Откройте капот. Внимательно рассмотрите клубок из металла, пластика и резины. Это похоже на набор для разминирования бомбы, разработанный хаотичным художником. Если вы покупаете автомобиль и слышите такие термины, как «2,5-литровый рядный четырехцилиндровый» или «турбированный старт-стоп», вы, вероятно, не совсем понимаете, что это означает для вашей повседневной езды.
Любопытство убило кошку. Но знание устройства двигателя помогает ему жить.
В своей основе бензиновый двигатель выполняет одну задачу: превращает химическую энергию в механическое движение. Он сжигает топливо внутри герметичной камеры. Именно поэтому он называется двигателем внутреннего сгорания. Горение происходит внутри.
Есть и другие устройства. Дизельные двигатели. Газовые турбины. Но у всех них одна и та же основная цель. Существуют также двигатели внешнего сгорания — паровые двигатели, которые тянули поезда. Уголь сгорает вне цилиндра, создавая пар. Пар толкает поршни. Двигатели внутреннего сгорания выигрывают за счет эффективности и компактности. Они меньше. Они плотнее. Они работают интенсивнее.
Давайте разберем «сердцебиение» вашего автомобиля.
Четырехтактный цикл
Почти каждый бензиновый автомобиль использует четырехтактный цикл сгорания. Он также известен как цикл Отто, названный в честь Николауса Отто, который закрепил эту концепцию в 1867 году.
Принцип действия жестоко прост. Возьмите высокоэнергетическое топливо. Поместите его в небольшое замкнутое пространство. Подожгите. В результате взрыва выделяется огромная энергия в виде расширяющегося газа. Используйте этот взрыв сотни раз в минуту. Получите движение.
Цикл состоит из четырех различных этапов. Впуск. Сжатие. Сгорание. Выпуск.
- Такт впуска: Поршень начинает движение сверху. Открывается впускной клапан. Поршень движется вниз. Он засасывает смесь воздуха и мелкой струи бензина. Топлива нужно немного. Всего лишь достаточно для сгорания.
- Такт сжатия: Поршень движется обратно вверх. Он сжимает эту воздушно-топливную смесь. Сжатие смеси делает последующий взрыв значительно более мощным.
- Такт сгорания: В верхней точке хода свечи зажигания срабатывают. Крошечная электрическая дуга воспламеняет сжатую смесь. Бензин взрывается. Расширяющиеся газы с силой толкают поршень вниз.
- Такт выпуска: Поршень достигает нижней точки. Открывается выпускной клапан. Сгоревшие газы выталкиваются из цилиндра и выходят через выхлопную трубу.
Цикл сбрасывается. Двигатель захватывает новую порцию воздуха и газа.
Это линейное возвратно-поступательное движение поршней необходимо превратить во вращательное движение. Ваши колеса не вращаются вверх и вниз. Они вращаются вокруг своей оси. Коленчатый вал выполняет это преобразование. Соединенный с поршнями через шатунные механизмы, коленчатый вал принимает прямолинейную силу и превращает ее во вращение.
Коленчатый вал — это мост между хаотичным линейным движением поршня и упорядоченным вращением колеса.
Но это не только поршни и шатуны. Вам нужен блок, чтобы удержать все вместе. Головка блока цилиндров для герметизации камер сгорания. Клапаны для подачи воздуха и выпуска выхлопных газов. Система для управления топливом.
Теперь мы рассмотрим основные части двигателя. В частности, цилиндры, в которых происходит это «насилие».
Магия происходит между поршнем и стенкой цилиндра. Именно здесь энергия сгорания преобразуется в движение. Всё достаточно просто. Большинство газонокосилок обходятся одним цилиндром. Автомобилим? Им нужно больше мощности. Четыре. Шесть. Восемь. А в некоторых экзотических нишах рынка — даже двенадцать. Но объединение нескольких цилиндров — это не просто их случайное складывание. Это вопрос геометрии.
Рядные двигатели: победа простоты
Возьмём тот рядный четырёхцилиндровый двигатель, о котором мы упоминали ранее. Все четыре цилиндра расположены в одну прямую линию. Один за другим. Это чисто. Эффективно. Дешево в производстве, поскольку блок отливается за одну операцию. Производственные процессы любят такие решения. Запчасти стандартизированы. Техническое обслуживание простое. Если вы откроете капот компактного седана или спортивного хэтчбека, скорее всего, вы увидите рядную «четвёрку». Они хорошо вписываются в поперечную компоновку, где пространство перед передней частью автомобиля ограничено.
Но они длинные. Высокие двигатели могут повышать центр тяжести, что не идеально для управляемости. А на высоких оборотах порядок воспламенения может ощущаться немного менее плавным по сравнению с более сбалансированными конфигурациями. Тем не менее, для повседневной езды и топливной эффективности рядная «четвёрка» является рабочей лошадкой. Вы не ошибётесь, выбрав её.
V-образные двигатели: компактная мощность
Теперь перейдём к V-образной конфигурации. Два ряда цилиндров, разведённых под углом друг от друга. Обычно это 60 или 90 градусов, хотя существуют и другие углы. Такая компоновка уменьшает габариты двигателя по длине. Он короче, чем рядная «шестёрка». Имеет более низкий профиль. Это облегчает установку в крупные автомобили или спортивные машины, где пространство в моторном отсеке является дефицитным ресурсом.
V-6 повсеместно встречаются в среднеразмерных внедорожниках и седанах. V-8 по-прежнему доминируют в сегменте мощных автомобилей. Они обеспечивают тот глубокий, рычащий звук, к которому стремятся энтузиасты. И они работают плавнее, чем рядные «шестёрки» на высоких оборотах благодаря тому, что встречные поршни гасят часть вибраций. Но есть и обратная сторона. Сложность. Больше деталей. Больше выпускных коллекторов, которые нужно укладывать вокруг двигателя. Более высокие затраты на производство. А охлаждение может быть затруднено из-за узкого «колодца» между рядами цилиндров.
Оппозитные (плоские) двигатели: низкие и широкие
Затем есть рядный четырёхцилиндровый оппозитный двигатель. Рядная шестёрка оппозитная. Горизонтально оппозитные поршни движутся друг от друга, как боксёры в ринге. Отсюда и прозвище. Porsche использует их. Subaru полагается на них. Почему? Потому что оппозитная компоновка значительно снижает центр тяжести. Лучшее распределение веса. Меньше кренов кузова в поворотах. Двигатель расположен низко в шасси. Это преимущество в управляемости, с которым рядным и V-образным двигателям сложно конкурировать.
Оппозитные двигатели вибрируют меньше, чем рядные «четвёрки». Встречные поршни естественно балансируют друг друга. Нет необходимости в сложных противовесах. Но они широкие. Очень широкие. Это делает установку в поперечную компоновку практически невозможной. Требуется продольная установка. Нужно больше пространства. И доступ для технического обслуживания может стать кошмаром. Утечки масла из заднего сальника коленчатого вала — частая жалоба. Тем не менее, для водителей, которые ставят во главу угла управляемость и обратную связь от автомобиля, оппозитный двигатель трудно превзойти.
Какая компоновка подходит именно вам?
Всё сводится к приоритетам. Хотите дешёвого ремонта и удобной компоновки? Выбирайте рядный двигатель. Нужна большая мощность в компактном исполнении? V-образный двигатель. Хотите лучшую динамику управляемости и не боитесь широкого моторного отсека? Оппозитный двигатель. Идеального ответа не существует. Просто
Свеча зажигания и фазы газораспределения
Сгорание не происходит случайно. Свеча зажигания служит источником воспламенения, создавая искру, которая поджигает топливно-воздушную смесь. Здесь решающее значение имеет момент зажигания. Если искра возникает слишком рано или слишком поздно, эффективность резко падает.
Клапаны играют не менее важную роль. Впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются в строгой последовательности. Они пропускают смесь внутрь и выпускают отработавшие газы. Крайне важно, чтобы оба клапана оставались герметично закрытыми во время тактов сжатия и рабочего хода. Если камера негерметична, вы теряете давление. Вы теряете мощность.
Динамика поршня и неисправности колец
Сам поршень представляет собой простой металлический цилиндр, перемещающийся вверх и вниз внутри цилиндра. Но настоящая магия — и наиболее частая причина проблем с обслуживанием — кроется в поршневых кольцах.
Эти кольца создают скользящее уплотнение между внешней поверхностью поршня и стенкой цилиндра. У них есть две безоговорочные задачи:
- Обеспечить герметичность камеры сгорания, чтобы топливно-воздушная смесь и отработавшие газы не просачивались мимо поршня в картер.
- Предотвратить попадание моторного масла из картера вверх в камеру сгорания.
Когда кольца изнашиваются, уплотнение нарушается. Именно поэтому старые автомобили часто начинают потреблять масло. Если вам приходится доливать кварту масла каждые 1000 миль, ваши кольца, скорее всего, пришли в негодность, позволяя маслу сгорать в камере. Современные материалы значительно увеличили срок службы колец, благодаря чему современные двигатели могут обходиться между заменами масла дольше и в целом служат дольше.
Шатун и коленчатый вал
Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он должен вращаться на обоих концах. Почему? Потому что поршень движется по прямой линии, а коленчатый вал вращается. Шатун изменяет угол, чтобы компенсировать это движение, преобразуя линейную энергию во вращательный момент.
Этот момент передается на коленчатый вал. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное. Представьте себе ручку-кривошип на игрушке «Человек-куколка». Вы нажимаете вниз, вал поворачивается. Это простой механический принцип, но он является сердцем вывода мощности двигателя.
Картер и управление маслом
Вокруг коленчатого вала находится картер (поддон масла). Этот резервуар содержит смазывающее масло, которое циркулирует по двигателю. Гравитация стекает масло на дно картера, откуда масляный насос захватывает его и подает обратно к подшипникам, поршням и клапанам.
Без этого резервуара трение разрушило бы двигатель за считанные минуты. Картер удерживает движущиеся детали в масляной пленке, снижая износ и отводя тепло.
Проблемы двигателя
Вы поворачиваете ключ. Стартер жужжит. Двигатель прокручивается. Но он не схватывает.
Это классический сценарий «крутит, но не заводится». Это, безусловно, вызывает раздражение. Но это также логично. Вы уже знаете основы внутреннего сгорания. Теперь вам нужно просто отфильтровать лишнее.
Для запуска двигателя существуют три фундаментальных требования. Если хотя бы одно из них не выполняется, вам придется толкать машину.
- Правильная топливная смесь.
- Правильная компрессия.
- Сильная искра.
Все остальное вторично. Тысячи мелких неисправностей могут привести к тому, что двигатель не запустится, но эти три фактора являются главными. Игнорируйте их на свой страх и риск.
Проблема с топливной смесью
Вашему двигателю требуется топливо и воздух в правильной пропорции. Слищебедная, слишком богатая смесь или полное отсутствие смеси приводят к прекращению горения.
Рассмотрим очевидное в первую очередь: возможно, у вас просто закончилось топливо. Двигатель засасывает воздух, но без топлива нечего сжигать.
Но что, если топливо есть?
Забитый воздушный фильтр может лишить двигатель кислорода. Топливо поступает, но воздуха недостаточно. Смесь становится слишком богатой. Свечи зажигания загрязняются. Двигатель задыхается.
И наоборот, неисправная топливная система может подавать слишком много или слишком мало топлива. Современные двигатели используют датчики для регулировки этого процесса, но старые карбюраторные системы? Они капризны. Если поплавок застрял или форсунки забиты, смесь нарушена.
Затем есть загрязнение. Вода в бензобаке губительна. Она не горит. Она оседает на дне. Если топливный насос засасывает эту грязь, двигатель чихает и глохнет. Примеси полностью нарушают химическую реакцию.
Компрессия: печать жизни
Компрессия делает взрыв мощным. Если воздух и топливо не могут быть плотно сжаты, resulting взрыв будет слабым. Или его не будет вовсе.
Отсутствие компрессии обычно указывает на утечку. Где?
Изношенные поршневые кольца. Эти кольца герметизируют зазор между поршнем и стенкой цилиндра. Когда они изнашиваются, воздушно-топливная смесь просачивается мимо поршня во время такта сжатия. Вы теряете давление. Вы теряете мощность.
Неплотно закрывающиеся клапаны. Впускные и выпускные клапаны должны закрываться плотно. Если седла клапанов прогорели или штоки погнуты, газы утекают в выхлопную систему или впускной коллектор вместо того, чтобы оставаться в цилиндре.
Прогоревшая прокладка головки блока цилиндров. Это наиболее распространенная структурная неисправность, приводящая к потере компрессии. Головка блока цилиндров прикручивается к блоку двигателя. Между ними находится тонкая прокладка, предназначенная для создания идеальной герметичности.
Когда эта прокладка выходит из строя, она разрушается. Образуются небольшие отверстия. Герметичность нарушается. Компрессия утекает в систему охлаждения или масляные каналы. Двигатель не запускается, потому что давление никогда не набирается.
Искра: триггер зажигания
Без искры топливо — это просто жидкость. Вам нужна свеча зажигания, чтобы поджечь его.
Если искра слабая, топливо может не загореться. Это часто происходит, когда сама свеча зажигания изношена. Электроды со временем стираются. Зазор увеличивается. Искре трудно перепрыгнуть.
Или провод оборван.
Если высоковольтный провод, ведущий к свече, оборван или отсутствует, ток не может достичь свечи. Нет искры.
Но дело не только в наличии. Дело в моменте зажигания.
Угол опережения зажигания определяет, когда происходит искра относительно положения поршня. Если искра возникает слишком рано, она борется с поршнем, движущимся вверх. Если она возникает слишком поздно, поршень уже движется вниз. Топливо воспламеняется, но взрыв эффективно не толкает поршень. В обоих случаях двигатель не запускается или работает плохо.
Другие критические неисправности
Помимо трех главных факторов, другие системные неисправности могут мгновенно остановить двигатель.
Севший аккумулятор. Просто. Нет питания — нет стартера. Нет стартера — нет прокрутки.
Изношенные подшипники. Коленчатый вал вращается на подшипниках. Если они изношены или закисли, коленчатый вал не может повернуться. Двигатель заклинивает.
Проблемы с фазами газораспределения. Если распределительный вал выходит из строя или обрывается ремень ГРМ, клапаны не открываются и закрываются синхронно с поршнями. Воздух не может попасть внутрь. Выхлопные газы не могут выйти. Двигатель задыхается.
Нехватка масла. Если вы исчерпаете запас масла, вы потеряете смазку. Трение резко возрастает. Температура повышается. Поршни заклинивают в стенках цилиндров. Двигатель останавливается навсегда.
Совершенство не требуется
Работающему двигателю не нужно быть идеальным. Ему просто нужно функционировать в пределах допустимых допусков.
Вы заметите, когда что-то не так. Нестабильные холостые обороты. Трудный запуск. Потеря мощности. Это симптомы.
Но когда двигатель вообще не запускается, вы имеете дело с серьезной неисправностью. Одна из фундаментальных систем вышла из строя.
Мы рассмотрели почему. Следующий шаг — посмотреть на как. А именно, на подсистемы, которые управляют этими отказами.
Клапанный механизм двигателя и системы зажигания
Большинство современных силовых установок опираются на определённую архитектуру для управления потоком воздуха, и выбор технологии в этой области определяет, сколько мощности вы получите из каждой капли топлива. Система с распределённым расположением распределительных валов (Overhead Cam, OHC) является стандартом не просто так.
Где расположен распределительный вал, имеет значение
Задача механизма газораспределения проста: открывать клапаны, закрывать клапаны. Повторять. Механизм, приводящий это в действие, — это распределительный вал (camshaft), вал с кулачками, которые поднимают и опускают клапаны. Этот механический процесс показан на рисунке 5.
Современные двигатели почти исключительно используют распределённые распределительные валы. Это размещает распределительный вал непосредственно над клапанами. Кулачки воздействуют на клапаны либо напрямую, либо через очень короткую толкающую штангу. Такая конструкция снижает инерцию и позволяет двигателю развивать более высокие обороты без «парения» клапанов.
В старых конструкциях распределительный вал располагался в масляном поддоне, рядом с коленчатым валом. Для передачи сигнала наверх требовалась длинная цепочка толкателей и штанг. Это работало. Работает и в некоторых дешёвых или ретро-машинах. Но конструкция с расположением валов сверху легче и эффективнее.
Соблюдение синхронизации
Коленчатый вал совершает два оборота за каждый оборот распределительного вала. Это соотношение 2:1 является незыблемым. Если поршни находятся в верхней мёртвой точке, а клапаны открыты, двигатель взрывается. Чтобы предотвратить это, ремень ГРМ или цепь ГРМ связывает оба вала.
Эта связь обеспечивает открытие и закрытие клапанов в точную миллисекунду, когда поршни готовы к этому.
Зачем нужны два распределительных вала сверху?
Высокопроизводительные двигатели хотят не просто больше воздуха; они хотят больше потока. Один клапан на канал является узким местом. Современные двигатели с высокой отдачей используют четыре клапана на цилиндр: два для впуска, два для выпуска.
Невозможно эффективно управлять четырьмя независимыми клапанами с помощью одного распределительного вала. Поэтому инженеры используют два распределительных вала на ряд цилиндров. Один вал управляет впускными клапанами. Другой — выпускными. Отсюда и происходит термин двойной распределённый распределительный вал (Dual Overhead Cams, или DOHC).
Это не просто маркетинг. Это физика. Больше клапанов означает лучшее «дыхание». Лучшее «дыхание» означает больше мощности. А больше мощности требует более сложного механизма газораспределения. Конструкция с распределёнными валами делает эту сложность управляемой.
Как система зажигания поджигает смесь в цилиндрах
Система зажигания (рисунок 6) не просто включает автомобиль. Она генерирует электрический заряд высокого напряжения и направляет его к свечам зажигания. По пути заряд проходит через высоковольтные провода.
Сначала этот заряд попадает в распределитель. В большинстве автомобилей он расположен под капотом. Это центральный узел: один провод входит в центр, а четыре, шесть или восемь проводов расходятся от него. Количество зависит исключительно от числа цилиндров вашего двигателя.
Эти высоковольтные провода доставляют заряд к каждой свече зажигания. Тайминг строго выверен. В каждый момент времени искра возникает только в одном цилиндре. Такая последовательная работа обеспечивает плавную работу двигателя. Без рывков. Только ритм.
Далее мы рассмотрим, как ваш автомобиль запускается, охлаждается и циркулирует воздух.
Системы охлаждения двигателя, впуска воздуха и запуска
Механика охлаждения и забора воздуха
Большинство современных автомобилей полагаются на систему охлаждения с жидкостным контуром, чтобы двигатель не перегрелся. Радиатор и водяной насос выполняют здесь основную работу. Охлаждающая жидкость циркулирует по каналам, просверленным вокруг цилиндров, поглощает тепло, а затем сбрасывает его в радиатор перед тем, как вернуться обратно. Это замкнутый цикл.
Но не все двигатели работают по этим правилам. Воздушное охлаждение встречается в старых машинах, таких как Volkswagen Beetle до 1999 года, а также в большинстве мотоциклов и газонокосилок. Их можно сразу узнать. Посмотрите на внешнюю сторону цилиндров. Если вы видите ребра, значит, охлаждение воздушное. Ребра увеличивают площадь поверхности для рассеивания тепла в потоке воздуха. Такая конструкция делает двигатель легче. Но она также заставляет его работать при более высоких температурах. А более высокая температура обычно означает меньший срок службы и снижение производительности. Это компромисс.
Теперь, когда мы разобрались, как тепло уходит, поговорим о том, что поступает внутрь. Циркуляция воздуха — это не просто фоновый процесс. Это топливо для огня.
Большинство уличных автомобилей имеют атмосферный двигатель. Это сложный способ сказать, что двигатель дышит естественно. Воздух проходит через фильтр и напрямую попадает в цилиндры. Просто. Эффективно. Но если вы хотите больше мощности, вам нужно больше воздуха.
Именно здесь турбонаддув меняет правила игры. Двигатели высокой производительности и современные эффективные двигатели либо турбированные, либо с нагнетателем. Вместо естественного потока воздуха эти системы создают давление во входящем воздухе. Более высокое давление позволяет упаковать больше воздуха и топлива в каждый цилиндр во время такта впуска. Это давление называется наддувом.
Как вы создаете этот наддув? Два разных механических метода.
Турбокомпрессор использует отработанную энергию. Он находится в вашей выхлопной трубе. Горячие выхлопные газы вращают турбину. Эта турбина соединена валом с компрессорным колесом во впускном тракте. Это эффективно. Он перерабатывает энергию, которая иначе просто исчезла бы через выхлопную трубу. Нагнетатель, с другой стороны, приводится в действие механически. Он крепится непосредственно к двигателю, обычно через ремень или шестерни, и вращает компрессор независимо от потока выхлопных газов.
Поскольку турбокомпрессор по сути извлекает тепло и давление из выхлопа, он высвобождает мощность от двигателей меньшего объема. Подумайте о маленьком четырехцилиндровом двигателе. Добавьте турбину, и он может выдать количество лошадиных сил, обычно зарезервированное для большего шестицилиндрового двигателя. Ключевой момент? Вы получаете на 10–30 процентов лучшую топливную экономичность. Вы получаете больше работы от меньшего количества топлива.
Глубокое погружение в систему запуска
Повышение производительности — это одно. Заставить двигатель двигаться с самого начала — это другое. Что происходит, когда вы поворачиваете ключ?
Система запуска имеет два основных компонента: электрический стартер и стартерное реле. Это грубая силовая операция. Стартер должен физически провернуть двигатель несколько оборотов. Почему? Потому что сгорание не начнется, пока поршни движутся. Двигателю нужен импульс, чтобы завершить такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
Прокрутка холодного двигателя — тяжелая работа. Стартер должен преодолеть значительное сопротивление.
- Внутреннее трение : Поршневые кольца, трущиеся о стенки цилиндров, создают сопротивление.
- Давление сжатия : Если поршень находится близко к верхней мертвой точке, сжатая топливовоздушная смесь давит на него обратно.
- Энергия газораспределительного механизма : Распределительный вал должен открывать и закрывать клапаны. Для этого требуется усилие.
- Нагрузка от вспомогательных агрегатов : Все, что прикреплено к двигателю, тянет его вниз. Водяной насос, масляный насос и генератор все прикреплены. Стартер должен вращать и их тоже.
Это сопротивление требует огромного тока. Автомобильные электрические системы работают при напряжении 12 вольт. Чтобы провернуть тяжелый маховик, стартер потребляет сотни ампер. Вы не можете получить такой ток через стандартный выключатель зажигания, не расплавив контакты. Вот почему нам нужно стартерное реле.
Представьте себе реле как высоконагруженный электронный переключатель. Когда вы поворачиваете ключ, вы подаете небольшой сигнал на реле. Оно замыкает цепь с высоким током, позволяя полной мощности батареи хлынуть в стартер. Щелчок. Жужжание. Двигатель проворачивается.
Что дальше
Мы рассмотрели, как двигатель остается холодным, как он дышит и как запускается. Но двигатель — это машина, которая потребляет ресурсы и создает отходы. Ему нужно масло, чтобы выжить. Ему нужно топливо, чтобы сгорать. И ему нужен способ выбрасывать продукты сгорания, не душа себя.
Далее мы разберем подсистемы, которые отвечают за смазку, подачу топлива, управление выхлопом и
Вы заправляете бак. Вы проверяете уровень масла. Но как именно бензин превращается во вращение колес? Все начинается с топливной системы.
Ваш двигатель сжигает не просто жидкость. Он сжигает туман. Топливная система перекачивает бензин из бака и смешивает его с воздухом. Цель — достичь точного соотношения воздуха и топлива. Эта смесь поступает в цилиндры. Без правильной пропорции вы не получите мощности. Или, что хуже, повредите двигатель.
В современных автомобилях используются два основных метода подачи топлива: распределенный впрыск (port fuel injection) и прямой впрыск (direct fuel injection).
При распределенном впрыске топливо распыляется прямо над впускным клапаном. Оно смешивается с воздухом перед поступлением в цилиндр. Прямой впрыск — более агрессивный процесс. Топливо подается непосредственно в камеру сгорания. Высокое давление позволяет создавать более мелкое распыление. Это приводит к лучшей эффективности.
В старых автомобилях использовались карбюраторы. Они механически смешивали топливо и воздух по мере поступления воздуха. Они были простыми. Но им не хватало точности. Современный впрыск управляется компьютером. Он корректирует параметры каждую миллисекунду.
Смазка обеспечивает движение
Бензин создает мощность. Масло предотвращает трение.
Система смазки — это жизненная сила двигателя. Она покрывает движущиеся части. Без нее металл трутся о металл. Температура резко возрастает. Детали заклинивает.
Две области требуют наибольшего внимания. Поршни и подшипники. Поршни скользят вверх и вниз в цилиндрах. Им нужна гладкая поверхность. Подшипники позволяют коленчатому и распределительным валам вращаться. Они выдерживают большие нагрузки.
Вот как работает цикл.
- Масло находится в поддоне картера (суме) внизу.
- Масляный насос засасывает его.
- Оно проходит через масляный фильтр. Песок и металлические стружки задерживаются.
- Высокое давление проталкивает масло через масляные каналы.
- Оно распыляется на подшипники и стенки цилиндров.
- Гравитация возвращает его обратно в поддон.
Этот цикл повторяется тысячи раз в минуту. Если насос выйдет из строя, двигатель остановится. Если фильтр забьется, давление упадет. Проверяйте уровень масла. Всегда.
Укрощение шума и выхлопных газов
Вы залили топливо. Вы смазали движущиеся части. Теперь происходят взрывы.
Эти взрывы создают давление. Они создают шум. Тысячи мелких детонаций в минуту. Без выпускной системы вы слышали бы каждую из них. Это было бы оглушительно.
Выпускная система улавливает эти газы. Она отводит их назад. Глушитель играет здесь ключевую роль. Он смягчает звук. Он превращает выстрел в гул.
Но дым — это не только шум. Это отходы.
На сцену выходит система контроля выбросов. Современные автомобили — это сложные лаборатории. Они контролируют каждый выдох выхлопных газов.
Сердцем этой системы является каталитический нейтрализатор. Он использует катализаторы и кислород. Он сжигает несгоревшее топливо. Он разлагает вредные химические вещества. Он превращает загрязнители в менее вредные газы.
Кислородные датчики контролируют поток выхлопных газов. Они сообщают компьютеру, сколько кислорода присутствует. Компьютер в реальном времени корректирует топливную смесь. Это обеспечивает эффективную работу катализатора. Меньше отходов. Чище воздух.
Электрический каркас
Бензин приводит в движение поршни. Электричество питает все остальное.
В вашем автомобиле есть аккумулятор. Он обеспечивает 12-вольтовое постоянное напряжение. Он запускает двигатель. Он питает радио, фары, окна и компьютеры. Но аккумулятор — это не генератор. Это устройство хранения энергии.
Его необходимо перезаряжать.
Для этого служит генератор.
Связанный с двигателем ремнем, генератор вращается. Он вырабатывает электричество. Он отправляет эту энергию обратно в аккумулятор. Он также питает электрические нагрузки во время работы двигателя.
Если ремень порвется, генератор остановится. Аккумулятор разрядится. Двигатель заглохнет. Вы останетесь на обочине.
Производство большей мощности двигателя
Вы знаете, как работает штатный двигатель. Топливо, воздух, масло, выхлоп, электричество. Это сбалансированная экосистема. Но энтузиасты редко довольствуются заводскими настройками.
Они хотят больше мощности.
Как ее получить? Вы нарушаете баланс. Или, точнее, оптимизируете его.
Существует три основных способа увеличения лошадиных сил и крутящего момента.
- Увеличение потока воздуха : Больше воздуха означает больше кислорода. Больше кислорода позволяет сжигать больше топлива. Большие впускные коллекторы. Воздушные фильтры с высокой пропускной способностью. Меньше сопротивления.
- Увеличение подачи топлива : Вы не можете добавить воздух, не добавив топливо. Более крупные форсунки. Насосы высокого давления. Настройка ЭБУ для поддержки
Механика лошадиных сил: как на самом деле работают двигатели
Вы начинаете понимать, что существует не один способ получить больше мощности от двигателя. Автомобильные производители постоянно изменяют различные параметры, чтобы повысить производительность или улучшить топливную экономичность.
Увеличение рабочего объема. Большой рабочий объем означает большую мощность, потому что за каждый оборот сжигается больше топлива. Этого можно добиться, увеличив размер цилиндров или добавив больше цилиндров. Двенадцать цилиндров обычно считается практическим пределом.
Увеличение степени сжатия. Более высокая степень сжатия дает больше мощности, но только до определенного предела. Чем сильнее вы сжимаете воздушно-топливную смесь, тем выше вероятность того, что она самовоспламенится еще до того, как сработает свеча зажигания. Бензин с более высоким октановым числом предотвращает это преждевременное сгорание. Именно поэтому автомобилям с высокой производительностью требуется топливо премиум-класса — их двигатели используют более высокую степень сжатия для получения большей мощности.
Заполнение каждого цилиндра большим количеством смеси. Если вы можете впихнуть больше воздуха (и, следовательно, топлива) в цилиндр заданного размера, вы получаете больше мощности, не увеличивая расход топлива, необходимого для сгорания. Турбокомпрессоры и нагнетатели (суперчарджеры) создают давление входящего воздуха, эффективно принуждая его попадать в цилиндр в большем количестве.
Охлаждение входящего воздуха. Сжатие воздуха повышает его температуру. Вам нужен максимально холодный воздух в цилиндре, потому что горячий воздух расширяется меньше во время сгорания. Многие автомобили с турбокомпрессорами и нагнетателями используют интеркулер. Это специальный радиатор, через который проходит сжатый воздух, чтобы охладиться перед поступлением в цилиндр.
Обеспечить легкий доступ воздуха. Когда поршень движется вниз на такте впуска, сопротивление воздуха отбирает мощность. Это можно уменьшить, установив по два впускных клапана в каждом цилиндре. В некоторых новых автомобилях используются полированные впускные коллекторы для устранения сопротивления там. Более крупные воздушные фильтры также улучшают поток воздуха.
Обеспечить легкий выход выхлопных газов. Если сопротивление воздуха затрудняет выход выхлопных газов из цилиндра, это отбирает мощность. Сопротивление снижается, когда добавляется второй выпускной клапан. Автомобиль с двумя впускными и двумя выпускными клапанами имеет четыре клапана на цилиндр, что улучшает производительность. Когда в рекламе автомобиля говорится, что у него четыре цилиндра и 16 клапанов, это означает четыре клапана на цилиндр.
Если выхлопная труба слишком мала или глушитель имеет высокое сопротивление, это вызывает противодавление, которое оказывает тот же эффект. Выпускные системы для автомобилей с высокой производительностью используют коллекторы, большие выхлопные трубы и глушители с низким сопротивлением потоку для устранения противодавления. «Двойной выхлоп» означает две трубы вместо одной для улучшения потока.
Сделать все детали легче. Легкие детали помогают двигателю работать лучше. Каждый раз, когда поршень меняет направление движения, он тратит энергию на остановку одного движения и начало другого. Более легкие поршни требуют меньше энергии. Это приводит к лучшей топливной экономичности и производительности.
Впрыск топлива. Впрыск топлива позволяет точно дозировать топливо для каждого цилиндра. Это улучшает производительность и топливную экономичность.
В следующих разделах мы ответим на некоторые распространенные вопросы о двигателях, заданные читателями.
Вопросы и ответы о двигателях
В чем разница между бензиновым и дизельным двигателем?
В дизельном двигателе нет свечи зажигания. Дизельное топливо впрыскивается в цилиндр, и тепло и давление такта сжатия заставляют топливо воспламениться. Дизельное топливо имеет более высокую энергоемкость, чем бензин, поэтому дизельный двигатель обеспечивает лучший пробег на одном литре топлива.
В чем разница между двухтактным и четырехтактным двигателем?
Большинство бензопил и лодочных моторов используют двухтактные двигатели. В двухтактном двигателе нет движущихся клапанов, и свеча зажигания срабатывает каждый раз, когда поршень достигает верха своего хода. Отверстие в нижней части стенки цилиндра впускает газ и воздух. Когда поршень движется вверх, смесь сжимается, свеча зажигания поджигает смесь, а выхлопные газы выходят через другое отверстие в цилиндре. В двухтактном двигателе необходимо добавлять масло в бензин, потому что отверстия в стенке цилиндра не позволяют использовать поршневые кольца для герметизации камеры сгорания. Как правило, двухтактный двигатель выдает много мощности относительно своих размеров, потому что за один оборот происходит в два раза больше циклов сгорания. Однако двухтактный двигатель потребляет больше бензина и сжигает много масла, поэтому он гораздо более загрязняет окружающую среду.
Есть ли какие-либо преимущества у паровых двигателей?
Главное преимущество парового двигателя заключается в том, что в качестве топлива можно использовать все, что горит. Например, паровой двигатель может использовать уголь, газеты или древесину в качестве топлива, тогда как двигателю внутреннего сгорания требуется чистое высококачественное жидкое или газообразное топливо.
Зачем в двигателе восемь цилиндров? Почему бы не сделать один большой цилиндр с таким же рабочим объемом?
Есть несколько причин, по которым большой двигатель объемом 4,0 литра имеет восемь цилиндров по пол-литра, а не один большой цилиндр объемом 4 литра. Главная причина — плавность работы. Двигатель V8 работает гораздо более плавно, потому что в нем происходит восемь равномерно распределенных взрывов вместо одного большого взрыва. Другая причина — пусковой крутящий момент. Когда вы запускаете двигатель V8, вы сжимаете смесь только в двух цилиндрах (1 литр), но с одним большим цилиндром вам пришлось бы сжимать 4 литра.
Встречное расположение против V-образного
Количество цилиндров определяет характер двигателя. В каждом цилиндре находится поршень. Эти поршни вращают коленчатый вал. Больше поршней, качающихся с большей частотой, означает больше актов сгорания в секунду. Мощность генерируется быстрее. Это базовая физика.
Четырехцилиндровые двигатели обычно располагаются в одну линию. Рядные. Простые. Шестилитровые двигатели часто располагаются в форме «V». Такая компактная форма позволяет создавать более короткие блоки. Американские автопроизводители любили двигатели V6. Они были мощными. Они были тихими. Но рынок изменился. Турбонаддув изменил правила игры.
Сдвиг в американском восприятии
История здесь имеет значение. Потребители раньше отвергали четырехцилиндровые двигатели. Они считали эти двигатели медленными. Слабыми. Несбалансированными. Без достаточного ускорения. Затем появились японские импортные автомобили. Honda и Toyota начали устанавливать экономичные четырехцилиндровые двигатели в 1980-х и 1990-х годах. Американцы проснулись. Toyota Camry продавалась лучше, чем американские аналоги. Компактный двигатель заслужил уважение.
Современные инженерные решения
Сегодня четырехцилиндровый двигатель может имитировать производительность V6. Посмотрите на EcoBoost от Ford. Они используют турбонаддув для подачи большего количества воздуха в двигатель с меньшим рабочим объемом. Mazda использует технологию SKYACTIV для аэродинамики и эффективности. Меньшая нагрузка на двигатель. Лучшая производительность. Также помогают более легкие материалы. Разница между двумя типами двигателей сокращается.
Когда вам все еще нужен V6
Разница уменьшилась. Но двигатели V6 все еще имеют свои задачи. Они не только для спортивных автомобилей. Грузовикам они нужны. Если вы буксируете прицеп или перевозите тяжелые грузы, вам нужен крутящий момент. Вам нужна сырая мощность. В таких сценариях эффективность отходит на второй план. Турбированный четырехцилиндровый двигатель может испытывать трудности с постоянной нагрузкой. V6 справляется.
Как на самом деле работают двигатели
Люди часто спрашивают о базовых вещах. Что внутри этого металлического ящика?
Основные компоненты
Сердцем двигателя является цилиндр. Поршень движется вверх и вниз внутри него. Ключевые детали включают:
— Свечи зажигания
— Клапаны
— Поршневые кольца
— Шатун
— Коленчатый вал
— Масляный поддон
Четырехтактный цикл
Почти все бензиновые двигатели используют четырехтактный цикл сгорания. Он преобразует топливо в движение.
1. Такт впуска
2. Такт сжатия
3. Такт рабочего хода (сгорания)
4. Такт выпуска
Почему двигатель не запускается?
Если ваш автомобиль не запускается, проверьте «большую тройку».
1. Плохая топливная смесь
2. Отсутствие компрессии
3. Отсутствие искры
Сотни мелких проблем могут вызвать неисправности. Но эти три являются фундаментальными.
