Найпростіший одноциліндровий двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)

4.2.1 Опис будови найпростішого двигуна

Щоб відразу не бентежити складними термінами й громіздкими визначеннями, спочатку розглянемо найпростіший одноциліндровий двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), що працює на бензині, конструкцію якого подано на малюнку 4.1.

Складається цей двигун із блока з циліндричним отвором усередині — гільзою циліндра. У гільзі знаходиться поршень, з’єднаний через шатун з колінчастим валом. Колінчастий вал своєю чергою пов’язаний із розподільним валом через ланцюг (цей зв’язок є сталим, і передавальне відношення* становить 1 до 2, тобто розподільний вал робить один оборот за два оберти колінчастого вала).

Малюнок 4.1 Одноциліндровий двигун внутрішнього згоряння.

Малюнок 4.2 Розріз бензинового двигуна внутрішнього згоряння.

Малюнок 4.3 Двигун внутрішнього згоряння з повітряним охолодженням.

Розподільний вал разом із клапанами розташований у головці блока циліндрів, яка встановлена відповідно на блок циліндрів.

Тепер розкладемо все по поличках.

4.2.2 Блок циліндра

Блок циліндра — лита деталь із чавуну або з алюмінієвого сплаву. Картер — це частина блока двигуна, яка часто відливається разом із блоком циліндрів. По суті, це корпус, усередині якого знаходяться основні елементи кривошипно-шатунного механізму (про який ітиметься нижче). Цей корпус має подвійні стінки (іменовані сорочкою блока). У порожнинах між стінками тече охолоджувальна рідина, якщо двигун із рідинним охолодженням. Якщо двигун із повітряним охолодженням, то блок має одну стінку з численними ребрами для відводу тепла, як показано на малюнку 4.3.

У блоці є гільза й масляні канали для підведення мастила до деталей, що труться. Робоча поверхня гільзи, з якою стикається поршень, називається дзеркалом циліндра.

4.2.3 Поршень

Поршень має вигляд перевернутої склянки, зазвичай відлитий з алюмінієвого сплаву. У циліндр поршень установлюється з дуже невеликим зазором (зазвичай соті частки міліметра). Щоб гази, які утворилися під час згоряння палива, через цей зазор не прорвалися в картер блока циліндрів двигуна, поршень ущільнений поршневими кільцями. Зазвичай установлюють два компресійні кільця (вони приймають основне навантаження під час переміщення поршня) і одне оливознімальне (воно складається з декількох елементів), необхідне для зняття зі стінок циліндра двигунного мастила. Поршень шарнірно, тобто через палець, з’єднаний із верхньою головкою шатуна, а шатун, у свою чергу, шарнірно з’єднаний із колінчастим валом. Зібрані разом, ці елементи називають шатунно-поршневою групою. А під’єднана до колінчастого вала шатунно-поршнева група утворює рухливі елементи кривошипно-шатунного механізму (далі, говорячи про кривошипно-шатунний механізм, матимемо на увазі саме ці елементи). Завдяки шатуну поступальний рух поршня вгору й униз перетворюється на обертальний рух колінчастого вала.

Примітка
Шановний читач може подумати, що пропустив цілий розділ, адже на малюнку 4.1 відсутні і палець, і верхня головка шатуна, але це не так — вищенаведений опис подано для загального уявлення про двигун внутрішнього згоряння, а ось будову кожного з елементів детально розглянуто в розділі «Блок циліндрів і кривошипно-шатунний механізм».

4.2.4 Головка блока циліндра

Головка блока циліндра — по суті, це корпус (зазвичай із алюмінієвого сплаву), у якому, залежно від конструкції*, знаходиться розподільний вал (або вали), а також клапани — впускний і випускний.

Розподільний вал і клапани називають газорозподільним механізмом (ГРМ). Розподільний вал необхідний для своєчасного відкриття впускних і випускних клапанів. Клапани щільно прилягають до головки блока циліндра й притискаються за допомогою клапанних пружин.

Ось і весь чотиритактний бензиновий двигун внутрішнього згоряння. Нічого складного немає.

*Слова «залежно від конструкції» означають, що не завжди розподільний вал або вали розташовуються в головці блока. Про це докладніше йтиметься в розділі «Головка блока циліндрів».

4.2.5 Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння

Чотиритактним двигун називається тому, що повний робочий процес розбитий на чотири проміжки — такти. Із цих тактів тільки один робочий, тобто такий, під час якого відбувається переміщення поршня під дією газів, що виділяються від згоряння паливо-повітряної суміші. Кожен такт припадає (приблизно) на один напівоберт колінчастого вала.

Примітка
Верхня мертва точка (ВМТ) — крайнє положення поршня у верхній частині циліндра.
Нижня мертва точка (НМТ) — крайнє положення поршня в нижній частині циліндра.
Відстань від ВМТ до НМТ називається ходом поршня.

Напевно, у кожного в дитинстві був велосипед. І якщо спускала шина, то її необхідно було підкачати насосом. Так ось, хоча й віддалено, але цей насос для накачування шин нагадує нам одноциліндровий двигун. Усередині циліндричного корпусу насоса теж є клапани й так само рухається поршень. Коли ви тягнете ручку поршня на себе, через клапан у корпусі всмоктується повітря, коли рухаєте поршень униз — клапан на впуску закривається й повітря виходить через клапан на випуску в трубку, потрапляючи в шину колеса велосипеда. Тепер подумки уявімо перевернутий насос, у якого ми почали переміщати поршень униз, набираючи при цьому всередину корпусу повітря, так само подумки закриваємо вихідний отвір, наприклад, пальцем, і починаємо переміщати поршень насоса вгору — повітря при цьому почне стискатися, оскільки діватися йому нікуди. Довівши поршень насоса до упору, ми візьмемо й підпалимо засипаний до початку цієї дії порох у корпусі.

Згоряючи, цей порох виділятиме велику кількість газу, який, у свою чергу, підвищить тиск усередині корпусу й почне переміщати поршень, тільки вже без нашої участі — самостійно. Коли порох повністю вигорить, а поршень дійде до найнижчої точки, ми відкриємо вихідний отвір і почнемо знову переміщати поршень угору, виштовхуючи з корпусу насоса гази, що вже відпрацювали своє. Виштовхнувши продукти горіння назовні, ми знову закриваємо пальцем вихідний отвір насоса й починаємо повторювати все вищезазначене в тій самій послідовності. Ось так само приблизно працює будь-який чотиритактний двигун внутрішнього згоряння. Помістіть корпус насоса в блок, клапани встановіть у головку, яку в свою чергу змонтуйте на блок, а поршень з’єднайте через шатун з колінвалом — і отримаєте найпростіший одноциліндровий двигун.

4.2.6 «Робочий цикл»

Є таке поняття, як «робочий цикл». Це сукупність процесів, що відбуваються послідовно в циліндрі двигуна за обертання колінчастого вала на два повні оберти (720 градусів). Робочий цикл складається з тактів.

Примітка
Читаючи далі опис процесів, згадайте про насос, принцип дії якого було описано вище.

Власне, нічого складного. Практично всі чотиритактні двигуни внутрішнього згоряння, що використовують як паливо бензин, працюють за таким принципом (див. таблицю).

4.2.6.a Впуск повітря, змішаного з паливом

Перший такт. Впуск повітря, змішаного з паливом

Колінвал, обертаючись, переміщає поршень униз із ВМТ. У цей момент впускний клапан відкритий, через нього в циліндр всмоктується повітря впереміш із розпорошеним паливом (у вигляді дуже дрібних крапельок). Далі поршень досягає НМТ, впускний клапан закривається. У дизельних двигунах з безпосереднім уприскуванням палива впускається чисте повітря

4.2.6.b Стиснення

Другий такт. Стиснення

Колінвал продовжує обертатися, а поршень починає від НМТ переміщатися вгору, стискаючи при цьому паливо-повітряну суміш (і повітря — у дизелів), додатково більш ретельно змішуючи паливо з повітрям, щоб суміш була максимально однорідною. Обидва клапани закриті

4.2.6.c Робочий хід

Третій такт. Робочий хід

Поршень у ВМТ, в камері згоряння стиснена й нагріта до високої температури суміш, у цей момент виникає розряд між електродами свічки, який підпалює паливо. Згоряючи, паливо-повітряна суміш виділяє гази, які, до речі, розігріті до 800 градусів за Цельсієм; створюється високий тиск, під дією якого поршень переміщується вниз, штовхаючи колінчастий вал. Увесь процес протікає до НМТ. У дизельних двигунах у циліндр зі стисненим і нагрітим до гранично високої температури повітрям уприскується паливо, яке самозаймається

4.2.6.d Випуск

Четвертий такт. Випуск

Гази свою справу зробили, тепер їх слід позбутися, щоб підготувати циліндр для наступної порції паливо-повітряної суміші. Після НМТ відкривається випускний клапан, поршень під дією сили інерції піднімається вгору, виштовхуючи відпрацьовані гази. Після того, як поршень досягне ВМТ і будуть видалені всі відпрацьовані гази, увесь процес повториться знову