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.
Мало кто знает, что двигатель внутреннего сгорания был изобретён ещё 5 веков назад, легендарным инженером и конструктором Леонардо да Винчи. Но, после первого чертежа потребовалось ещё 300 лет, чтобы были созданы первые прототипы, которые могли полноценно работать.
Виды двигателей
Первый полноценный прототип двигателя внутреннего сгорания был сконструирован в далёком 1806 году, который принадлежал братьям Ньепсье. После этого важного исторического факта было недолгое затишье.
Но, в конце 19 века три легендарным немца положили старт автомобилестроению - Николас Отто, Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. После этого двигатели внутреннего сгорания получили много модификаций и вариантов, которые используются по сегодняшний день.
Рассмотрим, какие существуют виды автомобильных ДВС, а также укажем типы двигателей:
- Паровая машина
- Бензиновый двигатель
- Карбюраторная система впрыска
- Инжектор
- Дизельные двигатели
- Газовый двигатель
- Электрические моторы
- Роторно-поршневые ДВС
Паровая машина
Первым представителем полноценного двигателя внутреннего сгорания следует считать паровую машину, которая устанавливалась на все транспортные средства 19 века, до момента изобретения остальных видов моторов.
На то время паровыми движками оснащались паровозы, автомобили и даже примитивные трёхколёсные самоходные машины (напоминающие мотоциклы). Изобретение такого класса завоевало весь мир, но к концу 19 - начало 20 века стало неэффективное, поскольку транспортные средства на пару не могли развивать достаточно большую скорость.
Бензиновый двигатель
Бензиновый двигатель - это ДВС средством питания, которого является бензин. Горючее подаётся с топливного бака при помощи насоса (механического или электрического) на систему впрыска. Итак, рассмотрим, какие бывают типы бензиновых моторов:
- С карбюратором.
- Инжекторного типа.
Современный мир привык, что большинство автомобилей имеет электронную систему впрыска топлива (инжектор).
Карбюраторная система впрыска
Карбюратор - это тип впрыскового устройства горючего во впускной коллектор с дальнейшим распределением по цилиндрам. Первый примитивный карбюратор был разработан в Германии ещё в конце 19 века и имеет почти 100 летнюю историю развития.
Карбюраторы бывают - одно-, двух-, четырех- и шестикамерные. Кроме этого существует достаточно много прототипов.
Принцип работы карбюратора достаточно простой: бензонасос подаёт топливо в поплавковую камеру, где бензин проходит сквозь жиклёры механическим путём (количество впрыскиваемого топлива регулирует водитель при помощи педали акселератора), и подаётся во впускной коллектор. Недостатком карбюратора стало то, что он чувствительный к регулировкам, а также не соответствует экологическим международным нормам.
Инжектор
Инжекторный двигатель - это тип впрыскового устройства горючего в цилиндры двигателя. Инжекторный впрыск бывает моно и разделённым Данная система на сегодняшний день все больше совершенствуется, чтобы уменьшит выбросы СО2 в атмосферу. Для впрыска используются форсунки, которые ещё ранее начали использоваться на дизельных двигателях.
С переходом на данную систему транспортные средства стали оснащать электронными блоками управления двигателем, чтобы корректировать состав воздушно-топливной смеси, а также сигнализировать о неисправностях внутри системы.
Дизельные двигатели
Дизельный мотор - это вид двигателя, который расходует как горючее дизельное топливо. Основные системы и элементы движка идентичны бензиновому брату, различие состоит в системе впрыска и воспламенении смеси. В дизельном моторе отсутствуют свечи зажигания, поскольку воспламенение смеси от искры не нужно.
На моторах такого типа устанавливаются свечи накала, которые разогревают воздух в камере сгорания, который превышает температуру воспламенения. После этого через форсунки подаётся распылённое топливо, которое сгорает, чем создаёт достаточное давление для привода в движения поршня, который раскручивает коленчатый вал.
Одним из подвидов дизельного ДВС считается турбодизель. На этом моторе установлена турбина, которая имеет вид улитки. При помощи турбины в мотор подаётся больше количество сжатого воздуха, который даёт больше детонационный эффект, за счёт чего движок можно быстрее разогнать.
Газовый двигатель
Газовые двигатели на сегодняшний день в автоиндустрии в чистом виде почти не используются, поскольку частые поломки моторов, стали причиной полного отказа от них. Вместо этого, газовые установки зачастую можно встретить на бензиновых автомобилях, что значительно экономит расход денег на горючее.
Газ с баллона подаётся на редуктор, который распределяет топливо по цилиндрам, а затем горючее попадает непосредственно в камеры сгорания. После этого с помощью свечей зажигания газ воспламеняется. Единственным недостатком использования газовой установки считается то, что мотор теряет 20% своего потенциального ресурса.
Электрические моторы
Николас Тесла впервые предложил использовать для автомобилей электроэнергию. Электрические моторы на сегодняшний день не распространены, поскольку заряда батареи хватает только до 200 км пути, а заправочных станций, которые могут предоставить услугу зарядки автомобиля - практически нет.
Известная мировая компания, производитель электрических автомобилей «Тесла» продолжает совершенствовать электродвигатели, и каждый год дарит потребителям новинки, которые имеют больший запас хода без дозарядки.
Гибриды
Наверное, самые желаемые двигатели на сегодняшний день. Это смесь бензинового двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Существует несколько вариантов работы такого движка.
- Мотор может работать на попеременном питании. Сначала движение производится на бензине, пока генератор заряжает батарею, а затем водитель может переключиться на электропитание.
- Двигатель и электромотор работают одновременно, что помогает сэкономить расход горючего на одно, и тоже расстояние с другими типами ДВС.
Роторно-поршневые ДВС
Роторно-поршневой силовой агрегат в автомобилестроении не нашёл широкого распространения, хотя можно встретить модели автомобилей, которые используют такой тип ДВС. Предложил создание такого мотора - конструктор Ванкель.
Движение осуществляется за счёт вращения трёхзубчатого ротора, который позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Данный мотор активно использовался в 80-е годы 20 ст.
Водородный мотор
НОУ-ХАУ современного мира считается водородный двигатель. В автомобиль устанавливается установка водородного типа. Отличие от бензиновых моторов заключается в подаче топлива. Если у бензина топливо подаётся вовремя возврата поршня в ВТМ, то у водородного силового агрегата в момент, когда поршень возвращается к НТМ.
В будущем планируется создать водородный двигатель закрытого типа, когда не будет требоваться выброс отработанных газов, а также на 500 км автолюбитель сможет забить о заправке автомобиле.
Стоит понимать, что автомобили с таким мотором будут стоить весьма не дёшево, пока они полностью не вытеснят бензинового брата.
Вывод
Двигатели внутреннего сгорания имеют достаточно большое количество видов и типов, на любой вкус. Так, самыми популярными, по мировой статистике, считают бензиновые, дизельные и гибридные силовые агрегата. Но, все движется к тому, что человек хочет отойти от использования бензина и его аналогов и перейти полностью на электрику.
Большинство автомобилей заставляет перемещаться поршневой двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом. Такая конструкция получила массовое распространение в силу малой стоимости и технологичности производства, сравнительно небольших габаритов и веса.
По виду применяемого топлива ДВС можно разделить на бензиновые и дизельные. Надо сказать, что бензиновые двигатели великолепно работают на . Такое деление непосредственно сказывается на конструкции двигателя.
Как устроен поршневой двигатель внутреннего сгорания
Основа его конструкции — блок цилиндров. Это корпус, отлитый из чугуна, алюминиевого или иногда магниевого сплава. Большинство механизмов и деталей других систем двигателя крепятся именно к блоку цилиндров, или располагаются внутри его.
Другая крупная деталь двигателя, это его головка. Она находится в верхней части блока цилиндров. В головке также располагаются детали систем двигателя.
Снизу к блоку цилиндра крепится поддон. Если эта деталь воспринимает нагрузки при работе двигателя, её часто называют поддоном картера, или картером.
Все системы двигателя
- кривошипно-шатунный механизм;
- механизм газораспределения;
- система питания;
- система охлаждения;
- система смазки;
- система зажигания;
- система управления двигателем.
Кривошипно-шатунный механизм состоит из поршня, гильзы цилиндра, шатуна и коленчатого вала.
Кривошипно-шатунный механизм:
1. Расширитель маслосъёмного кольца. 2. Кольцо поршневое маслосъёмное. 3. Кольцо компрессионное, третье. 4. Кольцо компрессионное, второе. 5. Кольцо компрессионное, верхнее. 6. Поршень. 7. Кольцо стопорное. 8. Палец поршневой. 9. Втулка шатуна. 10. Шатун. 11. Крышка шатуна. 12. Вкладыш нижней головки шатуна. 13. Болт крышки шатуна, короткий. 14. Болт крышки шатуна, длинный. 15. Шестерня ведущая. 16. Заглушка масляного канала шатунной шейки. 17. Вкладыш подшипника коленчатого вала, верхний. 18. Венец зубчатый. 19. Болты. 20. Маховик. 21. Штифты. 22. Болты. 23. Маслоотражатель, задний. 24. Крышка заднего подшипника коленчатого вала. 25. Штифты. 26. Полукольцо упорного подшипника. 27. Вкладыш подшипника коленчатого вала, нижний. 28. Противовес коленчатого вала. 29. Винт. 30. Крышка подшипника коленчатого вала. 31. Болт стяжной. 32. Болт крепления крышки подшипника. 33. Вал коленчатый. 34. Противовес, передний. 35. Маслоотрожатель, передний. 36. Гайка замковая. 37. Шкив. 38. Болты.
Поршень расположен внутри гильзы цилиндра. При помощи поршневого пальца он соединен с шатуном, нижняя головка которого крепится к шатунной шейке коленчатого вала. Гильза цилиндра представляет собой отверстие в блоке, или чугунную втулку, вставляемую в блок.
Гильза цилиндров с блоком
Гильза цилиндра сверху закрыта головкой. Коленчатый вал также крепится к блоку в нижней его части. Механизм преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. То самое вращение, которое, в конечном счете, заставляет крутиться колеса автомобиля.
Газораспределительный механизм отвечает за подачу смеси паров топлива и воздуха в пространство над поршнем и удаление продуктов горения через клапаны, открываемые строго в определенный момент времени.
Система питания отвечает в первую очередь за приготовление горючей смеси нужного состава. Устройства системы хранят топливо, очищают его, смешивают с воздухом так, чтобы обеспечить приготовление смеси нужного состава и количества. Также система отвечает за удаление из двигателя продуктов горения топлива.
При работе двигателя образуется тепловая энергия в количестве большем, чем двигатель способен преобразовать в механическую энергию. К сожалению, так называемый термический коэффициент полезного действия, даже лучших образцов современных двигателей не превышает 40%. Поэтому приходится большое количество «лишней» теплоты рассеивать в окружающем пространстве. Именно этим и занимается , отводит тепло и поддерживает стабильную рабочую температуру двигателя.
Система смазки . Это как раз тот случай: «Не подмажешь, не поедешь». В двигателях внутреннего сгорания большое количество узлов трения и так называемых подшипников скольжения: есть отверстие, в нем вращается вал. Не будет смазки, от трения и перегрева узел выйдет из строя.
Система зажигания призвана поджечь, строго в определенный момент времени, смесь топлива и воздуха в пространстве над поршнем. такой системы нет. Там топливо самовоспламеняется при определенных условиях.
Видео:
Система управления двигателем при помощи электронного блока управлении (ЭБУ) управляет системами двигателя и координирует их работу. В первую очередь это приготовление смеси нужного состава и своевременное поджигание её в цилиндрах двигателя.
На наших дорогах чаще всего можно встретить автомобили, потребляющие бензин и дизельной топливо. Время электрокаров пока не настало. Поэтому рассмотрим принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Отличительной чертой его является превращение энергии взрыва в механическую энергию.
При работе с бензиновыми силовыми установками различают несколько способов формирования топливной смеси. В одном случае это происходит в карбюраторе, а потом это все подается в цилиндры двигателя. В другом случае бензин через специальные форсунки (инжекторы) впрыскивается непосредственно в коллектор или камеру сгорания.
Для полного понимания работы ДВС необходимо знать, что существует несколько типов современных моторов, доказавших свою эффективность в работе:
- бензиновые моторы;
- двигатели, потребляющие дизельное топливо;
- газовые установки;
- газодизельные устройства;
- роторные варианты.
Принцип работы ДВС этих типов практически одинаковый.
Такты ДВС
В каждом есть топливо, которое взрываясь в камере сгорания, расширяется и толкает поршень, установленный на коленчатом валу. Далее это вращение посредством дополнительных механизмов и узлов передается на колеса автомобиля.
В качестве примера будем рассматривать бензиновый четырехтактный мотор, так как именно он является самым распространенным вариантом силовой установки в машинах на наших дорогах.
Такты :
- открывается впускное отверстие и происходит заполнение камеры сгорания подготовленной топливной смесью
- происходит герметизация камеры и уменьшение ее объема в такте сжатия
- взрывается смесь и выталкивает поршень, который получает импульс механической энергии
- камера сгорания освобождается от продуктов горения
В каждом из этих этапов работы ДВС заложена своя происходит несколько одновременных процессов. В первом случае поршень находится в самой нижней своей позиции, при этом открыты все клапаны, впускающие топливо. Следующий этап начинается с полного закрытия всех отверстий и перемещения поршня в максимальную верхнюю позицию. При этом все сжимается.
Достигнув снова крайней верхней позиции поршня, на свечу поступает напряжение, и она создает искру, зажигая смесь для взрыва. Сила этого взрыва толкает поршень вниз, а в это время открываются выпускные отверстия и камера очищается от остатков газа. Затем все повторяется.
Работа карбюратора
Формирование топливной смеси в машинах первой половины прошлого века происходило с помощью карбюратора. Чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, нужно знать, что автомобильные инженеры сконструировали топливную систему так, что в камеру сгорания подавалась уже подготовленная смесь.
Устройство карбюратора
Ее формированием занимался карбюратор. Он в нужных соотношениях перемешивал бензин и воздух и отправлял это все в цилиндры. Такая относительная простота конструкции системы позволяла ему долгое время оставаться незаменимой частью бензиновых агрегатов. Но позже его недостатки стали преобладать над достоинствами и не обеспечивать повышающихся требований к автомобилям в целом.
Недостатки карбюраторных систем:
- нет возможности обеспечивать экономные режимы при внезапных переменах режимов езды;
- превышение лимитов вредных веществ в выхлопных газах;
- низкая мощность автомобилей из-за несоответствия подготовленной смеси состоянию автомобиля.
Компенсировать эти недостатки попытались прямой подачей бензина через инжекторы.
Работа инжекторных моторов
Принцип работы инжекторного двигателя заключается в непосредственном впрыске бензина во впускной коллектор или камеру сгорания. Визуально все схоже с работой дизельной установки, когда подача выполняется дозировано и только в цилиндр. Разница лишь в том, что у инжекторных агрегатов установлены свечи для поджигания.
Конструкция инжектора
Этапы работы бензиновых моторов с прямым впрыском не отличаются от карбюраторного варианта. Разница лишь в месте формирования смеси.
За счет этого варианта конструкции обеспечиваются достоинства таких двигателей:
- увеличение мощности до 10% при схожих технических характеристиках с карбюраторным;
- заметная экономия бензина;
- улучшение экологических характеристик по выбросам.
Но при таких достоинствах есть и недостатки. Основными являются обслуживание, ремонтопригодность и настройка. В отличие от карбюраторов, которые можно самостоятельно разобрать, собрать и отрегулировать, инжекторы требуют специального дорогостоящего оборудования и установленного большого числа разных датчиков в автомобиле.
Способы впрыска топлива
В ходе эволюции подачи топлива в двигатель происходило постоянное сближение этого процесса с камерой сгорания. В наиболее современных ДВС произошло слияние точки подачи бензина и места сгорания. Теперь смесь формируется уже не в карбюраторе или впускном коллекторе, а впрыскивается в камеру напрямую. Рассмотрим все варианты инжекторных устройств.
Одноточечный вариант впрыска
Наиболее простой вариант конструкции выглядит как впрыск топлива через одну форсунку во впускной коллектор. Разница с карбюратором в том, что последний подает готовую смесь. В инжекторном варианте проходит подача топлива через форсунку. Выгода заключается в получении экономии при расходе.
Моноточечный вариант подачи топлива
Такой способ также формирует смесь вне камеры, но здесь задействованы датчики, которые обеспечивают подачу непосредственно к каждому цилиндру через впускной коллектор. Это более экономичный вариант использования топлива.
Прямой впрыск в камеру
Этот вариант пока наиболее эффективно использует возможности инжекторной конструкции. Топливо напрямую распыляется в камере. За счет этого снижается уровень вредных выхлопов, и автомобиль получает кроме большей экономии бензина увеличенную мощность.
Увеличенная степень надежности системы снижает негативный фактор, касающийся обслуживания. Но такие устройства нуждаются в качественном топливе.
Достаточно простые, несмотря на множество деталей, из которых он состоит. Рассмотрим это более подробно.
Общее устройство ДВС
Каждый из моторов имеет цилиндр и поршень. В первом происходит превращение тепловой энергии в механическую, которая способна вызвать движение автомобиля. Всего лишь за одну минуту этот процесс повторяется несколько сот раз, благодаря чему коленчатый вал, который выходит из мотора, вращается непрерывно.
Двигатель машины состоит из нескольких комплексов систем и механизмов, преобразующих энергию в механическую работу.
Ее базой являются:
газораспределительный;
кривошипно-шатунный механизм.
Помимо этого, в нем работают следующие системы:
зажигания;
охлаждения;
Кривошипно-шатунный механизм
Благодаря ему возвратно-поступательное движение коленвала превращается во вращательное. Последнее передается всем системам легче, чем циклическое, тем более что конечным звеном передачи являются колеса. А они работают посредством вращения.
Если бы автомобиль не был колесным транспортным средством, то этот механизм для передвижения, возможно, не был бы необходимым. Однако в случае с машиной кривошипно-шатунная работа полностью оправдана.
Газораспределительный механизм
Благодаря ГРМ рабочая смесь или воздух поступает в цилиндры (в зависимости от особенностей образования смеси в моторе), затем удаляются отработавшие уже газы и продукты сгорания.
При этом обмен газов происходит в назначенное время в определенном количестве, организуясь с тактами и гарантируя качественную рабочую смесь, а также получение наибольшего эффекта от выделяемой теплоты.
Система питания
Смесь воздуха с топливом сгорает в цилиндрах. Рассматриваемая система регулирует их подачу в строгом количестве и пропорции. Бывает внешнее и внутреннее смесеобразование. В первом случае воздух и топливо перемешиваются вне цилиндра, а в другом — внутри него.
Систему питания с внешним образованием смеси имеет специальное устройство под названием карбюратор. В нем топливо распыляется в воздушной среде, а затем поступает в цилиндры.
Автомобиля с системой внутреннего смесеобразования называется инжекторным и дизельным. В них происходит заполнение цилиндров воздухом, куда впрыскивается топливо посредством специальных механизмов.
Система зажигания
Здесь происходит принудительное воспламенение рабочей смеси в моторе. Дизельным агрегатам это не нужно, так как у них процесс осуществляется через высокую воздуха, который становится фактически раскаленным.
В основном в двигателях применяется искровый электрический разряд. Однако, помимо этого, могут использоваться запальные трубки, которые воспламеняют рабочую смесь горящим веществом.
Она может поджигаться и другими способами. Но самым практичным на сегодняшний день продолжает оставаться электроискровая система.
Пуск
Данной системой достигается вращение коленвала мотора при запуске. Это необходимо для начала функционирования отдельных механизмов и самого двигателя в целом.
Для запуска в основном используется стартер. Благодаря ему, процесс осуществляется легко, надежно и быстро. Но возможен и вариант пневматического агрегата, который работает на запасе в ресиверах либо обеспеченного компрессором с электрическим приводом.
Самой простой системой является заводная рукоятка, через которую в моторе проворачивается коленвал и начинается работа всех механизмов и систем. Еще недавно все водители возили ее с собой. Однако ни о каком удобстве в этом случае речи быть не могло. Поэтому сегодня все обходятся без нее.
Охлаждение
В задачу этой системы входит поддержание определенной температуры работающего агрегата. Дело в том, что сгорание в цилиндрах смеси происходит с выделением теплоты. Узлы и детали мотора нагреваются, и им необходимо постоянно охлаждаться, чтобы работать в штатном режиме.
Наиболее распространенными являются жидкостная и воздушная системы.
Для того чтобы двигатель охлаждался постоянно, необходим теплообменник. В моторах с жидкостным вариантом его роль исполняет радиатор, который состоит из множества трубок для ее перемещения и отдачи тепла стенкам. Отвод еще больше увеличивается через вентилятор, который установлен рядом с радиатором.
В приборах с воздушным охлаждением используется оребрение поверхностей самых нагретых элементов, из-за чего площадь теплообмена существенно возрастает.
Эта система охлаждения является низкоэффективной, а поэтому на современных автомобилях она устанавливается редко. В основном ее используют на мотоциклах и на небольших ДВС, для которых не нужна тяжелая работа.
Система смазки
Смазывание деталей необходимо для сокращения потерь механической энергии, которая происходит в кривошипно-шатунном механизме и ГРМ. Помимо этого, процесс способствует уменьшению износа деталей и некоторому охлаждению.
Смазка в двигателях автомобилей в основном используется под давлением, когда масло подается через трубопроводы посредством насоса.
Некоторые элементы смазываются путем разбрызгивания или окунания в масло.
Двухтактные и четырехтактные моторы
Устройство двигателя автомобиля первого вида в настоящее время применяется в довольно узком диапазоне: на мопедах, недорогих мотоциклах, лодках и бензокосилках. Его недостатком является потеря рабочей смеси во время удаления выхлопных газов. Кроме этого, принудительная продувка и завышенные требования к термической устойчивости выхлопного клапана служат причиной роста цены мотора.
В четырехтактном двигателе указанных недостатков нет благодаря наличию газораспределительного механизма. Однако и в этой системе имеются свои проблемы. Наилучший режим работы мотора будет достигнут в очень узком диапазоне оборотов коленчатого вала.
Развитие технологий и появление электронных БУ позволило решить эту задачу. Во внутреннее устройство двигателя теперь входит электромагнитное управление, при помощи которого выбирается оптимальный режим газораспределения.
Принцип работы
ДВС работает следующим образом. После того как рабочая смесь попадает в камеру сгорания, она сжимается и воспламеняется от искры. При сжигании в цилиндре образуется сверхсильное давление, которое приводит в движение поршень. Он начинает продвигаться к нижней мертвой точке, что является третьим тактом (после впуска и сжатия), называющимся рабочим ходом. В это время благодаря поршню начинает вращаться коленвал. Поршень, в свою очередь, перемещаясь к верхней мертвой точке, выталкивает отработанные газы, что является четвертым тактом работы двигателя — выпуском.
Вся четырехтактная работа происходит довольно просто. Чтобы легче было понять как общее устройство двигателя автомобиля, так и его работу, удобно посмотреть видео, наглядно демонстрирующее функционирование мотора ДВС.
Тюнинг
Многие автовладельцы, привыкнув к своей машине, хотят получить от нее больше возможностей, чем она способна дать. Поэтому нередко для этого делают тюнинг двигателя, увеличивая его мощность. Это можно реализовать несколькими способами.
Например, известен чип-тюнинг, когда путем компьютерного перепрограммирования мотор настраивают на более динамичную работу. У этого способа есть как сторонники, так и противники.
Более традиционным методом является тюнинг двигателя, при котором осуществляются некоторые его переделки. Для этого производится замена с подходящими под него поршнями и шатунами; устанавливается турбина; проводятся сложные манипуляции с аэродинамикой и так далее.
Устройство двигателя автомобиля не такое уж сложное. Однако в связи с огромным количеством элементов, в него входящих, и необходимости согласования их между собой, для того чтобы любые переделки возымели желаемый результат, требуется высокий профессионализм того, кто их будет осуществлять. Поэтому, прежде чем решаться на это, стоит потратить усилия для поиска настоящего мастера своего дела.
