Принцип работы и устройство двигателя

Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.

В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
  • карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
• Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
• Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Особенности их устройства заключаются в преображении тепловой энергии в механическую работу с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.

Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.

Принцип работы двигателя

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Впуск топлива;
2. Сжатие топлива;
3. Сгорание;
4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. 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 поршень 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 работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Системы двигателя

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
2. Система смазки;
3. Система охлаждения;
4. Система подачи топлива;
5. Выхлопная система.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал;
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
• Детали привода клапанов;
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

Система смазки

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон);
• Насос подачи масла;
• Масляный фильтр с редукционным клапаном;
• Маслопроводы;
• Масляный щуп (индикатор уровня масла);
• Указатель давления в системе;
• Маслоналивная горловина.

Система охлаждения

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя;
• Насос (помпа);
• Термостат;
• Радиатор;
• Вентилятор;
• Расширительный бачок.

Система подачи топлива

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак;
• Датчик уровня топлива;
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
• Топливные трубопроводы;
• Впускной коллектор;
• Воздушные патрубки;
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Выхлопная система

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор;
• Приемная труба глушителя;
• Резонатор;
• Глушитель;
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

Циркуляция охлаждающей жидкости в системе двигателя

Речь идет о двигателе внутреннего сгорания. По названию видно, что внутри двигателя происходит сгорание топлива. При этом получается тепло, которое разогревает мотор. Для двигателя необходима оптимальная температура, при которой он работает нормально. Для создания и поддержания такого заданного режима во многих двигателях используется система охлаждения, включающая в себя циркуляцию охлаждающей жидкости в двигателе.

Применение системы охлаждения

Сама система усложняет процесс изготовления, делая его более энергоемким, что ведет к удорожанию всей конструкции. Во время эксплуатации требуется проводить регулярное наблюдение, устранение неисправностей и ремонт. Поэтому систему охлаждения стремятся сделать наиболее простой. Все системы можно разделить на три вида:

Использование воздуха

Воздушная система — самая простая и дешевая, в основном не требует дополнительного оборудования и присмотра. Используется два способа циркуляции:

Естественный способ широко используется на скоростных и легких подвижных транспортных средствах, например, в самолетах, которые, как правило, летают в более холодных слоях атмосферы.

Двигатель охлаждается воздухом, который нагнетается винтом. К легким транспортным средствам можно отнести мототранспорт и всевозможные модели. Мощность двигателя таких конструкций небольшая, естественного обдува, в основном, хватает. Для увеличения теплоотдачи цилиндры выносятся из двигателя и снабжаются ребрами.

Отрицательной чертой такого охлаждения является отсутствие возможности регулировать температуру двигателя. В холодную погоду требуется много времени на его прогрев, а в жаркую приходится глушить двигатель, чтобы он остыл.

Эта проблема частично решается принудительным способом. Он используется в двигателях, которые установлены стационарно. В этом случае на двигатель направляется поток воздуха, идущего от вентилятора. Этим потоком можно управлять, меняя скорость вращения вентилятора.

Употребление жидкости

Чтобы охлаждающая система была более регулируемой и эффективной, применяют жидкостный охладитель. Кроме того, схема движения тосола в системе охлаждения имеет два круга: большой и малый, что также способствует равномерности температуры. В этом качестве раньше использовали воду. В отличие от воздуха у воды лучшая теплопроводимость, что повышает КПД. Используемая система может быть:

При использовании первой системы жидкость циркулирует по замкнутой цепи. Движется по трубам или шлангам самотеком или благодаря водяному насосу. Нагреваясь от работающего двигателя, она расширяется, создавая давление, превышающее атмосферное. Поэтому точка кипения достигает 110 — 120 градусов. Для охлаждения используется теплообменник, который, в свою очередь, охлаждается воздушным потоком. Для регулировки температуры (ОЖ) меняют скорость воздуха, проходящего через теплообменник. Это можно делать, открывая и закрывая жалюзи или меняя скорость потока воздуха. Используется в мощных двигателях.

Незамкнутая система используется там, где нет недостатка в воде — это плавсредства. Вода поступает с водоема и с помощью насоса передается к двигателю. После охлаждения двигателя она выбрасывается наружу.

Преимущество в том, что не нужно устанавливать теплообменник и вентилятор для его охлаждения.

Работа комбинированной схемы

Такая система в основном используется в автомобилях и некоторых мотоциклах. Она включает в себя как жидкостное, так и воздушное охлаждение. В блоке цилиндров делаются окна, по которым вода протекает и нагревается.

Чтобы не нарушать естественное движение нагреваемой жидкости, ее подводят к нижнему краю цилиндра, далее она поднимается к головке и выходит наружу. После чего движение продолжается по трубке к верхнему бачку радиатора. Опускаясь вниз по трубкам радиатора, жидкость охлаждается и по трубке подходит к водяному насосу, также именуемому помпой. От помпы по трубке проходит в нижний край блока цилиндров, и схема движения охлаждающей жидкости в двигателе замыкается.

В зимнее время, и когда мотор еще не нагрелся, необходимости в охлаждении мотора нет.

Чтобы отключить на это время радиатор, используют термостат. Таким образом, он является регулятором для определения большого и малого круга системы охлаждения. Он расположен на выходе охлаждающей жидкости из мотора. Термостат устроен таким образом, что при невысокой температуре охлаждающей жидкости перекрывает ей доступ к радиатору, образуя малый круг охлаждения двигателя.

Элементы, входящие в систему

Комбинированная схема закрытого типа включает в себя систему обогрева салона машины. Исходя из этого, можно составить следующий список элементов, входящих в охлаждающую систему:

• радиаторы (один для охлаждения, другой для обогрева);
• вентиляторы;
• водяной насос (помпа);
• термостат;
• датчик температуры.

Радиатор выполняет основную роль в охлаждающей системе. Его изготавливают из двух бачков, которые объединяются множеством латунных сварных или вытянутых трубок. Из алюминия трубки делают реже, так как прочность их ниже. Трубки могут быть прямыми или ленточными, сечение эллипсом. Благодаря такому строению они легче выдерживают давление замерзшей жидкости. Для увеличения площади теплоотдачи трубки проходят через пакет пластин. В нижнем бачке имеется кран для слива жидкости. В верхнем бачке расположена горловина или патрубок, ведущий к расширительному бачку. Закрывается пробкой, внутри которой расположены впускной и выпускной клапаны.

На боковой стороне радиатора расположен датчик температуры, указывающий температуру охлаждающей жидкости. В центре устанавливается вентилятор для обдува радиатора. Привод он может получать тремя способами:

1. Непосредственно от коленвала.
2. Через муфту.
3. От электродвигателя.

Водяной центробежный насос прогоняет жидкость по всей системе. Крепится непосредственно на коленвале. При большой мощности мотора производят охлаждение масла, устанавливая масляный радиатор на основной.

Виды охлаждающей жидкости

Самой дешевой жидкостью является вода, особенно если она мягкая. Она обладает хорошей теплоемкостью, имеет низкую вязкость, что позволяет ей просачиваться сквозь небольшие отверстия. Однако она сильно вызывает коррозию и замерзает при сравнительно высоких температурах, поэтому ее заменяют тосолом.

В советское время был институт, который занимался разработкой охлаждающих жидкостей. Совокупность всех жидкостей, борющихся с замерзанием, обледенением, называют антифризом (переводится как «против замерзания»). К ним относится водный раствор этиленгликоля, реже пропиленгликоля, который нетоксичен, но значительно дороже.

Антифризы не только замерзают при более низких температурах, но и меньше расширяются при замерзании. Например, вода расширяется на 9%, а 40% водный раствор этиленгликоля всего на 1,5%. Процесс замерзания происходит тоже по-разному. Вода при замерзании превращается в сплошной монолит, а раствор этиленгликоля кристаллизуется, не нанося вреда механизмам.

Добавки, которые входят в антифризы, направлены на борьбу с коррозией, смазывают трущиеся детали, борются с пеной. Немаловажным является и то, что у них также повышена точка кипения, что благотворно сказывается на моторе.

При всех плюсах этиленгликолевые антифризы имеют и минусы. Главный из них — высокая токсичность. Для человека весом 70 кг достаточно 140 миллилитров, чтобы привести к летальному исходу. Ядом является не только сама жидкость, но и ее пары. Даже небольшая утечка в отопительном радиаторе может привести к тяжелым последствиям. Для своевременного обнаружения неисправности такие антифризы обладают флуоресцентными свойствами.

Другим недостатком является большой коэффициент расширения. Для новых авто это не проблема, у них уже на этот случай стоит расширительный бачок, а вот для старых без доработки это будет затруднительно. В горячем состоянии антифриз выбросится, а когда остынет, уровень сильно упадет. Существует другая трудность, с ней уже намного труднее справиться.

Антифриз хуже передает тепло, примерно на 15 — 20%. В жаркую погоду он просто не справится со своей работой, и мотор может перегреться.

Срок годности этиленгликоля ограничивается 2 — 3 годами, при повышенных температурах срок сильно сокращается, а при превышении температуры 105 градусов добавки, смазывающие детали двигателя, быстро разрушаются. Для повышения качества стали использовать силикатные антифризы. В США и Японии используют фосфатные антифризы, но для Европы из-за повышенной жесткости воды они непригодны.