В настоящее время ДВС — самый энергоэффективный вид моторов. Двигатель внутреннего сгорания назван так потому, что воспламенение топлива происходит внутри его рабочей камеры.
Принцип работы ДВС основан на том, что энергия, которая выделяется в результате взрыва топливной смеси в цилиндрах, преобразуется в механическую работу, и через коленвал и маховик передается на привод автомобиля.
Типы двигателей внутреннего сгорания
Что такое ДВС в машине разобраться несложно: базовый принцип работы установки проходят еще в школе на уроках физики.
Упрощенная схема двигателя внутреннего сгорания.
Общая черта всех ДВС — воспламенение топливной смеси внутри камеры сгорания, за счет которого получается импульс для дальнейшего движения и передачи энергии на вращательное движение коленчатого вала, а от него на колеса машины. В зависимости от конструкции силового агрегата, и вида используемого топлива, все моторы можно разделить на:
- поршневые;
- роторно-поршневые;
- газотурбинные.
- Из чего состоит двигатель:
- Кривошипно-шатунный механизм, который передает импульс.
- Газораспределительный узел, отвечающий за подачу горючего и вывод отработанных газов.
Детали привода клапанов газораспределительного узла.
В настоящее время в автомобилестроении используются поршневые системы: они надежны, имеют высокий КПД, а их производство и обслуживание обходится дешевле.
Поршневые моторы
Многие автолюбители на вопрос, что такое ДВС в автомобиле, опишут именно поршневые установки, которые являются самой распространенной группой силовых агрегатов. В этих системах движение поршня, который находится внутри цилиндра, передает энергию на коленвал и маховик через кривошипно-шатунный механизм.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Чаще всего используется четное количество камер сгорания, позволяющее уравновесить работу мотора. Но можно встретить модели и с одним или тремя цилиндрами.
Трехцилиндровый ДВС Ford Ecoboost.
По расположению цилиндров все поршневые моторы делятся на:
- Рядные — все цилиндры расположены на одном коленвале и выстроены в ряд параллельно друг другу.
- V-образные — также размешены на одном коленчатом вале, но расположены под углом (обычно от 45 до 90о).
- VR-образные — аналогичны предыдущему типу, но имеют меньший угол развала (10–20о).
- Оппозитные — два ряда цилиндров находятся на одном коленвале под углом 180о друг к другу.
- W-образные — на коленчатом вале расположены 3 или 4 ряда цилиндров.
- Встречные — каждый цилиндр имеет два поршня, которые движутся во встречном направлении.
- U-образные — два коленвала с параллельными рядами цилиндров объединены в один блок.
- Радиальные — цилиндро-поршневая группа установлена звездообразно вокруг коленвала.
Основная область применения ДВС с радиальной конструкцией — авиация.
Роторно-поршневые системы
Роторно-поршневые силовые агрегаты основаны на аналогичном принципе, но имеют овальную камеру сгорания. Внутри нее вращается трехгранный ротор, который выполняет функции как поршня, так и ГРМ. В настоящее время такие системы практически не используются в автомобилестроении по причине более сложного производства и обслуживания.
Принцип работы роторного ДВС.
Роторно-поршневой мотор также называется двигателем Ванкеля.
Газотурбинные ДВС
Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания превращают импульс от детонации топлива в полезную работу за счет вращения рабочими газами ротора специальной формы клиновидными лопатками, двигающего вал турбины.
Газотурбинный движок Siemens.
Виды топлива
Агрегаты внутреннего сгорания могут использовать разные типы горючего:
- Моторы, работающие на бензине, совершают работу за счет воспламенения воздушной смеси от электрического разряда свечи зажигания.
- Дизельные двигатели отличаются тем, что не имеют системы зажигания. Дизельное топливо под давлением передается через форсунки непосредственно в движок и воспламеняется за счет того, что внутри рабочей камеры уже находится кислород, нагретый до температуры большей, чем требуется для воспламенения горючего.
- Газовые установки экономичнее за счет более дешевого топлива, но требуют качественной системы охлаждения и особого масла из-за сильного нагрева.
- Гибридные — сочетание дизельного и электрического движков.
- Водородные системы применяются редко — до недавнего времени не существовало способа создать безопасную силовую установку. Первой машиной с водородным двигателем нового поколения стала Toyota Mirai.
Устройство силовой установки Toyota Mirai.
Чаще всего используются бензиновые и дизельные моторы. Первые способны развивать большую мощность и скорость, а вторые экономичнее, имеют более плавный ход и надежную конструкцию.
Как работает ДВС на бензине и дизтопливе.
Благодаря отсутствию электросистемы зажигания, дизельные авто менее уязвимы к попаданию жидкости, поэтому их часто ставят на внедорожники и военный транспорт.
Как работает ДВС
Общий принцип работы двигателя внутреннего сгорания несложен: за счет поджога и воспламенения топливной смеси система приходит в движение и передает импульс на привод. Установки делятся на:
- Двухтактные (полный цикл — два движения поршня) — их чаще всего используют на небольшой и маломощной технике: скутерах, мопедах, моторных лодках, бензоинструментах.
- Четырехтактные (соответственно, четыре движения на цикл) применяются в автомобилестроении.
Четырехтактный двигатель в разрезе.
Двухтактный двигатель
Конструкция двигателя, который проходит полный цикл за одно движения поршня, проще: процессы очистки и наполнения цилиндров происходят за два такта, а сама установка не оснащена отдельным масляным контуром.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе.
Схема работы двигателя, работающего на два такта:
- Поршень поднимается от нижней мертвой точки, по ходу движения закрывая в первую очередь продувочное отверстие, а после этого — выпускное. Затем под поршнем создается разряжение и сквозь впускное окно заходит топливо.
- Когда деталь располагается в верхней мертвой точке, сжатая смесь воспламеняется от разряда свечи, поршень взрывом отбрасывается вниз, по пути открывая продувочное и выпускное отверстие. Далее по инерции он идет наверх и цикл возобновляется.
Анимация того, как устроен ДВС, работающий на два такта.
Четырехтактная установка
Как работает двигатель внутреннего сгорания, делающий полный цикл за четыре хода поршня:
- Поршень идет вниз, синхронно с ним открывается впускной клапан и в камеру внутреннего сгорания втягивается топливная смесь.
- Достигнув нижней мертвой точки, поршень по инерции поднимается, и топливо, которое находится внутри цилиндра сжимается. Впускной и выпускной клапан в этот момент закрыты.
- Горючее воспламеняется (температура может достигать 2000оС, и даже больше) и поршень опускается под воздействием взрывной волны (клапана также остаются закрытыми).
- Открывается выпускное отверстие и поршень, поднимаясь, выталкивает выхлопные газы, после чего цикл начинается снова.
Анимация работы четырехтактного ДВС в разрезе.
Третий такт называют рабочим, потому что только в нем поршень производит кинетическую энергию (остальные три такта он движется по инерции).
Вспомогательные системы
В устройство двигателя автомобиля входят дополнительные контуры, которые отвечают за подачу топлива, смазку и охлаждение агрегата, а также избавление от отработанных газов. От правильного функционирования этих узлов во многом зависит время работы мотора, поэтому разберем их подробнее.
Газораспределение
Газораспределительный механизм контролирует движение впускных и выпускных клапанов, узел состоит из:
- распредвала;
- самих клапанов;
- привода клапанов;
- привода ГРМ.
Зажигание
Зажигание необходимо только бензиновым силовым агрегатам — поскольку горючее внутри цилиндров в этих установках не может воспламеняться самостоятельно, требуется искра.
Детали ДВС, которые отвечают за работу системы зажигания.
Схема работы и строение системы зажигания ДВС:
- От аккумулятора (а когда мотор работает– от генератора) напряжение подается на катушку зажигания.
- Накопитель энергии (катушка) преобразует ее в ток, достаточный, для появления разряда.
- Трамблер распределяет ток по бронепроводам к каждому цилиндру. (В новых машинах это происходит под контролем электронного блока управления).
Топливоподача
Хотя принцип воспламенения смеси на бензиновых и дизельных движках различен, остальная схема топливного контура у них одинакова:
- Из бензобака горючее насосом подается в топливопровод.
- Далее через различные фильтры топливо поступает в узел смешения — карбюратор или инжектор, где обогащается воздухом.
- Состав поступает на свечи или форсунки, и оттуда уже идет в камеру цилиндра (на бензиновых ДВС топливо сначала подается во впускной коллектор).
В бензиновых моторах с инжекторными системами подача топлива происходит через форсунку, которая распыляет его в выпускной патрубок, где горючее смешивается с кислородом.
На дизельных автомобилях горючее и кислород подаются отдельно. Топливо под высоким давлением выпрыскивается из форсунок, а воздух заходит через газораспределительный механизм.
Инжекторные бензиновые моторы с непосредственным впрыском функционируют аналогично дизелю.
Смазка
Система смазки позволяет уменьшать силу трения, защищать металл от разрушения, отводить лишнее тепло, и убирать продукты горения. Узел состоит из:
- маслопровода;
- фильтра;
- радиатора, охлаждающего масло;
- поддона картера;
- масляного насоса, подающего смазку из поддона снова в оборот.
Охлаждение
Элементы силового агрегата нагреваются до экстремально высоких температур, поэтому их необходимо охлаждать, чтобы предупредить разрушение или деформацию деталей.
На относительно простых устройствах (мотороллерах или мопедах) температура движка понижается за счет встречного потока воздуха, но для мощных автомобильных моторов этого недостаточно.
В них устроен отдельный контур, по которому идет охлаждающая жидкость:
- Радиатор состоит из множества трубочек, проходя по которым, жидкость охлаждается за счет теплоотдачи.
- Вентилятор гонит поток воздуха на радиатор, усиливая теплообмен.
- Водяной насос обеспечивает циркуляцию и постоянное поступление охлажденной жидкости к наиболее горячим местам.
- Термостат отвечает за переключение потока между внешним и внутренним кругом.
Жидкостная система охлаждения.
Сначала жидкость движется по внутреннему контуру. Термостат срабатывает, когда она нагреется до заданного порога (обычно это около 90о), после чего переключает поток на внешний круг (через радиатор).
Выпускная система
Выхлопная система позволяет выводить отработанные газы, которые выпустил мотор автомобиля из своих цилиндров, в окружающую среду. Общее устройство выпускного контура машин с ДВС:
- Выпускной коллектор принимает отходы от каждого цилиндра, гасит их первичные колебания и направляет в приемную трубу (так называемые «штаны»).
- Далее поток поступает в каталитический нейтрализатор, в котором происходит очищение газов.
- Из катализатора выхлоп переходит в резонатор, где снижается скорость потока, и разделяются газы.
- Предпоследняя ступень выпускной системы — глушитель, внутри которого расположены перегородки, меняющие направление выхлопа, за счет чего снижается скорость и шумность выброса.
- Из глушителя отработка поступает в выхлопную трубу, а оттуда — в атмосферу.
Выпускная система ДВС автомобиля.
Устройство современного двигателя внутреннего сгорания
Изобретение двигателя внутреннего сгорания позволило человечеству в развитии шагнуть значительно вперед. Сейчас двигатели, которые используют для выполнения полезной работы энергию, выделяемую при сгорании топлива, используются во многих сферах деятельности человека. Но самое большее распространение эти двигатели получили в транспорте.
Все силовые установки состоят из механизмов, узлов и систем, которые взаимодействуя между собой, обеспечивают преобразование энергии, выделяемой при сгорании легковоспламеняемых продуктов во вращательное движение коленчатого вала. Именно это движение и является его полезной работой.
Чтобы было понятнее, следует разобраться с принципом работы силовой установки внутреннего сгорания.
Принцип работы
При сгорании горючей смеси, состоящей из легковоспламеняемых продуктов и воздуха, выделяется больше количество энергии. Причем в момент воспламенения смеси она значительно увеличивается в объеме, возрастает давление в эпицентре воспламенения, по сути, происходит маленький взрыв с высвобождением энергии. Этот процесс и взят за основу.
Если сгорание будет производиться в закрытом пространстве – возникающее при сгорании давление будет давить на стенки этого пространства.
Если одну из стенок сделать подвижной, то давление, пытаясь увеличить объем замкнутого пространства, будет перемещать эту стенку.
Если к этой стенке присоединить какой-нибудь шток, то она уже будет выполнять механическую работу – отодвигаясь, будет толкать этот шток. Соединив шток с кривошипом, при перемещении он заставит провернуться кривошип относительно своей оси.
В этом и заключается принцип работы силового агрегата с внутренним сгоранием – имеется закрытое пространство (гильза цилиндра) с одной подвижной стенкой (поршнем). Стенка штоком (шатуном) связана с кривошипом (коленчатым валом). Затем производится обратное действие – кривошип, делая полный оборот вокруг оси, толкает штоком стенку и так возвращается обратно.
Но это только принцип работы с пояснением на простых составляющих. На деле же процесс выглядит несколько сложнее, ведь надо же вначале обеспечить поступление смеси в цилиндр, сжать ее для лучшего воспламенения, а также вывести продукты горения. Эти действия получили название тактов.
Всего тактов 4:
- впуск (смесь поступает в цилиндр);
- сжатие (смесь сжимается за счет уменьшения объема внутри гильзы поршнем);
- рабочий ход (после воспламенения смесь из-за своего расширения толкает поршень вниз);
- выпуск (отведение продуктов горения из гильзы для подачи следующей порции смеси);
Такты поршневого двигателя
Из этого следует, что полезное действие имеет только рабочий ход, три других – подготовительные. Каждый такт сопровождается определенным перемещением поршня. При впуске и рабочем ходе он движется вниз, а при сжатии и выпуске – вверх. А поскольку поршень связан с коленчатым валом, то каждый такт соответствует определенному углу проворота вала вокруг оси.
Реализация тактов в двигателе делается двумя способами. Первый – с совмещением тактов. В таком моторе все такты выполняются за один полный проворот коленвала. То есть, пол-оборота колен. вала, при котором выполняется движение поршня вверх или вниз сопровождается двумя тактами. Эти двигатели получили название 2-тактных.
Второй способ – раздельные такты. Одно движение поршня сопровождается только одним тактом. В итоге, чтобы произошел полный цикл работы – требуется 2 оборота колен. вала вокруг оси. Такие двигатели получили обозначение 4-тактных.
Блок цилиндров
Теперь само устройство двигателя внутреннего сгорания. Основой любой установки является блок цилиндров. В нем и на нем располагаются все составные.
Конструктивные особенности блока зависят от некоторых условий – количества цилиндров, их расположения, способа охлаждения. Количество цилиндров, которые объедены в одном блоке, может варьироваться от 1 до 16.
Причем блоки с нечетным количеством цилиндров встречаются редко, из выпускающихся ныне двигателей можно встретить только одно- и трехцилиндровые установки.
Большинство же агрегатов идут с парным количеством цилиндров – 2, 4, 6, 8 и реже 12 и 16.
Четырёхцилиндровый блок
Силовые установки с количеством от 1 до 4 цилиндров обычно имеют рядное расположение цилиндров.
Если количество цилиндров больше, их располагают в два ряда, при этом с определенным углом положения одного ряда относительно другого, так называемые силовые установки с V-образным положением цилиндров.
Такое расположение позволило уменьшить габариты блока, но при этом изготовление их сложнее, чем рядным расположением.
Восьмицилиндровый блок
Существует еще один тип блоков, в которых цилиндры располагаются в два ряда и с углом между ними в 180 градусов. Эти двигатели получили название оппозитных. Встречаются они в основном на мотоциклах, хотя есть и авто с таким типом силового агрегата.
Но условие количеством цилиндров и их расположением – необязательное. Встречаются 2-цилиндровые и 4-цилиндровые двигатели с V-образным или оппозитным положением цилиндров, а также 6-цилиндровые моторы с рядным расположением.
Используется два типа охлаждения, которые применяются на силовых установках – воздушное и жидкостное. От этого зависит конструктивная особенность блока. Блок с воздушным охлаждением менее габаритный и конструктивно проще, поскольку цилиндры не входят в его конструкцию.
Блок с жидкостным же охлаждением более сложен, в его конструкцию входят цилиндры, а поверх блока с цилиндрами расположена рубашка охлаждения. Внутри ее циркулирует жидкость, отводя тепло от цилиндров. При этом блок вместе рубашкой охлаждения представляют одно целое.
Сверху блок накрывается специальной плитой – головкой блока цилиндров (ГБЦ). Она является одной из составляющих, обеспечивающих закрытое пространство, в котором производится процесс горения. Конструкция ее может быть простая, не включающая дополнительные механизмы, или же сложная.
Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм, входящий в конструкцию мотора, обеспечивает преобразование возвратно-поступательного перемещения поршня в гильзе во вращательное движение коленвала. Основным элементом этого механизма является коленвал. Он имеет подвижное соединение с блоком цилиндров. Такое соединение обеспечивает вращение этого вала вокруг оси.
К одному из концов вала прикреплен маховик. В задачу маховика входит передача крутящего момента от вала дальше. Поскольку у 4-тактного двигателя на два оборота коленвала приходится только один полуоборот с полезным действием – рабочий ход, остальные же требуют обратного действия, которое и выполняется маховиком. Имея значительную массу и вращаясь, за счет своей кинетической энергии он обеспечивает провороты колен. вала во время подготовительных тактов.
Устройство маховика
Окружность маховика имеет зубчатый венец, при помощи его выполняется запуск силовой установки.
С другой стороны вала размещается приводная шестерня масляного насоса и газораспределительного механизма, а также фланец для крепления шкива.
Этот механизм также включает шатуны, которые обеспечивают передачу усилия от поршня к коленвалу и обратно. Крепление к валу шатунов тоже производится подвижно.
Поверхности блока цилиндров, колен. вала и шатунов в местах соединения напрямую между собой не контактируют, между ними находятся подшипники скольжения – вкладыши.
Цилиндро-поршневая группа
Состоит данная группа из гильз цилиндров, поршней, поршневых колец и пальцев. Именно в этой группе и происходит процесс сгорания и передача выделяемой энергии для преобразования. Сгорание происходит внутри гильзы, которая с одной стороны закрыта головкой блока, а с другой – поршнем. Сам поршень может перемещаться внутри гильзы.
Чтобы обеспечить максимальную герметичность внутри гильзы, используются поршневые кольца, которые предотвращают просачивание смеси и продуктов горения между стенками гильзы и поршнем.
Поршень посредством пальца подвижно соединен с шатуном.
Газораспределительный механизм
В задачу этого механизма входит своевременная подача горючей смеси или ее составляющих в цилиндр, а также отвод продуктов горения.
У двухтактных двигателей как такового механизма нет. У него подача смеси и отвод продуктов горения производится технологическими окнами, которые проделаны в стенках гильзы. Таких окон три – впускное, перепускное и выпускное.
Поршень, двигаясь производит открытие-закрытие того или иного окна, этим и выполняется наполнение гильзы топливом и отвод отработанных газов. Использование такого газораспределения не требует дополнительных узлов, поэтому ГБЦ у такого двигателя простая и в ее задачу входит только обеспечение герметичности цилиндра.
У 4-тактного двигателя механизм газораспределения имеется. Топливо у такого двигателя подается через специальные отверстия в головке. Эти отверстия закрыты клапанами.
При надобности подачи топлива или отвода газов из цилиндра производится открывание соответствующего клапана.
Открытие клапанов обеспечивает распределительный вал, который своими кулачками в нужный момент надавливает на необходимый клапан и тот открывает отверстие. Привод распредвала осуществляется от коленвала.
ГРМ с ременным и цепным приводом
Компоновка газораспределительного механизма может отличаться. Выпускаются двигатели с нижним расположением распредвала (он находится в блоке цилиндров) и верхним расположением клапанов (в ГБЦ). Передача усилия от вала к клапанам производится посредством штанг и коромысел.
Более распространенными являются моторы, у которых и вал и клапана имеют верхнее расположение. При такой компоновке вал тоже размещен в ГБЦ и действует он на клапана напрямую, без промежуточных элементов.
Система питания
Эта система обеспечивает подготовку топлива для дальнейшей подачи его в цилиндры. Конструкция этой системы зависит от используемого двигателем топлива. Основным сейчас является топливо, выделенное из нефти, причем разных фракций – бензин и дизельное топливо.
У двигателей, использующих бензин, имеется два вида топливной системы – карбюраторная и инжекторная. В первой системе смесеобразование производится в карбюраторе. Он производит дозировку и подачу топлива в проходящий через него поток воздуха, далее уже эта смесь подается в цилиндры. Состоит такая система и топливного бака, топливопроводов, вакуумного топливного насоса и карбюратора.
Карбюраторная система
То же делается и в инжекторных авто, но у них дозировка более точная. Также топливо в инжекторах добавляется в поток воздуха уже во впускном патрубке через форсунку.
Эта форсунка топливо распыляет, что обеспечивает лучшее смесеобразование.
Состоит инжекторная система из бака, насоса, расположенного в нем, фильтров, топливопроводов, и топливной рампы с форсунками, установленной на впускном коллекторе.
У дизелей же подача составляющих топливной смеси производится раздельно. Газораспределительный механизм через клапаны подает в цилиндры только воздух. Топливо же в цилиндры подается отдельно, форсунками и под высоким давлением. Состоит данная система из бака, фильтров, топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунок.
Отличие дизельного двигателя от бензинового
Недавно появились инжекторные системы, которые работают по принципу дизельной топливной системы – инжектор с непосредственным впрыском.
Система отвода отработанных газов обеспечивает вывод продуктов горения из цилиндров, частичную нейтрализацию вредных веществ, и снижение звука при выводе отработанного газа. Состоит из выпускного коллектора, резонатора, катализатора (не всегда) и глушителя.
Система смазки
Система смазки обеспечивает снижение трения между взаимодействующими поверхностями двигателя, путем создания специальной пленки, предотвращающей прямой контакт поверхностей. Дополнительно осуществляет отвод тепла, защищает от коррозии элементы двигателя.
Состоит система смазки из масляного насоса, емкости для масла – поддона, маслозаборника, масляного фильтра, каналов, по которым масло движется к трущимся поверхностям.
Система охлаждения
Поддержание оптимальной рабочей температуры во время работы двигателя обеспечивается системой охлаждения. Используется два вида системы – воздушная и жидкостная.
Воздушная система производит охлаждение путем обдува цилиндров потом воздуха. Для лучшего охлаждения на цилиндрах сделаны ребра охлаждения.
В жидкостной системе охлаждение производится жидкостью, которая циркулирует в рубашке охлаждения с прямым контактом с внешней стенкой гильз. Состоит такая система из рубашки охлаждения, водяного насоса, термостата, патрубков и радиатора.
Система зажигания
Система зажигания применяется только на бензиновых двигателях. На дизелях воспламенение смеси производится от сжатия, поэтому такая система ему не нужна.
У бензиновых же авто, воспламенение выполняется от искры, проскакивающей в определенный момент между электродами свечи накаливания, установленной в головке блока так, что ее юбка находится в камере сгорания цилиндра.
Состоит система зажигания из катушки зажигания, распределителя (трамблера), проводки и свечей зажигания.
Электрооборудование
Обеспечивает это оборудование электроэнергией бортовую сеть авто, в том числе и систему зажигания. Этим оборудование также производится и запуск двигателя. Состоит оно из АКБ, генератора, стартера, проводки, всевозможных датчиков, которые следят за работой и состоянием двигателя.
Это и все устройство двигателя внутреннего сгорания. Он хоть и постоянно совершенствуется, однако принцип работы его не меняется, улучшаются лишь отдельные узлы и механизмы.
Современные разработки
Ищутся альтернативные виды топлива, последней разработкой в этом направлении пока является использование в качестве топлива спиртов, а также растительных масел.
Также ученые пытаются наладить производство двигателей с совершенно иным принципом работы. Таковым, к примеру, является двигатель Ванкеля, но особых успехов пока нет.
Принцип работы и устройство двигателя
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.
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.
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.
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.
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 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.
Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:
- Выпускной коллектор;
- Приемная труба глушителя;
- Резонатор;
- Глушитель;
- Выхлопная труба.
В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов.
Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем.
Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.
Двигатель внутреннего сгорания — Образавр
Содержание
Тепловым двигателем называют машину, в ходе работы которой внутренняя энергия переходит в механическую. Самую простую модель такой машины можно представить в виде металлического цилиндра и плотно пригнанного поршня, который может двигаться вдоль цилиндра.
Одним из самых распространённых видов теплового двигателя, который мы встречаем в жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Легко догадаться, что отсюда и пошло его название.
В данном уроке мы рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания и схему его работы.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.
На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.
Рисунок 1. Устройство двигателя внутреннего сгорания
Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.
В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты.
Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6.
Горючая смесь — это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива с воздухом (кислородом).
Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.
{«questions»:[{«content»:»В таком тепловом двигателе, как ДВС, топливо сгорает [[choice-1]]»,»widgets»:{«choice-1»:{«type»:»choice»,»options»:[«внутри цилиндра двигателя»,»в специальном резервуаре»,»В ДВС не отмечается сгорание топлива, только его нагревание»],»explanations»:[«ДВС — двигатель внутреннего сгорания. Ответ кроется в самом названии.»,»»,»»],»answer»:[0]}}}]}
Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений — $1600-1800 degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.
Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась — они начинают охлаждаться.
Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя
Для того чтобы более подробно рассмотреть схему работы данного двигателя, нам понадобятся новые определения.
Поршень может двигаться внутри цилиндра. В устройстве самого простого вида, который мы рассматриваем, он может двигаться вверх и вниз.
Мёртвые точки — это крайние точки положения поршня в цилиндре.
Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.
{«questions»:[{«content»:»Когда при движении поршень достигает своего крайнего верхнего или крайнего нижнего положения в цилиндре, говорят, что он[[choice-1]]»,»widgets»:{«choice-1»:{«type»:»choice»,»options»:[«находится в мертвой точке»,»совершает работу»,»Движется к мертвой точке»],»answer»:[0]}}}]}
Рассматриваемые нами двигатели внутреннего сгорания называют четырехтактными.
Четырехтактный двигатель — это двигатель, в котором один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня (за четыре такта).
Один такой такт двигателя или ход поршня происходит за половину оборота коленчатого вала.
Схема работы двигателя внутреннего сгорания: четыре такта
Теперь давайте подробно рассмотрим все четыре такта работы двигателя (рисунок 2).
Рисунок 2. Схематическое изображение работы двигателя внутреннего сгорания
Первый такт (рисунок 2, а):
- При повороте коленчатого вала в самом начале такта поршень начинает двигаться вниз
- Объем над поршнем увеличивается
- В цилиндре образуется разрежение
- Открывается клапан 1. В цилиндр поступает горючая смесь
- Цилиндр заполняется горючей смесью. Клапан 1 закрывается
Второй такт (рисунок 2, б):
- Вал продолжает поворачиваться, поршень теперь двигается вверх
- Таким образом поршень сжимает горючую смесь
- Поршень доходит до верхней мертвой точки
- Сжатая горючая смесь воспламеняется от электрической искры (свеча 6) и сгорает
Третий такт (рисунок 2, в):
- При сгорания смеси образуются газы. Они давят на поршень — толкают его вниз
- Под действием этих расширяющихся нагретых газов двигатель совершает работу. Поэтому,
Третий такт двигателя — это рабочий ход.
- Поршень двигается вниз. Его движение передается шатуну и коленчатому валу
- Получив сильный толчок, коленчатый вал с маховиком продолжают вращение по инерции. При этом они приводят в движение поршень при последующих тактах
Заметьте, что на втором и третьем тактах двигателя клапаны закрыты.
- В конце такта открывается клапан 2. Продукты сгорания начинают выходить из цилиндра в окружающую среду
Четвертый такт (рисунок 2, г):
- Идет выход продуктов сгорания из цилиндра (клапан 2 открыт)
- Поршень движется вверх
- В конце этого такта клапан 2 закрывается
Итак,
- Цикл двигателя состоит из четырех тактов:впусксжатиерабочий ход
- выпуск
{«questions»:[{«content»:»На третьем такте двигателя внутреннего сгорания[[choice-1]]»,»widgets»:{«choice-1»:{«type»:»choice»,»options»:[«расширяющиеся нагретые газы совершают механическую работу»,»Поршень движется вниз»,»Поршень движется вверх»,»Открыт клапан 2″,»В конце такта открывается клапан 2″,»в цилиндр поступает горючая смесь через клапан 1″],»answer»:[0,1,4]}}}]}
Создание и применение двигателя внутреннего сгорания
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания рассмотренного нами вида изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель (рисунок 3).
Рисунок 3. Рудольф Кристиан Карл Дизель (1858 — 1913)
В 1893 году он получил патент на свой тепловой двигатель. В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» был построен первый двигатель Рудольфа Дизеля . Его мощность составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту. Весил этот двигатель пять тонн. Двигатель Дизеля был четырехтактным.
В 1900 году, на «Всемирной выставке», Рудольф Дизель продемонстрировал двигатель работающий на арахисовом масле (биодизель).
Двигатели внутреннего сгорания имеют очень широкое применение. В ходе их усовершенствования, в мире появлялись новые средства передвижения. Например, автомобили, мотоциклы, самолеты, вертолеты, космические корабли, ракеты, суда на воздушной подушке.
В автомобилях чаще всего стоят четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В каждом цилиндре по очереди происходит рабочий ход. Поэтому коленчатый вал постоянно получает энергию от одного из поршней.
Существуют и двигатели с другим количеством цилиндров. Многоцилиндровые двигатели лучше обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.
Огнестрельное оружие является простейшим примером ДВС. Цилиндром является ствол оружия, а поршнем — выбрасываемые из оружия пули или снаряды.
Использование ДВС обеспечило быстрый прогресс в военной индустрии: были разработаны танки, истребители, подводные лодки.
В настоящее время двигатели внутреннего сгорания установлены практически на каждом виде транспорта, которым мы пользуемся. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.
Загрузка...
