Автомобильный двигатель

Автомобильный двигательАВТОМОБИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Наиболее распространенным типом автомобильных двигателей следует считать двигатель внутреннего сгорания), работающий по 4-тактному циклу Отто с карбюрированием топлива. Значительно реже встречаются автомобили с 2-тактным двигателем (автомобили Троян и Константинеско). Большинство автомобилей имеет 4-цилиндровый мотор, но за последние годы заметен переход к 6-цилиндровым моделям моторов. Так, например, на выставке французского автомобильного салона в 1926 г. из 252 разных типов шасси было:

avto dvigatel t1

Рабочий цикл автомобильного 4-тактного мотора совершается за 4 хода поршня (такта), а именно: 1-й такт (поршень движется в цилиндре вниз) - всасывание горючей смеси; 2-й такт (поршень движется вверх) -  сжатие горючей смеси и запал; 3-й такт (поршень движется вниз) - расширение сгоревших газов смеси, рабочий ход; 4-й такт (поршень движется вверх) - выталкивание отработанных остатков сгоревшей смеси. Отдельные рабочие такты не совпадают во времени точно с ходами поршня, а ограничены временем действия всасывающего и выпускного клапанов мотора. В случае 2-тактного мотора весь процесс совершается за 2 хода (такта) поршня. В верхнем мертвом положении поршень не доходит до верха цилиндра на некоторую величину; остающийся объем называют камерой сгорания. Отношение объема цилиндра при низшем положении поршня к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. Величина этого отношения значительно влияет на степень использования топлива двигателем.

Для оценки всех потерь в действительном рабочем цикле двигателя установлены следующие понятия: 1) термическим КПД ηt называют отношение тепла, обращенного в работу в идеальном цикле, ко всему затрачиваемому теплу, определяемому по теплотворной способности ku рабочего топлива; 2) индикаторным КПД ηi называют отношение тепла, соответствующего действительной рабочей индикаторной диаграмме двигателя, ко всему затраченному теплу; 3) относительным КПД ηg называют отношение индикаторного коэффициента к термическому: ηg = ηit; этот коэффициент учитывает те тепловые потери, которые имеются в действительном рабочем цикле по сравнению с идеальным; 4) эффективным КПД ηe называют отношение тепла, эквивалентного действительной работе, развиваемой на валу двигателя, ко всему затраченному теплу; 5) механическим КПД ηmназывают отношение эффективного коэффициента к индикаторному, характеризующее механические потери двигателя.

Работа, развиваемая двигателем за один рабочий цикл, определяется его действительной индикаторной диаграммой. Средним индикаторным давлением рi (кг/см2) называют такое давление, которое соответствует средней высоте рабочей диаграммы. Среднее эффективное давление, т. е. то, которое соответствует эффективной мощности двигателя, получается из индикаторного, умножением его на механический КПД: ре = рi∙ηm. Разность между средним индикаторным и средним эффективным давлениями pr = pi—ре есть среднее давление, соответствующее работе трения двигателя. Мощность двигателя м. б. определена, если известны его основные размеры, число цилиндров i, число оборотов в минуту n и среднее давление pi или ре, причем давлению pi соответствует индикаторная мощность Ni, а давлению pе - эффективная мощность Ne: Ne = pe∙Vh∙i∙n/900  л. с., где ре выражено в кг/см2, Vh - объем цилиндра в л, n- число оборотов мотора в минуту.

Удельной мощностью двигателя называется мощность, развиваемая одним литром его рабочего объема. Состав рабочей смеси влияет на мощность и экономику двигателя. Величиной, определяющей состав рабочей смеси, является коэффициент избытка воздуха α. Это есть отношение действительного количества воздуха, приходящегося на 1 кг топлива в смеси, к теоретически необходимому, определяемому по химическому составу топлива и реакциям сгорания. В автомобильном двигателе α колеблется от 0,8 до 1,2, причем максимальную мощность двигатель развивает при α = 0,85—0,9.

Тепловые и механические потери в автомобильном двигателе. Степень совершенства двигателя с термической стороны учитывается термическим КПД процесса работы двигателя. Термическое исследование цикла Отто дает значение для этого коэффициента в следующем виде: ηt = 1—ε1—k, где ηt- термический КПД цикла, ε - степень сжатия мотора, k- показатель адиабаты. Т. о. термический КПД зависит только от степени сжатия мотора и с увеличением степени сжатия увеличивается. В следующей таблице приведены значения ηt для разных степеней сжатия ε и k = 1,41:

avto dvigatel t2

В действительном процессе из-за того, что теплоемкость газов меняется в зависимости от температуры, а также вследствие изменения химического состава газа при сгорании, термический КПД будет меньше и, например, для наивыгоднейшего состава газа, по опытам Tisard и Руе, определяется соотношением: ηt = 1—ε—0,295. Отсюда видно, что мотор следует выполнять с возможно большей степенью сжатия. Пределом увеличения таковой является самовоспламенение смеси из-за повышения температуры сжимаемой смеси. Температура вспышки смеси бензина с воздухом лежит около 415°С, что соответствует предельной степени сжатия ε ≈ 4,5. В действительном процессе появляется еще ряд потерь, а именно: 1) скорость сгорания, на основании многочисленных опытов, не особенно велика, и процесс сгорания в виду этого частично переносится на линию расширения; потеря от этого составляет около 4% от всего количества тепла; 2) часть тепла, полученного от сгорания, теряется благодаря отдаче непосредственно стенкам цилиндра мотора (около 10—14 % от всего тепла); 3) потери от падения давления при всасывании и от повышения давления при выталкивании газов, а ташке потери от предварения выхлопа.

На фиг. 1 приведены результаты подсчета термического КПД, произведенные Tisard и Руе, а также величина индикаторного КПД, полученная профессором Рикардо.

Результаты подсчета термического КПД, произведенные Tisard и Руе, а также величина индикаторного КПД, полученная профессором Рикардо

Как видно, более бедная смесь дает более высокий КПД, чем смесь с теоретически необходимым (α = 1) количеством воздуха, и это подтверждается соответствующими опытами. Положим, что автомобильный двигатель имеет степень сжатия ε = 4,5. Около 4% тепла потеряется вследствие неполноты сгорания, около 10% отдается стенкам цилиндра в период рабочего хода - т. о. потери составляют около 14%. Термический КПД (фиг. 1) при коэффициенте избытка воздуха α = 1,1 около 0,34. Следовательно, индикаторный КПД будет ηi= 0,86∙0,34 = 0,292. В эффективную работу обратится меньшее количество тепла, т. к. в двигателе будут потери на трение. Суммарные потери на трение в моторе, отнесенные к единице площади поршня, составляют примерно от 0,74 до 1,0 кг/см2. Предположим, что имеется двигатель со средним индикаторным давлением pi= 5,2 кг/см2. При принятой величине механических потерь механический КПД ηm будет равен (5,2—1)/5,2 = 0,81 и экономический КПД ηеi∙ηm = 0,292∙0,81 = 0,236. Но экономический КПД есть отношение тепла, превращенного в эффективную работу, к затраченному теплу, т. е. ηe = 632/(huq), где hu - низшая теплотворная способность топлива, a q - часовой расход топлива на 1 л. с./ч. Отсюда, зная ηе, можно подсчитать расход топлива нашим двигателем: q = 632/(hu∙ηe) = 632/(10400∙0,236) = 0,260 кг на л. с./ч.

Для современного автомобильного двигателя с поршнем из легких металлов ηе = 25—28%, а для моторов с чугунными поршнями и с небольшой степенью сжатия ηе опускается до 20%. Среднее индикаторное давление зависит от степени сжатия ε, а также от коэффициента подачи ηv. Коэффициентом подачи называют отношение действительно засосанного количества рабочей смеси к теоретически возможному при температуре и давлении окружающей среды. Коэффициент подачи будет тем меньше, чем больше сопротивление всасывающих и выхлопных клапанов и трубопроводов, а также чем больше подогрев вступающей смеси от стенок цилиндра. На фиг. 2 приведены данные опытов Judge, дающие зависимость веса смеси, засосанной в цилиндр за один оборот коленчатого вала, от числа оборотов двигателя в минуту.

Вес заряда мотора за один оборот в граммах

Верхняя кривая построена для холодного мотора (получена проворачиванием двигателя электромотором). Нижняя - соответствует нормальной работе мотора. Как видно, разница в количестве засосанной смеси горячим и холодным мотором колеблется в среднем около 12—15% и была бы значительно ниже, если бы не понижение температуры смеси при нормальной работе мотора за счет испарения топлива в карбюраторе. Коэффициент подачи ηv для современных автомобильных двигателей колеблется от 75 до 80%, при хорошей конструкции достигает на средних оборотах до 92%. Мощность мотора связана с коэффициентом подачи. По опытам Бекера, уменьшение ηv на 10% снижает максимальную мощность мотора на 18%; поэтому в моторах стараются увеличить время всасывания и всасывающий клапан закрывают, пройдя 40—45° после нижней мертвой точки. В быстроходных моторах это запаздывание закрытия делают до 60°. Это понижает коэффициент подачи мотора и, следовательно, мощность его на малых оборотах, но зато увеличивает их на больших. Выхлопной клапан для увеличения времени выхлопа открывается также раньше нижней мертвой точки и закрывается, часто пройдя верхнюю мертвую точку. На фиг. 3 нанесены диаграммы распределения нормального и быстроходного автомобильного мотора.

Диаграммы распределения нормального и быстроходного автомобильного мотора

Максимальная мощность автомобильного мотора получается при работе с некоторым недостатком воздуха (α = 0,84), а максимальный КПД - при некотором избытке воздуха (α = 1,07). На фиг. 4 показано изменение мощности и экономического КПД в зависимости от избытка воздуха.

Изменение мощности и экономического КПД в зависимости от избытка воздуха

С прикрытием дросселя максимальный КПД сдвигается в сторону богатой смеси. Стремление дать легкую, дешевую и в то же время экономную машину заставило обратить внимание на создание мотора небольшого литража (объема цилиндров), но развивающего большую мощность при высоком КПД. В 1905 г. 1 литр объема мотора гоночной машины давал 11 л. с., а в 1926 г. - около 100 л. с. (автомобиль Деляж, Vh = 1,5 л, развил 160 л. с. при 7500 об/мин.). Число оборотов легковой машины, при котором мотор развивает максимальную мощность, - от 2000 до 3500 в минуту, у гоночных достигает 7000 об/мин. и выше. Нормальный легковой мотор американской конструкции развивает мощность около 12—15 л. с. на 1 л объема цилиндра, автомобильные же двигатели европейских марок дают литровую мощность несколько выше.

Конструкция автомобильного мотора. Большинство автомобильных моторов имеет отливку цилиндров в одном блоке, часто со съемной головкой. Ровность и легкость хода, связанная с хорошим уравновешиванием движущихся частей, дает большие преимущества 6-цилиндровому и 8-цилиндровому мотору, вследствие чего, несмотря на некоторую неэкономичность, они получают все большее и большее распространение по сравнению с 4-цилиндровым. На фиг. 5 представлен поперечный и продольный разрез автомобильного 4-цилиндрового мотора с верхним расположением клапанов.

Поперечный и продольный разрез автомобильного 4-цилиндрового мотора с верхним расположением клапанов

Все 4 цилиндра отлиты вместе со своими рубашками для водяного охлаждения и имеют отдельную съемную верхнюю головку. В каждом цилиндре ходит поршень а, который соединен шатуном b с коленчатым валом с двигателя. Поршень, для предотвращения просасывания газов между ним и стенками цилиндра, снабжен поршневыми кольцами d. В верхней части, в отдельной головке, расположены рядом всасывающий и выхлопной клапаны е и f, которые в нужные моменты открываются под действием коромысла g и толкателя h, кулачками i на кулачковом (распределительном) валу k. Коленчатый вал с помещается в картере мотора на трех коренных подшипниках I, на конце его помещен маховик m. Смазка мотора производится маслом, запас которого находится на дне картера и которое подается масляной помпой n по трубке о через фильтр р в коренные подшипники мотора; отсюда через сверления в коленчатом валу масло достигает до подшипников шатуна и далее, разбрызгиваясь, смазывает цилиндры и все остальные части мотора. Давление масла в масляной системе регулируется посредством клапана r, снабженного регулируемой пружиной. Масляный насос приводится в движение с помощью зубчатой передачи от распределительного вала мотора. Тепло через стенки цилиндра отводится в охлаждающую воду, циркулирующую между цилиндром мотора и его рубашкой. Вода получает принудительное движение от водяного насоса s, приводимого в действие от распределительного вала мотора. Пройдя рубашки моторов, вода поступает в головку мотора, охлаждает ее и, нагревшись, уходит в радиатор через патрубок t. Всасывающий трубопровод с карбюратором u расположен сбоку мотора. Выхлопной трубопровод, приборы электрического оборудования расположены на другой стороне мотора. Фиг. 6 иллюстрирует мотор с боковым расположением клапанов. На фиг. изображен мотор автомобиля Триумф.

Мотор автомобиля Триумф

Мотор этот 4-цилиндровый, диаметр поршня 77,5 мм, ход поршня 115 мм, объем цилиндров 2170 см3. Мотор развивает при 3000 об/мин. 45 л. с., что соответствует среднему индикаторному давлению рi = 6,22 кг/см2. Литровая мощность мотора Ne/Vh = 20,7 л. с. Верхняя часть картера отлита вместе с цилиндрами. Головка мотора съемная. Камера сгорания имеет форму, предложенную Рикардо. Поршень алюминиевый. Всасывающие и выхлопные клапаны имеют диаметр 31 мм, подъем клапана 7,8 мм. Коленчатый вал укреплен на трех подшипниках, диаметр всех шеек 43,8 мм. Три коренные шейки вращаются во вкладышах, залитых белым металлом (баббитом), и имеют длину 50, 43,8 и 62,5 мм. Шатунные шейки имеют длину 37,0 мм. На фиг. 7 изображен мотор автомобиля Гумбер.

Мотор автомобиля Гумбер

Выхлопные клапаны расположены сбоку, всасывающие подвешены в головке мотора. Мотор 4-цилиндровый, диаметр цилиндров 58 мм, ход поршня 100 мм. Объем цилиндров 1057 см3. Мощность при 1500 об/мин. 12,75 л. с., при 2000 об/мин. 17 л. с. и при 3000 об/мин. 23,5 л. с. Среднее индикаторное давление рi на малых оборотах равно 7,25 кг/см2, а при 3000 об/мин. - 6,67 кг/см2. Поршень алюминиевый имеет вверху 2 поршневых кольца, внизу имеет прорезы и разжимается расположенным внизу, с внутренней стороны поршня, пружинящим кольцом. В некоторых моделях моторов (Даймлера, Минерва, Воксхол, Виллис-Найт), вместо клапанного, применяется золотниковое распределение. На фиг. 8 показан в поперечном разрезе мотор Даймлер-Найт.

Мотор Даймлер-Найт

В верхней части мотора имеются всасывающие и выхлопные окна, сообщающиеся с соответственными трубопроводами; два золотника имеют цилиндрическую форму и движутся внутри цилиндра мотора один внутри другого; приводятся они специальными шатунами от особого коленчатого вала, расположенного в верхней части картера мотора; поршень ходит внутри внутреннего золотника; сверху цилиндр закрыт головкой специальной формы и в нее ввинчена свеча. Моторы с золотниковым распределением отличаются бесшумностью работы, но значительно сложнее в производстве и поэтому употребляются в дорогих машинах. В 4-цилиндровом моторе силы инерции второго порядка остаются неуравновешенными, и, хотя они по своей величине невелики, но высокие требования, предъявляемые к дорогим машинам, заставили конструкторов уравновесить и их. Мотор Виллис-Найт с золотниковым распределением и с уравновешиванием масс по системе Ланчестера имеет около среднего подшипника коленчатого вала винтовую зубчатку, вращающую две цилиндрические массы, которые располагаются под прямым углом к оси мотора и вращаются с удвоенным против коленчатого вала числом оборотов. Центр тяжести их смещен сверлением относительно оси вращения. Вращение этих масс установлено так, что их тяжелая часть стоит внизу, когда поршни находятся в мертвых точках. Центробежные силы, возникающие при вращении этих масс, уравновешивают силы инерции второго порядка, возникающие во время работы мотора.

Детали мотора. Цилиндры моторов отливают из серого чугуна почти исключительно в одном блоке. Иногда отливают цилиндры попарно в одном блоке, а в 6-цилиндровом моторе - по три цилиндра в блоке. В верхней части цилиндры имеют клапанные коробки с одной-двух сторон. Цилиндры снабжены водяной рубашкой. Почти все моторы имеют съемную верхнюю головку. Примерный состав чугуна (в %):

avto dvigatel t3

Крепость чугуна на растяжение 20—24 кг/мм2, твердость по Бринеллю 200, толщина стенок цилиндра около 6 мм вверху и 8 мм внизу и толщина рубашки около 4 мм.

Картер мотора обычно отливается из алюминиевого сплава; примерный состав сплава (в %):

avto dvigatel t4

Удельный вес около 2,8, сопротивление на разрыв около 1500 кг/см2, удлинение 1,5—4%. Часто, в особенности у грузовых моторов, верхняя часть картера отливается вместе с цилиндрами мотора. В верхней части картера прилиты лапы, которыми мотор укреплен на раме автомобиля. Нижняя часть картера или штампуется из стального листа, или отливается из алюминиевого сплава. В нижней части картера мотора расположен запас масла для смазки мотора; для лучшего охлаждения масла эта часть иногда снабжается ребрами.

Поршень отливают из чугуна, алюминиевых или магниевых сплавов. В настоящее время чугунные поршни применяются гл. обр. в тихоходных моторах грузовых автомобилей. Поршень в автомобильных моторах служит в то же время в качестве крейцкопфа и поэтому имеет форму стакана, длиной примерно в 1,2 диаметра цилиндра. Поршень делают диаметром несколько меньше, чем цилиндр, и зазор вверху поршня несколько больше, чем внизу. Величину зазора выбирают так, чтобы поршень, когда он нагреется, не заедало в цилиндре. На фиг. 9 представлен в разрезе нормальный чугунный поршень, а также способы укрепления поршневого пальца.

Нормальный чугунный поршень, а также способы укрепления поршневого пальца

На поршне имеется 3—4 поршневых кольца, служащих уплотнением между поршнем и стенками цилиндров. Поршневые кольца изготовляются из чугуна, ширина их при чугунном поршне около 5—8 мм; чтобы они пружинили, делают разрез, форма которого показана на фиг. 10.

Поршневые кольца

Поршневой палец укреплен в специальных приливах в стенках поршня; в некоторых моделях палец может вращаться - т. н. плавающий палец. В последнее время в легковых, а также и грузовых моторах стали применять поршни из легких сплавов (алюминиевых или магниевых), обладающих хорошей теплопроводностью и меньшим, по сравнению с чугуном, коэффициентом трения. Мотор с поршнем из легких сплавов лучше использует тепло топлива и вследствие легкости поршня развивает большее число оборотов. На фиг. 11 представлен результат опыта с мотором при различных поршнях.

Результат опыта с мотором при различных поршнях

С легким поршнем мотор развил большую мощность и уменьшил расход топлива. На фиг. 12 представлена конструкция поршня из легкого металла; днище поршня из легкого сплава не делают тоньше 8—10 мм (для хорошего отвода тепла).

Конструкция поршня из легкого металла

Главные диаметры (в мм) и материал поршней приведены в таблице:

Главные диаметры (в мм) и материал поршней

Поршневые кольца для алюминиевого поршня делают несколько уже, чем для чугунного, с расстоянием между кольцами около 3—4 мм. В качестве материала для чугунных поршней применяют чугун более мягкий, чем для цилиндров. Наиболее употребительный состав сплава для алюминиевых поршней (в %):

Наиболее употребительный состав сплава для алюминиевых поршней (в %)

Удельный вес 2,8—3, твердость по Бринеллю 86—126. Поршни из электрона содержат примерно:

Поршни из электрона содержат

Твердость по Бринеллю 43—44, сопротивление на сжатие - 36 кг/мм2, удельный вес 1,75. В поршнях из электрона часто применяют плавающий поршневой палец. Напряжение на сжатие в приливах поршня не допускают больше 145—160 кг/см2, считая давление вспышки в 30—32 кг/см2.

Поршневой палец изготовляется из специальной стали трубчатого сечения (хромоникелевой стали: С = 0,25%, Сг = 0,7%, Ni= 4%) с сопротивлением на разрыв около 90 кг/мм2, с пределом упругости около 65 кг/мм2 и удлинением в 19—20%.

Шатун в автомобильных двигателях изготовляется avto dvigatel z1 или О сечения. Материалом для шатуна служит никелевая сталь с содержанием Ni≈ 2%. В быстроходных двигателях шатуны часто делают из дюралюминия (удельный вес 2,8, сопротивление разрыву 42—48 кг/мм2, предел упругости 28—34 кг/мм2, модуль упругости Е = 600000 кг/см2, удлинение от 10 до 18%) или из прессованного электрона (удельный вес 1,82, сопротивление сжатию 39 кг/мм2, сопротивление растяжению 36 кг/мм2, Е = 450000 кг/см2. удлинение от 10 до 12%). На фиг. 13 и 14 изображены легкие шатуны дюралюминиевый и из электрона.

Шатун из дюралюминия

В верхней головке шатуна запрессована бронзовая втулка, в которой вращается поршневой палец. Нижняя шатунная головка разрезная, содержит бронзовые вкладыши, залитые баббитом. Длина шатуна в автомобильном моторе в 4,2—4,8 раза более, чем радиус коленчатого вала. Расчет тела шатуна надлежит вести на продольный изгиб по формулам Тетмайера.

Шатун из электрона

Коленчатый вал - одна из самых ответственных частей мотора. Отковывается из никелевой или хромоникелевой стали (примерный состав для никелевой стали: С = 0,15%, Мn = 0,6—0,7%, Si = 0,1%, Ni = 5%, Сг = 0,15—0,20%; для хромоникелевой стали: С = 0,25%, Сг = 0,7%, Ni = 4%). Для хорошего уравновешивания масс и равномерного распределения вспышек, колена вала для 4-цилиндрового мотора расположены под углом в 180°, для 6-цилиндрового – под углом в 120°. На фиг. 15а, 15б и 15в приведены схематические чертежи валов различных моторов, там же видно, как располагают коренные подшипники моторов.

Схема коленчатых валов 4-цилиндрового мотора

Схема коленчатых валов 6-цилиндрового мотора

Схема коленчатых валов 8-цилиндрового мотора

Длина шеек коленчатого вала выбирается такой, чтобы удельное давление в момент вспышки не превосходило 50—90 кг/см2, а также, чтобы обеспечить отвод тепла, выделяющегося вследствие трения в подшипниках вала. Количество тепла пропорционально среднему удельному давлению avto dvigatel f1 (где D- диаметр цилиндра, pi- среднее давление на поршень, d - диаметр шейки в см, I - длина шейки в см) и окружной скорости шейки v м/сек. Произведение kv служит мерой работы трения; в современных моторах величина kv доходит до 200—300 кг∙км/см2∙сек. Такое количество тепла не м. б. отведено путем теплопроводности через стенки подшипника, и поэтому в современных автомобильных двигателях применяют принудительное охлаждение подшипников маслом. Для этого подводят к коренным подшипникам с помощью насоса необходимое количество масла, которое одновременно служит и для смазки. Масло в шатунные шейки подводится через сверления в коленчатом вале.

Клапаны, всасывающий и выхлопной, в современном моторе делают одинаковых размеров. Обращают внимание на хороший отвод тепла от клапанов. Клапаны изготовляют из стали, хорошо сопротивляющейся разрыву при высокой температуре и не окисляющейся. Для этой цели подходят стали с большим содержанием никеля (около 25%) или быстрорежущие стали (W - 15%, Сг - 3%). На фиг. 16 представлена конструкция подвесного клапана при верхнем расположении кулачкового вала.

Конструкция подвесного клапана при верхнем расположении кулачкового вала

Смазка мотора. Смазка подшипников коленчатого и кулачкового валов производится принудительно, а смазка цилиндров - путем разбрызгивания. Запас масла из нижней половины картера подается шестеренчатым насосом по особым трубопроводам в коренные подшипники коленчатого и в подшипники кулачкового валов. На фиг. 17 представлена система смазки в моторе Дикси.

Система смазки в моторе Дикси

Давление масла в трубопроводе при нормальном числе оборотов мотора держится около 0,2—0,3 atm и д. б. поднято с увеличением числа оборотов мотора. При увеличении удельного давления на подшипники давление масла надлежит поднять: например, при удельном давлении в 60 кг/см2 давление масла д. б. 0,5—0,7 atm. Для смазки мотора употребляются специальные масла - зимой более жидкие, летом более густые. Из русских масел для смазки моторов употребляют масло Нефтесиндиката «Автол» марок: «Л», «М», «Т». Для контроля смазки на щитке автомобиля помещен манометр, который указывает давление масла в маслопроводной системе. На моторе имеется регулятор, позволяющий регулировать давление масла в смазочной системе.

Охлаждение мотора. Из всего тепла, поступающего в мотор, около 33% передается стенкам цилиндра. Для удаления этого тепла нормальный автомобильный мотор снабжен водяным охлаждением. Вода, проходя через рубашку цилиндра, уносит с собой тепло и в радиаторе отдает его окружающему воздуху. В автомобильных двигателях применяют две системы водяного охлаждения: с принудительной циркуляцией воды помощью насоса и термосифонное охлаждение, основанное на циркуляции воды благодаря разнице удельного веса нагретой воды в рубашках цилиндра и холодной воды в радиаторе. Термосифонная система охлаждения приведена на фиг. 18.

Термосифонная система охлаждения

Как расположен насос при принудительной циркуляции воды, можно видеть на фиг. 5. Охлаждение воды происходит в радиаторе, помещаемом обычно впереди автомобиля. На фиг. 19 и 20 показан внешний вид радиатора.

Радиатор автомобиля Мерседес

Радиатор автомобиля NAT из отдельных секций

Различают две системы радиаторов: в сотовых (фиг. 21) вода проходит вокруг трубок, а воздух внутри них; в трубчатых, наоборот, вода движется по тонким трубкам, а воздух вокруг них.

Детали сотовых радиаторов

Для контроля за правильностью работы системы охлаждения, на радиаторе устанавливают специальный термометр. Одним из наиболее распространенных приборов этого типа является мотометр Бойса: на круглой шкале сделан ряд прорезов, каждый из которых соответствует определенному состоянию радиатора; если столбик спиртового термометра выйдет в верхнюю часть, то это указывает, что вода в радиаторе кипит, нужно остановить мотор; следующие черточки показывают нормальные температуры, соответствующие термосифонной или принудительной, с насосом, системам охлаждения. Иногда устанавливают на щите автомобиля дальномерные термометры (аэротермометры), дающие температуру воды в охлаждающей системе. На некоторых моторах устанавливают автоматическую регулировку охлаждения. Один из типов термостата, производящий такую регулировку, приведен на фиг. 22,

Термостат

Существенную часть прибора представляет приспособленный к значительным деформациям своего объема герметический сосуд, состоящий из ряда пружинистых тонких пластинок, спаянных между собою жесткими кольцами. Сосуд заключает в себе некоторое количество жидкости с низкой температурой кипения (например, эфира), закипающей при поднятии температуры воды. Давление паров расширяет сосуд и, приподнимая связанный с ним клапан, освобождает проход для охлаждающей воды. Во время малой скорости автомобиля проход воздуха через радиатор будет недостаточен для охлаждения воды, поэтому за радиатором на моторе устанавливается вентилятор, создающий добавочный приток воздуха.

Зажигание в автомобильных двигателях. Зажигание в автомобильных моторах употребляется исключительно от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи, ввинченной в камеру сгорания мотора. Один из типов применяемых свечей показан на фиг. 23.

Автомобильная свеча

Электрический ток высокого напряжения доставляется непосредственно от магнето, или ток от аккумулятора трансформируется катушкой Румкорфа до требуемого напряжения. В последнем случае аккумулятор заряжается от специальной динамо, приводящейся в движение от мотора, и служит одновременно для освещения и приведения в действие сигналов автомобиля. Среди магнето наибольшее распространение получили магнето высокого напряжения Бош, Эйземан, Дикси, Реми и Меа. На фиг. 24 представлен тип наиболее распространенного 4-цилиндрового магнето системы Бош.

Магнето системы Бош

Между полюсными наконечниками постоянных магнитов вращается якорь двутаврового сечения, имеющий две обмотки: первичная, около 200 витков проволоки диаметром около 0,8 мм, одним концом укреплена к массе якоря, а другим присоединена через одну обкладку конденсатора J, с помощью винта I, к контакту А прерывателя. Второй контакт прерывателя укреплен на угловом рычажке В, который качается на оси и соединен электрически с массой якоря; контакты поддерживаются в замкнутом состоянии пружиной Н. Прерыватель монтирован на диске D, который винтом I укреплен на оси якоря и вращается вместе с ним. Вторая обкладка конденсатора J соединена с массой якоря. Во время вращения якоря свободный конец углового рычажка В прерывателя находит на кулачки G, укрепленные на обойме и, поворачиваясь, разрывает цепь низкого напряжения магнето. Кулачки G расположены так, что прерывают ток в момент наибольшей силы тока в первичной обмотке; в этот момент первичная обмотка и конденсатор J образуют замкнутый колебательный контур, в котором возбуждаются колебания высокой частоты. Эти колебания индуктируют во вторичной обмотке SW магнето, намотанной в количестве 12000 или более витков тонкого провода (диаметром около 0,12 мм), ток высокого напряжения. Один конец вторичной обмотки присоединен к концу первичной (в точке PW), а второй - к коллектору О, укрепленному на втором конце якоря. Ток высокого напряжения через уголек Р, мостик Q и контакт R идет в уголек распределителя Z, а оттуда через соответствующий контакт Т в средний электрод свечи того цилиндра, в котором требуется произвести зажигание сжатой смеси. В свече ток проскакивает промежуток между электродами и по массе мотора возвращается в магнето. Момент зажигания регулируется моментом разрыва контактов прерывателя. Разрыв же контактов можно регулировать поворачиванием обоймы с кулачками G с помощью рычага L (см. фиг. 24а).

Магнето системы Бош

Эта регулировка необходима, т. к. сгорание смеси происходит не мгновенно, и момент запала поэтому д. б. предварен, - и тем более предварен, чем большее число оборотов развивает мотор. При пуске в ход мотора, магнето д. б. поставлено на позднее зажигание. Чтобы предохранить обмотки от пробива изоляции высоким напряжением в случае неисправности свечи, к мостику Q присоединен предохранитель ZZ, в котором расстояние X между контактами Z1 и Z2 выбрано такое, что в обмотках напряжение не может подняться до опасных пределов. Магнето соединено с мотором и вращается с определенной по отношению к коленчатому валу скоростью: т. к. за один оборот якоря могли быть 2 искры, то в 4-цилиндровом моторе магнето должно вращаться с одинаковым числом оборотов, а в 6-цилиндровом в полтора раза быстрее. Распределительный уголек Z укреплен на шестерне W, сцепленной с шестерней х на оси якоря, и должен делать один оборот за два оборота, мотора. В крышке S распределителя помещены контакты Т, по числу цилиндров мотора. На фиг. 25 представлена схема зажигания Делько, применяемая на автомобилях Кадиляк.

Схема зажигания Делько, применяемая на автомобилях Кадиляк

Электрический ток от аккумулятора И через выключатель 3 поступает в первичную обмотку Б индукционной катушки Ж, оттуда через постоянное сопротивление В (предохранитель) в прерыватель Г. Особенностью прерывателя являются две пары контактов, работающие параллельно; сделано это для надежности работы прерывателя. Конденсатор Е помещен параллельно с прерывателем. Из прерывателя ток по массе мотора и раме автомобиля возвращается в аккумулятор. Ток высокого напряжения из вторичной обмотки А индукционной катушки через распределитель К поступает в свечи и через массу мотора, аккумулятор и выключатель 3 возвращается во вторичную обмотку индукционной катушки. На автомобиле Форд применяется магнето низкого напряжения. Магнето помещено внутри картера мотора и имеет магниты, укрепленные непосредственно на маховике мотора. Катушки магнето укреплены параллельно маховику на особом диске и имеют обмотку из медной ленты. Один конец ленты припаян к массе, а другой подведен к контакту, укрепленному на изоляции к картеру мотора.

Карбюраторы. Рабочая смесь для двигателя образуется в карбюраторе. Для хорошей работы мотора необходимо получить смесь однородного состава, в которой топливо было бы превращено в пар и равномерно распределено в воздухе; это заставляет применять легкие сорта, т. е. требующие невысоких температур для своего испарения. В качестве топлива для автомобильного двигателя применяют: бензин 1-го и 2-го сорта, газолин, бензол. В следующей таблице приведены главные данные употребляемого топлива:

Средние химические и физические характеристики топлива автомобильных двигателей

На фиг. 26, представляющей карбюратор Зенит, можно проследить также и схему действия простейшего карбюратора.

Карбюратор Зенит

Бензин из бензинового бака через отверстие 1 попадает в поплавковую камеру 2. Уровень бензина, при помощи поплавка 3, игольчатого клапана (иглы) 4 с системой рычажков 5, поддерживается на постоянной высоте, расположенной немного ниже отверстия распыляющей форсунки жиклера. Отверстие жиклера помещается в узком сечении диффузора 6 смесительной камеры 7 карбюратора. При просасывании воздуха во время всасывающего хода двигателя в узком месте получается разрежение. Бензин, вытекая через отверстие жиклера, разбрызгивается, подхватывается протекающей мимо струей воздуха, распыляется, смешавшись с воздухом, испаряется и по всасывающей трубе попадает в цилиндр двигателя. Наполнение двигателя регулируется дроссельной заслонкой 8. Далее, при холостом ходе, когда дроссельная заслонка почти закрыта, скорость воздуха будет недостаточна для засасывания топлива, во избежание чего в карбюраторе устраивают специальный жиклер 9, который подводит топливо в место, где у карбюратора при открытой заслонке получается достаточное разрежение. Такого устройства карбюратор обладал бы существенным недостатком: пропорция бензина в воздухе менялась бы со скоростью прохода воздуха мимо жиклера и, следовательно, с оборотами мотора.

Расход воздуха через диффузор карбюратора

На фиг. 27 представлено количество воздуха, протекающее через диффузор при различных разрежениях в карбюраторе, а на фиг. 28 - изменение расхода топлива и жиклера с изменением разрежения.

Изменение расхода топлива через жиклер с изменением разрежения

Рассматривая обе кривые, видим, что с увеличением разрежения (с увеличением числа оборотов мотора) относительный расход бензина будет увеличиваться и смесь будет обогащаться. Для регулирования состава смеси во время работы мотора применяют один из следующих способов: 1) уменьшение разрежения в диффузоре путем ввода добавочного воздуха (иногда параллельно с регулировкой отверстия жиклера), 2) пневматическое торможение струи топлива.

Карбюратор Шеблер

Карбюратор Шеблер (фиг. 29) основан на принципе регулирования смеси по первому способу: бензин из поплавковой камеры D через отверстие Е попадает в жиклер G; воздух по трубке F с заслонкой для пуска в ход W проходит через диффузор L, смешивается там с поступающим из жиклера бензином, и богатая смесь поступает в камеру 1, где к смеси добавляется воздух, через клапан добавочного воздуха - А; с увеличением количества добавочного воздуха увеличивается приток бензина путем открывания отверстия жиклера иглой I, связанной рычагом Н с клапаном добавочного воздуха; для плавной регулировки добавочного воздуха клапан А связан с поршнем Т, движущимся в цилиндре U; полученный т. о. воздушный буфер обеспечивает плавную регулировку добавочного воздуха в карбюраторе. К особенностям этого карбюратора следует отнести концентрическое расположение поплавковой камеры относительно жиклера. Подобное расположение поплавковой камеры обеспечивает постоянство уровня у жиклера при работе карбюратора в наклонном положении автомобиля. Чтобы обеспечить хорошее испарение топлива в холодное время, смесительная камера окружена рубашкой, через которую пропускают горячие отработанные газы. В качестве карбюратора с автоматической регулировкой топлива на фиг. 26 уже была приведена схема очень распространенного карбюратора Зенит, имеющего два жиклера. Внутренний, главный жиклер G питается нормально из поплавковой камеры. Второй, добавочный жиклер Н, расположенный обычно концентрично с главным жиклером, питается из колодца 9, в который бензин протекает через калиброванное отверстие I. В то время как расход топлива через главный жиклер относительно просасываемого через карбюратор воздуха будет увеличиваться, расход бензина через добавочный жиклер будет уменьшаться. Так. обр. относительное содержание бензина в воздухе будет постоянным. Жиклер холостого хода N представляет собою трубку, берущую бензин из колодца 9 и подводящую его к заслонке дросселя, при открытии которого разряжение уменьшается и жиклер холостого хода перестает работать. Принцип пневматической регулировки топлива применен в ряде распространенных в настоящее время карбюраторов (Паллас, Клодель, Солекс и др.). На фиг. 30 представлен карбюратор Паллас.

Карбюратор Паллас

Жиклер находится в трубке F, помещенной наклонно в диффузоре. Сверху ввернута пробка H, имеющая калиброванное отверстие К для воздуха. Во время работы мотора через отверстие R вытекает эмульсия (смесь воздуха с бензином), закон вытекания которой примерно таков, как и воздуха, и, следовательно, состав смеси поддерживается постоянный. Пусковой жиклер представлен каналом М и отверстием N, в которое смесь поступает из трубки Е через отверстие L.

Другие типы автомобильных двигателей. Широкое развитие автомобильных хозяйств и связанное с этим вздорожание горючего материала поставили перед конструкторами задачу выработать автомобильный двигатель, работающий на более дешевом топливе, чем бензин. В разрешении этой задачи в настоящее время наметились два пути. Первый - переход на топливо с большим удельным весом (например, нефть) и, следовательно, к приспособлению работающего по циклу Дизеля двигателя как наиболее экономичного для работы в условиях автомобильного мотора. Второй путь - приспособление автомобильного двигателя к работе на дровах или древесном угле, т. е. с генерированием горючего.

Из попыток построить автомобильный двигатель, работающий по циклу, близкому к циклу Дизеля, следует упомянуть о полудизеле системы Тартрэ.

Двигатель Тартрэ

Этого типа двигатель, построенный фирмой Пежо, показан на фиг. 31. Двигатель выполнен 2-тактным, имеет два цилиндра, диаметром 120 мм, ход поршня 150 мм, развивает при 1450 об/мин. 53 л. с. и имеет вес около 4,6 кг на 1 л. с. Продувочный воздух под давлением около 1,36 atm поступает в продувочные окна, расположенные по окружности цилиндра под выхлопными окнами, вытесняет сгоревшие газы и сжимается при давлении поршня вверх до давления ~20 atm (ε = 9—10). Камера сгорания данного двигателя специальной формы, сообщается с цилиндром посредством горловины. Поршень имеет на днище специальную головку, которая при верхнем положении поршня входит с небольшим зазором в горловину. При этом, воздух, проходя из цилиндра в камеру сгорания через щель, завихряется и подхватывает нефть, впрыскиваемую через форсунку, расположенную в центре камеры сгорания; этим достигается хорошее перемешивание топлива с воздухом. Холодный мотор пускается на бензине, причем зажигание производится с помощью электрического запальника (свечи). Когда головка разогреется, переходят на работу на нефти, причем запал происходит автоматически, как и у двигателя Дизеля. Испытания, произведенные в 1923 г. фирмой Пежо над двумя автомобилями, из которых один был снабжен двигателем Тартрэ, а другой нормальным бензиновым, доказали полную пригодность полудизеля для работы на автомобиле. Легкость пуска, регулировка и динамические качества обоих моторов оказались почти равными. Расход топлива на 1 км пути у бензинового двигателя получился 0,16 л бензина, у двигателя Тартрэ ~0,15 л нефти. Т. к. головка на поршне работает в тяжелых температурных условиях и вследствие этого легко сгорает, этот двигатель до настоящего времени распространения не получил. Из двигателей, работающих по циклу Дизеля, на фиг. 32 показан автомобильный двигатель Юнкерс.

Автомобильный двигатель Юнкерс

Двигатель 2-цилиндровый, 2-тактный. В каждом цилиндре 2 поршня, двигающихся в разные стороны. Нижний поршень связан нормально с коленчатым валом, верхний действует на коленчатый вал помощью балансира и двух шатунов. Продувочные насосы устроены в верхней части цилиндров; их поршни составляют одно целое с верхними поршнями мотора. Форсунки для топлива расположены посредине цилиндров. Цилиндры стальные, запрессованные в отливку из легкого металла. 2-тактный мотор с диаметром цилиндров 80 мм и ходом поршней по 150 мм по габаритным размерам получается меньше, чем мотор 4-цилиндровый, работающий по 4-тактному циклу. Мощность его 45 л. с. при 1000 об/мин. и 65 л. с. при 1500 об/мин., что соответствует среднему эффективному давлению на поршень, равному Ре = 6,75—6,5 atm. Вес без маховика - 280 кг. Величина расхода топлива при различных нагрузках в зависимости от числа оборотов для этого двигателя представлена на фиг. 33.

Расход топлива двигателя Юнкерс

Как видно, для нагрузок, примерно до 60% от максимальной, двигатель дает расход топлива около 180 г/л. с., при 40% нагрузки - около 200 г/л. с. При применении газогенераторов в двигателях можно в качестве топлива применять древесный уголь и даже дерево. На фиг. 34 приведена конструкция генератора системы Имбер-Дитрих.

Конструкция генератора системы Имбер-Дитрих

Генератор Имбер-Дитрих (фиг. 35) (установленный на автомобиле системы Берлие) с опрокинутым горением позволяет в качестве горючего употреблять дрова различных пород, не исключая некоторого процента смолистых.

Генератор Имбер-Дитрих установленный на автомобиле системы Берлие

Газогенераторы (Панар-Левассор) с вертикальным горением (снизу вверх) предназначены для работы исключительно на горючем, не дающем гудронов (например, древесный уголь). Полученный газ поступает из генератора через охладитель в очиститель и оттуда в мотор. Генератор м. б. пристроен к любому автомобильному двигателю, но, во избежание потери мощности, лучше применять его на моторах с повышенной степенью сжатия (до ε = 7—10). В смысле расхода топлива практика показала, что 1 л бензина заменяется 1,2—1,3 кг древесного угля, или 2,0 кг дров. Расход топлива на 1 л. с. - около 460 г древесного угля, или около 1 кг дров. Для нас применение газогенераторов в автомобилях имеет большой интерес, в особенности в лесистых местностях.

Испытание моторов. Нормальное испытание мотора имеет целью выяснение правильности и тщательности исполнения конструкции, выяснение мощности, расхода топлива, а также надежности работы двигателя. Во время такого испытания производят замер мощности, развиваемой двигателем, суммарного и удельного (на единицу мощности) расхода топлива, расхода смазочного масла, количества тепла, уносимого с охлаждающей водой, работы трения мотора. Мощность, развиваемая двигателем, поглощается тормозом. Наиболее распространенным, дешевым и в то же время дающим очень точные результаты, является тормоз Прони. Поэтому в заграничной практике, несмотря на существование других весьма удобных способов торможения, этот тип тормоза все же применяется для быстроходных (делающих более 2000 об/мин.) двигателей. На фиг. 36 представлена типичная конструкция этого тормоза.

Тормоз Прони

На чугунном шкиве S, снабженном закраинами, помещены две деревянные колодки b и b, стягиваемые винтами. Со стороны, прилегающей к шкиву S, колодки обшиты алюминиевыми листами. Для хорошего охлаждения этих листов в верхней колодке проделаны канавки, сообщающиеся с трубкой. На эту трубку надевается во время работы резиновый шланг, по которому подводится под давлением мыльная вода. Шкив S во время торможения сильно нагревается, и для охлаждения его в пространство, образуемое закраинами, с внутренней стороны подводится вода. Нагретая вода забирается специальной трубкой, поставленной отверстием против вращения шкива. В тормозе Прони механическая работа мотора превращается в тепло. Регулируя нажим колодок винтами, вызывают на поверхности шкива силы трения, которые уравновешивают усилие, производимое мотором. Чтобы измерить мощность двигателя, к колодкам приделан рычаг Н, на конце которого подвешен груз G; тогда, в случае равновесия, мощность мотора будет равна: Nе = (H∙G∙n)/716,2 = 0,001396 Н∙G∙n, где Н - длина рычага, G - уравновешивающий груз и n- число оборотов мотора в минуту.

Из других типов тормозов, употребляемых при испытании автомобильных двигателей, следует упомянуть гидравлические и электрические тормоза и вертушки (мельницы Ренара). Гидравлические тормоза основаны на сопротивлении, которое оказывает вода движению диска (ротора), вращающегося в кожухе. На фиг. 37 показан в разрезе гидравлический тормоз Фруд.

Гидравлический тормоз Фруд

На валу тормоза, укрепленном в шариковых подшипниках корпуса, насажен ротор. Как в роторе, так и в кожухе устроены карманы полуэллиптического сечения. Во время движения ротор гонит воду к периферии; благодаря кривизне траектории вода отражается в карманы кожуха и направляется снова к центру ротора. Т. о. вода совершает круговые движения с большой скоростью и поглощает мощность, подводимую к ротору от двигателя. Между ротором и статором (кожухом) расположена тонкая металлическая ширма, которая может раздвигаться в направлении от центра к периферии тормоза. Вращением расположенного снаружи маховичка можно регулировать открытие карманов и тем самым нагрузку тормоза. В этом типе тормоза во время работы карманы полностью заполнены водой, которая поступает через отверстия кожуха в месте близ центра водоворота, где давление понижено. Отработанная вода отводится в трубу; отвод регулируется вентилем так, чтобы температура воды не поднималась слишком высоко (~50°С). Кожух укреплен на шарикоподшипниках и уравновешивается грузом. Фиг. 38 показывает полную установку для испытания двигателей с тормозами Фруд.

Установка для испытания двигателей с тормозами Фруд

Из гидравлических тормозов очень распространены тормоза Юнкерс, которые несколько проще по конструкции и подходят для быстроходных двигателей. Электрический тормоз (пендель-динамо) представляет динамо-машину, особенностью которой является то, что она может качаться на шариковых подшипниках и снабжена рычагами для уравновешивания грузом. Механическую работу динамо превращает в электрическую энергию, поглощаемую реостатом. Крутящий момент, передаваемый на динамо от мотора, измеряют по уравновешивающему грузу (Gкг) и, зная число оборотов мотора n, определяют мощность мотора. Для облегчения вычислений длину рычага делают равной 716,2 мм. Тогда Ne = Gкг∙n/1000. Электрические тормоза удобны тем, что, заставляя работать динамо как мотор, можно измерить работу трения мотора и определить механический КПД. В некоторых случаях в качестве тормоза употребляют мельницу Ренара (вертушку). Вертушка представляет собою металлическую или деревянную балку, укрепленную на оси, имеющую на концах пластинки. Меняя величину пластинок и их расстояние от оси вращения, меняют сопротивление вращению их в воздухе (для правильности действия вертушки она не должна быть устанавливаема близко от пола, стены и пр.). Приблизительно можно подсчитать мощность, поглощаемую вертушкой, на основании следующих соображений. Пусть площадь пластинок будет F м2, окружная скорость центра пластинок - v м/сек; тогда масса воздуха, прогоняемая вертушкой, будет

avto dvigatel f2 где γв. - вес 1 м3 воздуха, а - некоторый коэффициент. Кинетическая энергия, приобретенная воздухом в 1 сек, будет avto dvigatel f3 и, следовательно, затраченная на приведение в движение вертушки мощность

avto dvigatel f4 л. с. Для величины а можно принять значения ~ 0,85—1,7 в зависимости от данной конструкции вертушки. Таким образом мощность, поглощаемая вертушкой, зависит, кроме всего остального, от плотности воздуха, которая может меняться во время опыта. Поэтому при торможении мотора вертушкой он обычно укрепляется на балансирном станке, который позволяет непосредственно измерять крутящий момент мотора. На фиг. 39 такая установка мотора показана схематически.

Испытательная установка с мельницей Ренара

Мощность, поглощаемая вертушкой, зависит от массы воздуха, прогоняемой вертушкой, поэтому, ограничивая отвод воздуха, можно менять крутящий момент вертушки. Расход топлива нормально измеряется по объему.

Испытание мотора Австро-Даймлер

Для этого во время отсчета мотор питают из особого тарированного бачка, обеспечивающего непрерывную подачу топлива, и замечают время расхода определенного объема топлива.

Испытание мотора АМО

На фиг. 40 и 41 представлены результаты испытания в Научно-автомоторном институте в Москве (НАМИ) двух автомобильных моторов (Австро-Даймлер и АМО).

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 - 1927 г.