Строение двс и назначение каждой его детали. Общее устройство и принцип работы двигателя. Как это работает

Двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе, разработанный и впервые применённый на практике во второй половине 19-го века, являлся вторым в истории, после парового двигателя, примером создания агрегата, преобразующего энергию в полезную работу. Без этого изобретения невозможно себе представить современную цивилизацию, ведь транспортные средства с ДВС различного типа широко задействованы в любой отрасли, обеспечивающей существование человека.

Транспорт, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания, играет решающую роль в приобретающей все большее и большее значение на фоне глобализационных процессов всемирной логистической системе.

Все современные транспортные средства можно разделить на три больших группы, в зависимости от типа используемого двигателя. Первая группа ТС использует электродвигатели. Сюда входят и привычный городской общественный транспорт – троллейбусы и трамваи, и электропоезда с электромобилями, и огромные суда и корабли, использующие атомную энергию – ведь и современные ледоколы, и атомные субмарины, и авианосцы стран НАТО используют электродвигатели. Вторая группа – это техника, оснащенная реактивными двигателями.

Разумеется, такой тип двигателей используется преимущественно в авиации. Наиболее многочисленной, привычной и значимой является третья группа транспортных средств, которая использует двигатели внутреннего сгорания. Это – наибольшая и по количеству, и по разнообразию, и по влиянию на хозяйственную жизнь человека группа. Принцип работы ДВС одинаков для любых транспортных средств, оснащённых таким двигателем. В чем он заключается?

Как известно, энергия не берется ниоткуда и не уходит в никуда. Принцип работы двигателя автомобиля в полной мере основывается на этом постулате закона сохранения энергии.

Максимально обобщенно можно сказать, что для выполнения полезной работы используется энергия молекулярных связей жидкого топлива, сжигаемого в процессе работы двигателя.

Распространению ДВС на жидком топливе способствовали несколько уникальных свойств самого топлива. Это:

• высокая потенциальная энергия молекулярных связей используемых в качестве топлива смеси легких углеводородов «например, бензина»
• достаточно простой и безопасный, в сравнении, например, с атомной энергией, способ ее высвобождения
• относительная распространенность легких углеводородов на нашей планете
• природное агрегатное состояние такого топлива, позволяющее удобно хранить и транспортировать его.

Еще одним важнейшим фактором является то, что в качестве окислителя, необходимого для процесса высвобождения энергии, выступает кислород, их которого более чем на 20 процентов состоит атмосфера. Это избавляет от необходимости возить не только запас топлива, но и запас катализатора.

В идеальном случае вступить в реакцию должны все молекулы определённого объёма топлива и все молекулы определённого объёма кислорода. Для бензина эти показатели соотносятся как 1 к 14,7, т.е., для сгорания килограмма топлива необходимо почти 15 кг кислорода. Однако такой процесс, называемый стехиометрическим, на практике нереализуем. В действительности всегда остаётся какая-то часть топлива, не соединившаяся с кислородом во время протекания реакции.

Более того, для определённых режимов работы ДВС стехиометрия даже вредна.

Теперь, когда химические процесс в общих чертах понятны, стоит рассмотреть механику процесса превращения энергии топлива в полезную работу, на примере четырёхтактного ДВС, работающего по так называемому циклу Отто.

Наиболее известным и, что называется, классическим циклом работу является запатентованный еще в 1876 году Николаусом Отто процесс работы двигателя, состоящий из четырех частей. «тактов, отсюда и четрыехтактные ДВС». Первый такт – создание поршнем разрежения в цилиндре собственным перемещением под воздействием веса. В результате цилиндр заполняется смесью кислорода и паров бензина «природа не терпит пустоты». Продолжающий движение поршень сдавливает смесь – получаем второй такт. На третьем такте смесь воспламеняется «Отто применял обычную горелку, сейчас за это ответственна свеча зажигания».

Воспламенение смеси создаёт выделение большого количества газа, который давит на поршень и заставляет его подниматься – выполнять полезную работу. Четвёртый такт – открытие выпускного клапана и вытеснение продуктов сгорания возвращающимся поршнем.

Таким образом, только запуск двигателя требует воздействия извне – прокручивания коленвала, соединённого с поршнем. Сейчас это делается с помощью силы электричества, а на первых автомобилях коленвал приходилось проворачивать вручную «этот же принцип используется и в автомобилях, в которых предусмотрен принудительный ручной пуск двигателя».

Со времени выпуска первых автомобилей немало инженеров пытались изобрести новый цикл работы ДВС. Вначале это было связано с действием патента, которое многим хотелось обойти.

В результате уже в начале прошлого века был создан цикл Аткинсона, который изменил конструкцию двигателя таким образом, чтобы все движения поршня совершались за один оборот коленвала. Это позволило повысить КПД двигателя, но уменьшило его мощность. Кроме того, двигатель, работающий по такому циклу, не нуждается в отдельном распределительном вале и редукторе. Однако этот двигатель не получил распространения из-за снижения мощности агрегата и достаточно сложной конструкции.

Вместо него на современных атвомобилях зачастую используется цикл Миллера.

Если Аткинсон уменьшил такт сжатия, увеличив КПД, но изрядно усложнив работу двигателя, то Миллер предложил уменьшить такт впуска. Это позволило снизить фактическое время сжатия смеси без уменьшения ее геометрического сжатия. Таким образом, КПД каждого цикла работы ДВС увеличивается, за счет чего снижается расход топлива, сжигаемого «впустую».

Однако большинство двигателей работают по циклу Отто, так что более подробно необходимо рассмотреть именно его.

Даже наиболее простой вариант ДВС включает четырнадцать важнейших элементов, необходимых для его работы. Каждый элемент имеет определённые функции.

Так, цилиндр выполняет двоякую роль — в нем происходит активация воздушной смеси и двигается поршень. В части, называемой камерой сгорания, установлена свеча, и два клапана, один из которых перекрывает поступление топлива, другой – выпуск отработанных газов.

Свеча – устройство, обеспечивающее поджиг смеси с необходимой цикличностью. По сути, представляет собой устройство для получения достаточно мощной электрической дуги на короткий промежуток времени.

Поршень перемещается в цилиндре под действием расширяющихся газов или от воздействия коленвала, переданного через кривошипно-шатунный механизм. В первом случае поршень превращает энергию сгорания топлива в механическую работу, во втором – сжимает смесь для лучшего возгорания либо создает давление для удаления отработанных остатков смеси из цилиндра.

Кривошипно-шатунный механизм передаёт момент от поршня к валу и наоборот. Коленчатый вал благодаря своей конструкции преображает поступательное «вверх-вниз» движение поршня во вращательное.

Впускной канал, в котором располагается впускной клапан, обеспечивает попадание смеси в цилиндр. Клапан обеспечивает цикличность поступления смеси.

Выпускной клапан, соответственно, удаляет накопившиеся продукты сгорания смеси. Для обеспечения нормальной работы двигателя в момент нагнетания давления и поджога смеси он закрыт.

Работа бензинового ДВС. Подробный разбор

При такте всасывания поршень опускается вниз. Одновременно открывается впускной клапан, и в цилиндр подаётся топливо. Таким образом, в цилиндре оказывается топливовоздушная смесь. В определённых типах бензиновых двигателей эта смесь приготавливается в специальном устройстве – карбюраторе, в других смешение происходит непосредственно в цилиндре.

Далее поршень начинает подниматься. Одновременно впускной клапан закрывается, что обеспечивает создание достаточно большого давления внутри цилиндра. При достижении поршнем крайней верхней точки вся топливно-воздушная смесь оказывается сжатой в части цилиндра, называемой камерой сгорания. В этот момент свеча дает электрическую искру, и смесь воспламеняется.

В результате сгорания смеси выделяется большое количество газов, которые, стремясь заполнить собой весь предоставленный объем, давят на поршень, заставляя его опускаться. Эта работа поршня передается посредством кривошипно-шатунного механизма на вал, который начинает вращаться и вращать привод колес автомобиля.

Как только поршень завершает свое движение вниз, открывается клапан выпускного коллектора.

Оставшиеся газы устремляются туда, так как на них давит поршень, идущий вверх под воздействием вала. Цикл закончен, далее поршень снова опускается вниз, начиная новый цикл.

Как видно, полезную работу выполняет лишь одна фаза цикла. Остальные фазы — это работа двигателя «на самого себя». Даже такой положение вещей делает двигатель внутреннего сгорания одной из наиболее удачных по КПД систем, внедренных в производство. В то же время, возможность уменьшения «холостых» в смысле КПД циклов приводит к появлению новых, более экономичных систем. Кроме того, разрабатываются и ограниченно внедряются двигатели, которые вообще лишены поршневой системы. Например, некоторые японские автомобили оснащены роторными двигателями, имеющими более высокий коэффициент полезного действия.

В то же время, такие двигатели имеют ряд недостатков, связанных, в основном, с дороговизной производства и сложностью обслуживания таких моторов.

Система питания

Для того чтобы поступающая в камеру сгорания горючая смесь правильно сжигалась и обеспечивала бесперебойную работу двигателя, она должна вводится четко отмеренными порциями и быть соответствующим образом подготовлена. Для этой цели служит топливная система, важнейшими частями которой являются бензобак, топливопровод, топливные насосы, устройство для смешивания топлива и воздуха, коллектор, различные фильтры и датчики.

Понятно, что назначение бензобака – хранить необходимое количество топлива. Топливо воды используются в качестве магистралей для перекачки с помощью бензинового насоса, фильтры бензина и воздуха нужны, чтобы не допустить засорения тонких коллекторов, клапанов и топливоводов.

Подробнее стоит остановиться на работе карбюратора. Несмотря на то, что автомобили с такими устройствами больше не выпускаются, немало машин с карбюраторным типом двигателя до сих пор эксплуатируется во многих странах мира. Карбюратор смешивает топливо с воздухом следующим образом.

В поплавковой камере поддерживается постоянный уровень топлива и давления благодаря балансировочному отверстию, стравливающему лишний воздух,и поплавку, открывающему клапан топливовода, как только уровень топлива в камере карбюратора снижается. Карбюратор через жиклер и диффузор связан с цилиндром. Когда давление в цилиндре снижается, точно отмеренное благодаря жиклеру количество топлива устремляется в диффузор воздушной камеры.

Тут, за счет очень маленького диаметра отверстия, оно под большим давлением проходит в цилиндр, бензин смешивается с атмосферным воздухом, прошедшим через фильтр, и образованная смесь попадает в камеру сгорания.

Проблема карбюраторных систем – в невозможности максимально точно отмерить количество топлива и количество воздуха, попадающие в цилиндр. Поэтому все современные автомобили оснащены системой впрыска, называемой также инжекторной.

В инжекторном двигателе вместо карбюратора впрыск осуществляется форсункой или форсунками – специальным механическим распылителем, важнейшей частью которого является электромагнитный клапан. Эти устройства, особенно работая в паре со специальными вычислительными микрочипами, позволяют впрыскивать точно отмеренное количество топлива в необходимый момент. В результате двигатель работает ровнее, запускается легче, потребляет меньше топлива.

Механизм газораспределения

Понятно, каким образом карбюратор подготавливает горючую смесь из бензина и воздуха. Но как работают клапаны, обеспечивающие своевременную подачу этой смеси в цилиндр? За это ответственен механизм газораспределения. Именно он выполняет своевременное открытие и закрытие клапанов, а также обеспечивает необходимую длительность и высоту их подъема.

Именно эти три параметра и являются в совокупности фазами газораспределения.

Современные двигатели имеют специальное устройство для изменения этих фаз, называемое фазовращатель двс принцип работы которого основан на повороте в случае необходимости распредвала. Эта муфта при увеличении количества впрыскиваемого топлива поворачивает распределительный вал на определённый угол по ходу вращения. Такой изменение его положения приводит к тому, что впускные клапаны открываются раньше, и камеры сгорания наполняются смесью лучше, компенсируя постоянно возрастающую потребность в мощности. На наиболее технически передовых моделях стоит несколько таких муфт, они управляются достаточно сложной электроникой и могут регулировать не только частоту открытия клапана, но и его ход, что отлично сказывается на работе двигателя при максимальных оборотах.

Принцип работы системы охлаждения двигателя

Разумеется, далеко не вся выделяемая энергия связей молекул топлива превращается в полезную работу. Основная ее часть теряется, превращаясь в тепло, да и трение деталей ДВС также создает тепловую энергию. Лишнее тепло необходимо отводить. Именно этой цели служит система охлаждения.

Разделяют воздушную систему, жидкостную и комбинированную. Наиболее распространена жидкостная система охлаждения, хотя встречаются автомобили и с воздушной – ее использовали для упрощения конструкции и удешевления бюджетных машин, либо для уменьшения веса, если речь шла о спорткарах.

Основные элементы системы представлены теплообменником, радиатором, центробежным насосом, расширительным бачком и термостатом. Кроме того, в систему охлаждения входят масляный радиатор, вентилятор радиатора, датчик температуры охлаждающей жидкости.

Жидкость циркулирует через теплообменник под воздействием насоса, снимая температуру с двигателя. Пока двигатель не нагреется, специальный клапан закрывает радиатор – это называется «малый круг» движения. Такая работа системы позволяет быстро прогреть двигатель.

Как только температура поднимается до рабочей, термодатчик дает команду на открытие клапана, и охлаждающая жидкость начинает двигаться через радиатор. Тонки трубки этого агрегата обдуваются стильным потоком встречного ветра, охлаждая таким образом жидкость, которая опять поступает в коллектор, начиная круг охлаждения заново.

Если воздействия набегающего воздуха недостаточно для нормального охлаждения – автомобиль работает со значительной нагрузкой, движется с малой скоростью или стоит очень жаркая погода, включается вентилятор охлаждения. Он обдувает радиатор, принудительно охлаждая рабочую жидкость.

Машины, оборудованные турбонаддувом, имеют два контура охлаждения. Один – для охлаждения непосредственно ДВС, второй – для снятия лишнего тепла с турбины.

Электрика

Первые автомобили обходились минимумом электрики. В современных машинах появляется все больше и больше электрических цепей. Электроэнергию потребляют система подачи топлива, зажигание, система охлаждения и отопления, освещение. При наличии немало энергии потребляет система кондиционирования, управления двигателем, электронные системы обеспечения безопасности. Такие агрегаты, как система запуска и свечи накаливания потребляют энергию кратковременно, но в больших количествах.

Для обеспечения всех этих элементов необходимой электроэнергией используются источники тока, электрическая проводка, элементы управления и блоки предохранителей.

Источники тока автомобиля – аккумуляторная батарея, работающая в паре с генератором. Когда двигатель работает, привод от вала крутит генератор, вырабатывающий необходимую энергию

Генератор работает, преобразовывая энергию вращения вала в электрическую энергию, используя принципы электромагнитной индукции. Для того, чтобы осуществить пуск ДВС, используется энергия аккумулятора.

Во время запуска основным потребителем энергии является стартер. Это устройство является двигателем постоянного тока, предназначенным для прокрутки коленчатого вала, обеспечивающей начало цикла работы ДВС. Принцип работы двигателя постоянного тока основывается на взаимодействии, возникающем между магнитным полем, образующимся в статоре, и токе, протекающем в роторе. Эта сила влияет на ротор, который начинает вращаться, причем его вращение совпадает с вращением магнитного поля, характерного для статора. Таким образом электрическая энергия преобразовывается в механическую, а стартер начинает раскручивать вал двигателя. Как только двигатель запускается и начинает работать генератор, аккумулятор перестает отдавать энергию и начинает ее накапливать. Если генератор не работает или по какой-то причине его мощности недостаточно, аккумулятор продолжает отдавать энергию и разряжаться.

Такой тип двигателя тоже является ДВС, но имеет отличительные особенности, позволяющие резко отделять двигатели, работающие по принципу, изобретенному Рудольфом Дизелем, от прочих ДВС, работающих на «легком» топливе вроде бензина «в автомобилистике» или керосина «в авиации».

Различие в используемом топливе предопределяют различия конструкции. Дело в том, что «солярку» относительно сложно поджечь и добиться ее мгновенного сгорания в обычных условиях, поэтому способ воспламенения от свечи для этого топлива не подходит. Воспламенения дизеля осуществляется за счет его контакта с разогретым до очень большой температуры воздухом. С этой целью используется свойство газов нагреваться при сжатии. Поэтому поршень, работающий на дизельном ДВС, сжимает не топливо, а воздух. Когда степень сжатия доходит до максимума, а сам поршень – до крайней верхней точки, стоящая вместо свечи форсунка «электромагнитный насос» впрыскивает дисперсно распыленное топливо. Оно взаимодействует с горячим кислородом и воспламеняется. Далее происходит работа, характерная и для бензинового ДВС.

При этом мощность ДВС меняется не пропорцией смеси воздуха и топлива, как в бензиновых моторах, а исключительно количеством впрыскиваемого дизеля, в то время как количество воздуха постоянно и не меняется. При этом принцип действия современного бензинового агрегата, оснащенного форсункой, абсолютно не схож с принципом работы дизельного ДВС.

Работающие с бензином электромеханические распылительные насосы предназначены, прежде всего, для более точного отмеривания впрыскиваемого топлива, и взаимодействуют со свечей зажигания. В чем эти два типа ДВС схожи — так это в повышенной требовательности к качеству топлива.

Так как давление воздуха, создаваемое работой поршня дизельного мотора, значительно выше давления, оказываемого сжатой воздушно-бензиновой смесью, такой двигатель более требователен к зазорам между поршнем и стенками цилиндра. К тому же, дизельный двигатель труднее запустить зимой, так как «солярка» под воздействием низких температурных показателей густеет, и форсунка не может достаточно качественно распылить ее.

И современный бензиновый мотор, и его дизельный «родственник» крайне неохотно работают на бензине «ДТ» несоответствующего качества, и даже кратковременное его применение чревато серьезными проблемами с топливной системой.

Современные двигатели внутреннего сгорания – наиболее эффективные устройства перехода тепловой энергии в механическую. Несмотря на то, что большая часть энергии тратится не на непосредственно полезную работу, а на поддержание цикла самого двигателя, человечество пока не научилось массово производить устройства, которые были бы практичнее, мощнее, экономичнее и удобнее, чем ДВС. Вместе с тем, удорожание углеводородных энергоносителей и забота об окружающей среде заставляют искать новые варианты двигателей для легковых автомобилей и общественного транспорта. Наиболее перспективными на данный момент выглядит использование автономных, оснащенных батареями большой емкости, электрических двигателей, КПД которых намного выше, и гибридов таких двигателей с бензиновыми вариантами. Ведь обязательно настанет время, когда использовать углеводороды для приведения в движение личного автотранспорта станет абсолютно невыгодно, и ДВС займут место на музейных полках, как паровозные двигатели – полвека назад.

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || ; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: "R-A-136785-1", renderTo: "yandex_rtb_R-A-136785-1", async: true }); }); t = d.getElementsByTagName("script"); s = d.createElement("script"); s.type = "text/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks");

Как устроен двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания — это одно из тех изобретений, которые в корне перевернули нашу жизнь — с лошадиных повозок люди смогли пересесть на быстрые и мощные автомобили.

Первые ДВС обладали малой мощностью, а коэффициент полезного действия не доходил даже до десяти процентов, но неутомимые изобретатели — Ленуар, Отто, Даймлер, Майбах, Дизель, Бенц и множество других — привносили что-то новое, благодаря чему имена многих увековечены в названиях известных автомобильных компаний.

ДВС прошли длительный путь развития от коптящих и часто ломающихся примитивных моторов, до сверхсовременных битурбированных двигателей, но принцип их работы остался все тот же — теплота сгорания топлива преобразуется в механическую энергию.

Название «двигатель внутреннего сгорания» используется потому, что топливо сгорает в середине двигателя, а не снаружи, как в двигателях внешнего сгорания — паровых турбинах и паровых машинах.

Благодаря этому ДВС получили множество положительных характеристик:

• они стали намного легче и экономичнее;
• стало возможным избавиться от дополнительных агрегатов для передачи энергии сгорания топлива или пара к рабочим частям двигателя;
• топливо для ДВС обладает заданными параметрами и позволяет получать значительно больше энергии, которую можно преобразовать в полезную работу.

Устройство ДВС

Вне зависимости от того, на каком топливе работает двигатель — бензин, дизель, пропан-бутан или экотопливо на основе растительных масел — главным действующим элементом является поршень, который находится внутри цилиндра. Поршень похож на металлический перевернутый стакан (скорее подойдет сравнение с бокалом для виски — с плоским толстым дном и прямыми стенками), а цилиндр — на небольшой кусок трубы, внутри которой и ходит поршень.

В верхней плоской части поршня имеется камера сгорания — углубление круглой формы, именно в нее попадает топливно воздушная смесь и здесь же детонирует, приводя поршень в движение. Это движение передается на коленчатый вал с помощью шатунов. Шатуны верхней своей частью прикреплены к поршню с помощью поршневого пальца, который просовывается в два отверстия по бокам поршня, а нижней — к шатунной шейке коленчатого вала.

Первые ДВС имели всего один поршень, но и этого было достаточно, чтобы развить мощность в несколько десятков лошадиных сил.

В наше время тоже применяются двигатели с одним поршнем, например пусковые двигатели для тракторов, которые выполняют роль стартера. Однако больше всего распространены 2-х, 3-х, 4-х, 6-и и 8-цилиндровые двигатели, хотя выпускаются двигатели на 16 цилиндров и более.

Поршни и цилиндры находятся в блоке цилиндров. От того, как расположены цилиндры по отношению к друг другу и к другим элементам двигателя, выделяют несколько видов ДВС:

• рядные — цилиндры расположены в один ряд;
• V-образные — цилиндры расположены друг против друга под углом, в разрезе напоминают букву «V»;
• U-образные — два объединенных между собой рядных двигателя;
• X-образные — ДВС со сдвоенными V-образными блоками;
• оппозитные — угол между блоками цилиндров составляет 180 градусов;
• W-образные 12-цилиндровые — три или четыре ряда цилиндров установленные в форме буквы «W»;
• звездообразные двигатели — применяются в авиации, поршни расположены радиальными лучами вокруг коленчатого вала.

Важным элементом двигателя является коленчатый вал, на который передается возвратно-поступательное движение поршня, коленвал преобразует его во вращение.

Когда на тахометре отображаются обороты двигателя, то это как раз и есть количество вращений коленвала в минуту, то есть он даже на самых низких оборотах вращается со скоростью 2000 оборотов в минуту. С одной стороны коленвал соединен с маховиком, от которого вращение через сцепление подается на коробку передач, с другой стороны — шкив коленвала, связанный с генератором и газораспределительным механизмом через ременную передачу. В более современных авто шкив коленвала связан также со шкивами кондиционера и гидроусилителя руля.

Топливо подается в двигатель через карбюратор или инжектор. Карбюраторные ДВС уже отживают свое из-за несовершенства конструкции. В таких ДВС идет сплошной поток бензина через карбюратор, затем топливо смешивается во впускном коллекторе и подается в камеры сгорания поршней, где детонирует под действием искры зажигания.

В инжекторных двигателях непосредственного впрыска топливо смешивается с воздухом в блоке цилиндров, куда подается искра от свечи зажигания.

Газораспределительный механизм отвечает за согласованную работу системы клапанов. Впускные клапаны обеспечивают своевременное поступление топливновоздушной смеси, а выпускные отвечают за выведение продуктов сгорания. Как мы уже писали раньше, такая система используется в четырехтактных двигателях, тогда как в двухтактных необходимость в клапанах отпадает.

На данном видео показано как устроен двигатель внутреннего сгорания, какие функции выполняет и как он это делает.

Устройство четырехтактного ДВС

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный. Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков , к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают бензиновые и дизельные двигатели . Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

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 двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Работа двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы ДВС основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

На чтение 10 мин. Просмотров 1k. Опубликовано 17 ноября 2018

Практически все современные автомобили оснащены двигателем внутреннего сгорания , имеющим аббревиатуру ДВС. Несмотря на постоянный прогресс и сегодняшнее стремление автомобильных концернов отказаться от моторов, работающих на нефтепродуктах в пользу более экологичной электроэнергии, львиная доля машин ездит на бензине или дизельном топливе.

Основными принципом ДВС является то, что топливная смесь воспламеняется непосредственно внутри агрегата, а не вне его (как, к примеру, в тепловозах или устаревших паровозах). Такой способ имеет относительно большой коэффициент полезного действия. К тому же, если говорить об альтернативных моторах на электрической тяге, то двигатели внутреннего сгорания обладает рядом неоспоримых преимуществ.

• большой запас хода на одном баке;
• быстрая заправка;
• согласно прогнозам, уже через несколько лет энергосистемы развитых стран не будут в силах погасить потребность в электроэнергии из-за большого количества электрокаров, что может привести к коллапсу.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

Непосредственно ДВС отличаются по своему устройству. Все моторы можно разделить на несколько самых популярных категорий в зависимости от принципа работы:

Бензиновые

Наиболее распространенная категория. Работает на главных продуктах нефтепереработки. Основным элементом в таком моторе является цилиндро-поршневая группа или ЦПГ, куда входит: коленвал, шатун, поршень, поршневые кольца и сложный газораспределительный механизм, который обеспечивает своевременное наполнение и продувку цилиндра.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на два типа в зависимости от системы питания:

1. карбюраторные . Устаревшая в условиях современной реальности модель. Здесь формирование топливно-воздушной смеси осуществляется в карбюраторе, а пропорцию воздуха и бензина определяет набор жиклеров. После этого карбюратор подает ТВС в камеру сгорания. Недостатками такого принципа питания является повышенное потребление топлива и прихотливость всей системы. К тому же она сильно зависит от погоды, температуры и прочих условий.
2. инжекторные или впрысковые . Принципы работы двигателя с инжектором кардинально противоположны. Здесь смесь впрыскивается непосредственно во впускной коллектор через форсунки, а затем разбавляется нужным количеством воздуха. За исправную работу отвечает электронный блок управления, который самостоятельно высчитывает нужные пропорции.

Дизельные

Устройство двигателя, работающего на дизеле, кардинально отличается от бензинового агрегата. Поджог смеси здесь происходит не благодаря свечам зажигания, дающим искру в определенный момент, а из-за высокой степени сжатия в камере сгорания. Данная технология имеет свои плюсы (больший КПД, меньшие потери мощности из-за большой высоты над уровнем моря, высокий крутящий момент) и минусы (прихотливость ТНВД к качеству топлива, большие выбросы СО2 и сажи).

Роторно-поршневые двигатели Ванкеля

Данный агрегат имеет поршень в виде ротора и три камеры сгорания, к каждой из которых подведена свеча зажигания. Теоретически ротор, движущийся по планетарной траектории, каждый такт совершает рабочий ход. Это позволяет существенно повысить КПД и увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. На практике это сказывается гораздо меньшим ресурсом. На сегодняшний день только автомобильная компания Mazda делает такие агрегаты.

Газотурбинные

Принцип работы ДВС такого типа заключается в том, что тепловая энергия переходит в механическую, а сам процесс обеспечивает вращение ротора, приводящего в движения вал турбины. Подобные технологии используются в авиационном строительстве.

Любой поршневой ДВС (самые распространенные в современных реалиях) имеет обязательный набор деталей. К таким частям относится:

1. Блок цилиндров , внутри которого двигаются поршни и происходит сам процесс;
2. ЦПГ : цилиндр, поршни, поршневые кольца;
3. Кривошипно-шатунный механизм . К нему относится коленвал, шатун, «пальцы» и стопорные кольца;
4. ГРМ . Механизм с клапанами, распределительными валами или «лепестками» (для 2-х тактных двигателей), который обеспечивает корректную подачу топлива в нужный момент;
5. Cистемы впуска . О них говорилось выше – к ней относятся карбюраторы, воздушные фильтры, инжекторы, топливный насос, форсунки;
6. Системы выпуска . Удаляет отработанные газы из камеры сгорания, а также снижает шумность выхлопа;

Принцип работы ДВС

В зависимости от своего устройства, двигатели можно разделить на четырехтактные и двухтактные. Такт – есть движение поршня от своего нижнего положения (мертвая точка НМТ) до верхнего положения (мертвая точка ВМТ). За один цикл двигатель успевает наполнить камеры сгорания топливом, сжать и поджечь его, а также очистить их. Современные ДВС делают это за два или четыре такта.

Принцип работы двухтактного ДВС

Особенностью такого мотора стало то, что весь рабочий цикл происходит всего за два движения поршня. При движении вверх создается разреженное давление, которое засасывает топливную смесь в камеру сгорания. Вблизи ВМТ поршень перекрывает впускной канал, а свеча зажигания поджигает топливо. Вторым тактом следует рабочий ход и продувка. Выпускной канал открывается после прохождения части пути вниз и обеспечивает выход отработанных газов. После этого процесс возобновляется по новой.

Теоретически, преимуществом такого мотора более высокая удельная мощность. Это логично, ведь сгорание топлива и рабочий такт происходит в два раза чаще. Соответственно, мощность такого двигателя может быть в два раза больше. Но эта конструкция имеет массу проблем. Из-за больших потерь при продувке, большого расхода топлива, а также сложностей в расчетах и «норовистой» работе двигателя, эта технология сегодня используется только на малокубатурной технике.

Интересно, что полвека назад активно велись разработки дизельного двухтактного ДВС. Процесс работы практически не отличался от бензинового аналога. Однако, несмотря на преимущества такого мотора, от него отказались из-за ряда недостатков.

Основным минусом стал огромный перерасход масла. Из-за комбинированной системы смазки топливо попадало в камеру сгорания вместе с маслом, которое потом попросту выгорало или удалялось через выпускную систему. Большие тепловые нагрузки также требовали более громоздкой системы охлаждения, что увеличивало габариты мотора. Третьим минусом стал большой расход воздуха, который вел к преждевременному износу воздушных фильтров.

Четырёхтактный ДВС

Мотор, где рабочий цикл занимает четыре хода поршня, называется четырехтактным двигателем.

1. Первый такт – впуск . Поршень двигается из верхней мертвой точки. В этот момент ГРМ открывает впускной клапан, через который топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания. В случае с карбюраторными агрегатами поступление может осуществляться за счет разрежения, а инжекторные двигателя впрыскивают топливо под давлением.
2. Второй такт – сжатие . Далее поршень движется из нижней мертвой точки вверх. К этому моменту впускной клапан закрыт, а смесь постепенно сжимается в полости камеры сгорания. Рабочая температура поднимается до отметки 400 градусов.
3. Третий такт – рабочий ход поршня . В ВМТ свеча зажигания (или большая степень сжатия, если речь идет о дизеле) поджигает топливо и толкает поршень с коленчатым валом вниз. Это основной такт во всем цикле работы двигателя.
4. Четвертый такт – выпуск . Поршень снова движется вверх, выпускной клапан открывается, а из камеры сгорания удаляются отработанные газы.

Дополнительные системы ДВС

Независимо от того, из чего состоит двигатель, у него должны быть вспомогательные системы, которые способны обеспечить его исправную работу. К примеру, клапаны должны открываться в нужное время, в камеры поступать нужное количество топлива в определенной пропорции, вовремя подаваться искра и т.д. Ниже рассмотрены основные части, способствующие корректной работе.

Система зажигания

Эта система отвечает за электрическую часть в вопросе воспламенения топлива. К основным элементам относится:

• Элемент питания . Основным источником питания является аккумулятор. Он обеспечивает вращение стартера на выключенном двигателе. После этого в работу включается генератор, который питает двигатель, а также подзаряжает саму аккумуляторную батарею через реле зарядки.
• Катушка зажигания . Устройство, которое передает одномоментный заряд непосредственно на свечу зажигания. В современных автомобилях количество катушек равносильно количеству цилиндров, которые работают в двигателе.
• Коммутатор или распределитель зажигания . Специальной «умное» электронное устройство, которое определяет момент подачи искры.
• Свеча зажигания . Важный элемент в бензиновом ДВС, который обеспечивает своевременное воспламенение топливно-воздушной смеси. Продвинутые двигатели имеют по две свечи на цилиндр.

Впускная система

Смесь должна вовремя поступать в камеры сгорания. За этот процесс отвечает впускная система. К ней относится:

• Воздухозаборник . Патрубок, специально выведенный в место, недоступное для воды, пыли или грязи. Через него осуществляется забор воздуха, который потом попадает в двигатель;
• Воздушный фильтр . Сменная деталь, которая обеспечивает очистку воздуха от грязи и исключает попадание посторонних материалов в камеру сгорания. Как правило, современные автомобили обладают сменными фильтрами из плотной бумаги или промасленного поролона. На более архаичных моторах встречаются масляные воздушные фильтры.
• Дроссель . Специальная заслонка, которая регулирует количество воздуха, попадающего в впускной коллектор. На современной технике действует посредством электроники. Сначала водитель нажимает на педаль газа, а потом электронная система обрабатывает сигнал и следует команде.
• Впускной коллектор . Патрубок, который распределяет топливно-воздушную смесь по различным цилиндрам. Вспомогательными элементами в этой системе являются впускные заслонки и усилители.

Топливная систем

Принцип работы любого ДВС подразумевает своевременное поступление топлива и ее бесперебойную подачу. В комплекс также входит несколько основных элементов:

• Топливный бак . Резервуар, где хранится топливо. Как правило, располагается в максимально безопасном месте, вдали от мотора и сделан из негорючего материала (ударопрочный пластик). В нижней его части установлен бензонасос, который осуществляет забор топлива.
• Топливопровод . Система шлангов, ведущая от топливного бака непосредственно к двигателю внутреннего сгорания.
• Прибор образования смеси . Устройство, где смешиваются топливо и воздух. Об этом пункте уже упоминалось выше – за эту функцию может отвечать карбюратор или инжектор. Основным требованием является синхронная и своевременная подача.
• Головное устройство в инжекторных двигателях, которое определяет качество, количество и пропорции образования смеси.

Выхлопная система

В ходе того, как работает двигатель внутреннего сгорания, образуются выхлопные газы, которые необходимо выводить из мотора. Для правильной работы эта система обязана иметь следующие элементы:

• Выпускной коллектор . Устройство из тугоплавкого металла с высокой устойчивостью к температурам. Именно в него первоначально поступают выхлопные газы из двигателя.
• Приемная труба или штаны . Деталь, обеспечивающая транспортировку выхлопных газов далее по тракту.
• Резонатор . Устройство, снижающее скорость движения выхлопных газов и погашение их температуры.
• Катализатор . Предмет для очистки газов от СО2 или сажевых частиц. Здесь же располагается лямда-зонд.
• Глушитель . «Банка», имеющая ряд внутренних элементов, предназначенных для многократного изменения направления выхлопных газов. Это приводит к снижению их шумности.

Система смазки

Работа двигателя внутреннего сгорания будет совсем недолгой, если детали не будут обеспечиваться смазкой. Во всей технике используется специальное высокотемпературное масло, обладающее собственными характеристиками вязкости в зависимости от режимов эксплуатации мотора. Ко всему, масло предотвращает перегрев, обеспечивает удаление нагара и появление коррозии.

Для поддержания исправности системы предназначены следующие элементы:

• Поддон картера . Именно сюда заливается масло. Это основной резервуар для хранения. Контролировать уровень можно при помощи специального щупа.
• Масляный насос . Находится вблизи нижней точки поддона. Обеспечивает циркуляцию жидкости по всему мотору через специальные каналы и его возвращение обратно в картер.
• Масляный фильтр . Гарантирует очистку жидкости от пыли, металлической стружки и прочих абразивных веществ, попадающих в масло.
• Радиатор . Обеспечивает эффективное охлаждение до положенных температур.

Система охлаждения

Еще один элемент, который необходим для мощных двигателей внутреннего сгорания. Он обеспечивает охлаждение деталей и исключает возможность перегрева. Состоит из следующих деталей:

• Радиатор . Специальный элемент, имеющий «сотовую» структуру. Является отличным теплообменником и эффективно отдает тепло, гарантируя охлаждение антифриза.
• Вентилятор . Дополнительный элемент, дующий на радиатор. Включается тогда, когда естественный поток набегающего воздуха уже не может обеспечить эффективное отведение тепла.
• Помпа . Насос, который помогает жидкости циркулировать по большому или малому кругу системы (в зависимости от ситуации).
• Термостат . Клапан, который открывает заслонку, пуская жидкость по нужному кругу. Работает совместно с датчиком температуры движка и охлаждающей жидкости.

Заключение

Первый двигатель внутреннего сгорания появился еще очень давно – почти полтора столетия назад. С тех пор было сделано огромное количество разных нововведений или интересных технических решений, которые порой меняли вид мотора до неузнаваемости. Но общий принцип работы двигателя внутреннего сгорания оставался прежним. И даже сейчас, в эпоху борьбы за экологию и постоянно ужесточающийся норм по выбросу СО2, электромобили все еще не в силах составить серьезную конкуренцию машинам с ДВС. Бензиновые автомобили и сейчас живее всех живых, а мы живем в золотую эпоху автомобилестроения.

Ну а для тех, кто готов погрузиться в тему еще глубже, у нас есть отличное видео:

Видео: Общее устройство двигателя. Основные механизмы

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, преобразующий тепловую энергию топлива в механическую работу. В двигателе внутреннего сгорания топливо подается непосредственно внутрь цилиндра, где оно воспламеняется и сгорает, образуя газы, давление которых приводит в движение поршень двигателя.

Для нормальной работы двигателя в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у карбюраторных двигателей) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Для уменьшения затрат работы 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. Все двигатели, устанавливаемые на автомобили, состоят из следующих механизмов и систем.

Основные механизмы двигателя

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует прямолинейное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Механизм газораспределения (ГРМ) управляет работой клапанов, что позволяет в определенных положениях поршня впускать воздух или горючую смесь в цилиндры, сжимать их до определенного давления и удалять оттуда отработавшие газы.

Основные системы двигателя

Система питания служит для подачи очищенного топлива и воздуха в цилиндры, а также для отвода продуктов сгорания из цилиндров.

Система питания дизеля обеспечивает подачу дозированных порций топлива в определенный момент в распыленном состоянии в цилиндры двигателя.

Система питания карбюраторного двигателя предназначена для приготовления горючей смеси в карбюраторе.

Система зажигания рабочей смеси в цилиндрах установлена в карбюраторных двигателях. Она служит для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя в определенный момент.

Смазочная система необходима для непрерывной подачи масла к трущимся деталям и отвода теплоты от них.

Система охлаждения предохраняет стенки камеры сгорания от перегрева и поддерживает в цилиндрах нормальный тепловой режим.

Расположение составных частей различных систем двигателей показано на рисунке.

Рис. Составные части разных систем двигателей: а - карбюраторный двигатель ЗИЛ-508 : I - вид справа; II - вид слева; 1 и 15 - масляный и топливный насосы; 2 - выпускной коллектор; 3 - искровая свеча зажигания; 4 и 5 - масляный и воздушный фильтры; 6 - компрессор; 7 - генератор; 8 - карбюратор; 9 - распределитель зажигания; 10 - трубка масломерного щупа; 11 - стартер; 12 - насос гидроусилителя рулевого управления; 13 - бачок насоса гидроусилителя; 14 - вентилятор; 16 - фильтр вентиляции картера; б - дизель Д-245 (вид справа): 1 - турбокомпрессор; 2 - маслоналивная труба; 3 - маслоналивная горловина; 4 - компрессор; 5 - генератор; 6 - поддон картера; 7 - шпилька-фиксатор момента подачи топлива; 8 - выпускной трубопровод; 9 - центробежный маслоочиститель; 10 - маслоизмерительный щуп