Основы конструкции и содержания автомобиля. Системы зажигания ДВС. Трансмиссия автомобиля. Подвеска автомобиля

основы КОНСТРУКЦИИ И СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЯ
СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ДВС. ТРАНСМИССИЯ АВТОМОБИЛЯ. ПОДВЕСКА АВТОМОБИЛЯ


Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.113
ББК 39.3
     0-75

Авторы:
Болштянский А. П., Щерба В. Е., Лысенко Е. А., Тегжанов А. С.

Рецензенты:
д. т. н., проф., проф. кафедры теплоэнергетики Омского государственного университета путей сообщения В. Р. Ведрученко;
к. т. н., полковник, нач. кафедры боевых гусеничных, колесных машин и военных автомобилей Омского автобронетанкового инженерного института
Т. А. Ивахненко


0-75      Основы конструкции и содержания автомобиля. Системы зажигания
      ДВС. Трансмиссия автомобиля. Подвеска автомобиля : учебное пособие / [Болштянский А. П. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -300 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1412-8

           Рассмотрены особенности устройства автотранспортных средств, работа их основных систем, агрегатов и узлов, правила содержания автомобилей. Описаны системы зажигания автомобилей, реально эксплуатирующихся на территории России, начиная с батарейно-катушечных и заканчивая объединенными системами электронного управления, показаны схемы и конструкции трансмиссий, в том числе машин повышенной проходимости, описана подвеска автомобилей и устройство их колес.
           Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

УДК 629.113
ББК 39.3








ISBN 978-5-9729-1412-8

    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Настоящая книга является вторым томом учебного пособия «Основы конструкции и содержания автомобиля», издание которого предполагается в трех томах.
    Первый том состоит из пяти разделов, посвященных роли автомобиля в жизнедеятельности человека, истории автомобилестроения, описанию общих принципов устройства автомобиля, классификации подвижного состава, устройству и работе двигателя внутреннего сгорания.
    Данный том содержит три раздела.
    Первый раздел посвящен описанию систем зажигания бензиновых ДВС. В нем изложены общие положения работы этих систем, конструкция свечей зажигания и запальных свечей. Для понимания последующего содержания приведены основные понятия электротехники и электроники, описаны схемы систем зажигания - контактные, контактно-транзисторные и бесконтактные. Описаны средства управления моментом зажигания - механические и электронные, приведены понятия об автоматическом управлении.
    Во втором разделе описана трансмиссия автомобиля: общие схемы трансмиссий и устройство их элементов, коробки перемены передач с ручным управлением и автоматические, раздаточные и дополнительные коробки, карданная передача.
    Вся третья часть посвящена описанию подвески автомобилей - зависимой и независимой, подвесок машин повышенной проходимости, грузовых автомобилей и автобусов. Здесь же изложены конструкции таких элементов подвески, как шаровые опоры, шарниры, сайлентблоки, пружины, амортизаторы. Приведено устройство пневматических и пневмогидравлических подвесок, описаны углы установки управляемых колес. В этом же разделе описаны конструкции колес, шин и подшипниковых узлов подвески.
    Все разделы заканчиваются контрольными вопросами, которые подготовлены авторами с целью организации самоконтроля студентов при проверке усвоения темы и концентрации их внимания на наиболее важных аспектах пройденного материала. Кроме того, эти вопросы могут быть использованы преподавателем для составления билетов при приведении зачетов или экзаменов.
    В третьем томе предполагается привести описание систем управления автомобилем (рулевое управление, тормозная система, системы АБС, ЕСП, ПБС), устройство пневматических систем, устройство элементов электрооборудования и основы содержания автомобилей.
    В книге широко использованы материалы, опубликованные в Интернете, и находящиеся в свободном доступе.

3

1. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ДВС

1.1. Система зажигания. Общие положения

    Система зажигания предназначена для воспламенения топливновоздушной смеси в точно установленный момент времени. В двигателях с искровым зажиганием это достигается с помощью электрической искры, т. е. электроискрового разряда, происходящего между электродами свечи зажигания.
    Воспламенение искрой небольшого облака гомогенной (однородной) смеси легкого топлива (например, бензина) с воздухом вблизи электродов свечи может быть достаточным для инициирования всего процесса воспламенения в камере сгорания, в течение которого пламя распространяется по оставшемуся объему рабочей смеси в камере сгорания, обеспечивая горение топлива.
    Способность к воспламенению топлива повышается за счет его эффективного распыления, испарения, смешивания с воздухом и обеспечения хорошего доступа смеси к электродам свечи, а также за счет увеличения продолжительности искрового разряда и длины самой искры (при увеличенном зазоре между электродами свечи).
    Длина искры определяется конструкцией свечи зажигания, а продолжительность искрового разряда зависит от типа и конструкции всей системы зажигания.
    Для возникновения искры напряжение между электродами свечи должно быть около 15 000-30 000 В. После возникновения искрового разряда это напряжение снижается до уровня, необходимого для распространения и поддержания дуги.
    Топливно-воздушная смесь может воспламениться в любой момент этой фазы. Затем напряжение на электродах свечи падает до нуля, и искра исчезает.
    Интенсивное завихрение рабочей смеси в камере сгорания является желательным явлением для ее воспламенения, но оно может и погасить искру. Поэтому энергия искры должна быть достаточной для воспламенения рабочей смеси в реальных условиях смесеобразования.
    Между начальным моментом зажигания смеси и ее полным сгоранием проходит приблизительно 1-5 микросекунд. Поэтому возникновение искры должно происходить несколько раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ), что позволяет получить оптимальный процесс сгорания рабочей смеси при нормальных условиях работы двигателя.
    Факторы, влияющие на сгорание смеси
    Полное сгорание бензовоздушной смеси происходит при соотношении массы воздуха и топлива равном 14,82:1. При этом соотношении коэффициент избытка воздуха в смеси а = 1,0.
    Смесь с коэффициентом избытка воздуха а = 0,9, т. е. фактически с недостатком воздуха в 10 % (богатая смесь), позволяет получить наибольшую мощность двигателя. Горение такой смеси происходит с максимальной скоростью,

4

но, к сожалению, в результате сгорания образуются выхлопные газы с повышенным содержанием окиси углерода (СО) и несгоревших углеводородов. При небольшом обеднении смеси, т. е. добавке в состав смеси избыточного воздуха до а = 1,1, скорость ее горения и мощность двигателя снижается, но выхлоп становится наиболее чистым.
    Борьба за чистоту атмосферы представляет глобальный интерес, и законодательства многих стран устанавливают жесткие требования по составу отработавших газов.
    Момент зажигания
    Мощность и топливная экономичность двигателя тесно связаны с моментом зажигания для бензиновых ДВС (рис. 1.1) и моментом впрыска топлива для дизельных ДВС.
    Момент зажигания должен быть выбран так, чтобы давление в цилиндре достигло максимума примерно через 12-15° угла поворота у коленчатого вала после прохождения поршнем положения верхней мертвой точки (ВМТ).


Рис. 1.1. График изменения давления р в цилиндре ДВС:
1 - Момент зажигания по углу поворота у коленчатого вала и график давления в цилиндре при оптимальном опережении зажигания, 2 - То же для раннего зажигания,
3 - То же для позднего зажигания;
р - текущее значение давления в цилиндре

     Турбулентность потока в процессе впуска
     Рабочая смесь в цилиндре в процессе впуска движется в форме вихревых потоков. Эти вихри способствуют быстрому распространению пламени, поэтому камеры сгорания конструируются таким образом, чтобы повысить степень турбулентности потоков.


5

    Наличие остаточных отработавших газов
    Часть газов после их выпуска остается в цилиндре. Смешиваясь со свежей порцией, остаточные газы снижают скорость распространения пламени и, как результат, происходит понижение давления и температуры газов в камере сгорания. С точки зрения охраны окружающей среды этот факт можно считать положительным, поскольку с ростом температуры сгорания резко увеличивается содержание в выхлопных газах окислов азота. В некоторых двигателях даже имеется специальная система, направляющая часть отработавших газов снова во впускной коллектор, и называемая системой рециркуляции выхлопных газов.
    Есть, однако, предельное значение количества этих газов, которое можно направить на повторное сжигание, после которого резко начинает расти расход топлива.
    Детонация
    Известно, что для достижения наибольшей мощности двигателя следует повышать скорость распространения фронта пламени. Однако эта скорость не должна превышать скорость звука, поскольку в этом случае характер горения приобретает взрывные свойства.
    Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, нагревается в результате поджатия - увеличения давления в цилиндре от повышения температуры при сгорании рабочей смеси. При этом температура этой части рабочей смеси превышает температуру самовоспламенения, что может сопровождаться возникновением ударных волн, скорость которых достигает 1500 м/с (больше скорости звука), что во много раз превышает обычную скорость распространения пламени (30-80 м/с). Такое горение называется детонационным (взрывным).
    Детонация сопровождается звонким металлическим стуком, возникающим при отражении ударных волн от стенок камеры сгорания. На индикаторной диаграмме (рис. 1.2) регистрируются высокочастотные колебания давления.
    Продолжительную работу двигателя с сильной детонацией допускать нельзя, т. к. это связано с превышением тепловых и механических нагрузок на ряд деталей ДВС, в результате чего, например, могут обгореть кромки поршней и прокладки головки блока цилиндров, электроды свечей и др.
    Ударные волны детонации разрушают масляную пленку на поверхности верхней части цилиндра, что приводит к ее интенсивному износу. Детонация является основным препятствием повышения степени сжатия в цилиндре и применения наддува в двигателях с искровым зажиганием.

6

                                    ВМТ Ф -° ВМТ                                                                                                                              ф, ...° ВМТ                                                                        ф, ...°


Рис. 1.2. Индикаторные диаграммы при нарушениях процесса горения двигателя с искровым зажиганием:
а - слабая детонация, б - сильная детонация, в - преждевременное воспламенение

     Подавлению детонации способствуют следующие факторы:
     1.     Применение высокооктановых сортов топлива. Здесь также следует иметь в виду, что октановое число легких фракций бензина меньше, чем средних и тяжелых, а при резком открытии дроссельной заслонки во время интенсивного разгона тяжелые фракции поступают в камеру сгорания с некоторой задержкой. Это приводит к появлению детонации из-за временного снижения октанового числа топлива, поступившего в камеру сгорания.
     2.     Уменьшение угла опережения зажигания, что способствует меньшему поджатию последней порции рабочей смеси.
     3.     Увеличение частоты вращения коленчатого вала, приводящее к повышению скорости распространения основного фронта пламени. Это оставляет меньше времени для развития предпламенных процессов в последних частях впускаемой горючей смеси, а, следовательно, и для создания условий объемного самовоспламенения с возникновением ударных волн.
     4.     Уменьшение нагрузки на двигатель, что способствует снижению давления и температуры в процессе сгорания топлива.
     5.     Конструктивные факторы, снижающие вероятность появления детонации, следующие: снижение степени сжатия, уменьшение диаметра цилиндра, увеличение турбулентности вихревых потоков рабочей смеси, улучшение охлаждения ее последних порций, применение зажигания от двух свечей.
     Контроль над детонацией
     Для получения от двигателя наибольшей эффективности зажигание должно происходить на самой границе возникновения детонации (при максимальной степени сжатия). С этой целью все большее число современных автомобилей оснащается системой контроля над детонацией.


7

    При возникновении детонации в зоне камеры сгорания возникает сильная вибрация, которая улавливается специальным датчиком. Поскольку при работе двигателя наблюдается широкий спектр различных ударов и вибраций, датчик должен быть способен выделить из этого спектра только тот сигнал, который характерен для детонации. В момент начала детонации сигнал датчика поступает на блок электронного управления, который уменьшает опережение зажигания. Такая система, обычно, является частью общей системы управления двигателем.
    Преждевременное воспламенение
    Рабочая смесь может воспламениться сама от контакта с горячими стенками камеры сгорания. Самовоспламенение так же, как и детонация, сопровождается дребезжащим звуком и заметным падением мощности.
    Причиной самовоспламенения чаще всего служит нагар на стенках камеры сгорания, который из-за своей плохой теплопроводности сильно разогревается и в какой-то момент оказывается способным поджечь топливно-воздушную смесь до того, как это сделает свеча.
    Побочный эффект нагарообразования состоит еще и в том, что после выключения зажигания двигатель может еще работать, поскольку разогретый нагар продолжает поджигать топливо даже и при неработающей свече.
    Преждевременное воспламенение наблюдается и при отсутствии нагара в хорошо прогретом двигателе с повышенной степенью сжатия (более 8,5), когда температура смеси в конце сжатия оказывается слишком высокой.

Контрольные вопросы к разделу 1.1

    1.     Для чего предназначена система зажигания, чем и в какой момент производится поджигание рабочей смеси?
    2.     Какие условия необходимы для хорошего воспламенения и сгорания рабочей смеси?
    3.     Почему возникновение искры должно происходить раньше прихода поршня в положение ВМТ?
    4.     Что произойдет, если рабочую смесь поджечь раньше, или позже, чем это требуется?
    5.     Что такое турбулентность потока горючей смеси и как она влияет на процесс горения топлива?
    6.     Что такое детонация, взрывное горение и самовоспламенение и к чему приводят эти явления?


8

1.2. Свеча зажигания и запальная свеча


1.2.1. Свечи зажигания


    Свечи зажигания служат для поджигания рабочей смеси в цилиндре, для чего с ее помощью создается искровой разряд. Они представляют собой устройство, состоящее из разнополярных электродов, помещенных вовнутрь камеры сгорания цилиндра двигателя. Высокое напряжение, обеспечиваемое системой зажигания, приводит к возникновению искры (дуги) между электродами, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь.
    Свеча зажигания (рис. 1.3) была изобретена Джоном Ленуаром в 1860 г. и не претерпела значительных внешних изменений, хотя конструкция современных свечей зажигания являются результатом многочисленных исследований и экспериментов.

б

а

в

д

Рис. 1.3. Схема свечи зажигания (а) и внешний вид некоторых конструкций:
1  - Металлический корпус, 2 - Резьбовая часть корпуса, 3 - Центральный электрод,
   4   - Боковой электрод, 5 - Уплотнительное полое кольцо, 6 - Шестигранный выступ,
7  - Керамический изолятор, 8 - Резьбовой наконечник, 9 - Клеммный стержень;
б - свеча с одним боковым электродом, в - свеча с четырьмя боковыми и утопленным центральным электродами, г - свеча с двумя боковыми электродами, д - свеча с центральным электродом конической формы

     Свеча зажигания работает внутри камеры сгорания в очень неблагоприятных условиях. При работе двигателя она подвержена резким изменениям

9

температуры и давления - от относительно низких температуры и давления, которую имеет свежая рабочая смесь до температуры в 2500 °C и давления до 5,0 МПа, образующихся при сгорании рабочей смеси.
    Изолятор
    Изолятор препятствует утечке тока высокого напряжения в пределах корпуса свечи, способствует рассеиванию теплоты и частично определяет тепловой диапазон свечи зажигания. Его изготавливают из оксида алюминия Al 2 O 3 (керамика) со специальным наполнителем. Наружная часть изолятора покрывается глазурью для предотвращения налипания грязи, которая способствует утечке тока. Эффективную длину поверхности изолятора увеличивают за счет применения нескольких круговых ребер, дополнительно препятствующих утечке тока. В изоляторе размещен центральный электрод и клеммный стержень.
    Изолятор должен обладать следующими свойствами:
     -  механической, прочностью;
     -  высоким сопротивлением;
     -  хорошей теплопроводностью.
    Корпус
    Корпус свечи изготавливается из стали, имеет резьбу для ввинчивания свечи в головку цилиндров и шестигранник для гаечного ключа.
    Наружную поверхность корпуса никелируют для предотвращения коррозии и «присыхания» резьбы, что имеет особенно важное значение, поскольку головку цилиндров изготавливают из мягкого сплава.
    Электроды
    Выбор материала, из которого изготавливают электроды, имеет большое значение для обеспечения хорошей работы свечи. Они должны быть стойкими к высокой температуре и воздействию агрессивной среды. Наиболее подходящим материалом для электродов считается никель, хотя некоторые свечи имеют медные электроды, покрытые никелем, что улучшает теплоотвод, благодаря хорошей теплопроводности меди. Боковой электрод приварен к корпусу и обычно имеет прямоугольное сечение. Фирма Champion применяет медные электроды, причем боковой электрод имеет трапециевидное сечение для увеличения площадки, на которой проскакивает искра. Эта мера уменьшает температуру электродов приблизительно на 100 °C по сравнению со свечами, имеющими никелевые электроды. Кроме того, за счет уменьшения сопротивления электродов имеется возможность для увеличения зазора между электродами на 0,15 мм по сравнению с обычными свечами. Увеличение зазора между электродами облегчает пуск двигателя, а также увеличивает эффективность сгорания, особенно при работе двигателя на бедной рабочей смеси.
    Системы зажигания сконструированы так, чтобы центральный, изолированный электрод свечи был отрицательным, а электрод, связанный с массой -положительным. Электроны, образующие искру, вылетают из отрицательного

10