Принцип работы двс. Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания Основные части двигателя внутреннего сгорания

Для ознакомления с главной и неотъемлемой частью любого транспортного средства рассмотрим из чего состоит двигатель? Для полноценного восприятия его важности, двигатель всегда сравнивают с сердцем человека. Пока сердце работает - человек живет. Аналогично и двигатель, как только он останавливается, или не запускается - автомобиль со всеми его системами и механизмами превращается в груду бесполезного железа.

За время модернизации и совершенствования автомобилей, двига­те­ли очень сильно изменились по своей конструкции в сторону компактности, экономичности, бесшумности, долговеч­нос­ти и т.д. Но принцип работы остался неизменным - на каждом автомобиле имеется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Исключение составляют только электродвигатели как альтернативный способ получения энергии.

Устройство двигателя автомо­би­ля представлено в разрезе на рисунке 2 .

Название «двигатель внутреннего сгорания» произошло именно от принципа получения энергии. Топливно-воздушная смесь, сгорая внутри цилиндра двигателя, выделяет огромное количество энергии и заставляет через многочисленную цепочку узлов и механизмов в конечном итоге двигаться легковой автомобиль.

Именно пары топлива в смешивании с воздухом при воспламенении дают такой эффект в ограниченном пространстве.

Для наглядности на рисунке 3 показано устройство одноцилиндрового двигателя автомобиля.

Рабочий цилиндр изнутри представ­ля­ет собой замкнутое пространство. Поршень, соединенный через шатун с коленчатым валом, является единственным подвижным элементом в цилиндре. Когда пары топлива и воздуха воспламеняются, вся высвобождаемая энергия давит на стенки цилиндра и поршень, заставляя его перемещаться вниз.

Конструкция коленча­то­го вала выполнена таким образом, что движением поршня через шатун создается крутящий момент, заставляя проворачи­вать­ся сам вал и получать вращательную энергию. Таким образом, высвобождаемая энергия от горения рабочей смеси преобразуется в механическую энергию.

Для приготовления топливно-воздушной смеси используются два способа: внутреннее или внешнее смесеобразование. Оба способа еще отличаются по составу рабочей смеси и методов ее воспламенения.

Чтобы иметь четкое понятие, стоит знать, что в двигателях применяют два вида топлива: бензин и дизельное топливо. Оба вида энергоносителей получаются на основе переработки нефти. Бензин очень хорошо испаряется на воздухе.

Поэтому для двигателей, работающих на бензине, для получения топливно-воздушной смеси применяется такое устройство как карбюратор.

В карбюраторе поток воздуха смешивается с капельками бензина и подается в цилиндр. Там полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется при подаче искры через свечу зажигания.

Дизельное топливо (ДТ) обладает малой испаряемостью при обычной температуре, но при смешивании с воздухом под огромным давлением, полученная смесь самовоспламеняется. На этом и основан принцип работы дизельных двигателей.

ДТ впрыскивается в цилиндр отдельно от воздуха через форсунку. Узкие сопла форсунки в сочетании с большим давлением при впрыскивании в цилиндр превращают дизельное топливо в мелкие капли, которые смешиваются с воздухом.

Для визуального представления - это аналогично тому, когда вы давите на крышку баллончика с духами или одеколоном: выдавливаемая жидкость моментально смешивается с воздухом, образуя мелкодисперсионную смесь, которая тут же распыляется, оставляя приятный аромат. Тот же самый эффект распыления происходит и в цилиндре. Поршень, двигаясь вверх, сжимает воздушное пространство, увеличивая давление, и смесь самовозгорается, заставляя поршень двигаться в обратном направлении.

В обоих случаях качество приготовленной рабочей смеси сильно влияет на полноценную работу двигателя. Если идет недостаток в топливе или воздухе - рабочая смесь не полностью сгорает, а вырабатываемая мощность двигателя существенно уменьшается.

Как же и за счет чего подается рабочая смесь в цилиндр?

На рисунке 3 видно, что от цилиндра вверх выходят два стержня с большими шляпками. Это впускной и
выпускной клапаны, которые закрываются и открываются в определенные моменты времени, обеспечивая рабочие процессы в цилиндре. Они могут быть оба закрыты, но никогда оба не могут быть открыты. Об этом будет сказано чуть позже.

На бензиновом двигателе в цилиндре присутствует та самая свеча, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Это происходит за счет возникновения искры под воздействием электрического разряда. Принцип действия и работы будет рассмотрен при изучении

Впускной клапан обеспечивает своевременное поступление рабочей смеси в цилиндр, а выпускной клапан - своевременный выпуск отработавших газов, которые больше не нужны. Клапаны работают в определенный момент времени движения поршня. Весь процесс превращения энергии от сгорания в механическую энергию называется рабочим циклом, состоящим из четырех тактов: впуск рабочей смеси, сжатие, рабочий ход и выпуск отработавших газов. Отсюда и название - четырехтактный двигатель.

Рассмотрим, как это происходит по рисунку 4 .

Поршень в цилиндре совершает только возвратно-поступательные движе­ни­я, то есть вверх-вниз. Это называется ходом поршня. Крайние точки, между которыми двигается поршень, называ­ют­ся мертвыми точками: верхняя (ВМТ) и нижняя (НМТ). Название «мертвая» идет от того, что в определенный момент, поршень, меняя направление на 180 градусов, как бы «застывает» в нижнем или верхнем положении на тысячные доли секунды.

ВМТ находится на определенном расстоянии до верхней границы цилиндра. Эта область в цилиндре называется камерой сгорания. Область с ходом поршня носит название рабочего объема цилиндра. Это понятие вы, наверняка, слышали при перечислении характе­рис­тик любого двигателя автомобиля. Ну а сумма рабочего объема и камеры сгорания образует полный объем цилиндра.

Соотношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия рабочей смеси. Это
довольно важный показатель для любого двигателя автомобиля. Насколько сильно сжата смесь, настолько больше получается отдача при сгорании, которая преобразуется в механическую энергию.

С другой стороны, чрезмерное сжатие топливно-воздушной смеси приводит к ее взрыву, а не горению. Это явление носит название «детонация». Она ведет к потере мощности и разрушению или чрезмерному износу всего двигателя.

Для избегания современное топливное производство выпускает бензин, устойчивый к высокой степени сжатия. Каждый видел на АЗС надписи вроде АИ-92 или АИ-95. Цифра обозначает октановое число. Чем больше ее значение, тем больше устойчивость топлива к детонации, соответственно его можно применять с большей степенью сжатия.

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.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный. Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков , к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают бензиновые и дизельные двигатели . Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Работа двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы ДВС основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

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

Схема устройства двигателя.

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

Схема 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.

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.