на главную

История усовершенствования двигателей внутреннего сгорания



Эту статью я написал специально для людей, которые имеют лишь общее представление о работе двигателей внутреннего сгорания, но термины типа УОЗ, ЭМКХХ, вакуумный привод дроссельной заслонки, и т.п. ставят в тупик. Т.е. для тех, кто не представляет зачем были придуманы некоторые наворотики и как они работают.

Итак... Сначала освежим принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Если вы хорошо представляете процесс работы (в т.ч. системы зажигания, питания и ГРМ)- можете пропустить эту часть.
ДВС потому и называется ДВС, что внутри у него сгорает топливо, а высвобождаемая при этом механическая энергия тратится на перемещение поршня. Поршень, при этом, крутит вал, который и соединен с колесами. От этого машина едет. ;)

Это бъяснение может удовлетворить разве что двухлетнего ребенка, поэтому рассмотрим подробнее:
В качестве примера возмем обыкновенный четырехцилиндровый четырехтакный ДВС

Топливо- воздушная смесь (ТВС), или просто "топливо" поджигается искрой от "свечи", когда поршень находится вверху камеры сгорания(см 1). Процесс горения сопровождается выделением большого количества газов, которые толкают поршень вниз (см 2). Поршни жестко связаны со специальным валом, имеющим "колена" для их присоединения. Этот вал называется "коленвал", а то, при помощи чего соединяется поршень с коленвалом- "шатун".
По дороге вниз поршень крутит коленвал(см 3). Горение топлива очень похоже на взрыв (очень быстрое, с выделением большого количества газов), но контролируемое. Все поршни связаны с коленвалом жестко, причем таким образом, что, когда один находится внизу- другой находится вверху, таким образом реализуется беспрерывность работы мотора: когда горением один поршень протолкнут вниз- другой находится вверху и готов к очередной работе. Так они и работают. По очереди.

Мощность двигателя в любой момент можно менять количеством топливной смеси, попадающей в камеру сгорания (или "цилиндр"). Это количество, а еще и качественный состав этой смеси определяется "системой питания двигателя".
За наполнение камеры сгорания топливной смесью и за выброс отработанных газов ("выхлопа") отвечает "газо- распределительный механизм" (ГРМ).
Момент поджига топлива определяется "системой зажигания".

Чтобы понять работу этих систем необходимо рассмотреть все четыре такта работы двигателя: Такт впуска, такт сжатия, рабочий такт и такт выпуска.

В первом цилиндре происходит поджиг смеси: следующим этапом будет рабочий такт: сгорающая смесь будет толкать поршень вниз. Оба клапана закрыты
В этот же момент во втором цилиндре завершен рабочий такт: вся смесь сгорела и энергия сгорания иссякла. Следующим этапом будет выброс продуктов горения (отработанных газов) наружу из двигателя. Для этого откроется выпускной клапан, а поршень будет двигаться вверх, выбрасывая из цилиндра выхлопные газы.
Этот этап уже завершен в третьем цилиндре: все отработанные газы выброшены. Выпускной клапан должен зыкрыться, а впускной окрыться. Поршень будет двигаться вниз, наполняя камеру сгорания новой топливной смесью.
В четвертом цилиндре этот процесс уже завершен. Далее- впускной клапан закроется, поршень начнет движение вверх, сжимая смесь. Как только поршень окажется вверху смесь будет подожжена.

И так по кругу, один- за другим цилиндры будут повторять такты. Результатом такой работы станет постоянное вращение коленвала, который соединен через сцепление с коробкой передач вашего автомобиля, а та, в свою очередь- с колесами. То есть в любой момент времени двигатель крутит только один цилиндр: три остальных только готовятся к этому.

Так выглядит двигатель двадцать- первой волги внутри

Основной механизм работы двигателя мы рассмотрели. Теперь рассмотрим дополнительные механизмы, без которых невозможна работа двигателя. Первый из них - система питания.

Как известно (но не всем) бензин сам по себе не горит. Он вообще не горит. Горят только лишь пары бензина. Причем процесс горения невозможен без воздуха, т.е. эти пары еще нужно смешать с воздухом. Но тут еще одна проблема: пары бензина горят в воздухе только при определенной концентрации. Т.е. топливо- воздушная смесь должна иметь определенную пропорцию. Если топлива будет гораздо больше или гораздо меньше необходимомго- смесь вообще не будет воспламеняться.
Экспериментально была найдена пропорция: на одну часть бензиновых паров необходимо примерно пятнадцать частей воздуха.

Реальная история: зимой летчик на аэродроме курит прямо возле заправляемого истребителя. Мимо проходит начальник и есс-но начинает громко возмущаться несоблюдением техники безопасности, грозя всеми мыслимыми наказаниями. Летчик: "Хочешь- фокус покажу". Начальник- "Давай". Пилот берет ведро, наливает его до краев керосином и бросает туда бычек. Тихое шипение и... бычек гаснет. Начальник в ступоре, пилот доволен. Со словами "Блин, мужикам покажу", начальник хватает ведро и убегает показывать фокус. Итог: будка технарей сгорела до тла, начальника чуть не уволили, а пилот злорадно посмеивался.
Почему так произошло? Просто потому, что керосин (как и бензин) сам не горит, для огня нужны пары, а на улице, в мороз, они не образуются, в отличие от теплого бокса механиков.

Итак: человечество придумало простой способ получения и смешивания паров бензина с воздухом. Выглядит он следующим образом:

Устройство называется "карбюратор". Оно устанавливается на впускном тракте двигателя, т.е. двигатель всегда засасывает через карбюратор воздух и топливо. Бензин подется через специальную трубочку с очень маленьким внутренним диаметром: т.н. "жиклер". На выходе из форсунки бензин очень тоненькой струйкой движется вместе с засасываемым воздухом внутри небольшого цилиндра специальной формы. При выходе из этого цилиндра струя резко разрывается и смешивается с воздухом. Теперь бензин представляет собой нечто вроде очень быстро движущегося тумана. Это и есть топливо- воздушная смесь. Диаметром жиклера регулируется качество смеси (т.е. пропорция воздуха и топлива).
Количество смеси, попадающее в двигатель регулируется специальной заслонкой, которая может открываться и закрываться полностью. При полностью открытой заслонке в двигатель попадает много смеси- мощность двигателя больше. При полностью закртой заслонке смесь в двигатель не поступает, двигатель не работает. Чтобы мотор не глох при нагрузке- этой заслонке механически не дают полностью закрыться.

Итак... теперь мы вспомнили как работает двигатель и как для него формируется топливная смесь. Теперь необходимо понять- каким образом работает газо- распределительный механизм, т.е. как клапана узнают- когда и какому нужно открыться, а когда и какому закрыться.

Решение этой проблемы довольно простое. Совершенно очевидно, что открывать и закрывать клапана нужно всегда в один и тот же момент, считая по положению коленвала. Но поскольку один оброт коленвала- это два такта, а двигатель четырехтактный, то нужен еще один вал, который вращается вдвое медленнее коленвала. Этот вал назвали распредилительным валом, или "распредвалом". Он имеет "кулачки" опредленной формы и соединен с коленвалом таким образом, чтобы вращаться в два раза медленнее (например- при помощи пары шестерен разного диаметра).

Кулачки распредвала толкают "штанги", те в свою очередь- "коромысла" (они же "пальчики"), а уже те, в свою очередь- открывают клапана.
Зыкрывается клапран под действием возвращающей пружины, установленной непосредственно на клапане (на рисунке не показана). В момент, когда необходимо открыть клапан- на распредвале (напротив этого клапана) должен располагаться кулачек. Таким образом- система расположения кулачков на распредвале и ведает открытием клапанов.

Теперь мы знаем рабочие такты двигателя. Знаем как готовится смесь для него. Знаем- как эта смесь попадает в двигатель в нужное время и в нужное место (а также- как удаляются продукты сгорания). Осталось узнать- каким образом поджигается смесь.

Поджигать смесь нужно тоже- в определенный момент времени. За один оборот двигателя поджигается смесь в четырех разных цилиндрах последовательно (т.е. через каждые четверть оборота коленвала).

Смесь поджигается при помощи специального устройства- свечи.

Свеча состоит из внутреннего электрода (стержень свечи), изолятора, под который этот стержень прячется, корпуса с резьбой, при помощи которого свеча вкручивается в цилиндр, и гибкого электрода, соединенного с корпусом свечи.
Если подать на стержень свечи высокое напряжение (от тысячи до нескольких тысяч вольт), то на другом конце свечи (между центральным электродом и гибким) возникнет искра, которая и подожжет топливную смесь.
Расстояние от центрального электрода до гибкого строго нормировано, т.к. в противном случае искра будет слабой и не способной поджечь смесь, либо искры вообще не образуется. Для каждой марки автомобиля требуется свой зазор между электродами, но для жигулей он составляет 0,8 мм.
Свечи отличаются, также, резьбой, размером изолятора, размером поджигающей части свечи и проч.

Но в машине напряжение в бортовой сети всего двенадцать вольт. Откуда же взять эти "несколько тысяч", да еще и в нужный момент. Для получения высокого напряжения придумали катушку зажигания (в сущности- повышающий трансформатор), а для подачи напряжения в нужный момент (этот момент называется моментом зажигания)- придумали трамблер. Выбор цилиндра, на который подается искра, производится при помощи распределителя зажигания. Конструктивно- трамблер и распределитель зажигания обычно находятся в одном корпусе. Ниже описана эта система подробнее:

Когда контакты размыкаются (это происходит из-за формы вращающейся оси трамблера)- на вторичной обмотке появляется импульс очень высокого напряжения. Этот импульс и направляется к нужной свече при помощи распределителя зажигания. На контактах свечи проскакивает искра и поджигает топливо. Все. ;)

Как говорится- все гениальное просто. Точно так же просто устроен и двигатель внутреннего сгорания. Ниже- мы рассмотрим некоторые усовершенствования ДВС, придуманные человечеством... Но не в хронолигечском порядке, и даже не в порядке важности, а так... просто абы как... Итак:

Появился угол опережения зажигания (УОЗ)
Изначально- искра появлалсь в момент, когда поршень оказывался вверху рабочего цилиндра. Но моторостроители быстро сообразили, что смесь загорается и горит не мгновенно, а с опредленной (довольно стандартной) скоростью. Поэтому было принято решение смесь поджигать заранее, чтобы в верхней точке смесь уже "хорошенько" горела. Это опережение называется углом опережения зажигания (угол, на который поворачивается коленвал от момента зажигания до момента, когда поршень оказывается в верхней мертвой точке.
При этом увеличение угла зажигания (раньше) приводило к повышению тяги на низких оборотах и уменьшениею на высоких. И наоборот.

В карбюратор добавили подсос
В морозы (или даже когда двигатель просто очень холодный) бензин становится гуще и плохо распыляется форсункой. Смесь получается неоднородной и плохо горит (фактически- горит только поверхность капелек). Увеличение количества смеси положение не спасает. Помогает лишь изменение качества смеси в сторону обогащения (топливом). Для этого придумали установить на пути воздушного потока в карбюраторе дополнительную заслонку. Ее закрывают: воздуха в двигатель попадает меньше, что приводит к обогащению смеси и она лучше горит. Когда двигатель прогреется- эту заслонку открывают, тем самым переводя питание двигателя в "обычный" режим.

Центробежный регулятор угла опережения зажигания
Как известно- чем больше УОЗ(раньше зажигание), тем больше тяга на низах и тем меньбше на высоких оборотах. Если перестраивать УОЗ в зависимости от оборотов- можно получить более ровную кривую тяги. Т.е. необходимо увеличивать УОЗ с ростом оборотов. Для этого придумали очень интересную вещь: "квадратный" профиль оси закрепили на специально подвижной площадке (эта площадка может немного вращаться вокруг оси трамблера, тем самым изменяя УОЗ). К вращающейся оси прикрепелены грузики на пружинках. При вращении на холостом ходу грузики притянуты к оси. С повышением оборотов, центробежная сила, действующая на грузики, увеличивается и разводит их в стороны. Чем больше обороты- тем дальше отодвигаются грузики. При этом они соединены специальным образом с подвижной площадкой и с ростом оборотов сдвигают ее в сторону уменьшения УОЗ. Все ;)

Резисторы в бегунке и свечах
При работе двигателя в радиоприемниках слышен характерный треск, или писк. Это происходит из-за радиопомех, создаваемых искрами в трамблере и "нехорошими" гармониками в высоковольтной части. Помимо радиопомех- мешали еще и помехи в бортовой сети (просадка напряжения), из-за работы катушки зажигания. Решили эту проблему довольно просто: поставили резисторы, гасящие все это. Резисторы поставили в цепь питания катушки, в бегунок трамлера, в свечи и высоковольтные провода. Причем в некоторых автомобилях в момент запуска двигателя резистор в катушке отключается для увеличения мощности искры (например- это реализовано в 412-м москвичевском моторе)

Распредвал подняли вверх
Штанки толкателя постоянно гнулись и вообще- требовали к себе внимания. Поэтому распредвал подняли вверх, соеднив его с коленвалом цепью (а позднее и ремнем). При этом от штанг отказались, а распредвал напрямую жмет на коромысла.

Вакуумный регулятор угла опережения зажигания
На автомобилях наблюдался вялый разгон на средних оборотах, когда водитель резко нажимал педаль газа. Экспериментально пришли к тому, что зажигание нужно было сделать пораньше, для более динамичного разгона. Причем- чем большая нагрузка на двигателе, тем раньше нужно ставить зажигание. Это реализовали с помощью вакуумного регулятора УОЗ. Контакты трамблера закрепелены на специальную подвижную площадку, которая может вращаться вокруг оси трамблера, перемещая упор контактов вокруг профиля-"квадрата", тем самым изменяя УОЗ. Сбоку приделан непосредственно- регулятор УОЗ: фактически- мембрана. При появлении вакуума- она натягивается и тянет за собой площадку с контактами (т.е. вращает ее). Вакуумный шланг подключен к карбюратору. Чем сильнее мы давим на педаль- тем больше разряжение, тем сильнее изменяется УОЗ. Все ;)

Убрали коромысла распредвала (толкатели)
После того, как распредвал подняли вверх- осталась только одна проблема: необходимо было периодически регулировать клапана, т.к. зазор все время "уходил". Решили коромысла "выкинуть", а распредвал поставить "вверх ногами", чтоыб он давил непосредственно на клапана. Регулировка клапанов теперь осуществлялась специальными "пятками"- круглыми пластиночками юстивированной толщины. Эти пластинки устанавливались между клапаном и распредвалом (т.н. толкатель). Теперь регулировать клапана нужно было только по их износу (пару раз за срок службы двигателя).

Жиклеры холостого хода(ХХ) и рабочие
В первых карбюраторах жиклер был всего один. При этом, для того, чтобы мотор не глох на холостом ходу, дроссельную заслонку до конца не закрывали. При этом холостой ход был нестабильным из-за постоянного изменения пропускной способности щели между дроссельной заслонкой и стенкой камеры (это, в свою очередь, происходило потому, что регулировка ХХ делалась винтиком, не дающим педали газа полностью отпускаться). Поэтому этот винтик убрали (точнее- сделали его не таким значимым), а смесь для ХХ теперь готовится при помощи дополнительных жиклеров: топливного и воздушного. Эти жиклеры стали называть жиклерами холостого хода. Оставшийся (главный) жиклер стал называться рабочим.

Вторая камера карбюратора
Все карбюраторы были однокамерными. Но мощность двигателей росла. Для них нужно было больше смеси, а значит и бОльший диаметр камеры карбюратора (чтобы пропустить больше воздуха). Но чем больше камера карбюратора- тем сложнее распылять смесь при малой нагрузке на двигатель (струя не разбивается медленным воздушным потоком). Выход- поставить вторую камеру карбюратора, заслонка на которой будет открываться только когда это необходимо (например- при полном нажатии на педаль газа). Соотвественно дублируются и дроссельная заслонка и жиклер и т.п. Жиклер холостого хода дублировать смысла нет, т.к. он может быть установлен только в одной камере (для ХХ нужно мало воздуха и смеси)

Вакуумный привод 2-й камеры карбюратора
Как только в карбюраторе появилась вторая камера- встал вопрос: когда же ее открывать? Изначально это делалось механически: она открывалась, когда педаль газа нажималась более, чем на половину рабочего хода. Затем механический привод был замемен на вакуумный, аналогично вакуумному регулятору УОЗ.

Ускорительный насос карбюратора
Карбюратор был устроен таким образом, что топливо засасывалось в него вместе с воздухом. Чем больше открывали заслонку, тем больше воздуха засасывал двигатель и тем больше топлива попадало в него. Но в момент резкого нажатия на педаль газа небыло резкого разгона, т.к. поток воздуха нарастал не так быстро как хотелось бы, а достаточно медленно. Чтобы скомпенсировать этот "провал" - решено было переобогащать смесь на короткое время впрыском дополнительнйо порции топлива. Для этого и был придуман Ускорительный насос. Если вы резко нажмете на педаль газа- в двигатель подастся дополнительная порция топлива, что приведет к более интенсивному горению, а значит к более значительному ускорению. На расход топлива ускорительный насос сильно ен влияет, т.к. вы резко нажимаете газ в пол довольно редко.

V-образный мотор
Рабочие цилиндры двигателя стали располагать не в ряд (т.н. "рядный мотор"), а попарно наклонили (т.н. V-образный двигатель). При этом освободилось больше места для клапанов, что позволило увеличить их диаметр, а значит и пропускную способность. Более того- такая схема расположения позволила увеличить крутящий момент двигателя за счет увеличения плеча приложения силы. Не путать с увеличением мощности двигателя. Просто кривая мощности стала более прямой за счет увеличения мощности на низких оборотах.

Датчик Холла и электронное зажигание
Механические системы зажигания много энергии теряли на "собственные нужды", что, в итоге, влияло на мощность искры в свече и на мощность мотора. Все механические части решено было заменить на "аналогичные по смыслу" электронные и электромагнитные. Например- контакты прерывателя в трамблере заменили транзистором. При этом транзистор сначала управлялся по старинке, тем же прерывателем, но позже поставили "датчик холла"- безконтактный датчик, встраиваемый в корпус двигателя и следящий за положением шатунов коленвала. Такое устройство позволило значительно повысить мощность двигателя, она требовала меньше периодических настроечных работ, была более надежна. С ее помощью на свет появились такие вкусности как "октан корректор", позволяющий настраивать УОЗ прямо на ходу и еще много разных "вкусностей".

ЭПХХ
Электропривод холостого хода. Идея была проста до гениальности: жиклер холостого хода закрывали электромагнитным клапаном (ЭМКХХ). Причем закрывали только когда обороты двигателя были выше опредленного значения. Например- выше 1500 оборотво в минуту. Это простое устройство позволило улучшить торможение двигателем при движении вниз, к тому же уменьшить (хоть и незначительно) расход топлива в момент такого движения. ЭПХХ в горной местности серъезно экономит топливо, тормозные колодки и нервы водителей :)

Многоэлектродная свеча
Центральный электрод свечи остался один. А вот боковых электродов стало три или четыре. Крепятся они точно так же, как и один и расположены равномерно по кругу. Такая компоновка позволила значительно уменьшить загрязнение электродов. Даже в режимах работы двигателя с плохой самоочисткой свечей они долго не требуют очистки.

Форкамерная свеча

Два распредвала и куча клапанов

Автоподсос

Четыре катушки

Электробензонасос

Форсунки и ТНВД. Инжектор

Распределенный впрыск

Электронный моно и распредленный впрыск

Лямбда зонд

Катализатор. Датчик катализатора

Второй лямбда зонд

Valvetronic и прочие valve системы


.
.
.
.

(c) Иван Забурдаев, 2006г.

На текстик пришел комментарий от Рогожкина Алексея. Привожу его ниже, отмечу лишь то, что я не пытался описать устройство наиболее точно и подробно, тем более точно описать все названия и все причины. Это лишь "захламило бы" и без того насыщенный текст. Вот сам комментарий:

Здравствуйте, Иван!
Поконкретней - так поконкретней. К сожалению, не могу сейчас вылезти на вашу страницу (у меня инет глючит), так что перечислю по памяти.
Часть 1
Ну во-первых коленвал и ВВ провода (соответственно) на 4-цилиндровом двигателе нарисованы неправильно. Не зря конструкторы разработали КВ, у которого крайние кривошипы направлены вверх, а средние - вниз - это позволяет полностью скомпенсировать силы и моменты инерции 1го порядка и центробежные силы. В вашем варианте компенсируются только силы инерции 1го порядка и никакие другие.
ГРМ.
История описана правильно, а вот причины развития - нет.
1. Нижнекрапанный ГРМ (SV - Side Valves)
Распредвал располагался в блоке и приводился шестеренками (хороших цепей тогда не было). Вполне логично было организовать прямой привод клапанов, открывающихся вверх. Такое решение было приемлемо для тех уровней форсировки (Подъем клапана ограничен высотой камеры сгорания) и качества бензина (опять-таки, при невысокой степени сжатия КС получалась большой).
2. Верхнеклапанный ГРМ (OHV - Over Head Valves)
При увеличении степени сжатия не оставалось места для клапанов сбоку и клапаны перенесли наверх. Вполне логично их приводить от нижнего РВ штангами, а в качестве устройства, изменяющего направление движения (Штанга-вверх - клапан-вниз) и подъем клапана использовать двухплечий рычаг, называемый коромыслом.
По сути, изменилась только головка блока, блок цилиндров остался практически таким же.
3. Верхневальный ГРМ (OHC - Over Head Cam)
При форсировании по оборотам возрастали потери в вышеописанном ГРМ (все это железо надо туда-сюда двигать, на это уходит энергия) и размазывались фазы газораспределения (пружина не может моментально закрыть клапан), поэтому РВ перенесли в головку. РВ может приводиться шестеренками, ремнем или цепью (экзотика - вертикальным валом). Клапана приводятся коромыслами, рокерами (одноплечий рычаг - привод возможен только при рядном расположении клапанов) или может быть организован прямой привод крапонов.
4. Два распределительных вала (DOHC - Double Over Head Cam)
Коромыслы или рокеры - тоже лишний вес, выстраивание клапанов в ряд - плохо используем поверхность КС (диаметр клапана не увеличить) - значит надо расположить клапаны V-образно и приводить их прямым приводом. Свой ряд - от своего вала. В такой схеме количество клапанов на цилиндр может быть от двух до восьми(!!!!!) - для увеличения пропускной способности впускного и выпускного тракта.



Все статьи
На главную
Рейтинг@Mail.ru