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.

Принцип работы и особенности конструкции двигателя внутреннего сгорания

Сегодня на автомобилях используются различные по своей конструкции двигатели внутреннего сгорания, которые могут оснащаться турбинами, что обеспечивает повышение мощности и великолепную топливную экономичность.

Сердцем любого автомобиля является двигатель внутреннего сгорания, который отвечает за динамические характеристики машины, ее мощность и приёмистость. Сегодня на современных автомобилях используются различные типы двигателей, атмосферные и турбированные агрегаты, которые могут работать на бензине, дизеле и других видах топлива. Поговорим поподробнее о том, какие существуют двигатели внутреннего сгорания, опишем их конструкцию и расскажем о работе силовых агрегатов.

Разновидности двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой агрегат, в котором происходит сгорание топлива, что позволяет преобразовать энергию в механическую силу, приводящую в движение колёса автомобиля. На сегодняшний день распространение получили следующие типы двигателей внутреннего сгорания:

1) поршневые агрегаты;

2) газотурбинные двигатели;

3) роторно-поршневые ДВС.

Самым популярным типом силовых агрегатов являются поршневые двигатели, которые могут выполняться атмосферными или дополнительно оснащаются турбинами, обеспечивающими отличную мощность и великолепные топливно-экономичные характеристики. Если в прошлом наибольшим спросом пользовались многолитровые атмосферные двигатели, то сегодня большинство автопроизводителей переходят на турбированные агрегаты, рабочий объем которых составляет не более 2-2,5 литров, а мощность может достигать 300 лошадиных сил.

К преимуществам поршневых двигателей можно отнести следующее:

1) относительная простота конструкции;

2) надежность и долговечность;

3) универсальность использования;

4) лёгкость ремонта.

Основным недостатком атмосферных двигателей являлся их существенный вес и посредственные показатели топливной экономичности, которые сочетались с небольшой мощностью таких агрегатов. Решить проблемы удалось путём установки сразу нескольких небольших по своему размеру турбин, что исключает возникновение турбоямы, то есть провала мощности на низких оборотах, при этом такой мотор потребляет меньше топлива, имеет легкий вес и отличается великолепной мощностью.

В зависимости от своего вида топлива принято разделять бензиновые, дизельные, газовые и спиртовые агрегаты. Последнее не получили должного распространения и встречаются преимущественно в Латинской Америке. Наибольшим спросом изначально пользовались бензиновые двигатели, которые многие автовладельцы в целях экономии переводили на газ. Однако сегодня наибольшую популярность получили дизельные моторы, которые одновременно мощные, отличаются великолепной топливной экономичностью, и при этом на них удалось решить проблемы с повышенной шумностью и существенной вибрацией.

В восьмидесятых и девяностых годах многие автопроизводители пытались выпускать свои машины с газотурбинными и ротор-поршневыми двигателями, однако такие моторы в силу сложности своей конструкции не получили должного распространены на рынке. Сегодня они, если и встречаются, то в Японии и странах Азии, а в Европе и России являются настоящей экзотикой.

Особенности конструкции

Современный двигатель внутреннего сгорания полностью управляется автоматикой и может существенно отличаться своей конструкцией. Стандартные агрегаты включают следующие блоки и узлы:

1) система управления;

2) выхлопная система и охлаждение;

3) зажигание в бензиновых моторах;

4) система смазки агрегата;

5) впуск и топливная система;

6) кривошипно-шатунный механизм;

7) газораспределительная система.

Корпус двигателя будет состоять из головки блока цилиндров, сверхпрочного блока цилиндров, а также кривошипно-шатунного механизма, который превращает движение коленвала во вращение привода и колес. С каждым годом конструкция двигателей неизменно усложняется, что является веянием времени, так как необходимо обеспечить улучшение топливно-экономических показателей, повысить мощность агрегатов, одновременно снизив их токсичность выхлопа.

Более 99% используемых на автомобилях ДВС являются четырехтактным, что позволяет обеспечить ровную работу агрегата, без провала мощности и выраженной детонации. Принцип их работы основывается на расширении газов при сгорании, что позволяет приводить в движение коленвал двигателя. В течение первых двух тактов – впуска и сжатия поршень будет двигаться вниз, а в последующем на рабочем ходу и выпуске происходит его быстрое движение вверх. Работа всех цилиндров полностью согласована, что позволяет обеспечить нужную мощность и ровное без провалов вращение коленвала, то есть двигатель выдает крутящий момент на коробку передач и далее на ведущие колёса.

В последние годы существенно усложнилась конструкция впрыска, который состоит из специальных форсунок, обеспечивающих веерное распыление топлива с каплями размером в несколько микрон. Только так удается обеспечить полное сгорание топлива, соответственно улучшается отдача мотора и сокращается расход бензина и дизеля. Вся работа как впрыска, так и в целом двигателя управляется многочисленными электронными блоками, которые получают сигналы от десятков и сотен всевозможных датчиков.

Именно такое усложнение конструкции, которое в особенности отмечается на турбированных агрегатах, привело к тому, что существенно ухудшились показатели ресурса двигателей, если ранее возможен был самостоятельный ремонт, то сегодня машину при любых неисправностях приходится отгонять в сервис. Надежность двигателей пострадала, поэтому редко какой мотор может выдержать без капитального восстановления 200-300 тысяч километров. Тогда как ранее атмосферные моторы могли пробежать 1 000 000 километров и более.

Современные двигатели крайне критичны к качеству и регулярности выполнения сервиса. Если автовладелец пренебрегает рекомендациями производителя авто или использует не слишком качественное масло и антифриз, то в скором времени появляются серьезные проблемы, устранение которых может обойтись в круглую сумму. То же самое касается качества топлива. Стоит несколько раз заправиться на АЗС с сомнительным бензином, как инжектор и форсунки начинают неправильно работать, появляется детонация, выраженная дрожь, а в скором времени автовладельцу приходится посещать сервис, меняя при этом дорогостоящие вышедшие из строя элементы впрыска.

Выводы

Сердцем любого автомобиля является двигатель внутреннего сгорания, который может выполняться атмосферным и турбированным, работать на бензине или дизеле. Современные моторы полностью управляются электроникой, они экономичны, одновременно имеют небольшой объем, с которого удаётся снять более 100 лошадиных сил с литра рабочего объема. Автовладельцу лишь необходимо обеспечить соответствующий правильный сервис агрегата, что и станет залогом беспроблемности эксплуатации авто и отсутствия серьезных поломок.