Устройство автомобилей

Особенности работы многоцилиндровых двигателей

Работа четырехцилиндрового однорядного двигателя

Многоцилиндровые двигатели, как уже отмечалось в предыдущей статье, представляют собой конструкцию, объединяющую в единое целое несколько одноцилиндровых двигателей с одним общим коленчатым валом. При этом количество рабочих ходов за два полных оборота коленчатого вала (720˚) в таком двигателе, при работе по четырехтактному циклу, будет равно количеству цилиндров.
В каждом цилиндре протекают одинаковые рабочие процессы, но не одновременно.
Для того, чтобы представить работу многоцилиндрового двигателя, необходимо знать порядок чередования одноименных тактов по цилиндрам и интервалы одноименных тактов в различных цилиндрах. Эти интервалы определяют в углах поворота коленчатого вала, принимая за начало отсчета нахождение поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).

Наиболее равномерная работа многоцилиндрового двигателя имеет место при чередовании тактов расширения в цилиндрах через равные промежутки времени, т. е. через равные углы поворота коленчатого вала. У четырехтактного однорядного двигателя рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала (720˚), поэтому при однорядном расположении цилиндров угол поворота коленчатого вала между одноименными тактами в разных цилиндрах должен составлять 720˚/i , где i – число цилиндров двигателя.

Для уменьшения локальной нагрузки на коленчатый вал выбирают такой порядок работы цилиндров, чтобы такты расширения (рабочего хода) не протекали одновременно в смежных цилиндрах. Кроме того, при чередовании тактов рабочего хода в удаленных друг от друга цилиндрах способствует более эффективному и равномерному охлаждению двигателя.

Очевидно, что у четырехтактного четырехцилиндрового однорядного двигателя одноименные такты должны следовать через 180˚ угла поворота коленчатого вала. Следовательно, и шатунные шейки коленчатого вала должны быть расположены под углом 180˚, т. е. лежать в одной плоскости. При этом шатунные шейки первого и четвертого цилиндров направлены в одну сторону относительно оси коленчатого вала, а шатунные шейки второго и третьего цилиндров – в противоположную сторону. Это обеспечивает равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах двигателя. Последовательность чередования одноименных тактов в различных цилиндрах двигателя в течение его рабочего цикла называется порядком работы цилиндров двигателя.

Для четырехцилиндрового рядного двигателя возможны два варианта чередования тактов в цилиндрах: 1-2-4-3 и 1-3-4-2 (нумерация цилиндров ведется от передней части двигателя по ходу автомобиля или, в случае с поперечным расположением двигателя, со стороны, противоположной маховику).
С точки зрения описанных выше требований оба порядка работы цилиндров равноценны, поэтому применяются в разных двигателях, устанавливаемых на автомобилях.
Так, например, на автомобильных двигателях, используемых Горьковским автомобильным заводом (ГАЗ-3102, ГАЗ-2410 т. п.) обычно используют последовательность работы цилиндров 1-2-4-3, а на двигателях автомобилей ВАЗ и Москвич – 1-3-4-2.

Работа четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 подробно описана в Таблице 1.

Таблица 1. Работа однорядного четырехцилиндрового двигателя

Порядок работы рядного 4 цилиндрового двигателя

Порядок работы 4 цилиндрового двигателя обозначается как Х―Х―Х―Х где Х ― номера цилиндров. Это обозначение показывает последовательность чередования тактов цикла в цилиндрах.

Порядок работы цилиндров зависит от углов между кривошипами коленчатого вала, от конструкции механизма газораспределения, и системы зажигания бензинового силового агрегата. У дизельного место системы зажигания в этой последовательности занимает ТНВД.

Для управления автомобилем это знать, конечно, необязательно.

Порядок работы цилиндров необходимо знать, регулируя зазоры клапанов, меняя ремень ГРМ либо выставляя зажигание. Да и при замене проводов высокого напряжения понятие порядка рабочих тактов не будет лишним.

Рабочий цикл

В зависимости от числа тактов, составляющих рабочей цикл, ДВС делятся на двухтактные и четырехтактные. Двухтактные двигатели не ставят на современные автомобили, они используются лишь на мотоциклах и в качестве пускателей тракторных силовых агрегатов. Цикл четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты:

1. Впуск ― выпускной клапан закрыт, впускной открыт, поршень движется вниз, производится всасывание воздушно-топливной смеси.
2. Сжатие ― все клапаны закрыты поршень движется вверх, сжимая воздушно-топливную смесь.
3. Рабочий ход ― клапаны остаются закрыты, по окончании предыдущего такта искра поджигает сжатую смесь. Поршень под действием давления газов, сгоревшей смеси, идет вниз вращая коленвал.
4. Выпуск ― по окончании предыдущего такта открывается выпускной клапан. Поршень, толкаемый коленвалом, движется вверх и вытесняет продукты горения в выхлопной коллектор.

Цикл дизеля отличается тем что при впуске всасывается только воздух. Топливо же впрыскивается под давлением после сжатия воздуха, а воспламенение происходит от контакта дизеля с разогретым от сжатия воздухом.

Нумерация

Нумерация цилиндров рядного двигателя начинается с наиболее удаленного от коробки перемены передач. Иными словами, со стороны ремня ГРМ либо цепи.

Очередность работы

У коленвала рядного 4-х цилиндрового ДВС кривошипы первого и последнего цилиндра располагаются под углом 180° друг к другу. И под углом 90° к кривошипам средних цилиндров. Поэтому для обеспечения оптимального угла приложения движущих сил к кривошипам такого коленвала, порядок работы цилиндров бывает 1―3―4―2, как у вазовских и москвичевских ДВС либо 1―2―4―3, как у газовских моторов.

Чередование тактов 1-3-4-2

Угадать порядок работы цилиндров двигателя по внешнем признакам нельзя. Об этом следует читать в мануалах производителя. Порядок работы цилиндров двигателя проще всего узнать в инструкции по ремонту вашей машины.

Кривошипно-шатунный механизм

• Маховик поддерживает инерцию коленвала для вывода поршней из верхних или нижних крайних положений, а также для более равномерного его вращения.
• Коленчатый вал преобразует линейное движение поршней во вращение и передает его через механизм сцепления на первичный вал КПП.
• Шатун передает усилие, прикладываемое к поршню на коленчатый вал.
• Поршневой палец создает шарнирное соединение шатуна с поршнем. Изготавливается из легированной высокоуглеродистой стали с цементацией поверхности. По сути является толстостенной трубкой со шлифованной наружной поверхностью. Бывает двух видов: плавающий или закрепленный. Плавающие свободно перемещаются в бобышках поршней и во втулке, запрессованной в головку шатуна. Не выпадает палец из этой конструкции благодаря стопорным кольцам, устанавливающимся в пазы бобышек. Закрепленные удерживаются в головке шатуна за счет горячей посадки, а в бобышках вращаются свободно.

Порядок работы 4 цилиндрового двигателя

Обычно автовладельцы не задумываются о порядке активности цилиндров двигателя своего автомобиля, ограничиваясь знанием числа таковых. И в большинстве случаев просто нет необходимости углубляться в такие технические детали. Но информация о работе цилиндров оказывается полезной, когда нужно, например, выставить зажигания или отрегулировать клапана, в других ситуациях самостоятельной наладки и ремонта, когда нужно починить автомобиль без возможности добраться до СТО, или просто при желании сделать все самому. Далее мы узнаем, каков порядок работы 4-цилиндрового двигателя, и выясним последовательность для некоторых других компоновок.

Теория работы ДВС

Общий принцип функционирования двигателей на бензине или дизтопливе известен, пожалуй, всем – топливо, сгорая в цилиндрах, создает давление газов, которые толкают поршни, и далее усилие преобразуется в крутящий момент, идущий на колеса.

Для того, чтобы двигатель работал равномерно, сгорание топлива происходит не во всех цилиндрах одновременно, а в определенном порядке. За его соблюдение отвечают:

• конструкция газораспределительного механизма;
• углы между кривошипами коленвала автомобиля;
• расположение цилиндров – V-подобное или рядное;
• устройство системы зажигания для бензиновых авто, и ТНВД – у дизельных.

Как проходит рабочий цикл

Весь процесс впрыска топлива, его зажигания, работы поршней и выброса отработанных газов называется «рабочим циклом». Рассмотрим его на примере бензинового четырехтактного ДВС, стандартного для множества легковых автомобилей.

Цикл, как видно из названия, делится на четыре такта работы:

В этом состоянии впускной клапан в открытом состоянии, выпускной, наоборот, закрыт, поршень идет в нижнем направлении, в цилиндр попадает подготовленная топливовоздушная смесь.

Все клапаны цилиндра закрыты, а поршень двигается вверх и сжимает впрыснутую ранее смесь до заданных параметров.

Клапаны по-прежнему открыты, смесь поджигается, образуя газы. Их давление начинает двигать поршень вниз, а последний вращает коленвал.

По завершению рабочего хода клапан выпуска открывается, коленвал двигает поршень вверх, и тот вытесняет отработанные газы в выпускной коллектор.

Интересно: у дизельного двигателя цикл иной. При впуске всасывается только воздух, а горючее впрыскивается посредством ТНВД уже после сжатия воздушной массы в цилиндре. Контактируя с разогретым от сжатия воздухом, дизтопливо воспламеняется.

Чтобы обеспечить стабильную и непрерывную работу, горючее в цилиндрах (иногда называемых «горшками») воспламеняется в особой последовательности. Порядок работы двигателя должен соблюдаться, чтобы создавалось равномерное действие на коленвал.

Очередность цилиндров

Цилиндры имеют номера, в документации их описывают в формате A-B-C-D, где вместо букв указывается цифровое обозначение. Порядок нумерации начинается со стороны цепи или ремня ГРМ — с самого удаленного от коробки передач цилиндра. Тот, что носит номер 1, называется главным.

Важно: если цилиндры работают последовательно, они не должны быть расположены рядом. Именно с учетом этого условия производители моторов разработали определенные схемы порядка чередования тактов.

Цилиндры оснащены клапанами, через которые осуществляется впуск и выпуск газов. Клапанами управляет специальное устройство – распределительный вал, на поверхности которого особым образом расположены специальные кулачки. Именно их расположение отвечает за порядок работы: профиль кулачка и его высота влияет на моменты закрытия-открытия, величину сечения прохода для газов, а также на то, как будет двигаться клапан в зависимости от текущего угла коленвала.

Один из вариантов распредвала:

Цикл стандартного ДВС на 4 такта проходит за 2 оборота, или за 720 градусов (360 и 360). Расположенные на валу «коленца» смещены на некоторый угол таким образом, чтобы усилие с поршней двигателя постоянно передавалось на вал. Упомянутый угол – величина, зависящая от модели двигателя, тактности такового, и количества цилиндров.

Рассмотрим типичный порядок у некоторых двигателей.

Рядный 4-цилиндровый

Существует две популярные компоновки таких ДВС:

Первое означает расположение цилиндров последовательно, в один ряд, а поршни мотора вращают общий коленвал. Двигатели нередко описывают сокращением I4 или L4, можно также встретить название Inline 4 и вариации. Инженеры располагают цилиндры и вертикально, и под некоторым углом – в зависимости от конструкции двигателя.

Пример блока цилиндров:

Эта цилиндровая компоновка получила широкое распространение в массовых моделях автомобилей, а также в тех транспортных средствах, где важна простота обслуживания и ремонта – внедорожниках, машинах, предназначенных для работы в такси, и т.д.

Кривошипы 1 и 4 цилиндров в конструкции коленвала рядного четырехцилиндрового двигателя расположены под углом 180 град., и под углом 90 – к кривошипам цилиндров 2 и 3. Чтобы создать оптимальное соотношение движущих сил, действующих на кривошипы, двигатели действуют в последовательностях:

• система 1–2–4–3 – менее популярная;
• основной вариант 1–3–4–2.

Из отечественных автомашин порядок работы четырехцилиндрового двигателя второго вида использован, к примеру, в продукции концерна ВАЗ, а первый актуален для некоторых двигателей ЗМЗ.

4-цилиндровая оппозитная компоновка

В таком моторе «горшки» размещены в два ряда под 180 градусов. Это позволяет сделать силовой агрегат сбалансированным и снизить центр тяжести, а коленвал получает меньшие нагрузки. Благодаря этому мотор подобной компоновки, при той же массе, выдает больше снимаемой мощности и оборотов.

Цилиндры в этих ДВС работают по отличной схеме: основная 1–3–2–4, и альтернативная 1–4–2–3.

Здесь поршни достигают т.н. «верхней мертвой точки», часто сокращаемой до ВМТ, одновременно с обеих сторон.

Интересно: встречаются машины с V-образными агрегатами на 4 цилиндра, но подобные образцы на рынке относительно редки, основную массу составляют рядные и оппозитные.

Пятицилиндровые

Это агрегаты с 5 цилиндрами, стоящими в ряд. Относительное смещение шатунных шеек коленвала — 72 градуса. Встречаются как двух- так и четырехтактные образцы, для первых (2 такта) стандартный порядок оптимальной работы блока цилиндров для данных двигателей – очередность активации 1–2–4–3–5. Ею обеспечивается равномерность возгорания топлива. Эти моторы широко применяются в судовой технике.

На легковых автомобилях инженерами сообщается иной порядок работе «горшков» 5 цилиндровых типичных двигателей – система 1–2–4–5–3.

Как действуют ДВС V6

Для эффективности порядка работы сегодняшних шестицилиндровых двигателей таковой строится также по особой системе. Типичный порядок работы 6 цилиндрового двигателя рядного исполнения – метод 1–5–3–6–2–4. В рассматриваемом форм-факторе силовой агрегат получается достаточно длинным и требует большого подкапотного пространства.

Чтобы снизить габариты, иногда применяют «вэ-подобную» систему. Схема порядка работы «горшков» 6 цилиндровых современных двигателей, V образного форм-фактора – очередность активации 1-4-2-5-3-6.

Интересно: рассматриваемая шестицилиндровая конструкция считается одной из наименее сбалансированных.

Агрегат от Audi, для которого актуален указанный порядок работы V-образного шестицилиндрового автомобильного двигателя:

ДВС на 8 цилиндров

Из-за габаритов двигатели делаются V-образной компоновки.

Восьмицилиндровый ДВС от Chevrolet:

Возможный порядок работы восьмицилиндрового двигателя современной машины:

• вариант 1–5–4–2–6–3–7–8 — основной;
• принцип 1–8–4–3–6–5–7–2 – другая вариация.

Различие это мнимое и произошло из-за разницы в подсчете цилиндров. В США цилиндр 1 расположен спереди по направлению движения авто, слева, а в европейской системе – справа. Нумерация цилиндров производится в шахматной последовательности, в направлении назад и слева направо, поэтому обе классификации представляют, по сути, одно и то же, что иллюстрирует схема:

Интервал между зажиганием топлива 90 град.

Как определить порядок

Чтобы узнать, по какой схеме работает мотор, необходимо изучать документацию на автомобиль и конкретный силовой агрегат, визуально определить это затруднительно.