Справочник автолюбителя

Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году коммерческому служащему из Кельна Николаю-Августу Отто (1832–1891) совместно с Евгением Лангеном (1833–1895).

Наблюдая работу газового двигателя, похожего на конструкцию Ленуара, Отто пришел к выводу, что сможет добиться его более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда давление газов при сгорании смеси действовало бы на поршень в течение всего его хода. Но как наполнить цилиндр смесью до начала хода? Отто попробовал следующее: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр и включил зажигание в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси давало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.

Изобретателю понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим 0,15. Двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и, соответственно, двух оборотов коленчатого вала. Золотник в нужный момент открывал доступ в цилиндр от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси. Золотниковое распределение и зажигание горелкой не применяются в современных двигателях, но цикл Отто полностью сохранился до наших дней. По этому циклу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей. Ниже приведено краткое, схематичное его описание.

При первом такте поршень удаляется от исходной «мертвой точки» – головки цилиндра, – создавая в нем разрежение, при этом засасывается приготовленная особым прибором (карбюратором) горючая смесь. Выпускное отверстие закрыто. Когда поршень достигает нижней «мертвой точки», закрывается и впускное отверстие. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. Частицы топлива сближаются, смесь легче поддается воспламенению. Если объем цилиндра над поршнем (т. е. в камере сгорания) равен его рабочему объему (между «мертвыми точками»), то степень сжатия равна 2, как у ранних ДВС (т. е. вдвое больше атмосферного давления), а давление газов при их взрыве вчетверо больше атмосферного (у современных двигателей оно в 40–50 раз больше, чем у двигателя Отто). Третий такт – рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращение коленчатого вала. Оба отверстия закрыты. Давление в цилиндре постепенно уменьшается до атмосферного. При четвертом такте маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, шатун толкает поршень и вытесняет отработавшие газы в атмосферу через открывшееся выпускное отверстие, впускное при этом остается закрытым.

Инерции маховика хватает на то, чтобы поршень совершил еще три хода, повторяя четвертый, первый и второй такты. После них вал и маховик снова получают импульс. При пуске двигателя первые два такта происходят под действием внешней силы. Во времена Отто и еще в течение полувека маховик проворачивали вручную, а теперь его вращает электродвигатель – стартер. После первых нескольких рабочих ходов стартер автоматически отключается и двигатель работает самостоятельно.

Впускное и выпускное отверстия открывает и закрывает распределительный механизм. Своевременное воспламенение смеси обеспечивает система зажигания. Цилиндр может быть расположен горизонтально, вертикально или наклонно, процесс работы двигателя от этого не меняется.

К недостаткам двигателя Отто относят его тихоходность и большую массу. Увеличение числа оборотов вала приводило к перебоям в работе и быстрому износу золотника. Большое давление в цилиндре требовало усиления прочности криво-шипно-шатунного механизма и стенок цилиндра, поэтому масса двигателя в расчете на 1 кВт ч достигала 500 кг. Для размещения всего запаса газа нужен был огромный резервуар. Все это предопределило неудачу: газовый двигатель Отто, так же как и первый его вариант, был непригоден для установки на автомобиль, хотя и получил широкое распространение в стационарных условиях.

Двигатель внутреннего сгорания стал годным для применения на транспорте, после того как заработал на жидком топливе, стал быстроходным, компактным и легким.

Наибольший вклад в его создание внесли инженеры-машиностроители – технический директор завода Отто в городе Дойц Г. Даймлер (1834–1900) и его ближайший сотрудник В. Майбах (1846–1929), позднее основавшие собственную фирму.

Об изобретателях машин нередко пишут, что они с детства увлекались техникой, мастерили приборы, разбирали и собирали часы, что идею будущей новой машины они вынашивали чуть ли не с пеленок. И еще сообщают, что изобретатели, мол, сознавали ее вероятное социальное и экономическое значение. В действительности дело обычно обстояло иначе. Но вот у Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха и впрямь биографии «образцовых» изобретателей. Даймлер с юных лет посвятил себя машинам, с успехом закончил Высшее политехническое училище в Штутгарте. Во время продолжительной службы в Эльзасе и работы на английских машиностроительных заводах Даймлер хорошо изучил передовую для того времени технику и, к тому же, владея французским и английским языками, получил доступ к обширной специальной литературе. Сначала его попросту увлекало конструирование машины. Потом, как у многих конструкторов, возникла мысль о постройке второго, третьего вариантов машины, улучшенных по опыту работы над предыдущей, и… о ее продаже.

Но прежде чем конструировать и строить самодвижущуюся повозку, нужно было создать для нее двигатель.

В опубликованной в 1935 году биографии одного из основателей фирмы «Даймлер – Бенц» сказано: «В 1881 году Даймлер объездил Россию, чтобы на месте познакомиться с нефтью, ему уже тогда продукты нефти представлялись топливом для транспортного двигателя… 1882 год стал поворотным в жизни Даймлера. Этот год можно считать годом рождения автомобильного двигателя, хотя сам двигатель был готов только в следующем году».

Почему именно путешествие в Россию понадобилось Даймлеру для осуществления его замыслов? Дело в том, что в России уже работал завод по перегонке сырой нефти в керосин. ХимикА. А. Летний провел эксперименты и доказал, что перегонка нефти и ее остатков через раскаленные железные трубы дает различные продукты, в частности такое горючее, как бензин. Это было как раз то, что искал Даймлер для экипажного двигателя: легкое нефтяное топливо хорошо испаряется, быстро и полно сгорает, удобно в транспортировке.

Первый двигатель Даймлера годился и для транспортного, и для стационарного применения, работал на газе и на бензине. Последующие конструкции Даймлера были рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Булыиую частоту вращения вала двигателя, обеспечиваемую, в частности, интенсивным воспламенением смеси, Даймлер справедливо считал главным показателем работы двигателя на транспортной машине. Частота вращения вала двигателя Даймлера была в 4–5 раз больше, чем у газовых двигателей, и достигала 450–900 об/мин, а мощность в расчете на 1 л рабочего объема – вдвое больше. Соответственно, могла быть уменьшена масса. К этим штрихам «транспортной специфики» добавим закрытый картер (кожух) двигателя, заполненный смазочным маслом и защищавший подвижные части от пыли и грязи. Охлаждению воды в окружающей двигатель «рубашке» способствовал пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила заводная рукоятка. Теперь имелось все необходимое для создания легкого самодвижущегося экипажа – автомобиля. От своих предков автомобиль унаследовал многое. «Автомобиль… нужно считать сыном паровоза, давшего ему душу, и велосипеда, снабдившего его телом», – так образно писал в 1902 году один из журналов. Механическая повозка для своей работы не требовала каких-либо наземных устройств, кроме дороги. В отличие от конных повозок, механическая не требует для своего движения приложения живой силы, кроме небольших, как это казалось, усилий водителя по управлению ею. Подчеркнем, что идея автомобиля была поначалу четко направлена на замену лишь легкого экипажа личного пользования. Возможность его использования для грузовых и массовых пассажирских перевозок была реализована намного позже.

Вряд ли можно сказать, что отношения автомобиля и двигателя внутреннего сгорания с самого начала носили характер любви с первого взгляда и на всю жизнь. Желая добиться наилучших результатов, автомобильные конструкторы испробовали на своих детищах самые разнообразные двигатели, в том числе паровую машину, КПД которой еще ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания, и электропривод от гальванических батарей, который даже в наши дни представляется весьма перспективным. Возможно, эти автомобили вызывают у сегодняшних автолюбителей лишь снисходительные улыбки, но специалисты отчетливо понимают, что без этих «гадких утят» не было бы современных лимузинов. Поиски оптимальной конструкции могли бы продолжаться еще долго, если бы не К. Бенц и Г. Даймлер, которые, испытав свои силы сначала в одиночку, затем объединили таланты и финансовые средства, создав совместную фирму по производству автомобилей «Даймлер – Бенц». За сравнительно короткий промежуток времени, совершенствуя конструкции и дизайн своих машин, им удалось сделать автомобиль необычайно популярным. Конечно, такой прорыв был бы невозможным без эффективных бензиновых двигателей.

Бензиновые двигатели за короткое время были доведены до высоких кондиций. Уже в первые десятилетия XX века они дали крылья авиации, электроэнергию морякам и полярникам, создали почву для целого ряда выдающихся изобретений.

Что же касается традиционного тяжелого и транспортного машиностроения, то оно пока довольствовалось, в основном, паровыми машинами, до поры лишь мечтая о мощных двигателях, способных работать на относительно недорогом топливе и имеющих приемлемые габариты.

Создать подобный двигатель, названный дизелем по имени его изобретателя Рудольфа Дизеля, удалось только в начале XX столетия. Первый его дебют на автомобиле в 1908 году оказался неудачным, и автомобилисты на время забыли о дизеле, вынудив его искать «взаимности» (и, следует заметить, не безнадежно) у моряков, железнодорожников и прочих «тяжеловесов». Другими словами, дизелям отвели роль «тихоходов», в которой они и выступали вплоть до 1920-х годов минувшего столетия, когда эти двигатели появились на грузовых автомобилях.

Нельзя сказать, что дизелями вообще не занимались. Вспомните хотя бы детище моторостроителей из Харькова – 500-сильный дизель В-2, первоначально предназначавшийся для тяжелого бомбардировщика и нашедший подлинное бессмертие в лучшем танке Второй мировой войны Т-34. Отметим также установленный в 1936 году на легковой «Мерседес-Бенц» дизельный двигатель, успешно прошедший все положенные испытания. И, наконец, обратим внимание на построенные в середине прошлого столетия в Советском Союзе дизельные двигатели мощных тракторов и тягачей, в названиях которых почти никогда не отображались фамилии или имена их создателей, а были только сухие цифры и непонятные буквы. Поклонимся этим скромным и гениальным труженикам, которые в самые сумеречные годы не опустили рук и в условиях закрытых КБ творили двигатели прогресса.

3. Устройство автомобиля

3.1. Общие понятия и классификации

Изучению устройства автомобиля уделяется достаточно времени в любой автошколе, поэтому мы ограничимся лишь общими сведениями. Маловероятно, чтобы этот справочник стал учебником для профессиональных мастеров по ремонту автомобилей, однако для того, чтобы стать настоящим автомобилистом, то есть полностью овладеть машиной, нужны определенные знания.

Итак, автомобиль состоит из трех основных частей: двигателя, шасси и кузова (рис. 3.1.1 и 3.1.2).

Двигатель является источником механической энергии, приводящей автомобиль в движение.

Рис. 3.1.1. Двигатель и шасси грузового автомобиля:

1 – двигатель, 2 — сцепление, 3 – коробка передач, 4 – рулевое

управление, 5 – карданная передача, 6 – задний ведущий мост,

7 – рама, 8 — рессора, 9 — колесо, 10 — топливный бак, 11 – амортизатор, 12 – передний мост

Шасси автомобиля представляет собой совокупность механизмов, предназначенных для передачи крутящего момента от двигателя к ведущим колесам, передвижения автомобиля и управления им. В шасси входят три группы механизмов: трансмиссия, ходовая часть и механизмы управления.

Трансмиссия автомобиля служит для передачи крутящего момента от двигателя к ведущим колесам и позволяет изменить величину и направление крутящего момента. Трансмиссия двухосного автомобиля с передним расположением двигателя и приводом на задние колеса (рис. 3.1.1 и 3.1.2) включает следующие механизмы: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. Главная передача, дифференциал и полуоси расположены в картере заднего ведущего моста.

Ходовая часть автомобиля состоит из рамы, переднего и заднего мостов, подвески (рессор и амортизаторов) и колес. В легковых автомобилях (рис. 3.1.2) и автобусах рама, как правило, отсутствует. В этом случае все агрегаты автомобиля крепятся к кузову и его называют несущим.

Механизмы управления включают рулевое управление, необходимое для обеспечения движения автомобиля по заданному водителем направлению, и тормозную систему.

Кузов автомобиля предназначен для размещения грузов, водителя и пассажиров.

Классификация автомобилей – это тема, которую вряд ли можно назвать до конца исследованной. И это несмотря на то что производителям, а вслед за ними дилерам и прочим продавцам вроде бы все абсолютно ясно. Все они делают вид, что им понятна применяемая терминология и они свободно ориентируются в хитросплетении букв, цифр и специальных обозначений, без которых не обходится ни одна автомобильная фирма при крещении своего очередного детища. Попробуем и мы разобраться в этой премудрости. Грузовики и автобусы (минивэны в том числе) трогать не будем. Речь пойдет о легковых автомобилях, да и то не всех, а преимущественно тех, которые лучше известны отечественным автолюбителям. Итак, классифицируем.

По типу кузова. В этой классификации – самая большая путаница, поэтому приводим известные читателям марки и модели, присоединив к их названиям те определения классов, с которыми они пришли в автосалоны и на страницы ведущих автомобильных изданий.

Рис. 3.1.2. Легковой автомобиль:

1 — двигатель, 2 – кузов, 3 – топливный бак, 4 – задняя рессора,

5 – задний ведущий мост, 6 – карданная передача, 7 – коробка передач, 8 – сцепление, 9 — амортизатор

Седан — до недавних пор самый распространенный класс. Это автомобиль с трехобъемным кузовом с четко разделенными моторным отделением, салоном и багажником. Такой кузов имеют почти все «Волги», большинство моделей ВАЗ (2101, 2103, 2105, 2106, 2107, 21099, 2110, 2115), «Москвичи» (от 401 до 2140), «Запорожцы» – предшественники «Таврии», и великое множество иностранных автомобилей – от «Альфа-Ромео» до «Ягуара». Иногда седаны называют еще лимузинами. Разумеется, такое название подходит не всем, а только тем, что побогаче, то есть побольше и покомфортабельнее. А в общем, что «Мерседес-Бенц-600», что старая «копейка» – все седаны.

Универсал — это кузов, который одинаково пригоден и для перевозки пассажиров, и для поездок на охоту или за покупками. Из машин производства стран СНГ в этом классе наиболее известны «Волга» ГАЗ-310221, все УАЗы (кроме микроавтобусов), ВАЗ-2102, ВАЗ-2104, ВАЗ-2111, «Нива», а также ЛуАЗ. Типичные зарубежные представители универсалов – все те машины, которые мы в просторечии неточно именуем джипами (ранее в отечественной практике их всех называли универсалами повышенной проходимости). Среди них и настоящие вседорожники – «Ленд-Ровер Дифендер» или «Тойота Лендкрузер», и так называемые «паркетные джипы» вроде «КИА Спортидж» или «Тойота RAV4». В соседстве с «проходимцами» прижились «СААБ 9–5 Вэгон», «Фольксваген Пассат Вариант», «Опель Астра Караван» и множество других моделей.

Хэтчбек — тот самый класс, в который объединились в 80-х годах прошлого столетия автомобили, прозванные «зубилами» за их характерную угловатую геометрию передка и скошенную заднюю часть. Это преимущественно переднеприводные двухобъемники, у которых подкапотное пространство целиком отдано силовому агрегату и трансмиссии, а все остальное – пассажирам и их багажу. Впервые отечественные автолюбители познакомились с этим техническим чудом, когда с конвейера Волжского автозавода сошла «восьмерка», то есть ВАЗ-2108. Вскоре семейство пополнилось «Таврией», АЗЛК выпустил «Москвич-2141» – и пошло… За рубежом массово выпускались «Фольксваген Гольф», «Шкода Фаворит», «Фиат Уно» и другие представители славного класса «зубил».

Сегодня хэтчбек – едва ли не самая распространенная компоновка недорогого автомобиля для народа. При выборе автомобиля покупатели отдают предпочтение хэтчбекам за хорошую аэродинамику кузова, интересный дизайн и, что немаловажно, – высокую механическую прочность.

Приведенная выше «кузовная» классификация отнюдь не претендует на абсолютною полноту и завершенность, ибо не учитывает некоторых специфических видов кузовов, которые мы не стали выделять в отдельные классы, чтобы сохранить хоть какую-то стройность и системность изложения. Однако, справедливости ради, отметим, что, например, седан с открывающейся крышей или вовсе без нее – это уже кабриолет, тот же седан, но с двумя дверями – купе, а если у него многолитровый могучий мотор и ярко выраженные скоростные свойства – то уже родстер.

В общем случае, читатель, представляется целесообразным, выбирая автомобиль, не зацикливаться на кузовном классе (он в любом случае условен и мало что определяет), а тщательно изучить эксплуатационные свойства машины, чтобы понять, насколько они соответствуют той сумме, которую просит за автомобиль продавец.

По типу привода. В этой классификации вариантов меньше, чем с кузовами. Есть так называемые классические автомобили, у которых привод осуществляется на задний мост (такие часто называют «классическими»), и переднеприводные, у которых энергия двигателя передается на передние колеса. У переднеприводных машин нет карданной передачи, защитный короб над которой доставлял неудобства пассажирам, сидящим сзади. Салоны переднеприводных автомобилей удобнее, просторнее, а сами автомобили обычно имеют более высокий дорожный просвет. Однако не обошлось и без недостатков: имея великолепную устойчивость и неплохие скоростные качества на горизонтальных участках дороги, спусках и виражах, легкие машины не слишком уверенно берут подъемы, так как на подъеме сцепление передних ведущих колес становится в некоторые моменты несколько ослабленным.

У большинства автомобилей от двигателя, расположенного впереди, крутящий момент передается на задние ведущие колеса. На некоторых автомобилях и автобусах двигатель расположен сзади и ведущими являются задние колеса. В этом случае нет продольно расположенного карданного вала, поэтому можно опустить пол кузова и снизить центр тяжести автомобиля. Увеличивается также и площадь пассажирского помещения. Однако в таких автомобилях усложнена система управления двигателем и трансмиссией с места водителя, а также трудно достичь благоприятного распределения массы между передним и задним мостами.

В автомобилях повышенной проходимости (их еще называют полноприводными) крутящий момент от двигателя передается через сцепление, коробку передач и промежуточный карданный вал к раздаточной коробке. Последняя распределяет крутящий момент между ведущими мостами. Из тех вседорожников, которые доступны широкому кругу отечественных автомобилистов, полный привод имеет «Нива». Кстати, это скромное детище советского автопрома, поставленное на конвейер в 1978 году, в свое время стало фактически родоначальником целого класса небольших, но достаточно комфортабельных джипов.

В зарубежных классификациях, характеризующих автомобили, можно встретить термины наподобие «коммерческий», «представительский» и другие. Но это уже подклассы, имеющие отношение не столько к техническим особенностям автомобиля, сколько к его предполагаемой роли в человеческом обществе. К тому же, все эти классы весьма условны.

К примеру, в нашей глубинке на «Мерседесе» Е-класса может величаво восседать преуспевающий бизнесмен, а в Германии эти машины используются как самые обычные такси и отличаются от других лишь характерным желтым цветом.

3.2. Двигатель: устройство, узлы и системы

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания могут быть поршневыми и беспоршневыми (например, газотурбинными). В поршневом двигателе сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит внутри цилиндра. В газотурбинном двигателе топливо сгорает в специальной камере, а тепловая энергия превращается в механическую на лопатках газовой турбины.

На подавляющем большинстве современных автомобилей устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания.

По способу смесеобразования и воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на две группы:

а) с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, от электрической искры (бензиновые и газовые);

б) с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре путем высокого сжатия (дизели).

Карбюраторный бензиновый двигатель (рис. 3.2.1, а) имеет кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм и системы охлаждения, смазки, питания и зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Он состоит из цилиндра со съемной головкой 1, поршня 3 с поршневыми кольцами, поршневого пальца 13, шатуна 12, соединенного верхней головкой с поршнем и нижней головкой с коленчатым валом 11, маховика 7, закрепленного на заднем конце коленчатого вала, и картера. Поршень 3 перемещается в цилиндре прямолинейно вниз и вверх. Коленчатый вал 11 вращается в подшипниках, установленных в картере, отлитом за одно целое с цилиндром. Снизу двигатель закрыт поддоном 9, используемым как резервуар для масла.

Рис. 3.2.1. Схема устройства карбюраторного двигателя (а), мертвые точки и объемы цилиндра (б):

1 — головка цилиндров, 2 – свеча зажигания, 3 – поршень, 4 – водяной насос, 5 – толкатель, 6 — распределительный вал, 7 – маховик, 8 – масляный насос, 9 – поддон, 10 — распределительные шестерни, 11 — коленчатый вал, 12 — шатун, 13 – поршневой палец, 14 — впускной клапан, 15 – карбюратор, 16 — выпускной клапан, 17 — коромысло, 18 — штанга; S — ход поршня, Vc – объем камеры сгорания, Vn — полный объем цилиндра, В. м. т. – верхняя мертвая точка, Н. м. т. – нижняя мертвая точка

Верхнее крайнее положение поршня в цилиндре (рис. 3.2.1, б) называется верхней мертвой точкой (в. м. т.), нижнее положение – нижней мертвой точкой (н. м. т.). Расстояние, проходимое поршнем от одной до другой мертвой точки, называется ходом поршня S.

Перемещение поршня от одной мертвой точки до другой вызывает поворот коленчатого вала на половину оборота.

Объем Vc над поршнем, находящимся в в. м. т., называется объемом камеры сгорания, а объем Va над поршнем, находящимся в н. м. т., – полным объемом цилиндра.

Объем Vn, освобождаемый поршнем при его перемещении от в. м. т. к н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра.

Если диаметр цилиндра и ход поршня выразить в дециметрах, то рабочий объем цилиндра получим в кубических дециметрах или литрах.

Рабочий объем всех цилиндров многоцилиндрового двигателя называют литражом. Его подсчитывают умножением рабочего объема одного цилиндра на число цилиндров двигателя.

Отношение полного объема цилиндра Vn к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия.