В котором химическая энергия топлива, сгорающего в его рабочей полости (камере сгорания), преобразуется в механическую работу. Различают ДВС: поршневы е, в которых работа расширения газообразных продуктов сгорания производится в цилиндре (воспринимается поршнем, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала) или используется непосредственно в машине, приводимой в действие; газотурбинны е, в которых работа расширения продуктов сгорания воспринимается рабочими лопатками ротора; реактивны е, в которых используется реактивное давление, возникающее при истечении продуктов сгорания из сопла . Термин «ДВС» применяют преимущественно к поршневым двигателям.
Историческая справка
Идея создания ДВС впервые предложена Х. Гюйгенсом в 1678; в качестве топлива должен был использоваться порох. Первый работоспособный газовый ДВС сконструирован Э. Ленуаром (1860). Бельгийский изобретатель А. Бо де Роша предложил (1862) четырёхтактный цикл работы ДВС: всасывание, сжатие, горение и расширение, выхлоп. Немецкие инженеры Э. Ланген и Н. А. Отто создали более эффективный газовый двигатель; Отто построил четырёхтактный двигатель (1876). По сравнению с паромашинной установкой такой ДВС был более прост и компактен, экономичен (кпд достигал 22%), имел меньшую удельную массу, но для него требовалось более качественное топливо. В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный поршневой двигатель. В 1897 Р. Дизель предложил двигатель с воспламенением топлива от сжатия. В 1898–99 на заводе фирмы «Людвиг Нобель» (С.-Петербург) изготовили дизель , работающий на нефти. Совершенствование ДВС позволило применять его на транспортных машинах: тракторе (США, 1901), самолёте (О. и У. Райт , 1903), теплоходе «Вандал» (Россия, 1903), тепловозе (по проекту Я. М. Гаккеля , Россия, 1924).
Классификация
Разнообразие конструктивных форм ДВС обусловливает их широкое применение в различных областях техники. Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим критериям: по назначению (стационарные двигатели – небольшие электростанции, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.); характеру движения рабочих частей (двигатели с возвратно-поступательным движением поршней; роторно-поршневые двигатели – Ванкеля двигатели ); расположению цилиндров (оппозитные, рядные, звездообразные, V-образные двигатели); способу осуществления рабочего цикла (четырёхтактные, двухтактные двигатели); по количеству цилиндров [от 2 (например, автомобиль «Ока») до 16 (напр., «Mercedes-Benz» S 600)]; способу воспламенения горючей смеси [бензиновые двигатели с принудительным воспламенением (двигатели с искровым зажиганием, ДсИЗ) и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия]; способу смесеобразования [с внешним смесеобразованием (вне камеры сгорания – карбюраторные), преимущественно бензиновые двигатели; с внутренним смесеобразованием (в камере сгорания – инжекторные), дизельные двигатели]; типу системы охлаждения (двигатели с жидкостным охлаждением, двигатели с воздушным охлаждением); расположению распредвала (двигатель с верхним расположением распредвала, с нижним расположением распредвала); типу топлива (бензиновый, дизельный, двигатель, работающий на газе); способу наполнения цилиндров (двигатели без наддува – «атмосферные», двигатели с наддувом). У двигателей без наддува впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счёт разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня, у двигателей с наддувом (турбонаддувом), впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью получения повышенной мощности двигателя.
Рабочие процессы
Под действием давления газообразных продуктов сгорания топлива поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма. За один оборот коленчатого вала поршень дважды достигает крайних положений, где изменяется направление его движения (рис. 1).
Эти положения поршня принято называть мёртвыми точками, т. к. усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние оси пальца поршня от оси коленчатого вала достигает максимума, называется верхней мёртвой точкой (ВМТ). Нижней мёртвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние оси пальца поршня до оси коленчатого вала достигает минимума. Расстояние между мёртвыми точками называют ходом поршня (S ). Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°. Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объёма надпоршневого пространства. Объём внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объёмом камеры сгорания V c . Объём цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мёртвыми точками, называется рабочим объёмом цилиндра V ц. Объём надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объёмом цилиндра V п = V ц + V c . Рабочий объём двигателя представляет собой произведение рабочего объёма цилиндра на число цилиндров. Отношение полного объёма цилиндра V ц к объёму камеры сгорания V c называют степенью сжатия Е (для бензиновых ДсИЗ 6,5–11; для дизелей 16–23).
При перемещении поршня в цилиндре, кроме изменения объёма рабочего тела, изменяются его давление, температура, теплоёмкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую. Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя.
Рабочий цикл бензинового четырёхтактного ДВС совершается за 4 хода поршня (такта) в цилиндре, т. е. за 2 оборота коленчатого вала (рис. 2).
Первый такт – впуск, при котором впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределённый впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре (вследствие увеличения объёма) создаётся разрежение, под действием которого через открывающийся впускной клапан поступает горючая смесь (паров бензина с воздухом). Давление во впускном клапане в двигателях без наддува может быть близким к атмосферному, а в двигателях с наддувом – выше его (0,13– 0,45 МПа). В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нём от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь. Второй такт – сжатие, при котором впускной и выпускной клапаны закрываются газораспределительным валом, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя. Поршень движется вверх (от НМТ к ВМТ). Т.к. объём в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси до давления 0,8–2 МПа, температура смеси составляет 500–700 К. В конце такта сжатия, рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001– 0,002 с). При этом происходит выделение большого количества теплоты, температура достигает 2000–2600 К, и газы, расширяясь, создают сильное давление (3,5– 6,5 МПа) на поршень, перемещая его вниз. Третий такт – рабочий ход, который сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси. Сила давления газов перемещает поршень вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля. Т.о., во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Четвёртый такт – выпуск, при котором поршень после совершения полезной работы движется вверх, и выталкивает наружу, через открывающийся выпускной клапан газораспределительного механизма, отработавшие газы из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу. Процесс выпуска можно разделить на предварение (давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном клапане, скорость истечения отработавших газов при температурах 800–1200 К составляет 500– 600 м/сек) и основной выпуск (скорость в конце выпуска 60–160 м/сек). Выпуск отработанных газов сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители. За рабочий цикл двигателя полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе и часть её отдаёт на совершение вспомогательных тактов.
Рабочий цикл двухтактного ДВС осуществляется за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. Процессы сжатия, сгорания и расширения практически аналогичны соответствующим процессам четырёхтактного двигателя. Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в 2 раза больше четырёхтактного за счёт большого числа рабочих циклов. Однако потери части рабочего объёма практически приводят к увеличению мощности только в 1,5–1,7 раза. К преимуществам двухтактных двигателей следует также отнести бо́льшую равномерность крутящего момента, т. к. полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала. Существенным недостатком двухтактного процесса по сравнению с четырёхтактным является малое время, отводимое на процесс газообмена. Кпд ДВС, использующих бензин, 0,25–0,3.
Рабочий цикл газовых ДВС аналогичен бензиновым ДсИЗ. Газ проходит стадии: испарение, очистка, ступенчатое понижение давления, подача в определённых количествах в двигатель, смешение с воздухом и поджигание искрой рабочей смеси.
Конструктивные особенности
ДВС – сложный технический агрегат, содержащий ряд систем и механизмов. В кон. 20 в. в основном осуществлён переход от карбюраторных систем питания ДВС к инжекторным, при этом повышаются равномерность распределения и точность дозировки топлива по цилиндрам и появляется возможность (в зависимости от режима) более гибко управлять образованием топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Это позволяет повысить мощность и экономичность двигателя.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления). Корпус ДВС образуют неподвижные (блок цилиндров, картер, головка блока цилиндров) и подвижные узлы и детали, которые объединены в группы: поршневую (поршень, палец, компрессионные и маслосъёмные кольца), шатунную, коленчатого вала. Система питания осуществляет приготовление горючей смеси из топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в количестве, зависящем от мощности двигателя. Система зажигания ДсИЗ предназначена для воспламенения искрой рабочей смеси с помощью свечи зажигания в строго определённые моменты времени в каждом цилиндре в зависимости от режима работы двигателя. Система пуска (стартер) служит для предварительной раскрутки вала ДВС с целью надёжного воспламенения топлива. Система воздухопитания обеспечивает очистку воздуха и снижение шума впуска при минимальных гидравлических потерях. При наддуве в неё включаются один или два компрессора и при необходимости охладитель воздуха. Система выпуска осуществляет вывод отработавших газов. Газораспределение обеспечивает своевременный впуск свежего заряда смеси в цилиндры и выпуск отработавших газов. Система смазки служит для снижения потерь на трение и уменьшения износа подвижных элементов, а иногда для охлаждения поршней. Система охлаждения поддерживает требуемый тепловой режим работы ДВС; бывает жидкостной или воздушной. Система управления предназначена для согласования работы всех элементов ДВС с целью обеспечения его высокой работоспособности, малого расхода топлива, требуемых экологических показателей (токсичности и шума) на всех режимах работы при различных условиях эксплуатации с заданной надёжностью.
Основные преимущества ДВС перед другими двигателями – независимость от постоянных источников механической энергии, малые габариты и масса, что обусловливает их широкое применение на автомобилях, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, самоходной военной технике и т. д. Установки с ДВС, как правило, обладают большой автономностью, могут достаточно просто устанавливаться вблизи или на самом объекте потребления энергии, например, на передвижных электростанциях, летательных аппаратах и др. Одно из положительных качеств ДВС – возможность быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска.
Недостатками ДВС являются: ограниченная по сравнению, например, с паровыми турбинами агрегатная мощность; высокий уровень шума; относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колёсами потребителя; токсичность выхлопных газов. Основная конструктивная особенность двигателя – возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающее частоту вращения, является причиной возникновения неуравновешенных сил инерции и моментов от них.
Совершенствование ДВС направлено на увеличение их мощности, экономичности, уменьшение массы и габаритов, соответствие экологическим требованиям (снижение токсичности и шума), обеспечение надёжности при приемлемом соотношении цены и качества. Очевидно, что ДВС недостаточно экономичен и, по сути, имеет невысокий кпд. Несмотря на все технологические ухищрения и «умную» электронику, кпд современных бензиновых двигателей ок. 30%. Самые экономичные дизельные ДВС имеют кпд 50%, т. е. даже они половину топлива выбрасывают в виде вредных веществ в атмосферу. Однако последние разработки показывают, что ДВС можно сделать по-настоящему эффективным. В компании « EcoMotors International » переработали конструкцию ДВС, который сохранил поршни, шатуны, коленвал и маховик, однако новый двигатель на 15-20% эффективнее, кроме того намного легче и дешевле в производстве. При этом двигатель может работать на нескольких видах топлива, включая бензин, дизель и этанол. Это получилось благодаря оппозитной конструкции двигателя, в которой камеру сгорания образуют два поршня, двигающихся навстречу друг другу. При этом двигатель двухтактный и состоит из двух модулей по 4 поршня в каждом, соединённых специальной муфтой с электронным управлением. Двигателем полностью управляет электроника, благодаря чему удалось добиться высокого кпд и минимального расхода топлива.
Мотор оснащён управляемым электроникой турбокомпрессором, который утилизирует энергию выхлопных газов и вырабатывает электроэнергию. В целом двигатель имеет простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе. У него нет блока головки цилиндров, он сделан из обычных материалов. Двигатель очень лёгкий: на 1 кг веса он выдаёт мощность больше 1 л. с. (более 0,735 кВт). Опытный двигатель EcoMotors EM100 при размерах 57,9 х 104,9 х 47 см весит 134 кг и выдаёт мощность 325 л. с. (около 239 кВт) при 3500 оборотах в минуту (на дизтопливе), диаметр цилиндров 100 мм. Расход топлива у пятиместного автомобиля с мотором EcoMotors планируется чрезвычайно низкий – на уровне 3–4 л на 100 км.
Компания « Grail Engine Technologies » разработала уникальный двухтактный двигатель с высокими характеристиками. Так, при потреблении 3–4 л в на 100 км, двигатель выдаёт мощность 200 л. с. (ок. 147 кВт). Мотор с мощностью 100 л. с. весит менее 20 кг, а мощностью 5 л. с. – всего 11 кг. При этом ДВС « Grail Engine » соответствуют самым жёстким экологическим стандартам. Сам двигатель состоит из простых деталей, в основном изготавливаемых способом отливки (рис. 3). Такие характеристики связаны со схемой работы « Grail Engine » . Во время движения поршня вверх внизу создаётся отрицательное давления воздуха и через специальный углепластиковый клапан воздух проникает в камеру сгорания. В определённой точке движения поршня начинает подаваться топливо, затем в верхней мёртвой точке с помощью трёх обычных электросвечей происходит зажигание топливно-воздушной смеси, клапан в поршне закрывается. Поршень идёт вниз, цилиндр заполняется выхлопными газами. По достижении нижней мёртвой точки поршень опять начинает движение вверх, поток воздуха вентилирует камеру сгорания, выталкивая выхлопные газы, цикл работы повторяется.
Компактный и мощный « Grail Engine » идеально для гибридных автомобилей, где бензиновый мотор вырабатывает электроэнергию, а электромоторы крутят колёса. В такой машине « Grail Engine » будет работать в оптимальном режиме без резких скачков мощности, что существенно повысит его долговечность, снизит шум и расход топлива. При этом модульная конструкция позволяет присоединять к общему коленвалу два и более одноцилиндровых « Grail Engine » , что даёт возможность создания рядных двигателей различной мощности.
В ДВС используются как обычные моторные топлива, так и альтернативные. Перспективно применение в транспортных ДВС водорода, который обладает высокой теплотой сгорания, а в отработавших газах отсутствуют СО и СО 2 . Однако существуют проблемы высокой стоимости его получения и хранения на борту автомобиля. Отрабатываются варианты комбинированных (гибридных) энергетических установок транспортных средств, в составе которых совместно работают ДВС и электродвигатели.
Автомобильные двигатели чрезвычайно разнообразны. Технология, которая применяется при разработке и запуске в производство силовых агрегатов, имеет богатую историю. Требования современности вынуждают производителей ежегодно внедрять в свои проекты доработки и модернизировать имеющиеся технологии.
Двигатель внутреннего сгорания имеет устройство и принцип работы, способный обеспечивать высокую мощность и длительный период эксплуатации - от пользователя требуется только минимально необходимое обслуживание и своевременный мелкий ремонт.
При первом взгляде сложно представить, как работает двигатель: слишком много взаимосвязанных механизмов собранно в одном небольшом пространстве. Но при детальном изучении и анализе связей в этой системе работа двигателя автомобиля оказывается предельно простой и понятной.
В состав двигателя автомобиля входит ряд узлов, имеющих важное значение и обеспечивающих выполнение рабочих функций всей системы .
Блок цилиндров иногда называют корпусом или рамой всей системы. Описание двигателя не обходится без изучения данного элемента конструкции. Именно в этой части мотора обустроена система связанных каналов, предназначеных для смазки и создания необходимой температуры двигателя внутреннего сгорания.
Верхняя часть корпуса поршня имеет каналы для колец. Сами поршневые кольца подразделяются на верхние и нижние. Исходя из выполняемых функций, данные кольца называют компрессионными. Крутящий момент двигателя определяется прочностью и работой рассмотренных элементов.
Нижние кольца поршня играют важную роль для обеспечения ресурса двигателя. Нижние кольца выполняют 2 роли: сохраняют герметичность камеры сгорания и являются уплотнителями, которые предотвращают проникновение масла внутрь камеры сгорания.
Двигатель автомобиля представляет собой систему, в которой осуществляется передача энергии между механизмами с минимальными потерями ее величины на различных этапах. Поэтому кривошипно-шатунный механизм становится одним из важнейших элементов системы. Он обеспечивает передачу возвратно-поступательной энергии от поршня на коленвал.
В целом, принцип работы двигателя достаточно прост и претерпел мало фундаментальных изменений за период существования. В этом просто нет необходимости - некоторые усовершенствования и оптимизации позволяют достигать лучших результатов в работе. Концепция же всей системы неизменна.
Крутящий момент двигателя создается за счет выделяемой при сгорании топлива энергии, которая передается от камеры сгорания к колесам по соединительным элементам. В форсунках топливо передается в камеру сгорания, где происходит его обогащение воздухом. Свеча зажигания создает искру, которая мгновенно воспламеняет образовавшуюся смесь. Так происходит небольшой взрыв, который обеспечивает работы двигателя.
В результате такого действия происходит образования большого объема газов, стимулируя к совершению поступательных движений. Так формируется крутящий момент двигателя. Энергия от поршня передается на коленвал, который передает движение на трансмиссию, а после этого, специальная система шестеренок переносит движение на колеса.
Порядок работы работающего двигателя незатейлив и при исправных связующих элементах гарантирует минимальные потери энергии. Схема работы и строение каждого механизма основаны на преобразовании созданного импульса в практически используемый объем энергии. Ресурс двигателя определяется износостойкостью каждого звена.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Двигатель легкового автомобиля выполняется в виде одного из типов систем внутреннего сгорания. Принцип действия двигателя может отличаться по некоторым показателям, что служит основой для разделения моторов на различные типы и модификации.
В качестве определяющих параметров, служащих для разделения силовых агрегатов на категории, служат:
- рабочий объем,
- количество цилиндров,
- мощность системы,
- скорость вращения узлов,
- применяемое для работы топливо и др.
Разобраться в том, как работает двигатель, просто. Но по мере изучения всплывают новые показатели, которые вызывают вопросы. Так, часто можно встретить разделение двигателей по числу тактов. Что это такое и как влияет на работу машины?
Устройство двигателя автомобиля основано на четырехтактовой системе. Эти 4 такта равны по времени - за весь цикл поршень дважды поднимается вверх в цилиндре и дважды опускается вниз. Такт берет начало в тот момент, когда поршень находится в верхней или нижней части. Механики называют эти точки ВМТ и НМТ - верхняя и нижняя мертвые точки соответственно.
Такт № 1 - впуск. По мере движения вниз, поршень втягивает в цилиндр наполненную топливом смесь. Работа системы происходит при открытом клапане впуска. Мощность двигателя автомобиля определяется количеством, размерами и временем, которое клапан открыт.
В отдельных моделях работа педали газа увеличивает период нахождения клапана в открытом состоянии, что позволяет увеличить объем топлива, попадающего в систему. Такое устройство двигателей внутреннего сгорания обеспечивает сильное ускорение работы системы.
Такт № 2 - сжатие. На этом этапе поршень начинает свое движение вверх, что приводит к сжатию полученной в цилиндр смеси. Она сживается ровно до объемов камеры сгорания топлива. Эта камера представляет собой пространство между верхней частью поршня и верхом цилиндра в момент нахождения поршня в ВМТ. Клапаны впуска в этот момент работы прочно закрыты.
От плотности закрытия зависит качество сжатия смеси. Если сам поршень, или цилиндр, или кольца поршней потерты и не в надлежащем состоянии, то качество работы и ресурс двигателя значительно снизятся.
Такт № 3 - рабочий ход. Этот этап начинается с ВМТ. Система зажигания гарантирует воспламенение топливной смеси и обеспечивает выделение энергии. Происходит взрыв смеси, при котором высвобождается энергия. И за счет увеличения объема происходит выталкивание поршня вниз. Клапаны при этом закрыты. Технические характеристики двигателя во многом зависят от протекания третьего такта работы мотора.
Такт № 4 - выпуск. Окончание цикла работы. Движение поршня вверх обеспечивает выталкивание газов. Таким образом, осуществляется вентиляция цилиндра. Этот такт важен для обеспечения ресурса двигателя.
Двигатель имеет принцип работы, основанный на распределении энергии от взрывов газов, требует внимания к созданию всех узлов.
Работа двигателя внутреннего сгорания циклична. Вся энергия, которая создается в процессе выполнения работы на всех 4 тактах работы поршней, направляется на организацию работы автомобиля.
Варианты конструкций внутреннего двигателя
Характеристика двигателя зависит от особенностей его конструкции. Внутреннее сгорание - основной тип физического процесса, протекающего в системе мотора на современных автомобилях. За период развития машиностроения успешно реализовано несколько типов ДВС.
Устройство бензинового двигателя разделяет систему на 2 типа - инжекторные двигатели и карбюраторные модели. Также в производстве есть несколько типов карбюраторов и систем впрыска. Основа работы - сжигание бензина.
Характеристика бензинового двигателя выглядит предпочтительнее. Хотя для каждого пользователя есть свои личные приоритеты и преимущества от работы каждого двигателя. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания является одним из самых распространенных в современном автомобилестроении. Порядок работы мотора прост и не отличается от классической интерпретации.
Дизельные двигатели основаны на применении подготовленного дизельного топлива. Оно попадает в цилиндры через форсунки. Главное преимущество дизельного двигателя заключается в отсутствии необходимости электричества для сжигания топлива. Оно требуется только для запуска двигателя.
Газовый двигатель применяет для работы сжиженные и сжатые газы, а также некоторые другие типы газов.
Узнать какой ресурс у двигателя на вашем авто лучше всего у производителя. Примерную цифру разработчики озвучивают в сопроводительных документах на транспортное средство. Здесь содержится вся актуальная и точная информация о моторе. В паспорте вы узнаете технические параметры мотора, сколько весит двигатель и всю информацию о движущем агрегате.
Срок службы двигателя зависит от качества обслуживания, интенсивности использования. Заложенный разработчиком срок эксплуатации подразумевает внимательное и бережное отношение с машиной.
Что значит двигатель? Это ключевой элемент в автомобиле, который призван обеспечить его движение. Надежность и точность работы всех узлов системы гарантирует качество движения и безопасность эксплуатации машины.
Характеристики двигателей различаются в широких пределах, несмотря на то. Что принцип внутреннего сгорания топлива остается неизменным. Так разработчикам удается удовлетворять потребности покупателей и реализовывать проекты по улучшению работы автомобилей в целом.
Средний ресурс двигателя внутреннего сгорания составляет несколько сотен тысяч километров. При таких нагрузках от всех составных частей системы требуется прочность и точная совместная работа. Поэтому известная и детально изученная концепция внутреннего сгорания постоянно подвергается доработкам и внедрениям новых подходов.
Ресурс двигателей различается в широком диапазоне. Порядок работы, при этом, общий (с небольшими отклонениями от стандарта). Несколько может различаться вес двигателя и отдельные характеристики.
Современный двигатель внутреннего сгорания имеет классическое устройство и досконально изученный принцип работы. Поэтому механикам не составляет труда решить любую проблему в кратчайшие сроки.
Ремонтные работы усложняются в том случае, если поломка не была устранена сразу. В таких ситуациях порядок работы механизмов может, нарушен окончательно и потребуется серьезная работа по восстановлению. Ресурс двигателя после грамотного ремонта не пострадает.
Двигатель или мотор (от лат. motor приводящий в движение) - устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
В случае автомобиля, топливо - это содержимое топливного бака, а механическая работа, соответственно - движение. Так как же бензин или дизельное топливо двигает автомобиль?
Из чего состоит ДВС
Начать нужно с того, из чего состоит двигатель внутреннего сгорания :
-головка блока цилиндров - это своеобразный сосуд для камеры сгорания рабочей смеси, клапанов газораспределения с приводом, свечей зажигания и форсунок;
-цилиндры - это полые детали с цилиндрической внутренней поверхностью, в цилиндрах движутся поршни;
-поршни - это подвижные детали, плотно перекрывающие цилиндры в поперечном сечении и перемещающиеся вдоль их оси;
-поршневые кольца - это незамкнутые кольца, которые плотно посажены в канавках на внешних поверхностях поршней, они герметизируют камеру сгорания, улучшают теплопередачу через стенки цилиндров и регулируют расход смазки;
-поршневые пальцы служат для шарнирного соединения поршня с шатуном, каждый из них является осью, относительно которой шатун совершает колебательное движение.;
-шатуны - это звено плоского механизма,связанное с другими подвижными звеньями посредством вращательных кинематических пар и совершающее сложное плоское движение;
-коленчатый вал - это это вал, состоящий из нескольких кривошипов;
-маховик - массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии;
-распределительный вал с кулачками - основная деталь газораспределительного механизма (ГРМ), служащего для синхронизации впуска или выпуска и тактов работы двигателя;
-клапаны - это механизмы, при помощи которых можно, по желанию, открывать или закрывать отверстия различного назначения;
-свечи зажигания служат для воспламенения горючей смеси, они представляют из себя набор электродов, между которыми и возникает искра.
Но для полноценной работы ДВС необходимо еще несколько систем:
-система питания ДВС состоит из топливного бака, фильтров очистки топлива, топливопроводов, топливного насоса, воздушного фильтра, выпускной системы и карбюратора (если двигатель не инжекторный);
-система выпуска отработавших газов ДВС состоит из выпускного клапана, выпускного канала, приемной трубы глушителя, дополнительного глушителя (резонатора), основного глушителя, соединительных хомутов;
-система зажигания ДВС состоит из источника питания для системы зажигания (аккумулятор и генратор), выключателя зажигания, устройства управления накоплением энергии, накопителя энергии (например, катушка зажигания), системы распределения зажигания, высоковольтных проводов и свечей зажигания;
-система охлаждения ДВС состоит из специальным образом устроенных двойных стенок блока цилиндров и головок (пространство между ними заполнено охлаждающей жидкостью), радиатора, расширительного бачка, насоса, термостата и трубопроводов;
Система смазки состоит из поддона картера, масляного насоса, масляного фильтра, трубок, каналов и отверстий для подачи масла.
Рабочая смесь ДВС
Само название ДВС - двигатель ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ - намекает на то, что чего-то там горит. И горит, конечно, не само топливо, а лишь его пары, смешанные с воздухом. Такую смесь обычно называют рабочей. Горение этой смеси имеет особенность - она сгорает, значительно увеличиваясь в объеме, создавая, так сказать, ударную волну для поршней цилиндров.
За создание рабочей смеси отвечает карбюратор или инжектор соответственно, в зависимости от типа двигателя.
Движение автомобиля
Итак, сгорание рабочей смеси создает движение поршня. Но как с помощью поршня сдвинуть с места автомобиль? Для этого нужно преобразовать движение поршня во вращение. Поэтому палец и шатун соединяют поршень с кривошипом коленчатого вала, который, что вполне естественно, начинает от этого вращаться. Обороты с коленчатого вала "забирает" трансмиссия .
Такты работы ДВС
Вышеописанная схема - крайне упрощена. Теперь рассмотрим все происходящее в ДВС подробнее. Классической схемой работы ДВС является разделение его на такты. Для того чтобы рассмотреть каждый такт работы двигателя нужно усвоить несколько определений:
Верхняя мертвая точка (ВМТ) - самое верхнее положение поршня в цилиндре.
Нижняя мертвая точка (НМТ) - самое нижнее положение поршня в цилиндре.
Ход поршня - расстояние между ВМТ и НМТ.
Камера сгорания - объем в цилиндре над поршнем, когда он находится в ВМТ.
Рабочий объем цилиндра - объем над поршнем цилиндра, когда он находится в НМТ.
Рабочий объем двигателя - это суммарный рабочий объем всех цилиндров.
Степень сжатия ДВС - это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Впуск - 1 такт работы ДВС
Во время первого такта работы ДВС впускной клапан открывается для заполнения цилиндра рабочей смесью. Степень заполнения цилиндра определяется положением поршня: рабочая смесь перестает поступать, когда поршень оказывается в положении НМТ. Перемещение поршня начинает вращать кривошип, и коленчатый вал поворачивается, правда повернуться он успевает только на полоборота.
Сжатие - 2 такт работы ДВС
Впускной клапан во время второго такта работы ДВС закрывается. Выпускной клапан системы также закрыт. Рабочая смесь находится внутри герметичного цилиндра. Начинается движение поршня, а, соответственно, и сжатие рабочей смеси. К концу сжатия (а значит и второго такта) давление в цилиндре уже очень велико, а температура достигает 500 градусов по Цельсию.
Рабочий ход - 3 такт работы ДВС
Третий такт работы ДВС - самый главный. Именно во время третьего такта происходит превращение тепловой энергии в механическую.
Там, где проходит тонкая грань между вторым и третьим тактом, срабатывает свеча зажигания: смесь воспламеняется и поршень устремляется к НМТ. Результат - вращение коленчатого вала.
Выпуск - 4 такт работы ДВС
Во время четвертого такта работы ДВС открывается выпускной клапан при закрытом впускном. Поршень, возвращаясь к ВМТ, выталкивает из цилиндра отработавшие газы в выпускной канал, который ведет прямиком через глушитель в атмосферу.
Все четыре такта работы ДВС циклично повторяются. Но самым важным из них безусловно является третий - обеспечивающий рабочий ход. Остальные такты являются вспомогательными, лишь для "организации" третьего такта, который двигает автомобиль.
Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.
В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:
- Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
- карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
- инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
- дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
- Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
- Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Особенности их устройства заключаются в преображении тепловой энергии в механическую работу с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.
Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Схема устройства двигателя.
Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.
Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.
Одна из основных частей двигателя - цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.
На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.
Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.
Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.
Принцип работы двигателя
Схема работы двигателя.
Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:
- Впуск топлива;
- Сжатие топлива;
- Сгорание;
- Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.
Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.
Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.
Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.
На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.
Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Системы двигателя
Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:
- ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
- Система смазки;
- Система охлаждения;
- Система подачи топлива;
- Выхлопная система.
ГРМ - газораспределительный механизм
Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:
- Распределительный вал;
- Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
- Детали привода клапанов;
- Элементы привода ГРМ.
ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.
Система смазки
В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:
- Масляный картер (поддон);
- Насос подачи масла;
- Масляный фильтр с редукционным клапаном;
- Маслопроводы;
- Масляный щуп (индикатор уровня масла);
- Указатель давления в системе;
- Маслоналивная горловина.
Система охлаждения
Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:
- Рубашка охлаждения двигателя;
- Насос (помпа);
- Термостат;
- Радиатор;
- Вентилятор;
- Расширительный бачок.
Система подачи топлива
Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:
- Топливный бак;
- Датчик уровня топлива;
- Фильтры очистки топлива - грубой и тонкой;
- Топливные трубопроводы;
- Впускной коллектор;
- Воздушные патрубки;
- Воздушный фильтр.
В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.
У каждого из нас есть определенный автомобиль, однако лишь некоторые водители задумываются о том, как устроен двигатель автомобиля. Нужно понимать также, что полностью знать устройство двигателя автомобиля необходимо лишь специалистам, работающим на СТО. К примеру, у многих из нас есть различные электронные устройства, но это вовсе не означает, что мы должны понимать, как они устроены. Мы просто пользуемся ими по прямому назначению. Однако с машиной ситуация немного другая.
Все мы понимаем, что появление неполадок в двигателе автомобиля напрямую влияет на наше здоровье и жизнь. От правильной работы силового агрегата нередко зависит качество езды, а также безопасность людей, которые находятся в автомобиле. По этой причине, рекомендуем уделить внимание изучению данной статьи о том, как работает двигатель автомобиля и из чего он состоит.
История разработки автомобильного двигателя
В переводе с оригинального латинского языка двигатель или мотор означает «приводящий в движение». Сегодня двигателем называют определенное устройство, предназначенное для преобразования одного из видов энергии в механическую. Самыми популярными сегодня считаются двигатели внутреннего сгорания, типы которых бывают разными. Первый такой мотор появился в 1801 году, когда Филипп Лебон из Франции запатентовал мотор, который функционировал на светильном газе. После этого свои разработки представили Август Отто и Жан Этьен Ленуар. Известно, что Август Отто первым запатентовал 4-тактный двигатель. До нашего времени строение двигателя практически не изменилось.
В 1872 году состоялся дебют американского двигателя, который работал на керосине. Однако данную попытку трудно было назвать удачной, поскольку керосин не мог нормально взрываться в цилиндрах. Уже через 10 лет Готлиб Даймлер презентовал свой вариант двигателя, который работал на бензине, причем работал довольно неплохо.
Рассмотрим современные типы двигателей автомобиля и разберемся, к какому из них принадлежит ваша машина.
Типы автомобильных двигателей
Поскольку наиболее распространенным в наше время считают двигатель внутреннего сгорания, рассмотрим типы двигателей, которыми оснащаются сегодня почти все машины. ДВС – это далеко не наилучший тип двигателя, однако именно его используют во многих транспортных средствах.
Классификация двигателей автомобиля:
- Дизельные двигатели. Подача дизельного топлива осуществляется в цилиндры посредством специальных форсунок. Такие моторы не нуждаются в электрической энергии для работы. Она им нужна лишь для запуска силового агрегата.
- Бензиновые двигатели. Они бывают и инжекторными. Сегодня используется несколько типов систем впрыска и . Работают такие моторы на бензине.
- Газовые двигатели. В таких двигателях может использоваться сжатый или сжиженный газ. Такие газы получают с помощью преобразования дерева, угля либо торфа в газообразное топливо.
Работа и конструкция двигателя внутреннего сгорания
Принцип работы двигателя автомобиля – это вопрос, интересующий практически каждого автовладельца. В ходе первого ознакомления со строением двигателя все выглядит очень сложным. Однако в реальности, с помощью тщательного изучения, устройство двигателя становится вполне понятным. В случае необходимости знания о принципе работы двигателя можно использовать в жизни.
1. Блок цилиндров представляет собой своеобразный корпус мотора. Внутри него расположена система каналов, которая используется для охлаждения и смазки силового агрегата. Он используется в качестве основы для дополнительного оборудования, к примеру, картера и .
2. Поршень , являющийся пустотелым стаканом из металла. На его верхней части расположены «канавки» для поршневых колец.
3. Поршневые кольца. Кольца, расположенные внизу, называются маслосъемными, а верхние – компрессионные. Верхние кольца обеспечивают высокий уровень сжатия или компрессию смеси топлива и воздуха. Кольца используются для обеспечения герметичности камеры сгорания, а также в качестве уплотнителей, предотвращающих попадание масла в камеру сгорания.
4. Кривошипно-шатунный механизм. Отвечает за передачу возвратно-поступательной энергии поршневого движения на коленчатый вал двигателя.
Многие автолюбители не знают, что на самом деле принцип работы ДВС является достаточно несложным. Сначала попадает из форсунок в камеру сгорания, где оно смешивается с воздухом. Затем выдает искру, которая вызывает воспламенение топливно-воздушной смеси, из-за чего она взрывается. Газы, которые формируются в результате этого, двигают поршень вниз, в процессе чего он передает соответствующее движение коленчатому валу. Коленвал начинает вращать трансмиссию. После этого набор специальных шестерён осуществляет передачу движения на колеса передней или задней оси (в зависимости от привода, может и на все четыре).
Именно так работает двигатель автомобиля. Теперь вас не смогут обмануть недобросовестные специалисты, которые возьмутся за ремонт силового агрегата вашей машины.
