суміш. Бензин вибухає. Гази, що розширюються, з силою штовхають поршень вниз.
- Такт випуску: Поршень досягає нижньої точки. Відкривається випускний клапан. Гази, що згоріли, виштовхуються з циліндра і виходять через вихлопну трубу.
Цикл скидається. Двигун захоплює нову порцію повітря та газу.
Цей лінійний зворотно-поступальний рух поршнів необхідно перетворити на обертальний рух. Ваші колеса не обертаються вгору та вниз. Вони обертаються довкола своєї осі. Колінчастий вал виконує це перетворення. З’єднаний з поршнями через шатунні механізми, колінчастий вал приймає прямолінійну силу і перетворює її на обертання.
Колінчастий вал – це міст між хаотичним лінійним рухом поршня та впорядкованим обертанням колеса.
Але це не лише поршні та шатуни. Вам потрібен блок, щоб утримати усі разом. Головка блоку циліндрів для герметизації камер згоряння. Клапани для подачі повітря та випуску вихлопних газів. Система керування паливом.
Тепер ми розглянемо основні частини двигуна. Зокрема, циліндри, в яких відбувається це насильство.
Магія відбувається між поршнем та стінкою циліндра. Саме тут енергія згоряння перетворюється на рух. Все досить просто. Більшість газонокосарок обходяться одним циліндром. Автомобілім? Їм потрібно більше потужності. Чотири. Шість. Вісім. А в деяких екзотичних нішах ринку навіть дванадцять. Але об’єднання кількох циліндрів — це не просто їхнє випадкове складання. Це питання геометрії.
Рядні двигуни: перемога простоти
Візьмемо той рядний чотирициліндровий двигун, про який ми згадували раніше. Усі чотири циліндри розташовані в одну пряму лінію. Один за одним. Це чисто. Ефективно. Дешево у виробництві, оскільки блок відливається за одну операцію. Виробничі процеси люблять такі рішення. Запчастини стандартизовані. Технічне обслуговування просте. Якщо ви відкриєте капот компактного седана або спортивного хетчбека, швидше за все ви побачите рядну «четвірку». Вони добре вписуються в поперечне компонування, де простір перед передньою частиною автомобіля обмежений.
Але вони довгі. Високі двигуни можуть підвищувати центр ваги, що не є ідеальним для керованості. На високих оборотах порядок займання може відчуватися трохи менш плавним проти більш збалансованими конфігураціями. Тим не менш, для повсякденної їзди та паливної ефективності рядна «четвірка» є робочим конем. Ви не помилитеся, обравши її.
V-подібні двигуни: компактна потужність
Тепер перейдемо до V-подібної конфігурації. Два ряди циліндрів, розведених під кутом друг від друга. Зазвичай це 60 чи 90 градусів, хоча є й інші кути. Таке компонування зменшує габарити двигуна по довжині. Він коротший, ніж рядна «шістка». Має нижчий профіль. Це полегшує встановлення великих автомобілів або спортивних машин, де простір в моторному відсіку є дефіцитним ресурсом.
V-6 повсюдно зустрічаються в середньорозмірних позашляховиках та седанах. V-8, як і раніше, домінують у сегменті потужних автомобілів. Вони забезпечують той глибокий звук, що гарчить, до якого прагнуть ентузіасти. І вони працюють плавніше, ніж рядні “шістки” на високих оборотах завдяки тому, що зустрічні поршні гасять частину вібрацій. Але є й зворотний бік. Складність. Більше деталей. Більше випускних колекторів, які потрібно укладати довкола двигуна. Вищі витрати на виробництво. А охолодження може бути утруднене через вузький «колодязь» між рядами циліндрів.
Опозитні (плоські) двигуни: низькі та широкі
Потім є рядний чотирициліндровий опозитний двигун. Рядна шістка оппозитна. Горизонтально опозитні поршні рухаються один від одного, як боксери у рингу. Звідси і прізвисько. Porsche використовує їх. Subaru покладається на них. Чому? Тому що опозитне компонування значно знижує центр тяжіння. Найкращий розподіл ваги. Менше кренів кузова у поворотах. Двигун розташований низько в шасі. Це перевага в керованості, з якою рядним та V-подібним двигунам складно конкурувати.
Опозитні двигуни вібрують менше, ніж рядні “четвірки”. Зустрічні поршні звичайно балансують один одного. Немає потреби у складних противагах. Але вони широкі. Дуже широкі. Це робить установку в поперечне компонування практично неможливою. Потрібна поздовжня установка. Потрібно більше простору. І доступ до технічного обслуговування може стати кошмаром. Витоку олії із заднього сальника колінчастого валу – часта скарга. Тим не менш, для водіїв, які ставлять в основу керованість і зворотний зв’язок від автомобіля, опозитний двигун важко перевершити.
Яке компонування підходить саме вам?
Все зводиться до пріоритетів. Бажаєте дешевого ремонту та зручного компонування? Вибирайте рядний двигун. Потрібна велика потужність у компактному виконанні? V-подібний двигун. Бажаєте кращої динаміки керованості і не боїтеся широкого моторного відсіку? Опозитний двигун. Ідеальної відповіді не існує. Просто
Свічка запалювання та фази газорозподілу
Згоряння не відбувається випадково. Свічка запалювання служить джерелом займання, створюючи іскру, яка підпалює паливно-повітряну суміш. Тут вирішальне значення має момент запалення. Якщо іскра виникає надто рано чи надто пізно, ефективність різко падає.
Клапани відіграють не менш важливу роль. Впускні та випускні клапани відкриваються та закриваються у суворій послідовності. Вони пропускають суміш усередину і випускають гази, що відпрацювали. Вкрай важливо, щоб обидва клапани залишалися герметично закритими під час тактів стиснення та робочого ходу. Якщо камера негерметична, ви втрачаєте тиск. Ви втрачаєте потужність.
Динаміка поршня та несправності кілець
Сам поршень є простим металевим циліндром, що переміщається вгору і вниз усередині циліндра. Але справжня магія — і найчастіша причина проблем з обслуговуванням — у поршневих кільцях.
Ці кільця створюють ковзне ущільнення між зовнішньою поверхнею поршня та стінкою циліндра. Вони мають дві беззастережні завдання:
- Забезпечити герметичність камери згоряння, щоб паливно-повітряна суміш і гази, що відпрацювали, не просочувалися повз поршня в картер.
- Запобігти потраплянню моторної олії з картера вгору до камери згоряння.
Коли кільця зношуються, порушується ущільнення. Саме тому старі автомобілі часто починають споживати олію. Якщо вам доводиться доливати кварту олії кожні 1000 миль, ваші кільця, швидше за все, стали непридатними, дозволяючи маслу згоряти в камері. Сучасні матеріали значно збільшили термін служби кілець, завдяки чому сучасні двигуни можуть обходитися між замінами олії довше і загалом служать довше.
Шатун і колінчастий вал
Шатун з’єднує поршень з колінчастим валом. Він має обертатися обох кінцях. Чому? Тому що поршень рухається прямою лінією, а колінчастий вал обертається. Шатун змінює кут, щоб компенсувати цей рух, перетворюючи лінійну енергію на обертальний момент.
Цей момент передається на колінчастий вал. Він перетворює зворотно-поступальний рух поршня в обертальний. Уявіть собі ручку-кривошип на іграшці «Людина-лялечка». Ви натискаєте вниз, вал повертається. Це простий механічний принцип, але є серцем виведення потужності двигуна.
Картер та управління маслом
Навколо колінчастого валу знаходиться картер (піддон олії). Цей резервуар містить масло, що змащує, яке циркулює по двигуну. Гравітація стікає масло на дно картера, звідки масляний насос захоплює його і подає назад до підшипників, поршнів та клапанів.
Без цього резервуара тертя зруйнувало б двигун за лічені хвилини. Картер утримує деталі, що рухаються в масляній плівці, знижуючи знос і відводячи тепло.
Проблеми двигуна
Ви повертаєте ключ. Стартер дзижчить. Двигун прокручується. Але він не схоплює.
Це класичний сценарій “крутить, але не заводиться”. Це, безперечно, викликає роздратування. Але це також логічно. Ви знаєте основи внутрішнього згоряння. Тепер потрібно просто відфільтрувати зайве.
Для запуску двигуна є три фундаментальні вимоги. Якщо хоча б одне з них не виконується, вам доведеться штовхати машину.
- Правильна паливна суміш.
- Правильна компресія.
- Сильна іскра.
Решта вдруге. Тисячі дрібних несправностей можуть призвести до того, що двигун не запуститься, але ці три фактори є головними. Ігноруйте їх на свій страх та ризик.
Проблема з паливною сумішшю
Вашому двигуну потрібне паливо та повітря у правильній пропорції. Надто бідна, занадто багата суміш або повна відсутність суміші призводять до припинення горіння.
Розглянемо очевидне насамперед: можливо, у вас просто закінчилося паливо. Двигун засмоктує повітря, але без палива нема чого спалювати.
Але що якщо паливо є?
Забитий фільтр повітря може позбавити двигун кисню. Паливо надходить, але повітря недостатньо. Суміш стає надто багатою. Свічки запалювання забруднюються. Двигун задихається.
І навпаки, несправна паливна система може подавати занадто багато палива. Сучасні двигуни використовують датчики для регулювання цього процесу, але старі карбюраторні системи? Вони примхливі. Якщо поплавець застряг або забиті форсунки, суміш порушена.
Потім є забруднення. Вода в бензобаку згубна. Вона не горить. Вона осідає на дні. Якщо паливний насос засмоктує цей бруд, двигун чхає і глухне. Домішки повністю порушують хімічну реакцію.
Компресія: друк життя
Компресія робить вибух сильним. Якщо повітря і паливо не можуть бути щільно стиснуті, результат вибуху буде слабким. Або його зовсім не буде.
Відсутність компресії зазвичай свідчить про витік. Де?
Зношені поршневі кільця. Ці кільця герметизують зазор між поршнем і стінкою циліндра. Коли вони зношуються, повітряно-паливна суміш просочується повз поршня під час такту стиснення. Ви втрачаєте тиск. Ви втрачаєте потужність.
** клапани, що не щільно закриваються.** Впускні та випускні клапани повинні закриватися щільно. Якщо сідла клапанів прогоріли або погнуті штоки, гази витікають у вихлопну систему або впускний колектор замість того, щоб залишатися в циліндрі.
Прогоріла прокладка головки блоку циліндрів. Це найбільш поширена структурна несправність, що призводить до втрати компресії. Головка блоку циліндрів прикручується до блоку двигуна. Між ними знаходиться тонка прокладка, призначена для створення ідеальної герметичності.
Коли ця прокладка виходить із ладу, вона руйнується. Утворюються невеликі отвори. Герметичність порушується. Компресія витікає у систему охолодження чи масляні канали. Двигун не запускається, бо тиск ніколи не набирається.
Іскра: тригер запалювання
Без іскри паливо – це просто рідина. Вам потрібна свічка запалювання, щоб підпалити його.
Якщо іскра слабка, паливо може не спалахнути. Це часто відбувається, коли сама свічка запалення зношена. Електроди згодом стираються. Зазор збільшується. Іскрі важко перестрибнути.
Або провід обірваний.
Якщо високовольтний провід, що веде до свічки, обірваний або відсутній, струм не може досягти свічки. Нема іскри.
Але річ не тільки в наявності. Справа у моменті запалення.
Кут випередження запалювання визначає, коли відбувається іскра щодо положення поршня. Якщо іскра виникає зарано, вона бореться з поршнем, що рухається вгору. Якщо вона виникає запізно, поршень вже рухається вниз. Паливо спалахує, але вибух ефективно не штовхає поршень. В обох випадках двигун не запускається або працює погано.
Інші критичні несправності
Крім трьох основних чинників, інші системні несправності можуть миттєво зупинити двигун.
Сілий акумулятор. Просто. Немає харчування – немає стартера. Немає стартера – немає прокручування.
Зношені підшипники. Колінчастий вал обертається на підшипниках. Якщо вони зношені або закисли, колінчастий вал не може повернутися. Двигун заклинює.
Проблеми з фазами газорозподілу. Якщо розподільний вал виходить з ладу або обривається ремінь ГРМ, клапани не відкриваються і закриваються синхронно з поршнями. Повітря не може потрапити усередину. Вихлопні гази не можуть вийти. Двигун задихається.
Брак масла. Якщо ви вичерпаєте запас олії, ви втратите мастило. Тертя різко зростає. Температура збільшується. Поршні заклинюють у стінках циліндрів. Двигун зупиняється назавжди.
Досконалість не потрібна
Двигуну, що працює, не потрібно бути ідеальним. Йому просто потрібно функціонувати в межах припустимих допусків.
Ви помітите коли щось не так. Нестабільні неодружені оберти. Важкий запуск. Втрата потужності. Це симптоми.
Але коли двигун взагалі не запускається, ви маєте справу із серйозною несправністю. Одна з фундаментальних систем вийшла з ладу.
Ми розглянули чому. Наступний крок – подивитися на як. А саме, на підсистеми, які керують цими відмовами.
Клапанний механізм двигуна та системи запалення
Більшість сучасних силових установок спираються на певну архітектуру для управління потоком повітря, і вибір технології у цій галузі визначає, скільки потужності ви отримаєте з кожної краплі палива. Система з розподіленим розташуванням розподільчих валів (Overhead Cam, OHC) є стандартом не просто так.
Де розташований розподільчий вал, має значення
Завдання механізму газорозподілу просте: відкривати клапани, закривати клапани. Повторювати. Механізм, що приводить це в дію, – це розподільний вал (camshaft), вал з кулачками, які піднімають і опускають клапани. Цей механічний процес показаний на малюнку 5.
Сучасні двигуни майже виключно використовують розподілені розподільні вали. Це розміщує розподільний вал безпосередньо над клапанами. Кулачки впливають на клапани або безпосередньо, або через дуже коротку штангу, що штовхає. Така конструкція знижує інерцію і дозволяє двигуну розвивати вищі оберти без «паріння» клапанів.
У старих конструкціях розподільний вал розташовувався в масляному піддоні, поруч із колінчастим валом. Для передачі сигналу нагору був потрібний довгий ланцюжок штовхачів і штанг. Це працювало. Працює і в деяких дешевих чи ретро-машинах. Але конструкція з розташуванням валів зверху легша та ефективніша.
Дотримання синхронізації
Колінчастий вал здійснює два обороти за кожен оборот розподільчого валу. Це співвідношення 2:1 є непорушним. Якщо поршні знаходяться у верхній мертвій точці, а клапани відкриті, двигун вибухає. Щоб запобігти цьому, ремінь ГРМ або ланцюг ГРМ пов’язує обидва вали.
Цей зв’язок забезпечує відкриття та закриття клапанів у точну мілісекунду, коли поршні готові до цього.
Навіщо потрібні два розподільні вали зверху?
Високопродуктивні двигуни хочуть не просто більше за повітря; вони хочуть більше потоку. Один клапан на канал є вузьким місцем. Сучасні двигуни з високою віддачею використовують чотири клапани на циліндр: два для впуску, два для випуску.
Неможливо ефективно керувати чотирма незалежними клапанами за допомогою одного розподільчого валу. Тому інженери використовують два розподільні вали на ряд циліндрів. Один вал керує впускними клапанами. Інший – випускними. Звідси і походить термін подвійний розподільний вал (Dual Overhead Cams, або DOHC).
Це не просто маркетинг. Це фізика. Більше клапанів означає найкраще «дихання». Найкраще «дихання» означає більше потужності. А більше потужності потребує складнішого механізму газорозподілу. Конструкція з розподіленими валами робить цю складність керованою.
Як система запалювання підпалює суміш у циліндрах
Система запалювання (рисунок 6) не просто включає автомобіль. Вона генерує електричний заряд високої напруги та спрямовує його до свічок запалювання. По дорозі заряд проходить через високовольтні дроти.
Спочатку цей заряд потрапляє до розподільника. У більшості автомобілів він розташований під капотом. Це центральний вузол: один провід входить у центр, а чотири, шість чи вісім проводів розходяться від нього. Кількість залежить від кількості циліндрів вашого двигуна.
Ці високовольтні дроти доставляють заряд до кожної свічки запалювання. Таймінг суворо вивірено. У кожний момент часу іскра виникає лише в одному циліндрі. Така послідовна робота забезпечує плавну роботу двигуна. Без ривків. Лише ритм.
Далі ми розглянемо, як ваш автомобіль запускається, охолоджується та циркулює повітря.
Системи охолодження двигуна, впуску повітря та запуску
Механіка охолодження та забору повітря
Більшість сучасних автомобілів покладаються на систему охолодження з рідинним контуром, щоб двигун не перегрівся. Радіатор та водяний насос виконують тут основну роботу. Охолоджуюча рідина циркулює каналами, просвердленим навколо циліндрів, поглинає тепло, а потім скидає його в радіатор перед тим, як повернутися назад. Це замкнутий цикл.
Але не всі двигуни працюють за цими правилами. Повітряне охолодження зустрічається у старих машинах, таких як Volkswagen Beetle до 1999 року, а також у більшості мотоциклів та газонокосарок. Їх можна одразу впізнати. Подивіться на зовнішній бік циліндрів. Якщо ви бачите ребра, значить повітряне охолодження. Ребра збільшують площу поверхні для розсіювання тепла в потоці повітря. Така конструкція робить двигун легшим. Але вона також змушує його працювати за більш високих температур. А більш висока температура зазвичай означає менший термін служби та зниження продуктивності. Це компроміс.
Тепер, коли ми розібралися, як тепло йде, поговоримо про те, що надходить усередину. Циркуляція повітря – це не просто фоновий процес. Це паливо для вогню.
Більшість вуличних автомобілів мають атмосферний двигун. Це складний спосіб сказати, що двигун дихає природно. Повітря проходить через фільтр і потрапляє безпосередньо в циліндри. Просто. Ефективно. Але якщо ви хочете більше потужності, вам потрібно більше повітря.
Саме тут турбонаддув змінює правила гри. Двигуни високої продуктивності та сучасні ефективні двигуни або турбовані, або з нагнітачем. Замість природного потоку повітря ці системи утворюють тиск у вхідному повітрі. Більш високий тиск дозволяє запакувати більше повітря та палива в кожен циліндр під час такту впуску. Цей тиск називається “наддувом”.
Як ви створюєте цей наддув? Два різні механічні методи.
Турбокомпресор використовує відпрацьовану енергію. Він знаходиться у вашій вихлопній трубі. Гарячі вихлопні гази обертають турбіну. Ця турбіна з’єднана валом із компресорним колесом у впускному тракті. Це ефективно. Він переробляє енергію, яка інакше просто зникла б через вихлопну трубу. Нагнітач, з іншого боку, приводиться в дію механічно. Він кріпиться безпосередньо до двигуна, зазвичай через ремінь чи шестерні, і обертає компресор незалежно від потоку вихлопних газів.
Оскільки турбокомпресор по суті витягує тепло та тиск із вихлопу, він вивільняє потужність від двигунів меншого об’єму. Подумайте про маленький чотирициліндровий двигун. Додайте турбіну, і він може видати кількість кінських сил, зазвичай зарезервована для більшого шестициліндрового двигуна. Ключовий момент? Ви отримуєте на 10–30 відсотків кращу економіку палива. Ви отримуєте більше роботи від меншої кількості палива.
Глибоке занурення в систему запуску
Підвищення продуктивності – це одне. Змусити двигун рухатися від початку — це інше. Що відбувається, коли ви повертаєте ключ?
Система запуску має два основні компоненти: електричний стартер та стартерне реле. Це груба силова операція. Стартер повинен фізично провернути двигун кілька обертів. Чому? Тому що згоряння не почнеться, доки поршні рухаються. Двигуну потрібен імпульс, щоб завершити такти впуску, стиснення, робочого ходу та випуску.
Прокручування холодного двигуна – важка робота. Стартер має подолати значний опір.
- Внутрішнє тертя : Поршневі кільця, що труться об стінки циліндрів, створюють опір.
- Тиск стиснення : Якщо поршень знаходиться близько до верхньої мертвої точки, стиснена паливоповітряна суміш тисне на нього назад.
- Енергія газорозподільного механізму : Розподільний вал повинен відкривати та закривати клапани. Для цього потрібне зусилля.
- Навантаження від допоміжних агрегатів : Все, що прикріплено до двигуна, тягне його вниз. Водяний насос, масляний насос та генератор усі прикріплені. Стартер повинен крутити і їх теж.
Цей опір потребує величезного струму. Автомобільні електричні системи працюють при напрузі 12 вольт. Щоб провернути важкий маховик, стартер споживає сотні амперів. Ви не можете отримати такий струм через стандартний вимикач запалювання, не розплавивши контакти. Ось чому нам потрібне стартерне реле.
Уявіть собі реле як високонавантажений електронний перемикач. Коли ви повертаєте ключ, ви подаєте невеликий сигнал на реле. Воно замикає ланцюг із високим струмом, дозволяючи повній потужності батареї ринути в стартер. Клацніть. Гудіння. Двигун провертається.
Що далі
Ми розглянули, як двигун залишається холодним, як дихає і як запускається. Але двигун – це машина, яка споживає ресурси та створює відходи. Йому потрібна олія, щоб вижити. Йому потрібне паливо, щоб згоряти. І йому потрібний спосіб викидати продукти згоряння, не душа себе.
Далі ми розберемо підсистеми, які відповідають за мастило, подачу палива, управління вихлопом та
Ви заправляєте бак. Ви перевіряєте рівень олії. Але як саме бензин перетворюється на обертання коліс? Все починається з паливної системи.
Ваш двигун спалює не просто рідину. Він спалює туман. Паливна система перекачує бензин із бака та змішує його з повітрям. Мета – досягти точного співвідношення повітря та палива. Ця суміш надходить у циліндри. Без правильної пропорції ви не отримаєте потужності. Або що гірше, пошкодіть двигун.
У сучасних автомобілях використовуються два основних методи подачі палива: розподілене упорскування (port fuel injection) і пряме впорскування (direct fuel injection).
При розподіленому упорскуванні паливо розпорошується прямо над впускним клапаном. Воно поєднується з повітрям перед надходженням у циліндр. Пряме впорскування – більш агресивний процес. Паливо подається безпосередньо до камери згоряння. Високий тиск дозволяє створювати дрібніше розпилення. Це призводить до кращої ефективності.
У старих автомобілях використовувалися карбюратори. Вони механічно змішували паливо та повітря у міру надходження повітря. Вони були простими. Але їм не вистачало точності. Сучасне упорскування управляється комп’ютером. Він коригує параметри кожної мілісекунди.
Змащення забезпечує рух
Бензин створює потужність. Олія запобігає тертю.
Система мастила – це життєва сила двигуна. Вона покриває частини, що рухаються. Без неї метал труться об метал. Температура різко зростає. Деталі заклинює.
Дві області вимагають найбільшої уваги. Поршні та підшипники. Поршні ковзають вгору і вниз у циліндрах. Їм потрібна гладка поверхня. Підшипники дозволяють колінчастому та розподільчим валам обертатися. Вони витримують величезні навантаження.
Ось як працює цикл.
- Олія знаходиться в піддоні картера (сумі) внизу.
- Масляний насос засмоктує його.
- Воно проходить через масляний фільтр. Пісок та металеві стружки затримуються.
- Високий тиск проштовхує олію через масляні канали.
- Воно розпорошується на підшипники та стінки циліндрів.
- Гравітація повертає його назад у піддон.
Цей цикл повторюється тисячі разів на хвилину. Якщо насос вийде з експлуатації, двигун зупиниться. Якщо фільтр заб’ється, тиск упаде. Перевіряйте рівень олії. Завжди.
Приборкання шуму та вихлопних газів
Ви залили паливо. Ви змастили частини, що рухаються. Наразі відбуваються вибухи.
Ці вибухи утворюють тиск. Вони створюють шум. Тисячі дрібних детонацій за хвилину. Без випускної системи ви чули б кожну з них. Це було б приголомшливо.
Випускна система вловлює ці гази. Вона відводить їх назад. Глушник тут відіграє ключову роль. Він пом’якшує звук. Він перетворює постріл на гул.
Але дим — це шум. Це — відходи.
На сцену виходить система контролю викидів. Сучасні автомобілі – це складні лабораторії. Вони контролюють кожен видих вихлопних газів.
Серцем цієї системи є “каталітичний нейтралізатор”. Він використовує каталізатори та кисень. Він спалює паливо, що не згоріло. Він розкладає шкідливі хімічні речовини. Він перетворює забруднювачі на менш шкідливі гази.
Кисневі датчики контролюють потік вихлопних газів. Вони повідомляють комп’ютеру, скільки кисню є. Комп’ютер реально коригує паливну суміш. Це забезпечує ефективну роботу каталізатора. Менше відходів. Чистіше повітря.
Електричний каркас
Бензин надає руху поршні. Електрика живить все інше.
У вашому автомобілі є акумулятор. Він забезпечує 12-вольтову постійну напругу. Він запускає двигун. Він живить радіо, фари, вікна та комп’ютери. Але акумулятор – це не генератор. Це пристрій зберігання енергії.
Його потрібно перезаряджати.
Для цього служить генератор.
Пов’язаний з ременем двигун, генератор обертається. Він виробляє електрику. Він відправляє цю енергію назад у акумулятор. Він також живить електричні навантаження під час роботи двигуна.
Якщо ремінь порветься, генератор зупиниться. Акумулятор розрядиться. Двигун затихне. Ви залишитеся на узбіччі.
Виробництво більшої потужності двигуна
Ви знаєте як працює штатний двигун. Паливо, повітря, олія, вихлоп, електрика. Це збалансована екосистема. Але ентузіасти рідко задовольняються заводськими налаштуваннями.
Вони хочуть більше потужності.
Як її одержати? Ви порушуєте баланс. Або, точніше, оптимізує його.
Існує три основні способи збільшення кінських сил і моменту, що крутить.
- Збільшення потоку повітря : Більше повітря означає більше кисню. Більше кисню дозволяє спалювати більше палива. Великі впускні колектори. Повітряні фільтри з високою пропускною здатністю Менше за опір.
- Збільшення подачі палива : Ви не можете додати повітря, не додавши палива. Найбільші форсунки. Насоси високого тиску Налаштування ЕБУ для підтримки
Механіка кінських сил: як насправді працюють двигуни
Ви починаєте розуміти, що існує не один спосіб отримати більше потужності від двигуна. Автомобільні виробники постійно змінюють різні параметри, щоби підвищити продуктивність або поліпшити паливну економічність.
Збільшення робочого об’єму. Великий робочий об’єм означає велику потужність, тому що за кожен обіг спалюється більше палива. Цього можна досягти, збільшивши розмір циліндрів або додавши більше циліндрів. Дванадцять циліндрів зазвичай вважається практичною межею.
Збільшення ступеня стиснення. Більш високий ступінь стиснення дає більше потужності, але тільки до певної межі. Чим сильніше ви стискаєте повітряно-паливну суміш, тим вище ймовірність того, що вона спалахне ще до того, як спрацює свічка запалювання. Бензин з більш високим октановим числом запобігає цьому передчасному згорянню. Саме тому автомобілям з високою продуктивністю потрібне паливо преміум-класу – їх двигуни використовують більш високий ступінь стиснення для отримання більшої потужності.
Заповнення кожного циліндра великою кількістю суміші. Якщо ви можете впхнути більше повітря (і, отже, палива) в циліндр заданого розміру, ви отримуєте більше потужності, не збільшуючи витрати палива, необхідного для згоряння. Турбокомпресори та нагнітачі (суперчарджери) створюють тиск вхідного повітря, ефективно змушуючи його потрапляти в циліндр у більшій кількості.
Охолодження вхідного повітря. Стиснення повітря підвищує його температуру. Вам потрібне максимально холодне повітря у циліндрі, тому що гаряче повітря розширюється менше під час згоряння. Багато автомобілів з турбокомпресорами і нагнітачами використовують інтеркулер. Це спеціальний радіатор, через який проходить стиснене повітря, щоб охолонути перед надходженням у циліндр.
Забезпечити легкий доступ повітря. Коли поршень рухається вниз на такті впуску, опір повітря відбирає потужність. Це можна зменшити, встановивши по два впускні клапани в кожному циліндрі. У деяких нових автомобілях використовуються поліровані впускні колектори для усунення опору там. Більші повітряні фільтри також покращують потік повітря.
Забезпечити легкий вихід вихлопних газів. Якщо опір повітря ускладнює вихід вихлопних газів із циліндра, це відбирає потужність. Опір знижується, коли додається другий випускний клапан. Автомобіль з двома впускними та двома випускними клапанами має чотири клапани на циліндр, що покращує продуктивність. Коли в рекламі автомобіля говориться, що у нього чотири циліндри та 16 клапанів, це означає чотири клапани на циліндр.
Якщо вихлопна труба занадто мала або глушник має високий опір, це викликає протитиск, який має той самий ефект. Випускні системи для автомобілів із високою продуктивністю використовують колектори, великі вихлопні труби та глушники з низьким опором потоку для усунення протитиску. Подвійний вихлоп означає дві труби замість однієї для поліпшення потоку.
Зробити всі деталі легше. Легкі деталі допомагають двигуну працювати краще. Щоразу, коли поршень змінює напрямок руху, він витрачає енергію на зупинку одного руху і початок іншого. Більш легкі поршні потребують менше енергії. Це призводить до кращої паливної економічності та продуктивності.
Уприскування палива. Уприскування палива дозволяє точно дозувати паливо для кожного циліндра. Це покращує продуктивність та паливну економічність.
У наступних розділах ми відповімо деякі поширені питання про двигуни, задані читачами.
Питання та відповіді про двигуни
У чому різниця між бензиновим та дизельним двигуном?
У дизельному двигуні немає свічки запалювання. Дизельне паливо впорскується в циліндр, і тепло і тиск такту стиснення змушують паливо спалахнути. Дизельне паливо має більшу енергоємність, ніж бензин, тому дизельний двигун забезпечує кращий пробіг на одному літрі палива.
У чому різниця між двотактним та чотиритактним двигуном?
Більшість бензопил та човнових моторів використовують двотактні двигуни. У двотактному двигуні немає клапанів, що рухаються, і свічка запалювання спрацьовує кожен раз, коли поршень досягає верху свого ходу. Отвір у нижній частині стінки циліндра впускає газ та повітря. Коли поршень рухається нагору, суміш стискається, свічка запалювання підпалює суміш, а вихлопні гази виходять через інший отвір у циліндрі. У двотактному двигуні необхідно додавати масло бензин, тому що отвори в стінці циліндра не дозволяють використовувати поршневі кільця для герметизації камери згоряння. Як правило, двотактний двигун видає багато потужності щодо своїх розмірів, тому що за один оборот відбувається вдвічі більше циклів згоряння. Однак двотактний двигун споживає більше бензину і спалює багато олії, тому він набагато більше забруднює довкілля.
Чи є якісь переваги у парових двигунів?
Головна перевага парового двигуна полягає в тому, що як паливо можна використовувати все, що горить. Наприклад, паровий двигун може використовувати вугілля, газети або деревину як паливо, тоді як двигун внутрішнього згоряння потрібне чисте високоякісне рідке або газоподібне паливо.
Навіщо у двигуні вісім циліндрів? Чому б не зробити один великий циліндр із таким самим робочим об’ємом?
Є кілька причин, через які великий двигун об’ємом 4,0 літра має вісім циліндрів по півлітра, а не один великий циліндр об’ємом 4 літри. Головна причина – плавність роботи. Двигун V8 працює набагато плавніше, тому що в ньому відбувається вісім рівномірно розподілених вибухів замість одного великого вибуху. Інша причина – пусковий крутний момент. Коли ви запускаєте двигун V8, ви стискаєте суміш лише у двох циліндрах (1 літр), але з одним великим циліндром вам довелося б стискати 4 літри.
Зустрічне розташування проти V-подібного
Кількість циліндрів визначає характер двигуна. У кожному циліндрі знаходиться поршень. Ці поршні обертають колінчастий вал. Більше поршнів, що гойдаються з більшою частотою, означає більше актів згоряння за секунду. Потужність генерується швидше. Це є базова фізика.
Чотирьохциліндрові двигуни зазвичай розташовуються в одну лінію. Рядні. Прості. Шестилітрові двигуни часто розташовуються у формі “V”. Така компактна форма дозволяє створювати коротші блоки. Американські автовиробники любили двигуни V6. Вони були сильними. Вони були тихі. Але ринок змінився. Турбонаддув змінив правила гри
Зрушення в американському сприйнятті
Історія тут має значення. Споживачі раніше відкидали чотирициліндрові двигуни. Вони вважали ці двигуни повільними. Слабкими. незбалансованими. Без достатнього прискорення. Потім з’явилися японські імпортні автомобілі. Honda та Toyota почали встановлювати економічні чотирициліндрові двигуни у 1980-х та 1990-х роках. Американці прокинулися. Toyota Camry продавалася краще за американські аналоги. Компактний двигун заслужив на повагу.
Сучасні інженерні рішення
Сьогодні чотирициліндровий двигун може імітувати продуктивність V6. Подивіться на EcoBoost від Ford. Вони використовують турбонаддув для подачі більшої кількості повітря у двигун із меншим робочим об’ємом. Mazda використовує технологію SKYACTIV для аеродинаміки та ефективності. Найменше навантаження на двигун. Найкраща продуктивність. Також допомагають легші матеріали. Різниця між двома типами двигунів скорочується.
Коли вам все ще потрібний V6
Різниця зменшилась. Але двигуни V6 досі мають свої завдання. Вони не лише для спортивних автомобілів. Вантажівкам вони потрібні. Якщо ви буксируєте причіп або перевозите важкі вантажі, вам потрібен момент, що крутить. Вам потрібна сира потужність. У таких сценаріях ефективність відходить другого план. Турбований чотирициліндровий двигун може мати труднощі з постійним навантаженням. V6 справляється.
Як насправді працюють двигуни
Люди часто питають про базові речі. Що всередині цієї металевої скриньки?
Основні компоненти
Серцем двигуна є циліндр. Поршень рухається вгору та вниз усередині нього. Ключові деталі включають:
– Свічки запалювання
– Клапани
– Поршневі кільця
– Шатун
– Колінчастий вал
– Масляний піддон
Чотиритактний цикл
Багато бензинові двигуни використовують чотиритактний цикл згоряння. Він перетворює паливо у рух.
1. Такт впуску
2. Такт стиснення
3. Такт робочого ходу (згоряння)
4. Такт випуску
Чому двигун не запускається?
Якщо ваш автомобіль не запускається, перевірте “велику трійку”.
1. Погана паливна суміш
2. Відсутність компресії
3. Відсутність іскри
Сотні дрібних проблем можуть спричинити несправності. Але ці три є фундаментальними.
