Двигатели внутреннего сгорания

Часть I основы теории двигателей

1. Классификация и принцип работы двигателей внутреннего сгорания

Общие сведения и классификация

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.

Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель. Газообразным топливом для ДВС служат природный, сжиженный и генераторный газы. Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:

по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия;

по способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные, с наддувом и без наддува;

Рис. 1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания.

по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и бензиновые с впрыском топлива в цилиндр);

по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением;

по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением.

Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела – продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС. Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.

За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения (рис 1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками , так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называетсяверхней мертвой точкой (ВМТ).Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума.

Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.

Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания V c .

Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра V h .

где D – диаметр цилиндра, мм;

S – ход поршня, мм

Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом цилиндра V a .

Рис 1.2.Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров.

Отношение полного объема цилиндра V a к объему камеры сгоранияV c называютстепенью сжатия

.

При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, 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 любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис. 1.3.

По схеме, изображенной на рис. 1.3а, рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом.

Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.

Рис. 1.3.Схемы рабочего цикла двигателей

В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.

Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0–2.0 МПа.

Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию.

В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1.3б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия. К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателямис внутренним смесеобразованием . Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называютсядвигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями.

Рабочий цикл четырехтактного ДВС

Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным . Рабочий цикл в таком двигателе происходит следующим образом.

Первый такт – впуск (рис. 1.4). В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Впуск начинается с момента открытия впускного отверстия, за 10–30° до ВМТ.

При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0.01–0.03 МПа меньше давления во впускном трубопроводе. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линияrа.

Такт впуска состоит из впуска газов, происходящего при ускорении движения опускающегося поршня, и впуска при замедлении его движения.

Впуск при ускорении движения поршня начинается в момент начала опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем максимальной скорости приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ. В начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, оставшиеся в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и давление в цилиндре падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем с небольшой скоростью, начинает проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем, освобождаемый поршнем. По мере опускания поршня его скорость постепенно увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на 80°. При этом впускное отверстие открывается все больше и больше и горючая смесь (или воздух) в цилиндр проходит в больших количествах.

Впуск при замедленном движении поршня начинается с момента достижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается НМТ, когда скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси (или воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в НМТ она не равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, освобождаемого поршнем, а также за счет своей силы инерции. При этом давление в цилиндре постепенно повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубо- проводе.

Давление во впускном трубопроводе может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от степени наддува (0.13–0.45 МПа) в двигателях с наддувом.

Впуск окончится в момент закрытия впускного отверстия (40–60°) после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит при постепенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения струи в цилиндр.

При малых числах оборотов вала, например при пуске двигателя, сила инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси (или воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска.

При средних числах оборотов инерция газов больше, поэтому в самом начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по мере подъема поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка может перейти в обратный выброс.

При больших числах оборотов сила инерции газов во впускном трубопроводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная дозарядка цилиндра, а обратный выброс не наступает.

Второй такт – сжатие. При движении поршня от НМТ к ВМТ (рис. 1.5) производится сжатие поступившего в цилиндр заряда.

Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска (точка т на индикаторной диаграмме). После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия (точкас ) будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.

Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются, несмотря на некоторое увеличение внутри цилиндрового объема (участок сz на индикаторной диаграмме).

Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линиясzb.

Однако в начале предварения выпуска давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном коллекторе.

Поэтому отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители.

Критическая скорость истечения отработавших газов при температурах 800 –1200 К составляет 500–600 м/сек.

Температура газов в трубопроводе по углу поворота кривошипа меняется от максимальной в начале выпуска до минимальной в конце. Предварение открытия выпускного отверстия несколько уменьшает полезную площадь индикаторной диаграммы. Однако более позднее открытие этого отверстия вызовет задержку газов с высоким давлением в цилиндре и на их удаление при перемещении поршня придется затратить дополнительную работу.

Небольшая задержка закрытия выпускного отверстия создает возможность использования инерции выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания неизбежно остается в головке цилиндра, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия zb.

Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла.

Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров.

Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл.

Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 5–30° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10–30° до ВМТ, т. е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение клапанов называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.

Из рассмотрения четырехтактного цикла работы следует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.

Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют двигатель, в котором сгорание топлива происходит непосредственно внутри рабочей камеры. Именно такие агрегаты широко применяются в автомобильной индустрии, обеспечивая преобразование тепловой энергии от сгорания топлива в механическую силу.

Способ осуществления рабочего цикла может происходить в один такт, или в два такта. Поэтому различают двухтактные и четырехтактные ДВС. Тактом называется ход поршня между двумя мертвыми точками, с поворотом коленчатого вала на 180 градусов.

Принцип работы

Принципы работы каждого из типов двигателей несколько отличаются. В двухтактном моторе за один оборот происходит завершение рабочего цикла за два этапа – за счет сжатия и расширения. Клапаны в таком устройстве отсутствуют, а их функцию выполняет поршень. Его перемещение обеспечивает открытие и закрытие продувочных окон.

Рабочий процесс в четырехтактном моторе происходит за четыре этапа. При этом к сжатию и расширению добавляются такие процессы, как впуск на первом и выпуск на четвертом этапах, соответственно.

Главным различием таких моторов являются отличные механизмы газообмена, т.е. подача топлива в цилиндры и отвод отработанных газов. В конструкцию четырехтактных агрегатов включен газораспределительный механизм, обеспечивающий открытие и закрытие клапанов в определенные моменты времени. В двухтактных моторах цилиндры опорожняются и заполняются в моменты тактов сжатия и расширения.

Видео: Устройство и как работает двигатель внутреннего сгорания

Общее устройство ДВС

По типу преобразования тепловой энергии все двигатели можно разделить на такие виды:

• Поршневые. В таких агрегатах сгорание топлива происходит в цилиндрах, а благодаря возвратно-поступательному движению поршня за счет кривошипно-шатунного механизма тепловая энергия преобразуется в механическую;
• Роторно-поршневые. Энергия преобразовывается при помощи вращения ротора со специальным профилем за счет рабочих газов;
• Газотурбинные. В таких двигателях превращение энергии обеспечивает ротор с клиновидными лопатками.

Самым популярным и востребованным среди всех видов агрегатов является поршневой ДВС, за счет своей универсальности, способности к быстрому запуску и возможностью работы с различными видами горючего.

Общее устройство ДВС включает корпус агрегата, а также два типа механизмов – кривошипно-шатунный и газораспределительный. Помимо этого он содержит ряд систем – питания, зажигания, пуска, охлаждения и смазки. Все перечисленные системы состоят из определенных узлов и механизмов, а также необходимых коммуникационных элементов.

Важно! Только благодаря слаженному выполнению механизмами и системами своих функций обеспечивается бесперебойная работа ДВС.

Кривошипно-шатунный механизм

Циклическое поступательное движение поршня, описываемое им при перемещении в цилиндре, должно быть преобразовано во вращательное движение коленчатого вала. Именно это действие и обеспечивается благодаря кривошипно-шатунному механизму (КШМ).

В конструкцию такого механизма входят подвижные составляющие – поршни, поршневые кольца, пальцы, шатуны, маховик и коленчатый вал. Также КШМ включает и неподвижные элементы – блок цилиндров и прокладка, головка блока цилиндров, цилиндры, картер, поддон. Кроме того, устройство включает и различные элементы креплений, крепежные и шатунные подшипники.

Газораспределительный механизм

Благодаря газораспределительному механизму (ГРМ) своевременная подача в цилиндры в зависимости от типа ДВС воздуха или топливно-воздушной смеси, а также выпуска в систему выхлопа отработанных газов.

Интересно! Благодаря своевременному открытию или закрытию клапанов ГРМ обеспечивается бесперебойная работа механизма.

В состав конструкции ГРМ входят такие узлы и механизмы:

• Распредвал. Чугунный или стальной элемент, который открывает или закрывает клапаны.
• Толкатели. Обеспечивают передачу усилий на клапаны от кулачков.
• Впускные и выпускные клапаны. Способствуют подачи смеси в камеру, а также удаляют отработанные газы. В зависимости от диаметра головки различаются впускные и выпускные клапаны. Кроме того головка впускного клапана – имеет хромированное покрытие, а головка выпускного изготовлена из жаропрочной стали.
• Штанги. Благодаря которым происходит передача усилия от толкателей к штангам.
• Привод ГРМ, который обеспечивает открытие и закрытие клапанов, за счет передачи вращения коленвала на распредвал. В качестве привода может использоваться как ремень, так и цепь ГРМ, а также зубчатая передача.

Система питания

В состав данной системы входят такие устройства, как элементы, предназначенные для хранения топлива, воздухоочистительные приборы, узлы, обеспечивающие очистку и подачу топлива, а также приборы для приготовления топливной смеси.

Элементами питания ДВС являются:

• Топливный бак и топливопровода;
• Топливный фильтр и насос;
• Воздушный фильтр;
• Карбюратор, моновпрыск или инжектор, в зависимости от устройства системы питания.

Интересно! В инжекторных системах питания регулировку работы топливных форсунок осуществляет электронное устройство – блок управления, в конструкцию которого включены различные датчики контроля.

Главными функциями топливной системы являются:

• Подача топлива из бака;
• Фильтрация горючего;
• Образование горючей смеси;
• Подача смеси в цилиндры.

Отличаются топливные системы в зависимости от типа используемого горючего: в дизельных агрегатах впрыск в камеру происходит под высоким давлением, для чего применяется топливный насос высокого давления.

Система зажигания

Главная функция данной системы является подача искры к свечам зажигания в определенный момент времени. Системы зажигания бывают трех основных типов:

• Контактная. Создание импульсов происходит в момент разрыва контактов.
• Бесконтактная. Управляющие импульсы создает транзисторное управляющее устройство.
• Микропроцессорная система зажигания управляется электронным устройством.

Основными элементами системы являются:

• Источник питания;
• Выключатель зажигания;
• Накопитель;
• Свечи зажигания;
• Система распределения;
• Высоковольтный провод.

Принцип работы данной системы основан на накоплении катушкой зажигания напряжения с низкими характеристиками и его преобразовании в высокое. После накопленная энергия передается к свечам зажигания, а образовываемая в необходимый момент времени искра воспламеняет топливно-воздушную смесь.

Пуск

Основными составными механизмами системы пуска ДВС являются:

• Стартер;
• Аккумуляторная батарея;
• Включатель зажигания.

Данная система обеспечивает удобный, надежный и быстрый пуск двигателя в независимости от условий эксплуатации автомобиля.

Охлаждение

Функционирование систем и механизмов ДВС без организации отвода излишнего тепла не возможно, так как их работа сопряжена с повышенным температурным режимом. Основное назначение системы охлаждения – это уменьшение температуры рабочих элементов мотора.

Интересно! Если авто оборудовано автоматической трансмиссией, то система охлаждения участвует также в организации охлаждения трансмиссионной жидкости.

Существует два основных типа систем охлаждения ДВС:

• Жидкостная;
• Воздушная.

Помимо основных функций, система охлаждения отвечает за:

• Работу системы отопления, вентиляции и кондиционирования;
• Охлаждение масла в смазывающей системе;
• Охлаждение газов в системе выхлопа.

Наиболее распространенной является жидкостная система охлаждения, чему способствуют равномерное и эффективное охлаждение узлов и механизмов, а также низкий уровень шумности при работе.

Важными элементами системы охлаждения являются:

• Жидкостной радиатор;
• Масляный радиатор;
• Теплообменник;
• Вентилятор;
• Центробежный насос;
• Расширительный бачок;
• Термостат.

Важным расходным материалом, благодаря которому обеспечивается охлаждение, является рабочая жидкость – антифриз.

Система смазки

Работа механизмов и узлов ДВС происходит в условиях постоянного трения элементов. Это отрицательно влияет на их состояние, вызывая износ и снижая эксплуатационные характеристики агрегата. Именно для предотвращения таких негативных явлений в конструкцию ДВС включена система смазки. Она является комбинированной, т.е. происходит смешивание моторного масла с топливом.

Основными элементами системы смазки ДВС являются:

• Масляный фильтр и насос;
• Поддон;
• Заборник;
• Контуры, обеспечивающие подачу масла к элементам.

При помощи масляного насоса происходит подача масла в фильтр, а далее оно распределяется между узлами и каналами смазки. Этот процесс происходит постоянно, а благодаря наличию специальных датчиков контролируется давление в системе.

Тюнинг

Для повышения эксплуатационных характеристик двигателя, его модернизации и увеличения крутящего момента используется такая процедура, как тюнинг. Основными видами тюнинга являются:

• Расточка цилиндров, которая способствует увеличению камеры сгорания топлива, что несколько увеличивает силовые возможности агрегата.
• Установка турбины, что обеспечивает увеличение мощности и КПД двигателя;
• Чип-тюнинг – увеличение эксплуатационных характеристик за счет изменения работы электронной части блока управления.
• Установка закиси азота, что способствует значительному увеличению мощности мотора.

Как правило, тюнинг проводится только в случае полной исправности узлов и механизмов силового агрегата и должен выполняться квалифицированными мастерами автосервисов.

Для бесперебойной и эффективной работы ДВС следует обращать внимание на любые изменения и своевременно производить диагностику и ремонт оборудования.

Двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе, разработанный и впервые применённый на практике во второй половине 19-го века, являлся вторым в истории, после парового двигателя, примером создания агрегата, преобразующего энергию в полезную работу. Без этого изобретения невозможно себе представить современную цивилизацию, ведь транспортные средства с ДВС различного типа широко задействованы в любой отрасли, обеспечивающей существование человека.

Транспорт, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания, играет решающую роль в приобретающей все большее и большее значение на фоне глобализационных процессов всемирной логистической системе.

Все современные транспортные средства можно разделить на три больших группы, в зависимости от типа используемого двигателя. Первая группа ТС использует электродвигатели. Сюда входят и привычный городской общественный транспорт – троллейбусы и трамваи, и электропоезда с электромобилями, и огромные суда и корабли, использующие атомную энергию – ведь и современные ледоколы, и атомные субмарины, и авианосцы стран НАТО используют электродвигатели. Вторая группа – это техника, оснащенная реактивными двигателями.

Разумеется, такой тип двигателей используется преимущественно в авиации. Наиболее многочисленной, привычной и значимой является третья группа транспортных средств, которая использует двигатели внутреннего сгорания. Это – наибольшая и по количеству, и по разнообразию, и по влиянию на хозяйственную жизнь человека группа. Принцип работы ДВС одинаков для любых транспортных средств, оснащённых таким двигателем. В чем он заключается?

Как известно, энергия не берется ниоткуда и не уходит в никуда. Принцип работы двигателя автомобиля в полной мере основывается на этом постулате закона сохранения энергии.

Максимально обобщенно можно сказать, что для выполнения полезной работы используется энергия молекулярных связей жидкого топлива, сжигаемого в процессе работы двигателя.

Распространению ДВС на жидком топливе способствовали несколько уникальных свойств самого топлива. Это:

• высокая потенциальная энергия молекулярных связей используемых в качестве топлива смеси легких углеводородов «например, бензина»
• достаточно простой и безопасный, в сравнении, например, с атомной энергией, способ ее высвобождения
• относительная распространенность легких углеводородов на нашей планете
• природное агрегатное состояние такого топлива, позволяющее удобно хранить и транспортировать его.

Еще одним важнейшим фактором является то, что в качестве окислителя, необходимого для процесса высвобождения энергии, выступает кислород, их которого более чем на 20 процентов состоит атмосфера. Это избавляет от необходимости возить не только запас топлива, но и запас катализатора.

В идеальном случае вступить в реакцию должны все молекулы определённого объёма топлива и все молекулы определённого объёма кислорода. Для бензина эти показатели соотносятся как 1 к 14,7, т.е., для сгорания килограмма топлива необходимо почти 15 кг кислорода. Однако такой процесс, называемый стехиометрическим, на практике нереализуем. В действительности всегда остаётся какая-то часть топлива, не соединившаяся с кислородом во время протекания реакции.

Более того, для определённых режимов работы ДВС стехиометрия даже вредна.

Теперь, когда химические процесс в общих чертах понятны, стоит рассмотреть механику процесса превращения энергии топлива в полезную работу, на примере четырёхтактного ДВС, работающего по так называемому циклу Отто.

Наиболее известным и, что называется, классическим циклом работу является запатентованный еще в 1876 году Николаусом Отто процесс работы двигателя, состоящий из четырех частей. «тактов, отсюда и четрыехтактные ДВС». Первый такт – создание поршнем разрежения в цилиндре собственным перемещением под воздействием веса. В результате цилиндр заполняется смесью кислорода и паров бензина «природа не терпит пустоты». Продолжающий движение поршень сдавливает смесь – получаем второй такт. На третьем такте смесь воспламеняется «Отто применял обычную горелку, сейчас за это ответственна свеча зажигания».

Воспламенение смеси создаёт выделение большого количества газа, который давит на поршень и заставляет его подниматься – выполнять полезную работу. Четвёртый такт – открытие выпускного клапана и вытеснение продуктов сгорания возвращающимся поршнем.

Таким образом, только запуск двигателя требует воздействия извне – прокручивания коленвала, соединённого с поршнем. Сейчас это делается с помощью силы электричества, а на первых автомобилях коленвал приходилось проворачивать вручную «этот же принцип используется и в автомобилях, в которых предусмотрен принудительный ручной пуск двигателя».

Со времени выпуска первых автомобилей немало инженеров пытались изобрести новый цикл работы ДВС. Вначале это было связано с действием патента, которое многим хотелось обойти.

В результате уже в начале прошлого века был создан цикл Аткинсона, который изменил конструкцию двигателя таким образом, чтобы все движения поршня совершались за один оборот коленвала. Это позволило повысить КПД двигателя, но уменьшило его мощность. Кроме того, двигатель, работающий по такому циклу, не нуждается в отдельном распределительном вале и редукторе. Однако этот двигатель не получил распространения из-за снижения мощности агрегата и достаточно сложной конструкции.

Вместо него на современных атвомобилях зачастую используется цикл Миллера.

Если Аткинсон уменьшил такт сжатия, увеличив КПД, но изрядно усложнив работу двигателя, то Миллер предложил уменьшить такт впуска. Это позволило снизить фактическое время сжатия смеси без уменьшения ее геометрического сжатия. Таким образом, КПД каждого цикла работы ДВС увеличивается, за счет чего снижается расход топлива, сжигаемого «впустую».

Однако большинство двигателей работают по циклу Отто, так что более подробно необходимо рассмотреть именно его.

Даже наиболее простой вариант ДВС включает четырнадцать важнейших элементов, необходимых для его работы. Каждый элемент имеет определённые функции.

Так, цилиндр выполняет двоякую роль — в нем происходит активация воздушной смеси и двигается поршень. В части, называемой камерой сгорания, установлена свеча, и два клапана, один из которых перекрывает поступление топлива, другой – выпуск отработанных газов.

Свеча – устройство, обеспечивающее поджиг смеси с необходимой цикличностью. По сути, представляет собой устройство для получения достаточно мощной электрической дуги на короткий промежуток времени.

Поршень перемещается в цилиндре под действием расширяющихся газов или от воздействия коленвала, переданного через кривошипно-шатунный механизм. В первом случае поршень превращает энергию сгорания топлива в механическую работу, во втором – сжимает смесь для лучшего возгорания либо создает давление для удаления отработанных остатков смеси из цилиндра.

Кривошипно-шатунный механизм передаёт момент от поршня к валу и наоборот. Коленчатый вал благодаря своей конструкции преображает поступательное «вверх-вниз» движение поршня во вращательное.

Впускной канал, в котором располагается впускной клапан, обеспечивает попадание смеси в цилиндр. Клапан обеспечивает цикличность поступления смеси.

Выпускной клапан, соответственно, удаляет накопившиеся продукты сгорания смеси. Для обеспечения нормальной работы двигателя в момент нагнетания давления и поджога смеси он закрыт.

Работа бензинового ДВС. Подробный разбор

При такте всасывания поршень опускается вниз. Одновременно открывается впускной клапан, и в цилиндр подаётся топливо. Таким образом, в цилиндре оказывается топливовоздушная смесь. В определённых типах бензиновых двигателей эта смесь приготавливается в специальном устройстве – карбюраторе, в других смешение происходит непосредственно в цилиндре.

Далее поршень начинает подниматься. Одновременно впускной клапан закрывается, что обеспечивает создание достаточно большого давления внутри цилиндра. При достижении поршнем крайней верхней точки вся топливно-воздушная смесь оказывается сжатой в части цилиндра, называемой камерой сгорания. В этот момент свеча дает электрическую искру, и смесь воспламеняется.

В результате сгорания смеси выделяется большое количество газов, которые, стремясь заполнить собой весь предоставленный объем, давят на поршень, заставляя его опускаться. Эта работа поршня передается посредством кривошипно-шатунного механизма на вал, который начинает вращаться и вращать привод колес автомобиля.

Как только поршень завершает свое движение вниз, открывается клапан выпускного коллектора.

Оставшиеся газы устремляются туда, так как на них давит поршень, идущий вверх под воздействием вала. Цикл закончен, далее поршень снова опускается вниз, начиная новый цикл.

Как видно, полезную работу выполняет лишь одна фаза цикла. Остальные фазы — это работа двигателя «на самого себя». Даже такой положение вещей делает двигатель внутреннего сгорания одной из наиболее удачных по КПД систем, внедренных в производство. В то же время, возможность уменьшения «холостых» в смысле КПД циклов приводит к появлению новых, более экономичных систем. Кроме того, разрабатываются и ограниченно внедряются двигатели, которые вообще лишены поршневой системы. Например, некоторые японские автомобили оснащены роторными двигателями, имеющими более высокий коэффициент полезного действия.

В то же время, такие двигатели имеют ряд недостатков, связанных, в основном, с дороговизной производства и сложностью обслуживания таких моторов.

Система питания

Для того чтобы поступающая в камеру сгорания горючая смесь правильно сжигалась и обеспечивала бесперебойную работу двигателя, она должна вводится четко отмеренными порциями и быть соответствующим образом подготовлена. Для этой цели служит топливная система, важнейшими частями которой являются бензобак, топливопровод, топливные насосы, устройство для смешивания топлива и воздуха, коллектор, различные фильтры и датчики.

Понятно, что назначение бензобака – хранить необходимое количество топлива. Топливо воды используются в качестве магистралей для перекачки с помощью бензинового насоса, фильтры бензина и воздуха нужны, чтобы не допустить засорения тонких коллекторов, клапанов и топливоводов.

Подробнее стоит остановиться на работе карбюратора. Несмотря на то, что автомобили с такими устройствами больше не выпускаются, немало машин с карбюраторным типом двигателя до сих пор эксплуатируется во многих странах мира. Карбюратор смешивает топливо с воздухом следующим образом.

В поплавковой камере поддерживается постоянный уровень топлива и давления благодаря балансировочному отверстию, стравливающему лишний воздух,и поплавку, открывающему клапан топливовода, как только уровень топлива в камере карбюратора снижается. Карбюратор через жиклер и диффузор связан с цилиндром. Когда давление в цилиндре снижается, точно отмеренное благодаря жиклеру количество топлива устремляется в диффузор воздушной камеры.

Тут, за счет очень маленького диаметра отверстия, оно под большим давлением проходит в цилиндр, бензин смешивается с атмосферным воздухом, прошедшим через фильтр, и образованная смесь попадает в камеру сгорания.

Проблема карбюраторных систем – в невозможности максимально точно отмерить количество топлива и количество воздуха, попадающие в цилиндр. Поэтому все современные автомобили оснащены системой впрыска, называемой также инжекторной.

В инжекторном двигателе вместо карбюратора впрыск осуществляется форсункой или форсунками – специальным механическим распылителем, важнейшей частью которого является электромагнитный клапан. Эти устройства, особенно работая в паре со специальными вычислительными микрочипами, позволяют впрыскивать точно отмеренное количество топлива в необходимый момент. В результате двигатель работает ровнее, запускается легче, потребляет меньше топлива.

Механизм газораспределения

Понятно, каким образом карбюратор подготавливает горючую смесь из бензина и воздуха. Но как работают клапаны, обеспечивающие своевременную подачу этой смеси в цилиндр? За это ответственен механизм газораспределения. Именно он выполняет своевременное открытие и закрытие клапанов, а также обеспечивает необходимую длительность и высоту их подъема.

Именно эти три параметра и являются в совокупности фазами газораспределения.

Современные двигатели имеют специальное устройство для изменения этих фаз, называемое фазовращатель двс принцип работы которого основан на повороте в случае необходимости распредвала. Эта муфта при увеличении количества впрыскиваемого топлива поворачивает распределительный вал на определённый угол по ходу вращения. Такой изменение его положения приводит к тому, что впускные клапаны открываются раньше, и камеры сгорания наполняются смесью лучше, компенсируя постоянно возрастающую потребность в мощности. На наиболее технически передовых моделях стоит несколько таких муфт, они управляются достаточно сложной электроникой и могут регулировать не только частоту открытия клапана, но и его ход, что отлично сказывается на работе двигателя при максимальных оборотах.

Принцип работы системы охлаждения двигателя

Разумеется, далеко не вся выделяемая энергия связей молекул топлива превращается в полезную работу. Основная ее часть теряется, превращаясь в тепло, да и трение деталей ДВС также создает тепловую энергию. Лишнее тепло необходимо отводить. Именно этой цели служит система охлаждения.

Разделяют воздушную систему, жидкостную и комбинированную. Наиболее распространена жидкостная система охлаждения, хотя встречаются автомобили и с воздушной – ее использовали для упрощения конструкции и удешевления бюджетных машин, либо для уменьшения веса, если речь шла о спорткарах.

Основные элементы системы представлены теплообменником, радиатором, центробежным насосом, расширительным бачком и термостатом. Кроме того, в систему охлаждения входят масляный радиатор, вентилятор радиатора, датчик температуры охлаждающей жидкости.

Жидкость циркулирует через теплообменник под воздействием насоса, снимая температуру с двигателя. Пока двигатель не нагреется, специальный клапан закрывает радиатор – это называется «малый круг» движения. Такая работа системы позволяет быстро прогреть двигатель.

Как только температура поднимается до рабочей, термодатчик дает команду на открытие клапана, и охлаждающая жидкость начинает двигаться через радиатор. Тонки трубки этого агрегата обдуваются стильным потоком встречного ветра, охлаждая таким образом жидкость, которая опять поступает в коллектор, начиная круг охлаждения заново.

Если воздействия набегающего воздуха недостаточно для нормального охлаждения – автомобиль работает со значительной нагрузкой, движется с малой скоростью или стоит очень жаркая погода, включается вентилятор охлаждения. Он обдувает радиатор, принудительно охлаждая рабочую жидкость.

Машины, оборудованные турбонаддувом, имеют два контура охлаждения. Один – для охлаждения непосредственно ДВС, второй – для снятия лишнего тепла с турбины.

Электрика

Первые автомобили обходились минимумом электрики. В современных машинах появляется все больше и больше электрических цепей. Электроэнергию потребляют система подачи топлива, зажигание, система охлаждения и отопления, освещение. При наличии немало энергии потребляет система кондиционирования, управления двигателем, электронные системы обеспечения безопасности. Такие агрегаты, как система запуска и свечи накаливания потребляют энергию кратковременно, но в больших количествах.

Для обеспечения всех этих элементов необходимой электроэнергией используются источники тока, электрическая проводка, элементы управления и блоки предохранителей.

Источники тока автомобиля – аккумуляторная батарея, работающая в паре с генератором. Когда двигатель работает, привод от вала крутит генератор, вырабатывающий необходимую энергию

Генератор работает, преобразовывая энергию вращения вала в электрическую энергию, используя принципы электромагнитной индукции. Для того, чтобы осуществить пуск ДВС, используется энергия аккумулятора.

Во время запуска основным потребителем энергии является стартер. Это устройство является двигателем постоянного тока, предназначенным для прокрутки коленчатого вала, обеспечивающей начало цикла работы ДВС. Принцип работы двигателя постоянного тока основывается на взаимодействии, возникающем между магнитным полем, образующимся в статоре, и токе, протекающем в роторе. Эта сила влияет на ротор, который начинает вращаться, причем его вращение совпадает с вращением магнитного поля, характерного для статора. Таким образом электрическая энергия преобразовывается в механическую, а стартер начинает раскручивать вал двигателя. Как только двигатель запускается и начинает работать генератор, аккумулятор перестает отдавать энергию и начинает ее накапливать. Если генератор не работает или по какой-то причине его мощности недостаточно, аккумулятор продолжает отдавать энергию и разряжаться.

Такой тип двигателя тоже является ДВС, но имеет отличительные особенности, позволяющие резко отделять двигатели, работающие по принципу, изобретенному Рудольфом Дизелем, от прочих ДВС, работающих на «легком» топливе вроде бензина «в автомобилистике» или керосина «в авиации».

Различие в используемом топливе предопределяют различия конструкции. Дело в том, что «солярку» относительно сложно поджечь и добиться ее мгновенного сгорания в обычных условиях, поэтому способ воспламенения от свечи для этого топлива не подходит. Воспламенения дизеля осуществляется за счет его контакта с разогретым до очень большой температуры воздухом. С этой целью используется свойство газов нагреваться при сжатии. Поэтому поршень, работающий на дизельном ДВС, сжимает не топливо, а воздух. Когда степень сжатия доходит до максимума, а сам поршень – до крайней верхней точки, стоящая вместо свечи форсунка «электромагнитный насос» впрыскивает дисперсно распыленное топливо. Оно взаимодействует с горячим кислородом и воспламеняется. Далее происходит работа, характерная и для бензинового ДВС.

При этом мощность ДВС меняется не пропорцией смеси воздуха и топлива, как в бензиновых моторах, а исключительно количеством впрыскиваемого дизеля, в то время как количество воздуха постоянно и не меняется. При этом принцип действия современного бензинового агрегата, оснащенного форсункой, абсолютно не схож с принципом работы дизельного ДВС.

Работающие с бензином электромеханические распылительные насосы предназначены, прежде всего, для более точного отмеривания впрыскиваемого топлива, и взаимодействуют со свечей зажигания. В чем эти два типа ДВС схожи — так это в повышенной требовательности к качеству топлива.

Так как давление воздуха, создаваемое работой поршня дизельного мотора, значительно выше давления, оказываемого сжатой воздушно-бензиновой смесью, такой двигатель более требователен к зазорам между поршнем и стенками цилиндра. К тому же, дизельный двигатель труднее запустить зимой, так как «солярка» под воздействием низких температурных показателей густеет, и форсунка не может достаточно качественно распылить ее.

И современный бензиновый мотор, и его дизельный «родственник» крайне неохотно работают на бензине «ДТ» несоответствующего качества, и даже кратковременное его применение чревато серьезными проблемами с топливной системой.

Современные двигатели внутреннего сгорания – наиболее эффективные устройства перехода тепловой энергии в механическую. Несмотря на то, что большая часть энергии тратится не на непосредственно полезную работу, а на поддержание цикла самого двигателя, человечество пока не научилось массово производить устройства, которые были бы практичнее, мощнее, экономичнее и удобнее, чем ДВС. Вместе с тем, удорожание углеводородных энергоносителей и забота об окружающей среде заставляют искать новые варианты двигателей для легковых автомобилей и общественного транспорта. Наиболее перспективными на данный момент выглядит использование автономных, оснащенных батареями большой емкости, электрических двигателей, КПД которых намного выше, и гибридов таких двигателей с бензиновыми вариантами. Ведь обязательно настанет время, когда использовать углеводороды для приведения в движение личного автотранспорта станет абсолютно невыгодно, и ДВС займут место на музейных полках, как паровозные двигатели – полвека назад.

Большинство 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:

1. Впуск топлива.
2. Сжатие топлива.
3. Сгорание.
4. 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.

Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС – это наиболее распространённый тип двигателя, который можно встретить на автомобилях. Невзирая на тот факт, что двигатель внутреннего сгорания в современных автомобилях состоит из множества частей, его принцип работы предельно прост. Давайте подробнее рассмотрим, что же такое ДВС, и как он функционирует в автомобиле.

ДВС что это?

Двигатель внутреннего сгорания – это вид теплового двигателя, в котором преобразовывается часть химической энергии, получаемой при сгорании топлива, в механическую, приводящую механизмы в движение.

ДВС разделяются на категории по рабочим циклам: двух- и четырёхтактные. Также их различают по способу приготовления топливно-воздушной смеси: с внешним (инжекторы и карбюраторы) и внутренним (дизельные агрегаты) смесеобразованием. В зависимости от того, как в двигателях преобразовывается энергия, их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные и комбинированные.

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания состоит из огромного количества элементов. Но есть основные, которые характеризуют его производительность. Давайте рассмотрим строение ДВС и основных его механизмов.

1. Цилиндр – это самая важная часть силового агрегата. Автомобильные двигатели, как правило, имеют четыре и более цилиндров, вплоть до шестнадцати на серийных суперкарах. Расположение цилиндров в таких двигателях может находиться в одном из трёх порядков: линейно, V-образно и оппозитно.

2. Свеча зажигания генерирует искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Благодаря этому и происходит процесс сгорания. Чтобы двигатель работал «как часы», искра должна подаваться точно в положенное время.

3. Клапаны впуска и выпуска также функционируют только в определённые моменты. Один открывается, когда нужно впустить очередную порцию топлива, другой, когда нужно выпустить отработанные газы. Оба клапана крепко закрыты, когда в двигателе происходят такты сжатия и сгорания. Это обеспечивает необходимую полную герметичность.

4. Поршень представляет собой металлическую деталь, которая имеет форму цилиндра. Движение поршня осуществляется вверх-вниз внутри цилиндра.

5. Поршневые кольца служат уплотнителями скольжения внешней кромки поршня и внутренней поверхности цилиндра. Их использование обусловлено двумя целями:

Они не дают попадать горючей смеси в картер ДВС из камеры сгорания в моменты сжатия и рабочего такта.

Они не дают попасть маслу из картера в камеру сгорания, ведь там оно может воспламениться. Многие автомобили, которые сжигают масло, оборудованы старыми двигателями, и их поршневые кольца уже не обеспечивают должного уплотнения.

6. Шатун служит соединительным элементом между поршнем и коленчатым валом.

7. Коленчатый вал преобразует поступательные движения поршней во вращательные.

8. Картер располагается вокруг коленчатого вала. В его нижней части (поддоне) собирается определённое количество масла.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

В предыдущих разделах мы рассмотрели назначение и устройство ДВС. Как вы уже поняли, каждый такой двигатель имеет поршни и цилиндры, внутри которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Это, в свою очередь, заставляет автомобиль двигаться. Данный процесс повторяется с поразительной частотой – по несколько раз в секунду. Благодаря этому, коленчатый вал, который выходит из двигателя, непрерывно вращается.

Рассмотрим подробнее принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Смесь топлива и воздуха попадает в камеру сгорания через впускной клапан. Далее она компрессируется и воспламеняется искрой от свечи зажигания. Когда топливо сгорает, в камере образуется очень высокая температура, которая приводит к появлению избыточного давления в цилиндре. Это заставляет двигаться поршень к «мёртвой точке». Он таким образом совершает один рабочий ход. Когда поршень двигается вниз, он посредством шатуна вращает коленчатый вал. Затем, двигаясь от нижней мёртвой точки к верхней, выталкивает отработанный материал в виде газов через клапан выпуска далее в выхлопную систему машины.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня. Совокупность таких тактов, которые повторяются в строгой последовательности и за определённый период – это рабочий цикл ДВС.

Впуск

Впускной такт является первым. Он начинается с верхней мёртвой точки поршня. Он движется вниз, всасывая в цилиндр смесь из топлива и воздуха. Этот такт происходит, когда клапан впуска открыт. Кстати, существуют двигатели, у которых присутствует несколько впускных клапанов. Их технические характеристики существенно влияют на мощность ДВС. В некоторых двигателях можно регулировать время нахождения впускных клапанов открытыми. Это регулируется нажатием на педаль газа. Благодаря такой системе количество всасываемого топлива увеличивается, а после его возгорания существенно возрастает и мощность силового агрегата. Автомобиль в таком случае может существенно ускориться.

Сжатие

Вторым рабочим тактом двигателя внутреннего сгорания является сжатие. По достижении поршнем нижней мертвой точки, он поднимается вверх. За счёт этого попавшая в цилиндр смесь во время первого такта сжимается. Топливно-воздушная смесь сжимается до размеров камеры сгорания. Это то самое свободное место между верхними частями цилиндра и поршня, который находится в своей верхней мертвой точке. Клапаны в момент этого такта плотно закрыты. Чем герметичнее образованное пространство, тем более качественное сжатие получается. Очень важно, какое состояние у поршня, его колец и цилиндра. Если где-то присутствуют зазоры, то о хорошем сжатии речи быть не может, а, следовательно, и мощность силового агрегата будет существенно ниже. По величине сжатия определяется то, насколько изношен силовой агрегат.

Рабочий ход

Этот третий по счёту такт начинается с верхней мёртвой точки. И такое название он получил не случайно. Именно во время этого такта в двигателе происходят те процессы, которые двигают автомобиль. В этом такте подключается система зажигания. Она отвечает за поджог воздушно-топливной смеси, сжатой в камере сгорания. Принцип работы ДВС в этом такте весьма прост – свеча системы дает искру. После возгорания топлива происходит микровзрыв. После этого оно резко увеличивается в объёме, заставляя поршень резко двигаться вниз. Клапаны в этом такте находятся в закрытом состоянии, как и в предыдущем.

Выпуск

Заключительный такт работы двигателя внутреннего сгорания – выпуск. После рабочего такта поршнем достигается нижняя мёртвая точка, а затем открывается выпускной клапан. После этого поршень движется вверх, и через этот клапан выбрасывает отработанные газы из цилиндра. Это процесс вентиляции. От того, насколько чётко работают клапан, зависит степень сжатия в камере сгорания, полное удаление отработанных материалов и нужное количество воздушно-топливной смеси.

После этого такта всё начинается заново. А за счёт чего вращается коленвал? Дело в том, что не вся энергия уходит на движение автомобиля. Часть энергии раскручивает маховик, который под действием инерционных сил раскручивает коленчатый вал ДВС, перемещая поршень в нерабочие такты.

А знаете ли вы? Дизельный двигатель тяжелее, чем бензиновый, из-за более высокого механического напряжения. Поэтому конструкторы используют более массивные элементы. Зато ресурс таких двигателей выше бензиновых аналогов. Кроме того, дизельные автомобили возгораются значительно реже бензиновых, так как дизель нелетучий.

Достоинства и недостатки

Мы с вами узнали, что представляет из себя двигатель внутреннего сгорания, а также каково его устройство и принцип работы. В заключение разберём его основные преимущества и недостатки.

Преимущества ДВС:

1. Возможность длительного передвижения на полном баке.

2. Небольшой вес и объём бака.

3. Автономность.

4. Универсальность.

5. Умеренная стоимость.

6. Компактные размеры.

7. Быстрый старт.

8. Возможность использования нескольких видов топлива.

Недостатки ДВС:

1. Слабый эксплуатационный КПД.

2. Сильная загрязняемость окружающей среды.

3. Обязательное наличие коробки переключения передач.

4. Отсутствие режима рекуперации энергии.

5. Большую часть времени работает с недогрузом.

6. Очень шумный.

7. Высокая скорость вращения коленчатого вала.

8. Небольшой ресурс.

Интересный факт! Самый маленький двигатель спроектирован в Кембридже. Его габариты составляют 5*15*3 мм, а его мощность 11,2 Вт. Частота вращения коленвала составляет 50 000 об/мин.