Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение . Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части . Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ) .
Первый такт - такт впуска
Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь . Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска . Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.
Второй такт - такт сжатия
Следующий такт работы двигателя – такт сжатия . После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.
Третий такт - рабочий ход
Третий такт – рабочий , начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает . Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз . Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.
Четвертый такт - такт выпуска
Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной . Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан . Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.
После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически . А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.
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.
На современных тракторах и автомобилях в основном применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания. Внутри этих двигателей сгорает горючая смесь (смесь топлива с воздухом в определенных соотношениях и количествах). Часть выделяющейся при этом теплоты преобразуется в механическую работу.
Классификация двигателей
Поршневые двигатели классифицируют по следующим признакам:
- по способу воспламенения горючей смеси — от сжатия (дизели) и от электрической искры
- по способу смесеобразования — с внешним (карбюраторные и газовые) и внутренним (дизели) смесеобразованием
- по способу осуществления рабочего цикла — четырех- и двухтактные;
- по виду применяемого топлива — работающие на жидком (бензин или дизельное топливо), газообразном (сжатый или сжиженный газ) топливе и многотопливные
- по числу цилиндров — одно- и многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шестицилиндровые и т.д.)
- по расположению цилиндров — однорядные, или линейные (цилиндры расположены в один ряд), и двухрядные, или V-образные (один ряд цилиндров размещен под углом к другому)
На тракторах и автомобилях большой грузоподъемности применяют четырехтактные многоцилиндровые дизели, на автомобилях легковых, малой и средней грузоподъемности — четырехтактные многоцилиндровые карбюраторные и дизельные двигатели, а также двигатели, работающие на сжатом и сжиженном газе.
Основные механизмы и системы двигателя
Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из:
- корпусных деталей
- кривошипно-шатунного механизма
- газораспределительного механизма
- системы питания
- системы охлаждения
- смазочной системы
- системы зажигания и пуска
- регулятора частоты вращения
Устройство четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя показано на рисунке:
Рисунок. Устройство одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя:
1 — шестерни приводи распределительного вала; 2 — распределительный вал; 3 — толкатель; 4 — пружина; 5 — выпускная труба; 6 — впускная труба; 7 — карбюратор; 8 — выпускной клапан; 9 — провод к свече; 10 — искровая зажигательная свеча; 11 — впускной клапан; 12 — головка цилиндра; 13 — цилиндр: 14 — водяная рубашка; 15 — поршень; 16 — поршневой палец; 17 — шатун; 18 — маховик; 19 — коленчатый вал; 20 — резервуар для масла (поддон картера).
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала и наоборот.
Механизм газораспределения (ГРМ) предназначен для своевременного соединения надпоршневого объема с системой впуска свежего заряда и выпуска из цилиндра продуктов сгорания (отработавших газов) в определенные промежутки времени.
Система питания служит для приготовления горючей смеси и подвода ее к цилиндру (в карбюраторном и газовом двигателях) или наполнения цилиндра воздухом и подачи в него топлива под высоким давлением (в дизеле). Кроме того, эта система отводит наружу выхлопные газы.
Система охлаждения необходима для поддержания оптимального теплового режима двигателя. Вещество, отводящее от деталей двигателя избыток теплоты, — теплоноситель может быть жидкостью или воздухом.
Смазочная система предназначена для подвода смазочного материала (моторного масла) к поверхностям трения с целью их разделения, охлаждения, защиты от коррозии и вымывания продуктов изнашивания.
Система зажигания служит для своевременного зажигания рабочей смеси электрической искрой в цилиндрах карбюраторного и газового двигателей.
Система пуска — это комплекс взаимодействующих механизмов и систем, обеспечивающих устойчивое начало протекания рабочего цикла в цилиндрах двигателя.
Регулятор частоты вращения — это автоматически действующий механизм, предназначенный для изменения подачи топлива или горючей смеси в зависимости от нагрузки двигателя.
У дизеля в отличие от карбюраторного и газового двигателей нет системы зажигания и в системе питания вместо карбюратора или смесителя установлена топливная аппаратура (топливный насос высокого давления, топливопроводы высокого давления и форсунки).
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 . 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
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.
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.
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
Основной задачей, над которой бьются автопроизводители – это снижение потребление топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу. Поэтому они постоянно улучшают систему питания, результатом является недавнее появление инжекторных систем с непосредственным впрыском.
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.
AutoleekБольшинство водителей понятия не имеют, каким является устройство двигателя автомобиля. А знать это необходимо, ведь не зря при обучении во многих автошколах ученикам рассказывают принцип работы ДВС. Иметь представление о работе двигателя должен каждый водитель, ведь эти знания могут пригодиться в дороге.
Конечно, существуют разные типы и марки двигателей автомобилей, работа которых отличается между собой в мелочах (системы впрыскивания топлива, расположение цилиндров и т. д.). Однако основной принцип для всех типов ДВС остается неизменным.
Устройство двигателя автомобиля в теории
Устройство ДВС всегда уместно рассматривать на примере работы одного цилиндра. Хотя чаще всего легковые автомобили имеют 4, 6, 8 цилиндров. В любом случае, главная деталь мотора - это цилиндр. В нем располагается поршень, который может двигаться вверх-вниз. При этом существуют 2 границы его передвижения - верхняя и нижняя. Профессионалы их называют ВМТ и НМТ (верхняя и нижняя мертвые точки).
Сам поршень соединен с шатуном, а шатун - с коленчатым валом. При движении поршня вверх-вниз шатун передает нагрузку на коленчатый вал, и тот вращается. Нагрузки от вала передаются на колеса, в результате чего автомобиль начинает движение.
Но главная задача - заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой этого сложного механизма. Делается это с помощью бензина, дизельного топлива или газа. Капля топлива, воспламеняющаяся в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение. Затем поршень по инерции возвращается в верхнюю границу, где снова происходит взрыв бензина и такой цикл повторяется постоянно, пока водитель не заглушит мотор.
Так выглядит устройство двигателя автомобиля. Однако это лишь теория. Давайте рассмотрим более детально циклы работы мотора.
Четырехтактный цикл
Практически все двигатели работают по 4-тактному циклу:
- Впуск топлива.
- Сжатие топлива.
- Сгорание.
- Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.
Схема
Ниже на рисунке показана типичная схема устройства двигателя автомобиля (одного цилиндра).
На этой схеме четко показаны основные элементы:
A - Распределительный вал.
B - Крышка клапанов.
C - Выпускной клапан, через который отводятся газы из камеры сгорания.
D - Выхлопное отверстие.
E - Головка цилиндра.
F - Полость для охлаждающей жидкости. Чаще всего там находится антифриз, который охлаждает нагревающийся корпус мотора.
G - Блок мотора.
H - Маслосборник.
I - Поддон, куда стекает все масло.
J - Свеча зажигания, образующая искру для поджога топливной смеси.
K - Впускной клапан, через который в камеру сгорания попадает топливная смесь.
L - Впускное отверстие.
M - Поршень, который движется вверх-вниз.
N - Шатун, соединенный с поршнем. Это основной элемент, который передает усилие на коленчатый вал и трансформирует линейное движение (вверх-вниз) во вращательное.
O - Подшипник шатуна.
P - Коленчатый вал. Он вращается за счет движения поршня.
Также стоит выделить такой элемент, как поршневые кольца (их еще называют маслосъемными кольцами). Их нет на рисунке, однако они являются важной составляющей системы двигателя автомобиля. Данные кольца огибают поршень и создают максимальное уплотнение между стенками цилиндра и поршня. Они предотвращают попадание топлива в масляный поддон и масла в камеру сгорания. Большинство старых двигателей автомобилей ВАЗ и даже моторы европейских производителей имеют изношенные кольца, которые не создают эффективное уплотнение между поршнем и цилиндром, из-за чего масло может попадать в камеру сгорания. В такой ситуации будет наблюдаться повышенный расход бензина и "жор" масла.
Это основные элементы конструкции, которые имеют место во всех двигателях внутреннего сгорания. На самом деле элементов намного больше, но тонкостей мы касаться не будем.
Как работает двигатель?
Начнем с начального положения поршня - он находится вверху. В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. При этом всего лишь небольшая капля бензина поступает в емкость цилиндра. Это первый такт работы.
Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки, при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, в результате чего топливная смесь сжимается, так как ей в закрытой камере некуда деваться. 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 деталь 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, пока водитель не заглушит двигатель.
В результате взрыва бензина поршень движется вниз и толкает коленчатый вал. Тот раскручивается и передает нагрузки на колеса автомобиля. Именно так и выглядит устройство двигателя автомобиля.
Отличие в бензиновых моторах
Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч - элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. То есть на третьем цикле поршень поднимается вверх, сильно сжимает топливную смесь, и та взрывается естественным образом под действием давления.
Альтернатива ДВС
Отметим, что в последнее время на рынке появляются электрокары - автомобили с электрическими двигателями. Там принцип работы мотора совершенно другой, т. к. источником энергии является не бензин, а электричество в аккумуляторных батареях. Но пока что автомобильный рынок принадлежит автомобилям с ДВС, а электрические двигатели не могут похвастаться высокой эффективностью.
Несколько слов в заключение
Такое устройство ДВС является практически совершенным. Но с каждым годом разрабатываются новые технологии, повышающие КПД работы мотора, осуществляется улучшение характеристик бензина. При правильном техническом обслуживании двигателя автомобиля он может работать десятилетиями. Некоторые успешные моторы японских и немецких концернов "пробегают" миллион километров и приходят в негодность исключительно из-за механического устаревания деталей и пар трения. Но многие двигатели даже после миллионного пробега успешно проходят капремонт и продолжают выполнять свое прямое предназначение.
