Закрываем крышку
Собранные нами детали приблизили нас к завершению изготовления камеры сгорания. Мы создали стенки блока цилиндров и подвижную нижнюю часть с поршнями. Осталось только закрыть её сверху, и здесь нам на помощь приходит головка блока цилиндров:
В ней есть множество отверстий. Во-первых, обратите внимание на четыре большие части внизу — эти куполообразные пустоты образуют верхнюю часть камеры сгорания. Все четыре части одинаковы, поэтому давайте рассмотрим только одну из них:
В нашем двигателе каждый цилиндр имеет четыре основных отверстия — через два всасывается воздух впуска, а через два других выводятся выхлопные газы. Если посмотреть на головку сбоку, то можно заметить, что каждая пара отверстий соединена в одно эллиптическое отверстие, выходящее сбоку головки. Эти каналы называются впускным и выпускным. Кроме того, по центру через ось каждого отверстия просверлено отверстие поменьше; они предназначены для впускного и выпускного клапанов:
В современных двигателях обычно используется несколько впускных и выпускных клапанов на цилиндр, потому что это увеличивает поток газов внутрь и наружу камеры сгорания. Кроме того, впускные клапаны обычно немного больше:
Когда поршень двигается вниз на такте впуска, создаваемая им разность давлений не больше давления входящего воздуха, которое в традиционных двигателях приблизительно равно атмосферному. Однако в конце такта сгорания давление внутри цилиндра во много раз больше, чем атмосферное, поэтому выбросить газы сгорания гораздо проще, чем всосать впускной воздух. Именно поэтому впускные отверстия и клапаны имеют больший размер.
Давайте внимательнее рассмотрим работу этих клапанов. Во-первых, создаваемый ими затвор должен быть очень плотным, чтобы единственным путём расширяющихся газов, образованных при сгорании, было толкание поршня вниз. Края клапана и его седла (кольцевой формы) имеют коническое сечение, чтобы затвор становился плотнее, когда клапан прижимается наверх:
В нашем искусственном примере двигателя клапаны волшебным образом открываются и закрываются сами по себе, так что давайте посмотрим, как это происходит на самом деле. Чтобы клапан был закрыт, мы используем клапанную пружину, обеспечивающую натяжение закрытого клапана. Мы можем зафиксировать пружину на клапане при помощи простого механизма запирания, состоящего из двух сухарей замка клапана, тарелки пружины, и толкателя клапана:
Обратите внимание, что в верхней части клапана есть небольшая канавка, позволяющая удерживать сухари на месте. Сами сухари имеют в сечении конус, в который упирается тарелка:
Так как сухари удерживаются в канавках, тарелка не может двигаться, что обеспечивает натяжение пружины. Толкатель создаёт большую гладкую поверхность для передачи силы на клапан: теперь при нажатии на толкатель пружина будет возвращать его на место:
С возвратным механизмом мы разобрались, но остаётся проблема самого нажатия на клапаны: их необходимо открывать в определённом темпе, зависящем от движения поршня внутри цилиндра. Периодичность этой операции подразумевает использование вращающегося движения.
Куску металла можно придать такую форму, чтобы он давил на клапан с разными смещениями при вращении на валу. Такая деталь называется кулачком. Благодаря пружине толкатель плотно прижат к кулачку и следует за его формой:
Форма кулачка определяет время, длительность и расстояние открытия клапана. В демонстрации ниже показано, как высота и угол профиля кулачка влияет на расположение толкателя, а значит, и на подъём клапана при разных углах. График в верхней части показывает смещение толкателя относительно его обычного положения как функцию от угла поворота кулачка:
Форма кулачка крайне важна, она определяет процесс работы двигателя. Кулачки всех впускных или выпускных клапанов обычно располагаются на одном распределительном валу:
В большинстве современных двигателей используется два распределительных вала, по одному для впускных и выпускных клапанов. Давайте посмотрим, как распределительные валы открывают и закрывают клапаны при обычной работе двигателя:
Все цилиндры проходят четыре этапа в заданном порядке. На самом деле, с моментами активации кулачков не всё так просто, как было в нашем искусственном примере, так что давайте приглядимся повнимательнее:
Во-первых, обратите внимание, что впускные клапаны закрываются после того, как поршень достигнет нижней точки такта впуска — попадающий через клапан воздух обладает определённой инерцией, из-за чего он накапливается в цилиндре (особенно при высоких скоростях двигателя), несмотря на противоположно направленное движение поршня.
Аналогично, выпускные клапаны открываются до того, как поршень достигнет нижней точки рабочего такта, потому что основная часть полезной работы уже выполнена газами, а избыток давления в цилиндре нужно минимизировать, чтобы такт выхлопа не вынужден был активно сжимать выхлопные газы.
Впускные клапаны открываются незадолго до того, как поршень достигнет верхней точки такта выхлопа. Когда газы сгорания выходят через выпускные клапаны, они помогают создавать эффект «продувки», способствующий всасыванию входящего воздуха. По этой причине выпускные клапаны закрываются после того, как поршень достигнет верхней точки такта выхлопа.
Идеальные параметры двигателя, работающего на низкой скорости, могут отличаться от идеальных параметров для высокой скорости, поэтому во многих современных двигателях применяются различные методики изменения времени активации и подъёма клапанов во время работы.
Теперь можно собрать все детали. Верхняя поверхность блока цилиндров и нижняя поверхность головки блока цилиндров очень плоские и гладкие, однако они должны создавать идеальный контракт, чтобы предотвратить утечку газов сгорания. Между этими деталями устанавливается прокладка головки блока, часто изготовленная из мягкого сжимаемого металла, после чего головка крепится к блоку болтами:
Болты затягиваются с определённым моментом, это происходит за несколько этапов и в определённом порядке, чтобы избежать деформации головки при сборке. Прочность болтов головки крайне важна, ведь они в буквальном смысле должны удерживать силу взрывов внутри цилиндра.
Затем устанавливаются распределительные валы, крепящиеся соответствующими крышками и болтами:
Единственная оставшаяся задача заключается во вращении распределительных валов, при этом синхронизируя его с движением поршней. Для решения этой задачи в большинстве двигателей применяется резиновый ремень привода газораспределительного механизма (ГРМ), приводимый в движение шестернёй, установленной на сам распределительный вал. На ремне привода ГРМ есть зубцы, благодаря которым находится в сцеплении с шестернями распределительного вала; натяжение ремня обеспечивают натяжные ролики:
Вспомним, что в четырёхтактном двигателе один цикл работы требует двух оборотов коленчатого вала, поскольку поршень выполняет такт впуска, такт сжатия, рабочий такт и такт выпуска. Однако впускные и выпускные клапаны открываются в течение этого цикла только один раз, поэтому распределительные валы должны выполнять за это время только один оборот.
Поэтому шестерня коленчатого вала диаметром вдвое меньше шестерён распределительных валов, благодаря чему на каждый оборот распределительных валов приходится два оборота коленчатого вала. В этом можно убедиться, наблюдая за чёрными точками по периметру шестерён:
Сгорание
В описанных выше примерах мы говорили, что впускной клапан впускает топливовоздушную смесь. Именно так происходило в старых двигателях, где для создания этой смеси использовался карбюратор.
Однако в современных двигателях применяется система впрыска топлива, в которых объём и время впрыска топлива контролируются электронным блоком управления (ЭБУ, ECU). В нужное время на соленоид внутри инжектора подаётся энергия, благодаря чему вверх электромагнитным образом подтягивается игла, позволяя топливу под давлением выходить через крошечные отверстия. При отключении питания соленоида пружина вдавливает иглу обратно, закрывая сопло:
В некоторых двигателях впрыск выполняется во впускном канале, очень близко к самому впускному клапану, однако в нашем двигателе мы будем использовать систему прямого впрыска, подающую топливо непосредственно в сам цилиндр.
Топливовоздушная смесь в камере сгорания воспламеняются свечой зажигания. В упрощённом виде свеча состоит из двух кусков металла, разделённых керамическим изолятором. Корпус свечи соединён с корпусом двигателя, используемым в качестве заземления, а центральный электрод соединён с источником напряжения, которое достаточно велико, чтобы вызвать пробой между электродом и корпусом, создавая искру:
Это высокое напряжение создаётся катушкой зажигания. В старых двигателях использовалась одна катушка, последовательно подававшая высокое напряжение на отдельные свечи зажигания, а в современных двигателях у каждой свечи обычно есть собственная катушка, разрядом которой управляет ЭБУ.
При помощи инжекторов и свечей зажигания мы можем, наконец, заполнить оставшиеся отверстия в головке блока цилиндров. Я уберу остальную часть двигателя, чтобы было лучше видно их установку:
Давайте посмотрим, как инжектор и свеча совместно работают в процессе тактов. Стоит отметить, что обычно инжектор прикреплён к топливной рамке, подающей на него бензин под высоким давлением, а свеча зажигания соединена со своей катушкой, но для упрощения я их не показал. Воздух обозначен синим газом, который превращается в жёлтый при смешении с топливом:
Можно заметить, что свеча зажигания даёт искру до того, как поршень достигнет конечной точки такта сжатия — это сделано намеренно, поскольку для начала возгорания топливовоздушной смеси требуется время. Давайте рассмотрим работу всех четырёх цилиндров:
Все демонстрации в этой статье работают на очень низких скоростях, поэтому стоит сказать о том, насколько быстро всё происходит в реальном автомобиле. В случае двигателя, работающего на умеренной скорости в 1500 оборотов в минуту коленчатый вал совершает 25 оборотов в секунду. Зажигание в каждом цилиндре происходит один раз на два оборота коленчатого вала, но поскольку у нас четыре цилиндра, в работающем на такой скорости двигателе происходит примерно 50 взрывов в секунду.
Соотношение топлива и воздуха в камере сгорания очень важно, ведь простое добавление топлива необязательно приведёт к повышению давления в цилиндре: бензин может просто не сгорать полностью. Чтобы повысить скорость двигателя, нам нужно повысить подачу одновременно топлива и воздуха.
Давайте внимательнее рассмотрим давление внутри цилиндра. На такте впуска поршень создаёт отрицательную разность давления, приводящую к всасыванию воздуха. На такте сжатия давление увеличивается благодаря уменьшению объёма, после чего ещё больше повышается из-за сгорания. Далее оно снижается благодаря увеличению объёма камеры при опускании поршня на рабочем такте:
Толкающая сила, создаваемая на поршне, пропорциональна давлению в цилиндре, однако на крутящий момент, создаваемый этой силой, влияют и другие факторы. Во-первых, обратите внимание, что в такте сжатия давление внутри камеры толкает поршень и шатун против вращения коленчатого вала:
Во-вторых, величина крутящего момента зависит от длины плеча силы, но при вращении коленчатого вала эта длина меняется. Например, когда поршень находится в верхней мёртвой точке, газы просто толкают коленчатый вал вниз, но не поворачивают его, потому что плечо силы имеет нулевую длину. В показанной ниже демонстрации красной пунктирной линией обозначено направление силы шатуна, а чёрной линией показано плечо силы на кривошипе:
Если учесть это влияние, можно приблизительно вычислить крутящий момент, создаваемый давлением внутри цилиндра:
Однако это не все силы, влияющие на коленчатый вал. И поршень, и соединённый с ним шатун обладают определённой массой, а во время вращения коленчатого вала они постоянно меняют своё направление движения. Давайте рассмотрим график скорости поршня при движении вверх и вниз, когда коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью:
Возможно, вас удивит асимметричность графика, но это лишь следствие уже рассмотренного нами поведения кривошипного механизма, которому требуется больше времени на перемещение в нижней половине такта.
Рассмотрим поршень в верхней мёртвой точке: когда поршень достигает её, его скорость равна 0, поэтому коленчатому валу нужно тянуть поршень вниз. Примерно на середине такта поршень достигает своей максимальной скорости, и теперь коленчатому валу нужно замедлять поршень, чтобы тот остановился, к моменту достижения нижней мёртвой точки. Однако поршень стремится продолжить движение, поэтому прикладывает толкающую силу. Эти инерциальные силы постоянно колеблются туда-обратно, создавая инерционный крутящий момент коленчатого вала:
Величина инерциальных сил зависит от скорости поршня, а значит, и от скорости вращения коленчатого вала. Эта система очень динамическая, потому что на скорость вращения коленчатого вала, в свою очередь, влияют действующие на него инерциальные силы.
Итоговый крутящий момент коленчатого вала оказывается суммой этих крутящих моментов, создаваемых давлением и инерцией. Общая диаграмма крутящего момента на коленчатом валу от одного поршня выглядит примерно так:
Как видите, крутящий момент, создаваемый одним поршнем, очень изменчив. Даже если сложить вместе итоговый крутящий момент всех четырёх поршней, суммарный момент всё равно будет довольно неравномерным:
Крутящий момент T , действующий на вал, создаёт угловое ускорение α, пропорциональное этому моменту:
T = I · α
Это вращательный эквивалент традиционного линейного уравнения, связывающего силу F с массой m и линейным ускорением a:
F = m · a
Во вращательном движении эквивалентом массы m становится момент инерции I. Аналогично тому, как на скорость влияет ускорение, на угловую скорость влияет угловое ускорение. Давайте рассмотрим, как меняется угловая скорость коленчатого вала при постоянной нагрузке:
Как видите, это значение сильно колеблется. Чтобы снизить угловое ускорение, а значит, и колебания угловой скорости, нам нужно увеличить момент инерции I системы. Для этого к коленчатому валу болтами крепится тяжёлый маховик:
Так как маховик тяжёлый и имеет большой момент инерции, колебания угловой скорости коленчатого вала снижаются, что повышает равномерность работы двигателя:
Обратите внимание, что на периметре маховика прорезаны зубья шестерни. Эти зубья связаны с ведущей шестернёй, приводимой в движение электрическим стартёром при включении двигателя.
Когда маховик начинает двигаться, его инерция помогает движению коленчатого вала, что, в свою очередь, позволяет двигателю продолжить работу самостоятельно. Стоит отметить, что хотя высокая инерция маховика помогает сгладить колебания угловой скорости, за это приходится расплачиваться — очень тяжёлый маховик сложно раскрутить, поэтому двигатель становится менее чутким к нажатию педали акселератора.
В автомобилях с механической коробкой передач включённое сцепление прижимается к маховику, передавая вращательное движение на трансмиссию, а затем — на колёса. В автомобилях с автоматической коробкой передач маховик не используется. Вместо него устанавливается приводной диск, соединённый с гидротрансформатором, который благодаря своей большой инерции сглаживает неравномерность работы двигателя.
На этом заканчивается наше путешествие в мир двигателей, но для реализации в автомобиле полнофункционального двигателя всё ещё нужно множество других компонентов. Упомянутая выше система охлаждения обеспечивает нужную рабочую температуру. Впускной и выпускной коллекторы направляют поток газов в цилиндры и наружу. Масляный насос, масляный фильтр и масляные каналы блока цилиндров и головки блока цилиндров обеспечивают надлежащее смазывание всех деталей. Во многих современных двигателях также применяется турбонаддув, при помощи выхлопных газов повышающий объём вталкиваемого в цилиндры воздуха. Все эти компоненты обеспечивают работу двигателя с ожидаемым уровнем мощности и КПД.
Дополнительные источники
Engineering Explained — один из самых популярных каналов, предназначенных для любителей автомобильных технологий. За годы существования канала Джейсон Фенске раскрыл широкий спектр тем, в том числе сравнение инжекторных систем, конструкции впускных коллекторов и даже ротативные двигатели.
На канале PapadakisRacing есть потрясающие видео о сборке и разборке двигателей. Если вам нравятся видео из второй категории, то у I Do Cars есть подробные видео о разборке старых двигателей.
How a Car Works — потрясающий видеокурс о работе автомобиля. В его эпизодах все темы рассмотрены гораздо глубже, чем в моей статье. Курс платный, но на YouTube есть несколько бесплатных видео.
В заключение
Двигатели внутреннего сгорания, бывшие бесспорными лидерами в течение десятков лет, сегодня постепенно вытесняются их электрическими аналогами: они проще, быстрее и меньше влияют на окружающую среду.
Несмотря на свои недостатки, классические движки всё равно хранят в себе какую-то магию — их сложные механизмы синхронизированы друг с другом, создавая тщательно контролируемые условия для укрощения пламени, подобно Прометею.
