Принцип роботи двс. Пристрій та принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння Основні частини двигуна внутрішнього згоряння

Для ознайомлення з головною та невід'ємною частиною будь-якого транспортного засобу розглянемо із чого складається двигун?Для повноцінного сприйняття його важливості двигун завжди порівнюють із серцем людини. Поки серце працює – людина живе. Аналогічно і двигун, як тільки він зупиняється, або не запускається - автомобіль з усіма його системами та механізмами перетворюється на купу марного заліза.

За час модернізації та вдосконалення автомобілів, двигуни дуже сильно змінилися за своєю конструкцією у бік компактності, економічності, безшумності, довговічності тощо. Але принцип роботи залишився незмінним - на кожному автомобілі є двигун внутрішнього згоряння(ДВЗ). Виняток становлять тільки електродвигуни як альтернативний спосібодержання енергії.

Пристрій двигуна автомобіляпредставлено в розрізі на малюнку 2.

Назва «двигун внутрішнього згоряння» походить саме від принципу отримання енергії. Паливно-повітряна суміш, згоряючи всередині циліндра двигуна, виділяє величезну кількість енергії і змушує через численний ланцюжок вузлів і механізмів зрештою рухатися легковий автомобіль.

Саме пари палива у змішуванні з повітрям при запаленні дають такий ефект у обмеженому просторі.

Для наочності на малюнку 3показано влаштування одноциліндрового двигуна автомобіля.

Робочий циліндр зсередини є замкнутим простором. Поршень, з'єднаний через шатун з колінчастим валомє єдиним рухомим елементом в циліндрі. Коли пари палива і повітря спалахують, вся енергія, що вивільняється, тисне на стінки циліндра і поршень, змушуючи його переміщатися вниз.

Конструкція колінчастого валу виконана таким чином, що рухом поршня через шатун створюється момент, що крутить, змушуючи провертатися сам вал і отримувати обертальну енергію. Таким чином, енергія, що вивільняється, від горіння робочої суміші перетворюється в механічну енергію.

Для приготування паливно-повітряної суміші використовуються два способи: внутрішнє або зовнішнє сумішоутворення. Обидва способи ще відрізняються за складом робочої суміші та методів її займання.

Щоб мати чітке поняття, варто знати, що у двигунах застосовують два види палива: бензин та дизельне паливо. Обидва види енергоносіїв виходять з урахуванням переробки нафти. Бензин дуже добре випаровується на повітрі.

Тому для двигунів, що працюють на бензині, для отримання паливно-повітряної суміші застосовується такий пристрій як карбюратор.

У карбюраторі потік повітря поєднується з крапельками бензину і подається в циліндр. Там отримана паливно-повітряна суміш спалахує при подачі іскри через свічку запалювання.

Дизельне паливо (ДП) має малу випаровуваність при звичайній температурі, але при змішуванні з повітрям під величезним тиском, отримана суміш самозаймається. На цьому й ґрунтується принцип роботи дизельних двигунів.

ДП впорскується в циліндр окремо від повітря через форсунку. Вузькі сопла форсунки у поєднанні з великим тиском при впорскуванні в циліндр перетворюють дизельне паливо на дрібні краплі, які змішуються з повітрям.

Для візуального представлення - це аналогічно тому, коли ви тиснете на кришку балончика з духами або одеколоном: рідина, що видавлюється, моментально змішується з повітрям, утворюючи дрібнодисперсійну суміш, яка відразу розпилюється, залишаючи приємний аромат. Той самий ефект розпилення відбувається і в циліндрі. Поршень, рухаючись нагору, стискає повітряний простір, збільшуючи тиск, і суміш самозаймається, змушуючи поршень рухатися у зворотному напрямку.

В обох випадках якість приготовленої робочої суміші сильно впливає на повноцінну роботу двигуна. Якщо йде недолік у паливі або повітрі - робоча суміш не повністю згоряє, а потужність двигуна, що виробляється, істотно зменшується.

Як і за рахунок чого подається робоча суміш в циліндр?

на малюнку 3видно, що від циліндра вгору виходять два стрижні з великими капелюшками. Це впускний і
випускний клапани, які закриваються та відкриваються у певні моменти часу, забезпечуючи робочі процеси у циліндрі. Вони можуть бути обидва закриті, але ніколи не можуть бути відкриті. Про це буде сказано трохи згодом.

На бензиновому двигуні в циліндрі присутня та сама свічка, яка спалахує паливно-повітряну суміш. Це відбувається за рахунок виникнення іскри під впливом електричного розряду. Принцип дії та роботи буде розглянуто щодо

Впускний клапан забезпечує своєчасне надходження робочої суміші в циліндр, а випускний клапан - своєчасний випуск газів, що відпрацювали, які більше не потрібні. Клапани працюють у певний час руху поршня. Весь процес перетворення енергії від згоряння на механічну енергію називається робочим циклом, що складається з чотирьох тактів: впуск робочої суміші, стиск, робочий хід і випуск газів, що відпрацювали. Звідси і назва чотиритактний двигун.

Розглянемо, як це відбувається за малюнку 4.

Поршень у циліндрі здійснює лише зворотно-поступальні рухи, тобто вгору-вниз. Це називається ходом поршня. Крайні точки, між якими рухається поршень, називаються мертвими точками: верхня (ВМТ) та нижня (НМТ). Назва "мертва" йде від того, що в певний момент, поршень, змінюючи напрямок на 180 градусів, як би "застигає" в нижньому або верхньому положенні на тисячні частки секунди.

ВМТ знаходиться на певній відстані до верхньої межі циліндра. Ця область у циліндрі називається камерою згоряння. Область з ходом поршня зветься робочого об'єму циліндра. Це поняття ви, напевно, чули під час перерахування характеристик будь-якого двигуна автомобіля. Ну а сума робочого об'єму та камери згоряння утворює повний об'єм циліндра.

Співвідношення повного об'єму циліндра до об'єму згоряння камери називається ступенем стиснення робочої суміші. Це
досить важливий показникдля будь-якого двигуна автомобіля. Наскільки сильно стиснута суміш, настільки більше виходить віддача при згорянні, яка перетворюється на механічну енергію.

З іншого боку, надмірне стиск паливно-повітряної суміші призводить до її вибуху, а не горіння. Це явище зветься «детонація». Вона веде до втрати потужності та руйнування або надмірного зносу всього двигуна.

Для уникнення сучасне виробництво палива випускає бензин, стійкий до високого ступеня стиснення. Кожен бачив на АЗС написи на кшталт АІ-92 чи АІ-95. Цифра означає октанове число. Чим більше її значення, тим більша стійкість палива до детонації, відповідно його можна застосовувати з більшим ступенем стиснення.

Двигун внутрішнього згоряння на рідкому паливі, розроблений і вперше застосований на практиці в другій половині 19-го століття, був другим в історії, після парового двигуна, Прикладом створення агрегату, що перетворює енергію в корисну роботу. Без цього винаходу неможливо уявити собі сучасну цивілізацію, адже транспортні засоби з ДВС різного типушироко задіяні у будь-якій галузі, що забезпечує існування людини.

Транспорт, що приводиться в дію двигуном внутрішнього згоряння, відіграє вирішальну роль у всесвітній логістичній системі, що набуває все більшого і більшого значення на тлі глобалізаційних процесів.

Всі сучасні транспортні засоби можна розділити на три великі групи, залежно від типу двигуна, що використовується. Перша група ТЗ використовує електродвигуни. Сюди входять і звичний міський громадський транспорт – тролейбуси та трамваї, і електропоїзди з електромобілями, і величезні судна та кораблі, які використовують атомну енергію – адже і сучасні криголами, і атомні субмарини, і авіаносці країн НАТО використовують електродвигуни. Друга група – це техніка, що оснащена реактивними двигунами.

Зрозуміло, що такий тип двигунів використовується переважно в авіації. Найбільш численною, звичною та значущою є третя група транспортних засобівяка використовує двигуни внутрішнього згоряння. Це – найбільша і за кількістю, і різноманітністю, і впливом на господарське життя людини група. Принцип роботи ДВЗ однаковий для будь-яких транспортних засобів, оснащених таким двигуном. У чому полягає?

Як відомо, енергія не береться нізвідки і не йде в нікуди. Принцип роботи двигуна автомобіля повною мірою ґрунтується на цьому постулаті закону збереження енергії.

Максимально узагальнено можна сказати, що для виконання корисної роботи використовується енергія молекулярних зв'язків рідкого палива, що спалюється в процесі роботи двигуна.

Поширенню ДВЗ на рідкому паливі сприяли кілька унікальних властивостей палива. Це:

• висока потенційна енергія молекулярних зв'язків використовуються як паливо суміші легких вуглеводнів «наприклад, бензину»
• досить простий і безпечний, порівняно, наприклад, з атомною енергією, спосіб її вивільнення
• відносна поширеність легких вуглеводнів на планеті
• природний агрегатний стан такого палива, що дозволяє зручно зберігати та транспортувати його.

Ще одним найважливішим фактором є те, що як окислювач, необхідний для процесу вивільнення енергії, виступає кисень, з якого більш ніж на 20 відсотків складається атмосфера. Це позбавляє необхідності возити як запас палива, а й запас каталізатора.

В ідеальному випадку вступити в реакцію повинні всі молекули певного обсягу палива та всі молекули певного обсягу кисню. Для бензину ці показники співвідносяться як 1 до 14,7, тобто для згоряння кілограма палива необхідно майже 15 кг кисню. Однак такий процес, званий стехіометричним, на практиці нереалізований. Насправді завжди залишається якась частина палива, яка не з'єдналася з киснем під час перебігу реакції.

Більше того, для певних режимів роботи ДВЗ стехіометрія навіть шкідлива.

Тепер, коли хімічні процес у загальних рисахзрозумілі, варто розглянути механіку процесу перетворення енергії палива на корисну роботу, на прикладі чотиритактного ДВС, що працює за так званим циклом Отто.

Найбільш відомим і, що називається, класичним циклом роботу є запатентований ще в 1876 Ніколаусом Отто процес роботи двигуна, що складається з чотирьох частин. «тактів, звідси і чотиритактні ДВС». Перший такт - створення поршнем розрідження в циліндрі своїм рухом під впливом ваги. В результаті циліндр заповнюється сумішшю кисню та парів бензину «природа не терпить порожнечі». Поршень, що продовжує рух, здавлює суміш - отримуємо другий такт. На третьому такті суміш займається «Отто використовував звичайний пальник, тепер за це відповідальна свічка запалювання».

Запалення суміші створює виділення великої кількості газу, який тисне на поршень і змушує його підніматися виконувати корисну роботу. Четвертий такт - відкриття випускного клапана і витіснення продуктів згоряння поршнем, що повертається.

Таким чином, тільки запуск двигуна вимагає дії ззовні - прокручування коленвала, з'єднаного з поршнем. Зараз це робиться за допомогою сили електрики, а на перших автомобілях колінвал доводилося провертати вручну «ж цей принцип використовується і в автомобілях, в яких передбачений примусовий ручний пуск двигуна».

З часу випуску перших автомобілів чимало інженерів намагалися винайти новий цикл ДВС. Спочатку це було з дією патенту, яке багатьом хотілося обійти.

В результаті вже на початку минулого століття був створений цикл Аткінсона, який змінив конструкцію двигуна таким чином, щоб усі рухи поршня відбувалися за один оберт коленвала. Це дозволило підвищити ККД двигуна, але зменшило його потужність. Крім того, двигун, що працює за таким циклом, не потребує окремого розподільчому валіта редукторі. Однак цей двигун не набув поширення через зниження потужності агрегату і досить складну конструкцію.

Натомість на сучасних атвомобілях найчастіше використовується цикл Міллера.

Якщо Аткінсон зменшив такт стиснення, збільшивши ККД, але значно ускладнивши роботу двигуна, то Міллер запропонував зменшити такт впуску. Це дозволило знизити фактичний час стиснення суміші без зменшення її геометричного стиснення. Таким чином, ККД кожного циклу роботи ДВС збільшується, за рахунок чого знижується витрата палива, що спалюється «марно».

Однак більшість двигунів працюють за циклом Отто, тому докладніше необхідно розглянути саме його.

Навіть найпростіший варіант ДВС включає чотирнадцять найважливіших елементів, необхідні його роботи. Кожен елемент має певні функції.

Так, циліндр виконує двояку роль - у ньому відбувається активація повітряної суміші та рухається поршень. У частині, яка називається камерою згоряння, встановлена ​​свічка, і два клапани, один з яких перекриває надходження палива, інший – випуск відпрацьованих газів.

Свічка – пристрій, що забезпечує підпалювання суміші з необхідною циклічністю. По суті, є пристроєм для отримання досить потужної електричної дуги на короткий проміжок часу.

Поршень переміщається в циліндрі під дією газів, що розширюються, або від впливу коленвала, переданого через кривошипно-шатунний механізм. У першому випадку поршень перетворює енергію згоряння палива в механічну роботу, у другому – стискає суміш кращого загоряння чи створює тиск видалення відпрацьованих залишків суміші з циліндра.

Кривошипно-шатунний механізм передає момент від поршня до валу і навпаки. Колінчастий вал завдяки своїй конструкції перетворює поступальний «вгору-вниз» рух поршня в обертальний.

Впускний канал, в якому розташовується впускний клапан, забезпечує влучення суміші в циліндр. Клапан забезпечує циклічність надходження суміші.

Випускний клапан, відповідно, видаляє продукти згоряння суміші, що накопичилися. Для забезпечення нормальної роботи двигуна в момент нагнітання тиску та підпалу суміші він закритий.

Робота бензинового ДВЗ. Детальний розбір

При такті всмоктування поршень опускається донизу. Одночасно відкривається впускний клапан, і циліндр подається паливо. Таким чином, в циліндрі виявляється паливоповітряна суміш. У певних типах бензинових двигунівця суміш готується в спеціальному пристрої - карбюраторі, в інших змішування відбувається безпосередньо в циліндрі.

Далі поршень починає підніматися. Одночасно впускний клапан закривається, що забезпечує створення достатньо великого тискуусередині циліндра. При досягненні поршнем крайньої верхньої точки вся паливно-повітряна суміш виявляється стиснутою частини циліндра, званої камерою згоряння. У цей момент свічка дає електричну іскру, і суміш спалахує.

В результаті згоряння суміші виділяється велика кількість газів, які, прагнучи заповнити собою весь наданий обсяг, тиснуть на поршень, змушуючи його опускатися. Ця робота поршня передається за допомогою кривошипно-шатунного механізму на вал, який починає обертатися та обертати привід коліс автомобіля.

Як тільки поршень завершує рух униз, відкривається клапан випускного колектора.

Гази, що залишилися, спрямовуються туди, так як на них тисне поршень, що йде вгору під впливом валу. Цикл закінчено, далі поршень знову опускається донизу, починаючи новий цикл.

Як бачимо, корисну роботу виконує лише одна фаза циклу. Інші фази - це робота двигуна «на самого себе». Навіть такий стан речей робить двигун внутрішнього згоряння однією з найбільш вдалих ККД систем, впроваджених у виробництво. У той самий час, можливість зменшення «холостих» у сенсі ККД циклів призводить до появи нових, економічніших систем. Крім того, розробляються та обмежено впроваджуються двигуни, які взагалі позбавлені поршневої системи. Наприклад, деякі японські автомобіліоснащені роторними двигунами, що мають більш високий коефіцієнт корисної дії.

У той же час такі двигуни мають ряд недоліків, пов'язаних, в основному, з дорожнечею виробництва і складністю обслуговування таких моторів.

Система харчування

Для того щоб горюча суміш, що надходить в камеру згоряння, правильно спалювалася і забезпечувала безперебійну роботу двигуна, вона повинна вводиться чітко відміряними порціями і бути відповідним чином підготовлена. Для цієї мети служить паливна система, найважливішими частинами якої є бензобак, паливопровід, паливні насоси, пристрій для змішування палива та повітря, колектор, різні фільтри та датчики.

Зрозуміло, що призначення бензобака зберігати необхідну кількість палива. Паливо води використовуються як магістралі для перекачування за допомогою бензинового насоса, фільтри бензину та повітря потрібні, щоб не допустити засмічення тонких колекторів, клапанів та паливоводів.

Докладніше варто зупинитися на роботі карбюратора. Незважаючи на те, що автомобілі з такими пристроями більше не випускаються, чимало машин із карбюраторним типом двигуна досі експлуатується у багатьох країнах світу. Карбюратор змішує паливо з повітрям в такий спосіб.

У поплавцевій камеріпідтримується постійний рівень палива і тиску завдяки балансувальному отвору, що стравлює зайве повітря, і поплавку, що відкриває клапан паливовода, як тільки рівень палива в камері карбюратора знижується. Карбюратор через жиклер та дифузор пов'язаний з циліндром. Коли тиск у циліндрі знижується, точно відміряне завдяки жиклеру кількість палива спрямовується у дифузор повітряної камери.

Тут, за рахунок дуже маленького діаметру отвору, воно під великим тиском проходить в циліндр, бензин поєднується з атмосферним повітрям, що пройшло через фільтр, і утворена суміш потрапляє в камеру згоряння.

Проблема карбюраторних систем– у неможливості максимально точно відміряти кількість палива та кількість повітря, що потрапляють у циліндр. Тому всі сучасні автомобілі оснащені системою впорскування, що називається також інжекторною.

У інжекторному двигунізамість карбюратора упорскування здійснюється форсункою або форсунками - спеціальним механічним розпилювачем, найважливішою частиною якого є електромагнітний клапан. Ці пристрої, особливо працюючи в парі зі спеціальними обчислювальними мікрочіпами, дозволяють впорскувати точно відміряну кількість палива в необхідний момент. В результаті двигун працює рівніше, запускається легше, споживає менше палива.

Механізм газорозподілу

Зрозуміло, яким чином карбюратор готує горючу суміш із бензину та повітря. Але як працюють клапани, що забезпечують своєчасне подання цієї суміші в циліндр? За це відповідальний механізм газорозподілу. Саме він виконує своєчасне відкриття та закриття клапанів, а також забезпечує необхідну тривалість та висоту їх підйому.

Саме ці три параметри і є разом фазами газорозподілу.

Сучасні двигуни мають спеціальний пристрійдля зміни цих фаз, зване фазообертач двс принцип роботи якого заснований на повороті у разі необхідності розподільного валу. Ця муфта при збільшенні кількості палива, що впорскується, повертає розподільний вална певний кут у процесі обертання. Така зміна його положення призводить до того, що впускні клапани відкриваються раніше, і камери згоряння наповнюються сумішшю краще, компенсуючи потребу в потужності, що постійно зростає. На найбільш технічно передових моделях стоїть кілька таких муфт, вони керуються досить складною електронікою і можуть регулювати не тільки частоту відкриття клапана, а й його хід, що відмінно позначається на роботі двигуна при максимальних обертах.

Принцип роботи системи охолодження двигуна

Зрозуміло, далеко не вся енергія зв'язків молекул палива, що виділяється, перетворюється на корисну роботу. Основна її частина втрачається, перетворюючись на тепло, та й тертя деталей ДВС також створює теплову енергію. Зайве тепло потрібно відводити. Саме цій меті є система охолодження.

Поділяють повітряну систему, рідинну та комбіновану. Найбільш поширена рідинна системаохолодження, хоча зустрічаються автомобілі і з повітряною – її використовували для спрощення конструкції та здешевлення бюджетних машин, або для зменшення ваги, якщо йшлося про спорткарів.

Основні елементи системи представлені теплообмінником, радіатором, відцентровим насосом, розширювальним бачкомта термостатом. Крім того, в систему охолодження входять масляний радіатор, вентилятор радіатора, датчик температури рідини, що охолоджує.

Рідина циркулює через теплообмінник під впливом насоса, знімаючи температуру двигуна. Поки двигун не нагріється, спеціальний клапан закриває радіатор – це називається малого кола руху. Така робота системи дозволяє швидко прогріти двигун.

Як тільки температура піднімається до робочої, термодатчик дає команду на відкриття клапана, і рідина, що охолоджує, починає рухатися через радіатор. Тонки трубки цього агрегату обдуваються стильним потоком зустрічного вітру, таким чином охолоджуючи рідина, яка знову надходить в колектор, починаючи коло охолодження заново.

Якщо впливу повітря, що набігає, недостатньо для нормального охолодження - автомобіль працює зі значним навантаженням, рухається з малою швидкістю або стоїть дуже спекотна погода, включається вентилятор охолодження. Він обдуває радіатор, примусово охолоджуючи робочу рідину.

Машини, обладнані турбонаддувом, мають два контури охолодження. Один – для охолодження безпосередньо ДВЗ, другий – для зняття зайвого тепла з турбіни.

Електрика

Перші автомобілі обходилися мінімум електрики. У сучасних машинахз'являється все більше і більше електричних ланцюгів. Електроенергію споживають система подачі палива, запалення, система охолодження та опалення, освітлення. За наявності чимало енергії споживає система кондиціювання, керування двигуном, електронні системизабезпечення безпеки. Такі агрегати, як система запуску та свічки розжарювання споживають енергію короткочасно, але у великих кількостях.

Для забезпечення всіх цих елементів необхідною електроенергією використовуються джерела струму, електричне проведення, елементи керування та блоки запобіжників.

Джерела струму автомобіля акумуляторна батареяпрацює в парі з генератором. Коли двигун працює, привід від валу крутить генератор, що виробляє необхідну енергію

Генератор працює, перетворюючи енергію обертання валу на електричну енергію, використовуючи принципи електромагнітної індукції. Для того, щоб здійснити пуск ДВЗ, використовується енергія акумулятора.

Під час запуску основним споживачем енергії є стартер. Цей пристрій є двигуном постійного струму, призначеним для прокручування колінчастого валу, Що забезпечує початок циклу роботи ДВЗ Принцип роботи двигуна постійного струму ґрунтується на взаємодії, що виникає між магнітним полем, що утворюється в статорі, і струмі, що протікає в роторі. Ця сила впливає на ротор, який починає обертатись, причому його обертання збігається з обертанням магнітного поля, характерного для статора. Таким чином електрична енергія перетворюється на механічну, а стартер починає розкручувати вал двигуна. Як двигун запускається і починає працювати генератор, акумулятор перестає віддавати енергію і починає її накопичувати. Якщо генератор не працює або з якоїсь причини його потужності недостатньо, акумулятор продовжує віддавати енергію та розряджатися.

Такий тип двигуна теж є ДВЗ, але має відмінні особливості, що дозволяють різко відокремлювати двигуни, що працюють за принципом, винайденим Рудольфом Дизелем, від інших ДВС, що працюють на «легкому» паливі на кшталт бензину «в автомобілістиці» або гасу «в авіації».

Відмінність у паливі, що використовується, визначають відмінності конструкції. Справа в тому, що «солярку» відносно складно підпалити та домогтися її миттєвого згоряння у звичайних умовах, тому спосіб займання від свічки для цього палива не підходить. Запалення дизеля здійснюється за рахунок його контакту з розігрітим до дуже великої температури повітрям. З цією метою використовується властивість газів нагріватись при стисканні. Тому поршень, який працює на дизельному ДВЗстискає не паливо, а повітря. Коли ступінь стиснення доходить до максимуму, а сам поршень – до крайньої верхньої точки, форсунка, що стоїть замість свічки, «електромагнітний насос» впорскує дисперсно розпорошене паливо. Воно взаємодіє з гарячим киснем і займається. Далі відбувається робота, характерна для бензинового ДВС.

При цьому потужність ДВЗ змінюється не пропорцією суміші повітря і палива, як у бензинових моторах, а виключно кількістю дизеля, що впорскується, в той час як кількість повітря постійно і не змінюється. При цьому принцип дії сучасного бензинового агрегату, оснащеного форсункою, абсолютно не схожий на принцип роботи дизельного ДВС.

Електромеханічні розпилювальні насоси, що працюють з бензином, призначені, перш за все, для більш точного відмірювання впорскуваного палива, і взаємодіють зі свічок запалювання. У чому ці два типи ДВЗ схожі — то це в підвищеній вимогливості до якості палива.

Так як тиск повітря, створюваний роботою поршня дизельного моторазначно вище тиску, що надається стиснутою повітряно-бензиновою сумішшю, такий двигун більш вимогливий до зазорів між поршнем і стінками циліндра. До того ж, дизельний двигун важче запустити взимку, тому що «солярка» під впливом низьких температурних показників густішає, і форсунка не може досить якісно розпорошити її.

І сучасний бензиновий мотор, і його дизельний «родич» вкрай неохоче працюють на бензині «ЗН» невідповідної якості, і навіть короткочасне його застосування загрожує серйозними проблемами з паливною системою.

Сучасні двигуни внутрішнього згоряння – найбільш ефективні пристроїпереходу теплової енергії до механічної. Незважаючи на те, що більша частина енергії витрачається не на безпосередньо корисну роботу, а на підтримку циклу самого двигуна, людство поки не навчилося масово виробляти пристрої, які були б практичнішими, потужнішими, економічнішими та зручнішими, ніж ДВС. Разом з тим, подорожчання вуглеводневих енергоносіїв та турбота про навколишньому середовищізмушують шукати нові варіанти двигунів для легкових автомобіліві громадського транспорту. Найбільш перспективними на Наразівиглядає використання автономних, оснащених батареями великої ємності, електричних двигунів, ККД яких набагато вищий, та гібридів таких двигунів з бензиновими варіантами. Адже обов'язково настане час, коли використовувати вуглеводні для руху особистого автотранспорту стане абсолютно невигідно, і ДВС займуть місце на музейних полицях, як паровозні двигуни – півстоліття тому.

В даний час двигун внутрішнього згоряння є основним видом автомобільного двигуна. Двигуном внутрішнього згоряння (скорочене найменування – ДВС) називається теплова машина, що перетворює хімічну енергію палива на механічну роботу.

Розрізняють такі основні типи двигунів внутрішнього згоряння: поршневий, роторно-поршневий та газотурбінний. З представлених типів двигунів найпоширенішим є поршневий ДВС, тому пристрій та принцип роботи розглянуті на його прикладі.

Перевагамипоршневого двигуна внутрішнього згоряння, що забезпечили його широке застосування, є автономність, універсальність (поєднання з різними споживачами), невисока вартість, компактність, мала маса, можливість швидкого запуску, багатопаливність.

Разом з тим, двигуни внутрішнього згоряння мають низку суттєвих недоліків, до яких належать: високий рівеньшуму, велика частота обертання колінчастого валу, токсичність газів, що відпрацювали, невисокий ресурс, низький коефіцієнт корисної дії.

Залежно від виду застосовуваного палива розрізняють бензинові та дизельні двигуни. Альтернативними видами палива, які у двигунах внутрішнього згоряння, є природний газ, спиртові палива – метанол і етанол, водень.

Водневий двигун з погляду екології перспективним, т.к. не створює шкідливих викидів. Поряд з ДВЗ водень використовується для створення електричної енергії в паливних елементах автомобілів.

Пристрій двигуна внутрішнього згоряння

Поршневий двигун внутрішнього згоряння включає корпус, два механізми (кривошипно-шатунний та газорозподільний) та ряд систем (впускну, паливну, запалювання, мастила, охолодження, випускну та систему управління).

Корпус двигуна поєднує блок циліндрів та головку блоку циліндрів. Кривошипно-шатунний механізм перетворює зворотно-поступальний рух поршня у обертальний рух колінчастого валу. Газорозподільний механізм забезпечує своєчасну подачу в циліндри повітря або паливно-повітряної суміші та випуск відпрацьованих газів.

Система керування двигуном забезпечує електронне керуванняроботою систем двигуна внутрішнього згоряння.

Робота двигуна внутрішнього згоряння

Принцип роботи ДВС заснований на ефект теплового розширення газів, що виникає при згорянні паливно-повітряної суміші і забезпечує переміщення поршня в циліндрі.

Робота поршневого ДВЗ здійснюється циклічно. Кожен робочий цикл відбувається за два обороти колінчастого валу і включає чотири такти (чотиритактний двигун): впуск, стиск, робочий хід та випуск.

Під час тактів впуск та робочий хід відбувається рух поршня вниз, а тактів стиснення та випуск – вгору. Робочі цикли у кожному з циліндрів двигуна не збігаються по фазі, що досягається рівномірність роботи ДВС. У деяких конструкціях двигунів внутрішнього згоряння робочий цикл реалізується за два такти – стиск та робочий хід (двотактний двигун).

На такті впусквпускна та паливна системи забезпечують утворення паливно-повітряної суміші. Залежно від конструкції суміш утворюється у впускному колекторі (центральне та розподілене упорскування бензинових двигунів) або безпосередньо в камері згоряння ( безпосереднє упорскуваннябензинових двигунів, упорскування дизельних двигунів). При відкритті впускних клапанів газорозподільного механізму повітря або паливно-повітряна суміш за рахунок розрядження, що виникає під час руху поршня вниз, подається в камеру згоряння.

На такті стисненнявпускні клапани закриваються, і паливно-повітряна суміш стискується в циліндрах двигуна.

Такт робочий хідсупроводжується займанням паливно-повітряної суміші (примусове або самозаймання). Внаслідок займання утворюється велика кількість газів, які тиснуть на поршень і змушують його рухатися вниз. Рух поршня через кривошипно-шатунний механізм перетворюється на обертальний рух колінчастого валу, який потім використовується для руху автомобіля.

За такту випусквідкриваються випускні клапани газорозподільного механізму, і відпрацьовані гази видаляються з циліндрів випускну систему, де проводиться їх очищення, охолодження та зниження шуму. Далі гази надходять до атмосфери.

Розглянутий принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння дозволяє зрозуміти, чому ДВЗ має невеликий коефіцієнт корисної дії – близько 40%. У конкретний час зазвичай лише у одному циліндрі відбувається корисна робота, в інших – що забезпечують такти: впуск, стиск, випуск.

Двигун внутрішнього згоряння називається так тому, що паливо займається безпосередньо всередині його робочої камери, а не в додаткових зовнішніх носіях. Принцип роботи ДВС заснований на фізичному ефект теплового розширення газів, що утворюються в процесі згоряння паливно-повітряної суміші під тиском всередині циліндрів двигуна. Енергія, що виділяється в цьому процесі, перетворюється на механічну роботу.

У процесі еволюції ДВС виділилися кілька типів двигунів, їх класифікація та загальний устрій:

• Поршневі двигуни внутрішнього згоряння. Вони робоча камера перебуває усередині циліндрів, а теплова енергія перетворюється на механічну роботу у вигляді кривошипно-шатунного механізму, що передає енергію руху на колінчастий вал. Поршневі мотори поділяються, у свою чергу, на:
  • карбюраторні, в яких повітряно-паливна суміш формується в карбюраторі, впорскується в циліндр і займається там іскрою від свічки запалювання;
  • інжекторні, в яких суміш подається безпосередньо у впускний колектор, через спеціальні форсунки, під контролем електронного блокууправління, а також займається за допомогою свічки;
  • дизельні, в яких спалах повітряно-паливної суміші відбувається без свічки, за допомогою стиснення повітря, яке від тиску нагрівається до температури, що перевищує температуру горіння, а паливо впорскується в циліндри через форсунки.
• Роторно- поршневі двигунивнутрішнього згоряння. Тут теплова енергія перетворюється на механічну роботу за допомогою обертання робочими газами ротора спеціальної форми та профілю. Ротор рухається «планетарною траєкторією» всередині робочої камери, що має форму «вісімки», і виконує функції як поршня, так і ГРМ (газорозподільного механізму), і колінчастого валу.
• Газотурбінні двигуни внутрішнього згоряння. Особливості їх пристрою полягають у перетворенні теплової енергії на механічну роботу за допомогою обертання ротора зі спеціальними клиноподібними лопатками, що приводить у рух вал турбіни.

Далі розглядаються тільки поршневі двигуни, так як тільки вони набули широкого поширення в автомобільної промисловості. Основні причини цього: надійність, вартість виробництва та обслуговування, висока продуктивність.

Пристрій двигуна внутрішнього згоряння

Схема влаштування двигуна.

Перші поршневі ДВЗ мали лише один циліндр невеликого діаметра. Надалі для збільшення потужності спочатку збільшували діаметр циліндра, а потім і їх кількість. Поступово двигуни внутрішнього згоряння набули звичного нам вигляду. "Серце" сучасного автомобіляможе мати до 12 циліндрів.

Найбільш простим є двигун з рядним розташуванням циліндрів. Однак, зі збільшенням кількості циліндрів зростає і лінійний розмірдвигуна. Тому з'явився компактніший варіант розташування - V-подібний. При такому варіанті циліндри розташовані під кутом один до одного (в межах 180 градусів). Зазвичай використовується для 6-циліндрових двигунів та більше.

Одна з основних частин двигуна - циліндр (6), в якому знаходиться поршень (7), з'єднаний через шатун (9) з колінчастим валом (12). Прямолінійний рух поршня в циліндрі вгору і вниз шатун і кривошип перетворять на обертальний рух колінчастого валу.

На кінці валу закріплений маховик (10), призначення якого надавати рівномірність обертання валу при роботі двигуна. Зверху циліндр щільно закритий головкою блоку циліндрів (ГБЦ), в якій знаходяться впускний (5) та випускний (4) клапани, що закривають відповідні канали.

Клапани відкриваються під дією кулачків розподільчого валу(14) через передавальні механізми(15). Розподільний вал приводиться у обертання шестернями (13) від колінчастого валу.
Для зменшення втрат на подолання тертя, відведення теплоти, запобігання задир і швидкого зносу деталі, що труться, змащують маслом. Для створення нормального теплового режиму в циліндрах двигун повинен охолоджуватися.

Але головне завдання – змусити працювати поршень, адже саме він є головною рушійною силою. Для цього в циліндри повинні подаватися горюча суміш у певній пропорції (у бензинових) або відміряні порції палива в певний момент під високим тиском(У дизелів). Паливо спалахує в камері згоряння, відкидає поршень з великою силою вниз, тим самим рухаючи його.

Принцип роботи двигуна

Схема роботи двигуна.

Через низьку продуктивність і високої витратипалива 2-тактних двигунів практично всі сучасні двигунивиробляють із 4-тактними циклами роботи:

1. Впуск палива;
2. Стиснення палива;
3. згоряння;
4. Виведення відпрацьованих газів за межі камери згоряння.

Точка відліку – положення поршня вгорі (ВМТ – верхня мертва точка). В даний момент впускний отвір відкривається клапаном, поршень починає рух вниз і засмоктує паливну суміш у циліндр. Це перший такт циклу.

Під час другого такту поршень досягає найнижчої точки (НМТ - нижня мертва точка), при цьому впускний отвір закривається, поршень починає рухатися вгору, через що паливна суміш стискається. При досягненні поршнем максимальної верхньої точки паливна суміш стиснута до максимуму.

Третій етап – це підпалювання стиснутої паливної суміші за допомогою свічки, яка випромінює іскру. В результаті горючий склад вибухає і штовхає поршень із великою силою вниз.

На заключному етапі поршень досягає нижньої межі та за інерцією повертається до верхньої точки. У цей час відкривається випускний клапан, відпрацьована суміш у вигляді газу виходить із камери згоряння та через вихлопну систему потрапляє на вулицю. Після цього цикл, починаючи з першого етапу, повторюється знову і продовжується протягом усього часу роботи двигуна.

Описаний вище спосіб є універсальним. За таким принципом побудовано роботу практично всіх бензинових моторів. Дизельні двигунивідрізняються тим, що там немає свічок запалювання – елемента, який підпалює паливо. Детонація дизельного паливаздійснюється завдяки сильному стиску паливної суміші. При такті "впуск" в циліндри дизеля надходить чисте повітря. Під час такту «стиснення» повітря нагрівається до 600О С. Наприкінці цього такту в циліндр впорскується певна порція палива, що самозаймається.

Системи двигуна

Вищеописане є БЦ (блок циліндрів) і КШМ (кривошипно-шатунний механізм). Крім цього сучасний ДВС складається з інших допоміжних систем, які для зручності сприйняття групують наступним чином:

1. ГРМ (механізм регулювання фаз газорозподілу);
2. Система змазки;
3. Система охолодження;
4. Система подачі палива;
5. Вихлопна система.

ГРМ – газорозподільний механізм

Щоб у циліндр надходила необхідна кількість палива та повітря, а продукти згоряння вчасно видалялися з робочої камери, у ДВС передбачено механізм, званий газорозподільним. Він відповідає за відкриття та закриття впускних та випускних клапанів, через які в циліндри надходить паливо-повітряна горюча суміш і видаляються вихлопні гази. До деталей ГРМ належать:

• Розподільний вал;
• Впускні та випускні клапани з пружинами та напрямними втулками;
• Деталі приводу клапанів;
• Елементи приводу ГРМ.

ГРМ приводиться в дію від колінчастого валу двигуна автомобіля. За допомогою ланцюга або ременя обертання передається на розподільний вал, який за допомогою кулачків або коромисел через штовхачі натискає на впускний або випускний клапан і по черзі відкриває та закриває їх.

Система змазки

У будь-якому моторі є безліч деталей, що труться, які необхідно постійно змащувати, щоб зменшити втрати потужності на тертя і уникнути підвищеного зносу і заклинювання. Для цього існує система мастила. Принагідно з її допомогою вирішується ще кілька завдань: захист деталей двигуна внутрішнього згоряння від корозії, додаткове охолодження деталей мотора, а також видалення продуктів зносу з місць зіткнення частин, що труться. Систему змащення двигуна автомобіля утворюють:

• Олійний картер (піддон);
• Насос подачі олії;
• Олійний фільтр з редукційним клапаном;
• Маслопроводи;
• Масляний щуп (індикатор рівня олії);
• Покажчик тиску у системі;
• Маслоналивна горловина.

Система охолодження

Під час роботи двигуна його деталі стикаються з розпеченими газами, які утворюються при згорянні паливо-повітряної суміші. Щоб деталі двигуна внутрішнього згоряння не руйнувалися через надмірне розширення при нагріванні, їх необхідно охолоджувати. Охолодити двигун автомобіля можна за допомогою повітря або рідини. Сучасні мотори мають, як правило, рідинну схему охолодження, яку утворюють такі частини:

• Сорочка охолодження двигуна;
• Насос (насос);
• Термостат;
• Радіатор;
• Вентилятор;
• Розширювальний бачок.

Система подачі палива

Система живлення для двигунів внутрішнього згоряння із запаленням від іскри та від стиснення відрізняються один від одного, хоч і мають ряд загальних елементів. Спільними є:

• Паливний бак;
• Датчик рівня палива;
• Фільтри очищення палива - грубої та тонкої;
• Паливні трубопроводи;
• Впускний колектор;
• Повітряні патрубки;
• Повітряний фільтр.

В обох системах є паливні насоси, рампи палива, форсунки подачі палива, сам принцип подачі однаковий: паливо з бака за допомогою насоса через фільтри подається в паливну рампу, з якої потрапляє в форсунки. Але якщо в більшості бензинових двигунів внутрішнього згоряння форсунки подають його до впускного колектора мотора автомобіля, то в дизельних воно подається безпосередньо в циліндр, і вже там змішується з повітрям.

Двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ) називають двигун, у якому згоряння палива відбувається безпосередньо всередині робочої камери. Саме такі агрегати широко застосовуються в автомобільної індустрії, Забезпечуючи перетворення теплової енергії від згоряння палива на механічну силу.

Спосіб здійснення робочого циклу може відбуватися в один такт, або два такти. Тому розрізняють двотактні та чотиритактні ДВС. Тактом називається хід поршня між двома мертвими точками, з поворотом колінчастого валу на 180 градусів.

Принцип роботи

Принципи роботи кожного з типів двигунів дещо відрізняються. У двотактному моторі за один оберт відбувається завершення робочого циклу за два етапи - за рахунок стиснення і розширення. Клапани в такому пристрої відсутні, а їхню функцію виконує поршень. Його переміщення забезпечує відкриття та закриття продувних вікон.

Робочий процес у чотиритактному моторі відбувається за чотири етапи. При цьому до стиснення та розширення додаються такі процеси, як впуск на першому та випуск на четвертому етапах відповідно.

Основною відмінністю таких моторів є хороші механізми газообміну, тобто. подача палива в циліндри та відведення відпрацьованих газів. У конструкцію чотиритактних агрегатів включений газорозподільний механізм, що забезпечує відкриття та закриття клапанів у певні моменти часу. У двотактних двигунах циліндри спорожняються і заповнюються в моменти тактів стиснення та розширення.

Відео: Пристрій та як працює двигун внутрішнього згоряння

Загальний пристрій ДВЗ

За типом перетворення теплової енергії всі двигуни можна розділити на такі види:

• Поршневі. У таких агрегатах згоряння палива відбувається в циліндрах, а завдяки зворотно-поступальному руху поршня за рахунок кривошипно-шатунного механізму теплова енергія перетворюється на механічну;
• Роторно-поршневі. Енергія перетворюється з допомогою обертання ротора зі спеціальним профілем з допомогою робочих газів;
• Газотурбінні. У таких двигунах перетворення енергії забезпечує ротор із клиноподібними лопатками.

Найпопулярнішим і затребуваним серед усіх видів агрегатів є поршневий ДВС, за рахунок своєї універсальності, здатності до швидкого запуску та можливістю роботи з різними видамипального.

Загальний пристрій ДВЗ включає корпус агрегату, а також два типи механізмів – кривошипно-шатунний та газорозподільний. Крім цього він містить низку систем - живлення, запалення, пуску, охолодження та мастила. Усі перелічені системи складаються з певних вузлів та механізмів, а також необхідних комунікаційних елементів.

Важливо! Тільки завдяки злагодженому виконанню механізмами та системами своїх функцій забезпечується безперебійна робота ДВЗ.

Кривошипно-шатунний механізм

Циклічний поступальний рух поршня, що описується ним при переміщенні в циліндрі, повинен бути перетворений на обертальний рух колінчастого валу. Саме ця дія забезпечується завдяки кривошипно-шатунному механізму (КШМ).

У конструкцію такого механізму входять рухомі складові – поршні, поршневі кільця, пальці, шатуни, маховик і колінчастий вал. Також КШМ включає і нерухомі елементи – блок циліндрів та прокладка, головка блоку циліндрів, циліндри, картер, піддон. Крім того, пристрій включає різні елементи кріплень, кріпильні і шатунні підшипники.

Газорозподільчий механізм

Завдяки газорозподільчому механізму (ГРМ) своєчасна подача в циліндри в залежності від типу ДВЗ повітря або паливно-повітряної суміші, а також випуску в систему вихлопу відпрацьованих газів.

Цікаво! Завдяки своєчасному відкриття чи закриття клапанів ГРМ забезпечується безперебійна робота механізму.

До складу конструкції ГРМ входять такі вузли та механізми:

• Розподільний вал. Чавунний чи сталевий елемент, який відкриває чи закриває клапани.
• Штурхачі. Забезпечують передачу зусиль на клапани від кулачків.
• Впускні та випускні клапани. Сприяють подачі суміші в камеру, а також видаляють відпрацьовані гази. Залежно від діаметра головки різняться впускні та випускні клапани. Крім того головка впускного клапана має хромоване покриття, а головка випускного виготовлена ​​з жароміцної сталі.
• Штанги. Завдяки яким відбувається передача зусилля від штовхачів до штанг.
• Привід ГРМ, який забезпечує відкриття та закриття клапанів, за рахунок передачі обертання колінвала на розподільний вал. Як привод може використовуватися як ремінь, так і ланцюг ГРМ, а також зубчаста передача.

Система харчування

До складу даної системи входять такі пристрої, як елементи, призначені для зберігання палива, очисні прилади, вузли, що забезпечують очищення і подачу палива, а також прилади для приготування паливної суміші.

Елементами живлення ДВЗ є:

• Паливний бак та паливопроводи;
• Паливний фільтр та насос;
• Повітряний фільтр;
• Карбюратор, моновпорскування або інжектор, залежно від пристрою системи живлення.

Цікаво! У інжекторних системаххарчування регулювання роботи паливних форсунок здійснює електронний пристрій– блок управління, конструкцію якого включені різні датчики контролю.

Головними функціями паливної системи є:

• Подача палива із бака;
• Фільтрування пального;
• Освіта горючої суміші;
• Подача суміші у циліндри.

Відрізняються паливні системив залежності від типу використовуваного пального: дизельних агрегатахупорскування в камеру відбувається під високим тиском, для чого застосовується паливний насосвисокого тиску.

Система запалювання

Головна функція даної системи є подача іскри до свічок запалювання у певний момент часу. Системи запалення бувають трьох основних типів:

• Контактна. Створення імпульсів відбувається у момент розриву контактів.
• Безконтактна. Керуючі імпульси створює транзисторний керуючий пристрій.
• Мікропроцесорна система запалювання керується електронним пристроєм.

Основними елементами системи є:

• Джерело живлення;
• Вимикач запалювання;
• Накопичувач;
• Свічки запалювання;
• Система розподілу;
• Високовольтний провід.

Принцип роботи даної системи заснований на накопиченні котушкою запалення напруги низькими характеристикамита її перетворення на високе. Після накопичена енергія передається до свічок запалювання, а іскра, що утворюється в необхідний момент часу, займає паливно-повітряну суміш.

Пуск

Основними складовими механізмами системи пуску ДВЗ є:

• Стартер;
• Акумуляторна батарея;
• Вмикач запалювання.

Дана система забезпечує зручний, надійний та швидкий пуск двигуна незалежно від умов експлуатації автомобіля.

Охолодження

Функціонування систем і механізмів ДВЗ без організації відведення зайвого тепла не можливе, оскільки їхня робота пов'язана з підвищеним температурним режимом. Основне призначення системи охолодження – це зменшення температури робочих елементів двигуна.

Цікаво! Якщо авто обладнане автоматичною трансмісієюсистема охолодження бере участь також в організації охолодження трансмісійної рідини.

Існує два основних типи систем охолодження ДВЗ:

• Рідина;
• Повітряна.

Крім основних функцій, система охолодження відповідає за:

• Роботу системи опалення, вентиляції та кондиціювання;
• Охолодження олії в змащувальній системі;
• Охолодження газів у системі вихлопу.

Найбільш поширеною є рідинна система охолодження, чому сприяють рівномірне та ефективне охолодженнявузлів та механізмів, а також низький рівень шумності при роботі.

Важливими елементами системи охолодження є:

• Рідкісний радіатор;
• Масляний радіатор;
• Теплообмінник;
• Вентилятор;
• Відцентровий насос;
• Розширювальний бачок;
• Термостат.

Важливим витратним матеріалом, завдяки якому забезпечується охолодження, є робоча рідина- Антифриз.

Система змазки

Робота механізмів та вузлів ДВЗ відбувається в умовах постійного тертя елементів. Це негативно впливає на їх стан, викликаючи зношування та знижуючи експлуатаційні характеристики агрегату. Саме для запобігання таким негативним явищам у конструкцію ДВЗ включена система мастила. Вона є комбінованою, тобто. відбувається змішування моторної оліїз паливом.

Основними елементами системи мастила ДВСє:

• Масляний фільтр та насос;
• Піддон;
• Забірник;
• Контури, що забезпечують подачу олії до елементів.

За допомогою масляного насосувідбувається подача олії у фільтр, а далі вона розподіляється між вузлами та каналами мастила. Цей процес відбувається постійно, а завдяки наявності спеціальних датчиків контролюється тиск у системі.

Тюнінг

Для підвищення експлуатаційних характеристикдвигуна, його модернізації та збільшення крутного моменту використовується така процедура, як тюнінг. Основними видами тюнінгу є:

• Розточує циліндри, що сприяє збільшенню камери згоряння палива, що дещо збільшує силові можливості агрегату.
• Установка турбіни, що забезпечує збільшення потужності та ККД двигуна;
• Чіп-тюнінг - збільшення експлуатаційних характеристик за рахунок зміни роботи електронної частини блоку керування.
• Установка закису азоту, що сприяє значному збільшенню потужності двигуна.

Як правило, тюнінг проводиться тільки у разі повної справності вузлів та механізмів. силового агрегатута має виконуватися кваліфікованими майстрами автосервісів.

Для безперебійної та ефективної роботи ДВЗ слід звертати увагу на будь-які зміни та своєчасно проводити діагностику та ремонт обладнання.