Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы

Содержание
  1. Историческая справка
  2. Устройство ДВС
  3. Порядок работы
  4. Конструкция ДВС
  5. Дополнительные агрегаты
  6. Системы двигателя
  7. ГРМ — газораспределительный механизм
  8. Система смазки
  9. Система охлаждения
  10. Система подачи топлива
  11. Выхлопная система
  12. Принцип работы двигателя
  13. Принцип работы четырехтактного двигателя
  14. Принцип работы двухтактного двигателя
  15. Такт впуск
  16. Такт сжатия
  17. Классификация двигателей
  18. По рабочему циклу
  19. По типу конструкции
  20. По количеству цилиндров
  21. По расположению цилиндров
  22. По типу топлива
  23. Кривошипно-шатунный механизм
  24. Цилиндро-поршневая группа
  25. Система зажигания
  26. Электрооборудование
  27. Двигатель в разрезе
  28. Первый такт
  29. Второй такт
  30. Третий такт
  31. Четвертый такт
  32. Паровые машины
  33. Двигатель Стирлинга
  34. Паровая турбина
  35. Двигатель внутреннего сгорания
  36. Пневмодвигатели и гидромашины
  37. По источнику энергии
  38. По типам движения
  39. Бензиновые силовые агрегаты
  40. Дизельные моторы
  41. Гибридный двигатель
  42. Дизель с турбонаддувом
  43. Газовый двигатель
  44. Электрические моторы
  45. Гибриды
  46. Водородный мотор
  47. Громкое имя в истории автомобилестроения

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).

Устройство ДВС

Устройство двигателя внутреннего сгорания логично рассматривать с поршня, так как он является основным элементом работы. Он представляет собой своеобразный «стакан» с пустой полостью внутри.

Поршень имеет прорези, в которых фиксируются кольца. Отвечают эти самые кольца за то, чтобы горючая смесь не выходила под поршень (компрессионное), а так же за то, чтобы масло не попадало в пространство над самим поршнем (маслосъемное).

Порядок работы

  • При попадании внутрь цилиндра топливной смеси, поршень проходит четыре вышеописанных такта, и возвратно-поступательное движение поршня приводит в движение вал.
  • Дальнейший порядок работы двигателя следующий: верхняя часть шатуна закреплена на пальце, который находится внутри юбки поршня. Кривошип коленвала фиксирует шатун. Поршень, при движении, вращает коленвал и последний, в свое время, передает крутящий момент системе трансмиссии, оттуда на систему шестерен и далее к ведущим колесам. В устройстве двигателей автомобилей с задним приводом посредником до колес выступает еще и карданный вал.

Конструкция ДВС

Газораспределительный механизм (ГРМ) в устройстве двигателя внутреннего сгорания отвечает за впрыск топлива, а так же за выпуск газов.

Механизм ГРМ состоит из верхнеклапанного и нижнеклапанного, может быть двух видов – ременной или цепной.

Шатун чаще всего изготавливается из стали путем штамповки или ковки. Есть виды шатунов, изготовленные из титана. Шатун передает усилия поршня коленвалу.

Коленвал из чугуна или из стали представляет собой набор коренных и шатунных шеек. Внутри этих шеек есть отверстия, отвечающие за подачу масла под давлением.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма в двигателях внутреннего сгорания заключается в преобразовании движений поршня в движения коленвала.

Головка блока цилиндров (ГБЦ), большинства двигателей внутреннего сгорания, как и блок цилиндров, чаще всего изготавливается из чугуна и реже из различных сплавов алюминия. В ГБЦ находятся камеры сгорания, каналы впуска – выпуска, отверстия свечей. Между блоком цилиндров и ГБЦ находится прокладка, обеспечивающая полную герметичность их соединения.

В систему смазки, которую включает в себя двигатель внутреннего сгорания, входит поддон картера, маслозаборник, маслонасос, масляный фильтр и масляный радиатор. Все это соединено каналами и сложными магистралями. Система смазки отвечает не только за уменьшения трения между деталями мотора, но и за их охлаждение, а также за уменьшение коррозии и износа, увеличивает ресурс ДВС.

Устройство двигателя, в зависимости от его вида, типа, страны изготовителя, может быть чем-либо дополнено или, напротив, могут отсутствовать какие-то элементы ввиду устаревания отдельных моделей, но общее устройство двигателя остается неизменным так же, как и стандартный принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Дополнительные агрегаты

Само собой, двигатель внутреннего сгорания не может существовать как отдельный орган без дополнительных агрегатов, обеспечивающих его работу. Система запуска раскручивает мотор, приводит его в рабочее состояние. Существуют разные принципы работы запуска в зависимости от типа мотора: стартерный, пневматический и мускульный.

Трансмиссия позволяет развить мощность при узком диапазоне оборотов. Система питания обеспечивает ДВС двигатель малым электричеством. В нее входит аккумуляторная батарея и генератор, обеспечивающий постоянный поток электричества и заряд АКБ.

Выхлопная система обеспечивает выпуск газов. В любое устройство двигателя автомобиля входят: выпускной коллектор, который собирает газы в единую трубу, каталитический конвертер, который снижает токсичность газов путем восстановления оксида азота и использует образовавшийся кислород, чтобы дожечь вредные вещества.

Глушитель в этой системе служит для того, чтобы уменьшить выходящий из мотора шум. Двигатели внутреннего сгорания современных автомобилей должны соответствовать установленным законом нормам.

Системы двигателя

Надёжная и долговременная работа двигателя внутреннего сгорания невозможна без питания, смазки, охлаждения. Кроме того, нужно обеспечить первый запуск коленвала и каждый раз воспламенять рабочую смесь в цилиндрах. Для этих целей разработаны следующие системы двигателя:

  • смазки;
  • охлаждения;
  • питания;
  • запуска;
  • зажигания;
  • впрыска;
  • управления.

Если раньше системы были механические, сейчас в них появляется больше электроники. Электронное управление делает работу мотора высокоэффективной, экономичной и надёжной. Системы становятся компактными, но требуют качественного и регулярного обслуживания.

ГРМ — газораспределительный механизм

Устройство двигателя внутреннего сгорания включает в себя ГРМ. Его функция — вовремя подать в определённые цилиндры рабочую смесь, а также выпустить из этих цилиндров продукты горения. Работу механизма определяют последовательность работы цилиндров и фазы газораспределения.

Для функционирования ГРМ необходимы минимум 1 впускной и 1 выпускной клапан на каждый цилиндр. Диаметр тарелки впускного клапана обычно больше, чем у выпускного, что позволяет улучшить наполняемость цилиндра и увеличить рабочие показатели ДВС. Открытие и закрытие клапанов регулирует кулачковый распределительный вал. Сам вал приводится цепью или ремнём от коленвала.

Конструктивно привод клапанов делится на 4 вида:

  • OHV — распредвал расположен в блоке цилиндров, а управление клапанами происходит через дополнительные толкатели и штанги;
  • ОНС — распредвал размещён в головке блока, привод клапанов осуществляется за счёт рычажных толкателей;
  • DОНС — схема расположения с двумя распредвалами в головке блока. В этом случае один вал используется для впускных, а другой для выпускных клапанов.
Похожая статья Технические характеристики двигателя ГАЗ 52

Фазы газораспределения — это моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленвала. Правильно подобранные фазы обеспечивают лучшее наполнение и очистку цилиндров. Если в устройство двигателя включить механизм управления фазами VVT, это позволит получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленвала и экономить ресурсы на малых оборотах.

Система смазки

Смазка двигателя автомобиля защищает детали от трения, коррозии, охлаждает конструкцию и смывает грязь. В ДВС часто используются комбинированные системы, в которых моторное масло подаётся под давлением и разбрызгиванием.

В типичной смазочной системе масло заливают через маслозаливную горловину в поддон картера до определённого уровня. При работе двигателя маслонасос высасывает из поддона смазку через маслозаборник. Затем масло фильтруется от примесей и переходит в главную магистраль.

Магистраль представляет собой ответвления каналов, по которым масло поступает к коренным подшипникам коленвала, опорам распредвала, поршневой группе и другим деталям. Из зазоров подшипников смазка вытекает и разбрызгивается движущимися элементами в виде капель и масляного тумана. Под действием силы тяжести масло стекает в поддон, смазывая при этом привод ГРМ.

В высокофорсированных ДВС спорткаров, в тракторах и спецавтомобилях применяется система смазки с сухим картером. Масло постоянно выкачивается дополнительным маслонасосом в масляный бак, из которого подаётся под давлением в систему смазки двигателя. Такое решение помогает предотвратить перемещение масла при резких манёврах, когда маслозаборник окажется выше уровня масла.

Система смазки выполняет функцию вентиляции картера от газов, которые прорываются из цилиндра через поршневые кольца. Соединяясь с парами воды, газы образуют агрессивные кислоты и могут вызвать коррозию. Самым простым способом вентиляции картерных газов является выведение их в атмосферу. Однако, высокие нормы экологии привели к появлению закрытых принудительных систем вентиляции, в которых газы направляются в камеры сгорания через впускной тракт.

Система охлаждения

Температура в камере сгорания в момент воспламенения доходит до 2500℃. Перегрев цилиндров, поршней, головки блока и других деталей приводит к потере мощности, тепловому расширению, выгоранию масла, обгоранию клапанов и заклиниванию двигателя. Для охлаждения конструкции разработана система, которая принудительно отводит тепло потоком воздуха или жидкости.

Воздушная система охлаждения ДВС применяется на мопедах, мотоциклах и газонокосилках. Жидкостная система более сложная и шумная, но обеспечивает равномерный и эффективный отвод тепла. В качестве теплоносителя используются антифризы — жидкости с низкой температурой замерзания.

Для отвода тепла от блока цилиндров и головки предусмотрена рубашка охлаждения — канал для прохождения жидкости. Рубашка соединяется патрубками с радиатором, который забирает тепло от жидкости и выбрасывает его в воздух. За радиатором располагают вентилятор, который увеличивает скорость прохождения воздуха. Вентилятор приводится от ременной передачи коленвала или электропривода. Часто вентилятор оснащают вязкостной или гидравлической муфтой.

Во время работы двигателя охлаждающая жидкость циркулирует от насоса, который приводится от коленвала или электродвигателя. Чтобы система обеспечивала оптимальный температурный режим, в контур охлаждения встраивают термостат с управляемым теплочувствительным элементом. Термостат может быть соединён с электронным блоком управления.

Система подачи топлива

Система подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания может быть карбюраторной или инжекторной. Наиболее распространённой является инжекторная система питания с распределённым впрыском. Она состоит из следующих подсистем:

  • подачи и очистки топлива;
  • подачи и очистки воздуха;
  • улавливания и сжигания паров бензина;
  • выпуска и дожигания отработанных газов;
  • электронной части с набором датчиков.

Во время включения ДВС запускается электробензонасос, который закачивает топливо из бака. Бензин проходит через топливный фильтр к рампе с форсунками. На корпусе форсунки находятся электрические контакты, которые регулируют количество топлива, впрыскиваемого в цилиндр.

За количеств воздуха, поступающего в цилиндры ДВС, отвечает дроссельная заслонка. Она работает от механического троска или электропривода. Регулировку оборотов на холостом ходу осуществляет шаговый электродвигатель или непосредственно компьютер. Для корректной работы системы впрыска электронный блок получает информацию с датчиков массового расхода воздуха, температуры охлаждающей жидкости, положения и частоты вращения коленвала и др.

Помимо распределённого впрыска существуют системы непосредственного впрыска. Однако, они более сложные и дорогие. Специалистам компании Mitsubishi удалось разработать сбалансированную систему, которая улучшила топливную экономичность и повысила мощность мотора. Это объясняется возможностью двигателя работать на обеднённых смесях и повышением степени сжатия до с 10 до 12,5.

Впервые система непосредственного впрыска появилась в моторах 1,8 GDI на Mitsubishi Galant в 1996 году. Сейчас подобные двигатели внутреннего сгорания встречаются в машинах Peugeot-Citroen, Renault, Toyota.

Системы питания дизельных ДВС отличаются от бензиновых. Существуют две схемы подачи дизельного топлива: с разделённой камерой сгорания и непосредственный впрыск. Первый вариант работает мягче и тише, но распространение получил второй вариант с лучшей топливной экономичностью в 20 %.

Похожая статья Какой двигатель подойдет на ВАЗ 2106

Дизельное топливо поступает из бака в нагнетательный трубопровод, затем через подкачивающий насос в топливный фильтр. После очистки дизель попадает в топливный насос высокого давления ТНВД, который распределяет топливо по форсункам.

Альтернативой системе с ТНВД является система питания Common Rail от Bosch. Особенность системы — установка аккумуляторного узла со штуцерами для подсоединения форсунок. Топливо в узле находится постоянно под высоким давлением, что позволяет подавать в цилиндр небольшие и точно отмеренные порции.

Выхлопная система

Выхлопная система влияет на мощность ДВС, расход топлива и количество выбросов в атмосферу. Для уменьшения содержания вредных веществ в отработанных газах применяется каталитический нейтрализатор. Он состоит из восстановительного и двух окислительных катализаторов, которые превращают углеводороды в водяной пар, а окиси углерода — в углекислый газ. Нейтрализатор устанавливают максимально близко к выпускному коллектору.

Нейтрализатор работает эффективнее, если двигатель внутреннего сгорания работает на смеси из воздуха и топлива в соотношении 14,7:1. Количество воздуха в отработанных газах отслеживает датчик лямбда-зонд. Уровень вредных окисей азота снижают с помощью системы рециркуляции путём забора части газов из выпускной системы для подачи его во впуск.

Принцип работы двигателя

Изучив устройство, перейдём к рассмотрению принципа работы ДВС. Как работает двигатель внутреннего сгорания разберём на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается поршень, соединённый с коленчатым валом через шатун. Положение, в котором остаётся поршень после перемещения вверх, называется верхней мёртвой точкой ВМТ. А положение после перемещения вниз — нижней мёртвой точкой НМТ. Ход поршня между двумя крайними точками называется тактом. Рабочий цикл включает 4 последовательных такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Посмотрим поэтапно, как работает 4-тактный двигатель внутреннего сгорания:

  1. В начале такта впуска открывается впускной клапан, а поршень перемещается от ВМТ. В это время в цилиндр всасывается горючая смесь.
  2. После прохода НМТ поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь и остаточные газы. Все клапана закрыты. Растёт давление и температура сжатых газов. В это время свеча зажигания даёт искру для воспламенения смеси.
  3. Рабочая смесь горит, толкая поршень от ВМТ вниз. Клапана ещё закрыты.
  4. На такте выпуска открывается выпускной клапан, и поршень поднимается вверх, выталкивая отработавшие газы из цилиндра.

В многоцилиндровом блоке одинаковые такты в цилиндрах проходят в разном порядке. Например, если в устройство двигателя входит 4-цилиндровый блок, то очередность работы может выглядеть, как 1-3-2-4. Это означает, что такт впуска пройдёт сначала в 1, потом в 3, затем во 2, а после в 4 цилиндре.

Принцип работы двухтактного двигателя

Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя с двумя рабочими тактами отличаются от 4-тактного. Здесь вместо клапанов в определённых местах цилиндра предусмотрены отверстия — продувочные окна. Свечи зажигания установлены в головке цилиндра.

Во время первого такта поршень двигается от НМТ к ВМТ. Через впускное окно под давлением насоса поступает рабочая смесь, заполняя цилиндр. Выпускное окно открыто и выпускает остатки отработавших газов. Перемещаясь, поршень перекрывает окна. Горючая смесь сжимается. Вблизи ВМТ подаётся искра зажигания, после чего начинается второй такт.

Поршень перемещается вниз под действием давления газов. Открываются окна. Сначала выпускное, через которое выходят отработанные газы, а затем впускное, через которое снова подаётся смесь.

Схема двухтактного двигателя имеет большой КПД: поршень за весь рабочий цикл совершает 2 хода, а коленчатый вал делает один полный оборот. Однако, часть топливно-воздушной смеси теряется вместе с отработанными газами, что даёт низкую топливную экономичность. Кроме того, поршневые кольца, постоянно пересекая кромки продувочных окон, быстро изнашиваются.

Такт впуск

Во время этого такта обе системы (впускная и топливная) обеспечивают образование воздушно-топливной массы. Учитывая разную конфигурацию моторов и конструкцию, образование смеси может происходить непосредственно во впускном коллекторе или же в самой камере сгорания. В момент, когда происходит открытие впускных клапанов ГРМ, воздух или уже топливно-воздушная смесь перемещается непосредственно в камеру сгорания, под воздействием силы разряжения, во время движения поршня.

Такт сжатия

Во время сжатия, соответствующие впускные клапаны перекрываются, и происходит сжимание топливно-воздушной смеси в цилиндрах.

Классификация двигателей

Поскольку ДВС растут и совершенствуются уже более 100 лет, набралось довольно много их разновидностей. Классифицируют двигатели по разным признакам и свойствам.

По рабочему циклу

Это уже известное нам деление двигателей на двухтактные и четырехтактные.

  1. Двухтактные – один полный рабочий цикл состоит из двух этапов, при этом коленвал совершает один оборот;
  2. Четырехтактные – за один полный рабочий цикл проходит четыре этапа, а коленвал делает два оборота.

По типу конструкции

Есть два основных типа ДВС: поршневой и роторный.

  1. Поршневой – это тот самый привычный нам двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом, который стоит практически в любом транспорте;
  2. Роторно-поршневой, он же двигатель Ванкеля – особый вид ДВС, в котором вместо поршня используется трехгранный ротор, а камера сгорания имеет овальную форму. Двигатель Ванкеля использовался в некоторых моделях автомобилей, но сложность производства и обслуживания заставила инженеров отказаться от применения этой конструкции.
Работа роторного двигателя

По количеству цилиндров

В ЦПГ двигателя может устанавливаться от 1 до 16 цилиндров, для легковых автомобилей это обычно 3-8. Как правило, конструкторы предпочитают четное количество цилиндров, чтобы уравновесить циклы их работы. Самое известное исключение из правил – двигатель Ecoboost, разработанный концерном Ford, во многих моделях которого ставится как раз три цилиндра.

По расположению цилиндров

Компоновка ЦПГ не всегда рядная (хоть рядный двигатель – самый простой в ремонте и обслуживании). В зависимости от фантазии инженеров, двигатели делятся на несколько типов компоновки:

  1. Рядные – все цилиндры выстроены в один ряд и на один коленвал.

    Работа рядного двигателя

  2. V-образные – два ряда цилиндров, установленные под углом от 45 до 90 градусов на один коленвал.

    Работа V-образного двигателя

  3. VR-образные – два ряда цилиндров с маленьким углом развала, 10-20 градусов, установленные на один коленвал.

    Работа VR-образного двигателя

  4. W-образные – представляют собой блок из 3 или 4 рядов цилиндров, установленных на один коленвал.

    Работа W-образного двигателя

  5. U-образные – два параллельных ряда цилиндров, установленные на два коленвала, объединенных в один силовой блок.

    Работа U-образного двигателя

  6. Оппозитные – с двумя рядами цилиндров, установленными горизонтально под 180 градусов друг к другу на один коленвал.

    Работа оппозитного двигателя

  7. Встречные – особая конструкция двигателя, в котором на каждый цилиндр приходится два поршня, движущихся во встречных направлениях. По сути, это одна цилиндро-поршневая группа, установленная на два коленвала.

    Работа встречного двигателя

  8. Радиальные – с круговым размещением ЦПГ, установленной на коленвал, расположенный в центре.
Работа радиального двигателя

В легковых автомобилях используются рядные, V-, VR-, W- и U-образные двигатели, а в некоторых моделях и оппозитные. А вот радиальные применяются в авиационной технике.

По типу топлива

Классика жанра здесь – бензиновые и дизельные двигатели. Набирают популярность газовые, постепенно совершенствуются гибридные и водородные.

  1. Бензиновые двигатели требуют поджига топливно-воздушной смеси. Для этого используются свечи и катушки зажигания, работающие синхронно с движением коленвала. Особенность бензиновых двигателей – способность развивать большую скорость;
  2. Дизельные двигатели работают по принципу самовоспламенения топливно-воздушной смеси. В них нет свечей зажигания, зато есть система прямого впрыска, требующая подачи топлива под большим давлением. Для запуска двигателя используются свечи накаливания, которые предварительно подогревают воздух и отключаются после прогрева камеры сгорания. Дизельные двигатели способны развивать большую мощность, но не скорость, поэтому используются в тяжелой технике;
  3. Газовые установки популярны за счет низкой стоимости сжиженного газа (по сравнению с бензином). Газовые двигатели работают при более высоких температурах, чем бензиновые или дизельные, что, в свою очередь, требует качественной работы системы охлаждения и особого моторного масла;
  4. Гибридные – это комбинация ДВС и электромотора. В стандартном режиме вождения задействован только электрический мотор, а ДВС задействуется при необходимости повысить нагрузку или подзарядить аккумуляторы;
  5. Водородные двигатели до недавнего времени были довольно опасны: кислород и водород, выработанные из воды путем электролиза, сгорали нестабильно и с риском детонации. Сравнительно недавно был найден другой способ использования водородно-кислородного соединения: водород заправляется в баки (причем заправка длится около 3 минут), кислород захватывается из воздуха, после чего они поступают на электрогенератор, а не в ДВС. По сути, получается процесс, обратный процессу электролиза, в результате которого образуется электроэнергия и вода. Первым автомобилем с водородной силовой установкой стала Toyota Mirai.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм, входящий в конструкцию мотора, обеспечивает преобразование возвратно-поступательного перемещения поршня в гильзе во вращательное движение коленвала. Основным элементом этого механизма является коленвал. Он имеет подвижное соединение с блоком цилиндров. Такое соединение обеспечивает вращение этого вала вокруг оси.

К одному из концов вала прикреплен маховик. В задачу маховика входит передача крутящего момента от вала дальше. Поскольку у 4-тактного двигателя на два оборота коленвала приходится только один полуоборот с полезным действием – рабочий ход, остальные же требуют обратного действия, которое и выполняется маховиком. Имея значительную массу и вращаясь, за счет своей кинетической энергии он обеспечивает провороты колен. вала во время подготовительных тактов.

Устройство маховика

Окружность маховика имеет зубчатый венец, при помощи его выполняется запуск силовой установки.

С другой стороны вала размещается приводная шестерня масляного насоса и газораспределительного механизма, а также фланец для крепления шкива.

Этот механизм также включает шатуны, которые обеспечивают передачу усилия от поршня к коленвалу и обратно. Крепление к валу шатунов тоже производится подвижно.

Поверхности блока цилиндров, колен. вала и шатунов в местах соединения напрямую между собой не контактируют, между ними находятся подшипники скольжения – вкладыши.

Цилиндро-поршневая группа

Состоит данная группа из гильз цилиндров, поршней, поршневых колец и пальцев. Именно в этой группе и происходит процесс сгорания и передача выделяемой энергии для преобразования. Сгорание происходит внутри гильзы, которая с одной стороны закрыта головкой блока, а с другой – поршнем. Сам поршень может перемещаться внутри гильзы.

Чтобы обеспечить максимальную герметичность внутри гильзы, используются поршневые кольца, которые предотвращают просачивание смеси и продуктов горения между стенками гильзы и поршнем.

Поршень посредством пальца подвижно соединен с шатуном.

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.

Двигатель в разрезе

Теперь можно рассмотреть, как выглядит ДВС в разрезе. Для большей наглядности и понятности рассмотрим двигатель ВАЗ в разрезе, с которым знакомы большинство автомобилистов.

На схеме представлен двигатель ВАЗ 2121 в продольном разрезе:

1. Коленчатый вал; 2. Вкладыш коренного подшипника коленчатого вала; 3. Звёздочка коленчатого вала; 4. Передний сальник коленчатого вала; 5. Шкив коленчатого вала; 6. Храповик; 7. Крышка привода механизма газораспределения; 8. Ремень привода насоса охлаждающей жидкости и генератора; 9. Шкив генератора; 10. Звёздочка привода масляного насоса, топливного насоса и распределителя зажигания; 11. Валик привода масляного насоса, топливного насоса и распределителя зажигания; 12. Вентилятор системы охлаждения; 13. Блок цилиндров; 14. Головка цилиндров; 15. Цепь привода механизма газораспределения; 16. Звёздочка распределительного вала; 17. Выпускной клапан; 18. Впускной клапан; 19. Корпус подшипников распределительного вала; 20. Распределительный вал; 21. Рычаг привода клапана; 22. Крышка головки цилиндров; 23. Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости; 24. Свеча зажигания; 25. Поршень; 26. Поршневой палец; 27. Держатель заднего сальника коленчатого вала; 28. Упорное полукольцо коленчатого вала; 29. Маховик; 30. Верхнее компрессионное кольцо; 31. Нижнее компрессионное кольцо; 32. Маслосъёмное кольцо; 33. Передняя крышка картера сцепления; 34. Масляный картер; 35. Передняя опора силового агрегата; 36. Шатун; 37. Кронштейн передней опоры; 38. Силовой агрегат; 39. Задняя опора силового агрегата.

Кроме рядного расположения цилиндров двигателя, как показано на схеме выше существуют ДВС с V- и W-образным расположением поршневого механизма. Рассмотри W-образный мотор в разрезе на примере силового агрегата Audi. Цилиндры ДВС располагаются так, что если смотреть на мотор спереди, то образуется английская буква W.

Данные движки обладают повышенной мощностью и используются на спорткарах. Данная система была предложена японским производителем Субару, но из-за высокого расхода горючего не получила широкого и массового применения.

V- и W-образные ДВС имеют повышенную мощность и крутящий момент, что делает их спортивной направленности. Единственным недостатком такой конструкции является то, что такие силовые агрегаты потребляют значительное количество топлива.

С развитием автомобилестроения компания General Motors предложила систему отключения половины цилиндров. Так, эти неработающие цилиндры приводятся в действие, только когда необходимо увеличить мощность или быстро разогнать автомобиль.

Такая система позволила значительно экономить топливо в повседневном использовании транспортного средства. Эта функция привязана к электронному блоку управления двигателем, поскольку, она регулирует, когда необходимо задействовать все цилиндры, а когда они не нужны.

Первый такт

Процесс всасывания или наполнения. Этот процесс происходит, когда поршень перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку. Когда давление остаточного газа в цилиндре значительно падает, свежая рабочая жидкость поступает через впускной клапан, который открывается с помощью газораспределительного механизма. Из-за сопротивления системы наполнения давление рабочего вещества в баллоне в процессе наполнения меньше атмосферного.

Для обеспечения максимального заполнения цилиндра свежим рабочим веществом всасывающий клапан открывается на 10-40 градусов до верхней мертвой точки, т.е. при обгоне, а закрывается от 20 до 70 градусов после нижней мертвой точки, т.е. С опозданием.

Второй такт

Процесс сжатия. Сжатие рабочей смеси происходит при движении поршня от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки после закрытия всасывающего клапана. По мере уменьшения поршневого пространства увеличивается давление и температура рабочей смеси, в результате чего создаются благоприятные условия для воспламенения и сгорания топлива в конце сжатия. Для этого начало подачи топлива (в дизелях) или искры (в карбюраторных двигателях) должно начинаться до верхней мертвой точки, т.е. при определенном угле обгона — от 10 до 35 градусов.

Таким образом, во время второго такта происходит сильное сжатие рабочего тела в цилиндре. Кроме того, в начале такта свежая рабочая жидкость продолжает поступать в цилиндр, а в конце этого же такта начинается процесс сгорания.

Третий такт

Это процесс горения и расширения. Этот процесс происходит, когда поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю. В результате выделяемого при сгорании топлива тепла температура и давление рабочей смеси значительно повышаются. Под действием высокого давления поршень движется к ВМТ, и продукты сгорания расширяются, в результате чего совершается полезная работа. Вот почему этот ход поршня называется ходом.

Четвертый такт

Процесс выпуска. Во время этого хода поршень перемещается из ВМТ в НМТ, выталкивая газы из цилиндра двигателя через выпускной клапан. Для уменьшения работы по вытеснению газов, а также для улучшения очистки цилиндра выпускной клапан открывается примерно на 40-70 градусов перед НМТ. Для улучшения очистки баллона от газов тот же клапан закрывается от 10 до 35 градусов после НМТ.

Паровые машины

В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и прочего). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива, стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, гидротурбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из парового котла в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне. Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л. с.).

Двигатель Стирлинга

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Паровая турбина

Рисунки, изображающие крыльчатое колесо, вращающееся под воздействием потока пара, известны с древних времён. Однако практические конструкции паровой турбины были созданы лишь во второй половине XIX века, благодаря развитию конструкционных материалов, позволивших достичь высоких скоростей вращения.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав де Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, ещё в 1884 году англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала XX века на электростанциях. В 1960-х годах их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Двигатель внутреннего сгорания

Схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дени Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Этьен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе.

Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем.

В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 1970-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и прочее). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 1970-х годах превысила 600 МВт.

В первой половине XX века создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели,
а в 1950-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

Пневмодвигатели и гидромашины

Пневмодвигатели и гидромашины, соответственно, работают от сетей (баллонов) высокого давления воздуха или жидкости преобразуя гидравлическую (пневматическую) энергию насосов. Их широко применяют в качестве исполнительных механизмов в различных устройствах и системах. Так, созданы пневмолокомотивы (особенно пригодны для работ во взрывоопасных условиях, например в шахтах, где тепловые двигатели не применимы из-за температурных условий, а электрические — из-за искр при коммутации), с помощью гидромашин осуществляется привод гусениц в некоторых типах тракторов и танков, перемещение рабочих органов бульдозеров и экскаваторов. Всё разнообразнее конструкции экологически чистых городских автомобилях на пневмоприводах, предлагаемых инженерами разных стран. Вторичные двигатели играют большую роль в технике, однако их мощность относительно невелика. Их также широко применяют и в миниатюрных и сверхминиатюрных устройствах.

По источнику энергии

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

  • электрические;
    • постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);
    • переменного тока (синхронные и асинхронные);
  • электростатические;
  • химические;
  • ядерные;
  • гравитационные;
  • пневматические;
  • гидравлические;
  • лазерные.

По типам движения

Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

  • вращательное движение твёрдых тел;
  • поступательное движение твёрдых тел;
  • возвратно-поступательное движение твёрдых тел;
  • движение реактивной струи;
  • другие виды движения.

Электродвигатели, обеспечивающие поступательное и/или возвратно-поступательное движение твёрдого тела;

  • линейные;
  • индукционные;
  • пьезоэлектрические.

Некоторые типы электроракетных двигателей:

  • ионные двигатели;
  • стационарные плазменные двигатели;
  • двигатели с анодным слоем;
  • радиоионизационные двигатели;
  • коллоидные двигатели;
  • электромагнитные двигатели и др.

Бензиновые силовые агрегаты

Что касается поршневых бензиновых моторов, такие двигатели имеют систему зажигания для воспламенения рабочей смеси от искры. Системы питания в таких агрегатах могут быть карбюраторными или инжекторными (впрысковыми).

Приготовление рабочей смеси в карбюраторных ДВС происходит в карбюраторе, далее смешанный бензин и воздух подаются во впускной коллектор. Сегодня такие системы считаются устаревшими, так как не способны обеспечить двигателю должную экологичность и экономичность.

Впрысковые ДВС по типу конструкции системы питания бывают моноинжекторными (моновпрыск) или системами с распределенным впрыском. В первом случае схема предполагает наличие только одной форсунки, которая впрыскивает горючее во впускной коллектор. Решения с распределенным впрыском имеют отдельную форсунку на каждый цилиндр, которая установлена рядом с впускными клапанами.

Такая система питания, особенно распределенный впрыск, позволяет увеличить мощность мотора, при этом достигается топливная экономичность и происходит снижение токсичности отработавших газов. Это стало возможным благодаря точной дозировке подаваемого топлива под управлением ЭСУД (электронная система управления двигателем).

Дальнейшее развитие систем топливоподачи привело к появлению моторов с прямым (непосредственным) впрыском. Главным их отличием от предшественников является то, что воздух и топливо подается в камеру сгорания отдельно. Другими словами, форсунка устанавливается не над впускными клапанами, а монтируется прямо в цилиндр.

Подобное решение позволяет подавать топливо напрямую, причем сама подача разделена на несколько этапов (подвпрысков). В результате удается добиться максимально эффективного и полноценного сгорания топливного заряда, двигатель получает возможность работать на бедной смеси (например, моторы семейства GDI), падает расход топлива, снижается токсичность выхлопа и т.д.

Дизельные моторы

Дизельный двигатель работает на дизтопливе, а также в значительной мере отличается от бензинового. Основное отличие заключается в отсутствии искровой системы зажигания. Воспламенение смеси топлива и воздуха в дизеле происходит от сжатия.

Если просто, сначала в цилиндрах сжимается воздух, который сильно нагревается. В последний момент происходит впрыск солярки прямо в камеру сгорания, после чего нагретая и сильно сжатая смесь воспламеняется самостоятельно.

Если сравнивать дизельные и бензиновые ДВС, дизель отличается более высокой экономичностью, лучшим КПД и максимумом крутящего момента, который доступен на низких оборотах. С учетом того, что дизели развивают больше тяги при меньших оборотах коленвала, на практике такой мотор не нужно «крутить» на старте, а также можно рассчитывать на уверенный подхват с самых «низов».

Однако в списке минусов таких агрегатов можно выделить чувствительную топливную систему, а также больший вес и меньшие скорости в режиме максимальных оборотов. Дело в том, что дизель изначально «тихоходный» и имеет меньшую частоту вращения коленчатого вала по сравнению с бензиновыми ДВС.

Дизели также отличаются большей массой, так как особенности воспламенения от сжатия предполагают более серьезные нагрузки на все элементы такого агрегата. Другими словами, детали в дизельном моторе более прочные и тяжелые. Также дизельные моторы более шумные, что обусловлено процессом воспламенения и сгорания дизельного топлива.

Гибридный двигатель

Гибридный силовой агрегат фактически является сочетанием поршневого бензинового или дизельного ДВС и электромотора. Также в конструкции присутствует тяговая аккумуляторная батарея, которая питает электродвигатель.

Гибрид работает по принципу максимальной экономии топлива, то есть двигатель внутреннего сгорания задействуется только в определенных режимах. При спокойной езде колеса вращает электромотор, а ДВС подключается тогда, когда батарея разряжается, необходимо интенсивное ускорение ТС, нагрузки достаточно высокие т.п.

Также во время работы гибридной установки активно используется схема рекуперации энергии. Например, во время торможения двигателем работает генератор, который подзаряжает тяговый аккумулятор. Такое сочетание двух типов силовых установок позволяет получить улучшение разгонной динамики (особенно когда одновременно задействован ДВС и электромотор), наблюдается существенная экономия топлива и малый выброс токсичного выхлопа.

Дизель с турбонаддувом

Одним из подвидов дизельного ДВС считается турбодизель. На этом моторе установлена турбина, которая имеет вид улитки. При помощи турбины в мотор подаётся больше количество сжатого воздуха, который даёт больше детонационный эффект, за счёт чего движок можно быстрее разогнать.

Газовый двигатель

Газовые двигатели на сегодняшний день в автоиндустрии в чистом виде почти не используются, поскольку частые поломки моторов, стали причиной полного отказа от них. Вместо этого, газовые установки зачастую можно встретить на бензиновых автомобилях, что значительно экономит расход денег на горючее.

Газ с баллона подаётся на редуктор, который распределяет топливо по цилиндрам, а затем горючее попадает непосредственно в камеры сгорания. После этого с помощью свечей зажигания газ воспламеняется. Единственным недостатком использования газовой установки считается то, что мотор теряет 20% своего потенциального ресурса.

Электрические моторы

Николас Тесла впервые предложил использовать для автомобилей электроэнергию. Электрические моторы на сегодняшний день не распространены, поскольку заряда батареи хватает только до 200 км пути, а заправочных станций, которые могут предоставить услугу зарядки автомобиля — практически нет.

Известная мировая компания, производитель электрических автомобилей «Тесла» продолжает совершенствовать электродвигатели, и каждый год дарит потребителям новинки, которые имеют больший запас хода без дозарядки.

Гибриды

Наверное, самые желаемые двигатели на сегодняшний день. Это смесь бензинового двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Существует несколько вариантов работы такого движка.

  1. Мотор может работать на попеременном питании. Сначала движение производится на бензине, пока генератор заряжает батарею, а затем водитель может переключиться на электропитание.
  2. Двигатель и электромотор работают одновременно, что помогает сэкономить расход горючего на одно, и тоже расстояние с другими типами ДВС.

Водородный мотор

НОУ-ХАУ современного мира считается водородный двигатель. В автомобиль устанавливается установка водородного типа. Отличие от бензиновых моторов заключается в подаче топлива. Если у бензина топливо подаётся вовремя возврата поршня к ВТМ, то у водородного силового агрегата в момент, когда поршень возвращается к НТМ.

В будущем планируется создать водородный двигатель закрытого типа, когда не будет требоваться выброс отработанных газов, а также на 500 км автолюбитель сможет забить о заправке автомобиле.

Стоит понимать, что автомобили с таким мотором будут стоить весьма не дёшево, пока они полностью не вытеснят бензинового брата.

Громкое имя в истории автомобилестроения

В 1815 году о том, что такое ДВС и как его можно использовать, задумался Готтлиб Даймлер. Он не просто создал эффективный двигатель, а наладил производство прототипа современного агрегата с вертикальным расположением цилиндров и карбюраторным впрыском.

Это первый на тот момент компактный механизм, который затем поспособствовал развитию автомобилестроения.

Источники


  • https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/4341616
  • https://dvigatels.ru/uhod/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya.html
  • https://dvsoff.ru/tip/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya
  • https://quest-auto.ru/582-chto-takoe-dvs.html
  • https://VazNeTaz.ru/dvigatel-dvs
  • http://autoleek.ru/dvigatel/dvs/ustrojstvo-dvs.html
  • https://avtodvigateli.com/detali/razrez-dvs.html
  • https://AvtoTachki.com/dvigatel-chto-takoe-dvigatel-vse-tipy-dvigatelej/
  • https://ustroistvo-avtomobilya.ru/dvigatel/dvigatel-2/
  • http://KrutiMotor.ru/kakie-byvayut-dvigateli-vnutrennego-sgoraniya/
  • https://avtodvigateli.com/vidy/vidy-dvs.html
  • https://FB.ru/article/280012/chto-takoe-dvs-v-avtomobile

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Ремонт автомобиля, решение проблем с авто