Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это самый распространенный тип двигателя из всех, которые устанавливаются в настоящее время на автомобили. Несмотря на то, что современный двигатель внутреннего сгорания состоит из тысячи частей, принцип его работы весьма прост. В рамках данной статьи мы рассмотрим устройство и принцип работы ДВС.
Внизу страницы смотрите видео, на котором наглядно показано устройство и принцип работы бензинового ДВС.
В каждом двигателе внутреннего сгорания есть цилиндр и поршень. Именно внутри цилиндра ДВС происходит преобразование тепловой энергии, выделяемой при сжигании топлива, в энергию механическую, способную заставить наш автомобиль двигаться. Этот процесс повторяется с частотой несколько сотен раз в минуту, что обеспечивает непрерывное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.
Принцип работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания
В подавляющем большинстве легковых автомобилей устанавливают четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, поэтому мы и берём его за основу. Чтобы лучше понять принцип устройства бензинового ДВС, предлагаем вам взглянуть на рисунок:
Топливно-воздушная смесь, попадая через впускной клапан в камеру сгорания (такт первый – впуск), сжимается (такт второй – сжатие) и воспламеняется от искры свечи зажигания. При сжигании топлива, под воздействием высокой температуры в цилиндре двигателя образуется избыточное давление, заставляющее поршень двигаться вниз к так называемой нижней мертвой точке (НМТ), совершая при этом такт третий – рабочий ход. Перемещаясь во время рабочего хода вниз, с помощью шатуна, поршень приводит во вращение коленчатый вал. Затем, перемещаясь от НМТ к верхней мертвой точке (ВМТ) поршень выталкивает отработанные газы через выпускной клапан в выхлопную систему автомобиля – это четвертый такт (выпуск) работы двигателя внутреннего сгорания.
Такт – это процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня. Совокупность тактов, повторяющихся в строгой последовательности и с определенной периодичностью, обычно называют рабочим циклом , в данном случае, двигателя внутреннего сгорания.
- Такт первый - ВПУСК . Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, при этом возникает разряжение и полость цилиндра ДВС заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Смесь, попадая в камеру сгорания, смешивается с остатками отработавших газов. В конце впуска давление в цилиндре составляет 0,07–0,095 МПа, а температура 80-120 ºС.
- Такт второй – СЖАТИЕ . Поршень движется к ВМТ, оба клапана закрыты, рабочая смесь в цилиндре сжимается, а сжатие сопровождается повышением давления (1,2–1,7 МПа) и температуры (300-400 ºС).
- Такт третий – РАСШИРЕНИЕ . При воспламенении рабочей смеси в цилиндре ДВС выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура (до 2500 градусов по Цельсию). Под давлением поршень перемещается к НМТ. Давление равно 4–6 МПа.
- Такт четвертый – ВЫПУСК . Поршень стремится к ВМТ через открытый выпускной клапан, отработавшие газы выталкиваются в выпускной трубопровод, а затем в окружающую среду. Давление в конце цикла: 0,1–0,12 МПа, температура 600-900 ºС.
И так, вы смогли убедиться, что двигатель внутреннего сгорания устроен не очень сложно. Как говорится, все гениальное – просто. А для большей наглядности рекомендуем посмотреть видео, на котором также очень хорошо показан принцип работы ДВС.
Автомобильные двигатели чрезвычайно разнообразны. Технология, которая применяется при разработке и запуске в производство силовых агрегатов, имеет богатую историю. Требования современности вынуждают производителей ежегодно внедрять в свои проекты доработки и модернизировать имеющиеся технологии.
Двигатель внутреннего сгорания имеет устройство и принцип работы, способный обеспечивать высокую мощность и длительный период эксплуатации - от пользователя требуется только минимально необходимое обслуживание и своевременный мелкий ремонт.
При первом взгляде сложно представить, как работает двигатель: слишком много взаимосвязанных механизмов собранно в одном небольшом пространстве. Но при детальном изучении и анализе связей в этой системе работа двигателя автомобиля оказывается предельно простой и понятной.
В состав двигателя автомобиля входит ряд узлов, имеющих важное значение и обеспечивающих выполнение рабочих функций всей системы .
Блок цилиндров иногда называют корпусом или рамой всей системы. Описание двигателя не обходится без изучения данного элемента конструкции. Именно в этой части мотора обустроена система связанных каналов, предназначеных для смазки и создания необходимой температуры двигателя внутреннего сгорания.
Верхняя часть корпуса поршня имеет каналы для колец. Сами поршневые кольца подразделяются на верхние и нижние. Исходя из выполняемых функций, данные кольца называют компрессионными. Крутящий момент двигателя определяется прочностью и работой рассмотренных элементов.
Нижние кольца поршня играют важную роль для обеспечения ресурса двигателя. Нижние кольца выполняют 2 роли: сохраняют герметичность камеры сгорания и являются уплотнителями, которые предотвращают проникновение масла внутрь камеры сгорания.
Двигатель автомобиля представляет собой систему, в которой осуществляется передача энергии между механизмами с минимальными потерями ее величины на различных этапах. Поэтому кривошипно-шатунный механизм становится одним из важнейших элементов системы. Он обеспечивает передачу возвратно-поступательной энергии от поршня на коленвал.
В целом, принцип работы двигателя достаточно прост и претерпел мало фундаментальных изменений за период существования. В этом просто нет необходимости - некоторые усовершенствования и оптимизации позволяют достигать лучших результатов в работе. Концепция же всей системы неизменна.
Крутящий момент двигателя создается за счет выделяемой при сгорании топлива энергии, которая передается от камеры сгорания к колесам по соединительным элементам. В форсунках топливо передается в камеру сгорания, где происходит его обогащение воздухом. Свеча зажигания создает искру, которая мгновенно воспламеняет образовавшуюся смесь. Так происходит небольшой взрыв, который обеспечивает работы двигателя.
В результате такого действия происходит образования большого объема газов, стимулируя к совершению поступательных движений. Так формируется крутящий момент двигателя. Энергия от поршня передается на коленвал, который передает движение на трансмиссию, а после этого, специальная система шестеренок переносит движение на колеса.
Порядок работы работающего двигателя незатейлив и при исправных связующих элементах гарантирует минимальные потери энергии. Схема работы и строение каждого механизма основаны на преобразовании созданного импульса в практически используемый объем энергии. Ресурс двигателя определяется износостойкостью каждого звена.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Двигатель легкового автомобиля выполняется в виде одного из типов систем внутреннего сгорания. Принцип действия двигателя может отличаться по некоторым показателям, что служит основой для разделения моторов на различные типы и модификации.
В качестве определяющих параметров, служащих для разделения силовых агрегатов на категории, служат:
- рабочий объем,
- количество цилиндров,
- мощность системы,
- скорость вращения узлов,
- применяемое для работы топливо и др.
Разобраться в том, как работает двигатель, просто. Но по мере изучения всплывают новые показатели, которые вызывают вопросы. Так, часто можно встретить разделение двигателей по числу тактов. Что это такое и как влияет на работу машины?
Устройство двигателя автомобиля основано на четырехтактовой системе. Эти 4 такта равны по времени - за весь цикл поршень дважды поднимается вверх в цилиндре и дважды опускается вниз. Такт берет начало в тот момент, когда поршень находится в верхней или нижней части. Механики называют эти точки ВМТ и НМТ - верхняя и нижняя мертвые точки соответственно.
Такт № 1 - впуск. По мере движения вниз, поршень втягивает в цилиндр наполненную топливом смесь. Работа системы происходит при открытом клапане впуска. Мощность двигателя автомобиля определяется количеством, размерами и временем, которое клапан открыт.
В отдельных моделях работа педали газа увеличивает период нахождения клапана в открытом состоянии, что позволяет увеличить объем топлива, попадающего в систему. Такое устройство двигателей внутреннего сгорания обеспечивает сильное ускорение работы системы.
Такт № 2 - сжатие. На этом этапе поршень начинает свое движение вверх, что приводит к сжатию полученной в цилиндр смеси. Она сживается ровно до объемов камеры сгорания топлива. Эта камера представляет собой пространство между верхней частью поршня и верхом цилиндра в момент нахождения поршня в ВМТ. Клапаны впуска в этот момент работы прочно закрыты.
От плотности закрытия зависит качество сжатия смеси. Если сам поршень, или цилиндр, или кольца поршней потерты и не в надлежащем состоянии, то качество работы и ресурс двигателя значительно снизятся.
Такт № 3 - рабочий ход. Этот этап начинается с ВМТ. Система зажигания гарантирует воспламенение топливной смеси и обеспечивает выделение энергии. Происходит взрыв смеси, при котором высвобождается энергия. И за счет увеличения объема происходит выталкивание поршня вниз. Клапаны при этом закрыты. Технические характеристики двигателя во многом зависят от протекания третьего такта работы мотора.
Такт № 4 - выпуск. Окончание цикла работы. Движение поршня вверх обеспечивает выталкивание газов. Таким образом, осуществляется вентиляция цилиндра. Этот такт важен для обеспечения ресурса двигателя.
Двигатель имеет принцип работы, основанный на распределении энергии от взрывов газов, требует внимания к созданию всех узлов.
Работа двигателя внутреннего сгорания циклична. Вся энергия, которая создается в процессе выполнения работы на всех 4 тактах работы поршней, направляется на организацию работы автомобиля.
Варианты конструкций внутреннего двигателя
Характеристика двигателя зависит от особенностей его конструкции. Внутреннее сгорание - основной тип физического процесса, протекающего в системе мотора на современных автомобилях. За период развития машиностроения успешно реализовано несколько типов ДВС.
Устройство бензинового двигателя разделяет систему на 2 типа - инжекторные двигатели и карбюраторные модели. Также в производстве есть несколько типов карбюраторов и систем впрыска. Основа работы - сжигание бензина.
Характеристика бензинового двигателя выглядит предпочтительнее. Хотя для каждого пользователя есть свои личные приоритеты и преимущества от работы каждого двигателя. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания является одним из самых распространенных в современном автомобилестроении. Порядок работы мотора прост и не отличается от классической интерпретации.
Дизельные двигатели основаны на применении подготовленного дизельного топлива. Оно попадает в цилиндры через форсунки. Главное преимущество дизельного двигателя заключается в отсутствии необходимости электричества для сжигания топлива. Оно требуется только для запуска двигателя.
Газовый двигатель применяет для работы сжиженные и сжатые газы, а также некоторые другие типы газов.
Узнать какой ресурс у двигателя на вашем авто лучше всего у производителя. Примерную цифру разработчики озвучивают в сопроводительных документах на транспортное средство. Здесь содержится вся актуальная и точная информация о моторе. В паспорте вы узнаете технические параметры мотора, сколько весит двигатель и всю информацию о движущем агрегате.
Срок службы двигателя зависит от качества обслуживания, интенсивности использования. Заложенный разработчиком срок эксплуатации подразумевает внимательное и бережное отношение с машиной.
Что значит двигатель? Это ключевой элемент в автомобиле, который призван обеспечить его движение. Надежность и точность работы всех узлов системы гарантирует качество движения и безопасность эксплуатации машины.
Характеристики двигателей различаются в широких пределах, несмотря на то. Что принцип внутреннего сгорания топлива остается неизменным. Так разработчикам удается удовлетворять потребности покупателей и реализовывать проекты по улучшению работы автомобилей в целом.
Средний ресурс двигателя внутреннего сгорания составляет несколько сотен тысяч километров. При таких нагрузках от всех составных частей системы требуется прочность и точная совместная работа. Поэтому известная и детально изученная концепция внутреннего сгорания постоянно подвергается доработкам и внедрениям новых подходов.
Ресурс двигателей различается в широком диапазоне. Порядок работы, при этом, общий (с небольшими отклонениями от стандарта). Несколько может различаться вес двигателя и отдельные характеристики.
Современный двигатель внутреннего сгорания имеет классическое устройство и досконально изученный принцип работы. Поэтому механикам не составляет труда решить любую проблему в кратчайшие сроки.
Ремонтные работы усложняются в том случае, если поломка не была устранена сразу. В таких ситуациях порядок работы механизмов может, нарушен окончательно и потребуется серьезная работа по восстановлению. Ресурс двигателя после грамотного ремонта не пострадает.
Двигатель 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.
На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип работы двигателя и его рабочие циклы.
Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на иконку "Play" на иллюстрации)
Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье "как устроен двигатель внутреннего сгорания ".
Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.
Сжатие . После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.
При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом . В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 - 0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 о С.
Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
Рабочий цикл четырехтактного дизеля
В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600 о С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60°С.
Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 - 9 МПа, а температура 1800 - 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ - происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 - 0.5 МПа, а температура до 700 - 900 о С.
Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 - 0.12 МПа, а температура до 500-700 о С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
Принцип работы многоцилиндровых двигателей
На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя . Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.
Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3
Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных - под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.
– универсальный силовой агрегат, используемый практически во всех видах современного транспорта. Три луча заключенные в окружность, слова «На земле, на воде и в небе» — товарный знак и девиз компании Мерседес Бенц, одного из ведущих производителей дизельных и бензиновых двигателей. Устройство двигателя, история его создания, основные виды и перспективы развития – вот краткое содержание данного материала.
Немного истории
Принцип превращения возвратно-поступательного движения во вращательное, посредством использования кривошипно-шатунного механизма известен с 1769 года, когда француз Николя Жозеф Кюньо показал миру первый паровой автомобиль. В качестве рабочего тела двигатель использовал водяной пар, был маломощным и извергал клубы черного, дурнопахнущего дыма. Подобные агрегаты использовались в качестве силовых установок на заводах, фабриках, пароходах и поездах, компактные же модели существовали в виде технического курьеза.
Все изменилось в тот момент, когда в поисках новых источников энергии человечество обратило свой взор на органическую жидкость — нефть. В стhемлении повысить энергетические характеристики данного продукта, ученные и исследователи, проводили опыты по перегонке и дистилляции, и, наконец, получили неизвестное доселе вещество – бензин. Эта прозрачная жидкость с желтоватым оттенком сгорала без образования копоти и сажи, выделяя намного большее, чем сырая нефть, количество тепловой энергии.
Примерно в то же время Этьен Ленуар сконструировал первый газовый двигатель внутреннего сгорания, работавший по двухтактной схеме, и запатентовал его в 1880 году.
В 1885 году немецкий инженер Готтлиб Даймлер, в сотрудничестве с предпринимателем Вильгельмом Майбахом, разработал компактный бензиновый двигатель, уже через год нашедший свое применение в первых моделях автомобилей. Рудольф Дизель, работая в направлении повышения эффективности ДВС (двигателя внутреннего сгорания), в 1897 году предложил принципиально новую схему воспламенения топлива. Воспламенение в двигателе, названном в честь великого конструктора и изобретателя, происходит за счет нагревания рабочего тела при сжатии.
А в 1903 году братья Райт подняли в воздух свой первый самолет, оснащенный бензиновым двигателем Райт-Тейлор, с примитивной инжекторной схемой подачи топлива.
Как это работает
Общее устройство двигателя и основные принципы его работы станут понятны при изучении одноцилиндровой двухтактной модели.
Такой ДВС состоит из:
- камеры сгорания;
- поршня, соединенного с коленвалом посредством кривошипно-шатунного механизма;
- системы подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси ;
- клапана для удаления продуктов горения (выхлопных газов).
При пуске двигателя поршень начинает путь от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ), за счет поворота коленвала. Достигнув нижней точки, он меняет направление движения к ВМТ, одновременно с чем проводится подача топливно-воздушной смеси в камеру сгорания. Движущийся поршень сжимает ТВС, при достижении верхней мертвой точки система электронного зажигания воспламеняет смесь. Стремительно расширяясь, горящие пары бензина отбрасывают поршень в нижнюю мертвую точку. Пройдя определенную часть пути, он открывает выхлопной клапан, через который раскаленные газы покидают камеру сгорания. Пройдя нижнюю точку, поршень меняет направление движения к ВМТ. За это время коленвал совершил один оборот.
Данные пояснения станут более понятными при просмотре видео о работе двигателя внутреннего сгорания.
Данный видеоролик наглядно показывает устройство и работу двигателя автомобиля.
Два такта
Основным недостатком двухтактной схемы, в которой роль газораспределительного элемента играет поршень, является потеря рабочего вещества в момент удаления выхлопных газов. А система принудительной продувки и повышенные требования к термостойкости выхлопного клапана приводят к увеличению цены двигателя. В противном случае добиться высокой мощности и долговечности силового агрегата не представляется возможным. Основная сфера применения подобных двигателей – мопеды и недорогие мотоциклы, лодочные моторы и бензокосилки.
Четыре такта
Описанных недостатков лишены четырехтактные ДВС, используемые в более «серьезной» технике. Каждая фаза работы такого двигателя (впуск смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов), осуществляется при помощи газораспределительного механизма .
Разделение фаз работы ДВС очень условно. Инерционность отработавших газов, возникновение локальных вихрей и обратных потоков в зоне выхлопного клапана приводит к взаимному перекрыванию во времени процессов впрыска топливной смеси и удаления продуктов горения. Как результат, рабочее тело в камере сгорания загрязняется отработанными газами, вследствие чего меняются параметры горения ТВС, уменьшается теплоотдача, падает мощность.
Проблема была успешно решена путем механической синхронизации работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. Проще говоря, впрыск топливно-воздушной смеси в камеру сгорания произойдет только после полного удаления отработанных газов и закрытия выхлопного клапана.
Но данная система управления газораспределением так же имеет свои недостатки. Оптимальный режим работы двигателя (минимальный расход топлива и максимальная мощность), может быть достигнут в достаточно узком диапазоне оборотов коленвала.
Развитие вычислительной техники и внедрение электронных блоков управления дало возможность успешно разрешить и эту задачу. Система электромагнитного управления работой клапанов ДВС позволяет на лету, в зависимости от режима работы, выбирать оптимальный режим газораспределения. Анимированные схемы и специализированные видео облегчат понимание этого процесса.
На основании видео не сложно сделать вывод, что современный автомобиль это огромное количество всевозможных датчиков.
Виды ДВС
Общее устройство двигателя остается неизменным достаточно долгое время. Основные различия касаются видов используемого топлива, систем приготовления топливно-воздушной смеси и схем ее воспламенения.
Рассмотрим три основных типа:
- бензиновые карбюраторные;
- бензиновые инжекторные;
- дизельные.
Бензиновые карбюраторные ДВС
Приготовление гомогенной (однородной по своему составу), топливно-воздушной смеси происходит путем распыления жидкого топлива в воздушном потоке, интенсивность которого регулируется степенью поворота дроссельной заслонки. Все операции по приготовлению смеси проводятся за пределами камеры сгорания двигателя. Преимуществами карбюраторного двигателя является возможность регулировки состава топливной смеси «на коленке», простота обслуживания и ремонта, относительная дешевизна конструкции. Основной недостаток – повышенный расход топлива.
Историческая справка. Первый двигатель данного типа сконструировал и запатентовал в 1888 году российский изобретатель Огнеслав Костович. Оппозитная система горизонтально расположенных и двигающихся навстречу друг другу поршней, до сих пор успешно используется при создании двигателей внутреннего сгорания. Самым известным автомобилем, в котором использовался ДВС данной конструкции, является Фольксваген Жук.
Бензиновые инжекторные ДВС
Приготовление ТВС осуществляется в камере сгорания двигателя, путем распыления топлива инжекторными форсунками. Управление впрыском осуществляется электронным блоком или бортовым компьютером автомобиля. Мгновенная реакция управляющей системы на изменение режима работы двигателя обеспечивает стабильность работы и оптимальный расход топлива. Недостатком считается сложность конструкции, профилактика и наладка возможны только на специализированных станциях технического обслуживания.
Дизельные ДВС
Приготовление топливно-воздушной смеси происходит непосредственно в камере сгорания двигателя. По окончании цикла сжатия воздуха, находящегося в цилиндре, форсунка проводит впрыск топлива. Воспламенение происходит за счет контакта с перегретым в процессе сжатия атмосферным воздухом. Всего лишь 20 лет назад низкооборотистые дизеля использовались в качестве силовых агрегатов специальной техники. Появление технологии турбонагнетания открыло им дорогу в мир легковых автомобилей.
Пути дальнейшего развития ДВС
Конструкторская мысль никогда не стоит на месте. Основные направления дальнейшего развития и усовершенствования двигателей внутреннего сгорания – повышение экономичности и минимизация вредных для экологии веществ в составе выхлопных газов. Применение слоистых топливных смесей, конструирование комбинированных и гибридных ДВС – лишь первые этапы долгого пути.
