Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это самый распространенный тип двигателя из всех, которые устанавливаются в настоящее время на автомобили. Несмотря на то, что современный двигатель внутреннего сгорания состоит из тысячи частей, принцип его работы весьма прост. В рамках данной статьи мы рассмотрим устройство и принцип работы ДВС.
Внизу страницы смотрите видео, на котором наглядно показано устройство и принцип работы бензинового ДВС.
В каждом двигателе внутреннего сгорания есть цилиндр и поршень. Именно внутри цилиндра ДВС происходит преобразование тепловой энергии, выделяемой при сжигании топлива, в энергию механическую, способную заставить наш автомобиль двигаться. Этот процесс повторяется с частотой несколько сотен раз в минуту, что обеспечивает непрерывное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.
Принцип работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания
В подавляющем большинстве легковых автомобилей устанавливают четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, поэтому мы и берём его за основу. Чтобы лучше понять принцип устройства бензинового ДВС, предлагаем вам взглянуть на рисунок:
Топливно-воздушная смесь, попадая через впускной клапан в камеру сгорания (такт первый – впуск), сжимается (такт второй – сжатие) и воспламеняется от искры свечи зажигания. При сжигании топлива, под воздействием высокой температуры в цилиндре двигателя образуется избыточное давление, заставляющее поршень двигаться вниз к так называемой нижней мертвой точке (НМТ), совершая при этом такт третий – рабочий ход. Перемещаясь во время рабочего хода вниз, с помощью шатуна, поршень приводит во вращение коленчатый вал. Затем, перемещаясь от НМТ к верхней мертвой точке (ВМТ) поршень выталкивает отработанные газы через выпускной клапан в выхлопную систему автомобиля – это четвертый такт (выпуск) работы двигателя внутреннего сгорания.
Такт – это процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня. Совокупность тактов, повторяющихся в строгой последовательности и с определенной периодичностью, обычно называют рабочим циклом , в данном случае, двигателя внутреннего сгорания.
- Такт первый - ВПУСК . Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, при этом возникает разряжение и полость цилиндра ДВС заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Смесь, попадая в камеру сгорания, смешивается с остатками отработавших газов. В конце впуска давление в цилиндре составляет 0,07–0,095 МПа, а температура 80-120 ºС.
- Такт второй – СЖАТИЕ . Поршень движется к ВМТ, оба клапана закрыты, рабочая смесь в цилиндре сжимается, а сжатие сопровождается повышением давления (1,2–1,7 МПа) и температуры (300-400 ºС).
- Такт третий – РАСШИРЕНИЕ . При воспламенении рабочей смеси в цилиндре ДВС выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура (до 2500 градусов по Цельсию). Под давлением поршень перемещается к НМТ. Давление равно 4–6 МПа.
- Такт четвертый – ВЫПУСК . Поршень стремится к ВМТ через открытый выпускной клапан, отработавшие газы выталкиваются в выпускной трубопровод, а затем в окружающую среду. Давление в конце цикла: 0,1–0,12 МПа, температура 600-900 ºС.
И так, вы смогли убедиться, что двигатель внутреннего сгорания устроен не очень сложно. Как говорится, все гениальное – просто. А для большей наглядности рекомендуем посмотреть видео, на котором также очень хорошо показан принцип работы ДВС.
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:
- Впуск топлива;
- Сжатие топлива;
- Сгорание;
- 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:
- ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
- Система смазки;
- Система охлаждения;
- Система подачи топлива;
- 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.
Хотим отметить, что если вы нуждаетесь в каких либо автозапчастях для своего автомобиля , то наш интернет-сервис будет рад предложить вам их по самым низким ценам. Все, что вам нужно, это зайти в меню " " и заполнить форму, либо ввести название запчасти в верхнем правом окошке данной страницы, после этого на вас выйдут наши менеджеры и предложат лучшие цены, каких вы еще видом не видывали и слыхом не слыхивали! Теперь к главному.
Итак, все мы знаем, что самой важной частью машины является маэстро двигатель. Основной целью работы двигателя является преобразование бензина в движущую силу. В настоящее время, самым простым способом заставить автомобиль двигаться, является сжигание бензина внутри двигателя. Именно поэтому двигатель автомобиля называется двигателем внутреннего сгорания .
Две вещи, которые следует запомнить:
Существуют различные двигатели внутреннего сгорания. Например, дизельный двигатель отличается от бензинового. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Существует такая вещь, как двигатель внешнего сгорания. Лучшим примером такого двигателя является паровой двигатель парохода. Топливо (уголь, дерево, масло) сгорает вне двигателя, образовывая пар, который и является движущей силой. Двигатель внутреннего сгорания является гораздо более эффективным (требуется меньше топлива на километр пути). К тому же он намного меньше эквивалентного двигателя внешнего сгорания. Это объясняет тот факт, почему мы не видим на улицах автомобили с паровыми движками.
Принцип, лежащий в основе работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания : если вы поместите небольшое количество высокоэнергетического топлива (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство, и зажжете его, то при сгорании в виде газа высвобождается невероятное количество энергии. Если создать непрерывный цикл маленьких взрывов, скорость которых будет, например, сто раз в минуту, и пустить получаемую энергию в правильное русло, то мы получим основу работы двигателя.
Сейчас почти все автомобили используют так называемый четырехтактный цикл сгорания для преобразования бензина в движущую силу четырех колесного друга. Четырехтактный подход также известен как цикл Отто, в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867 году. К четырем тактам относятся:
- Такт впуска.
- Такт сжатия.
- Такт горения.
- Такт выведения продуктов сгорания.
Устройство под названием поршень, выполняющее одну из основных функций в двигателе, своеобразно заменяет картофельный снаряд в картофельной пушке. Поршень соединен с коленчатым валом шатуном. Как только коленчатый вал начинает вращение, происходит эффект «разряда пушки». Вот что происходит, когда двигатель проходит один цикл:
Ø Поршень находится сверху, затем открывается впускной клапан и поршень опускается, при этом двигатель набирает полный цилиндр воздуха и бензина. Это такт называется тактом впуска. Для начала работы достаточно смешать воздух с небольшой каплей бензина.
Ø Затем поршень движется обратно и сжимает смесь воздуха и бензина. Сжатие делает взрыв более мощным.
Ø Когда поршень достигает верхней точки, свеча испускает искры, чтобы зажечь бензин. В цилиндре происходит взрыв бензинового заряда, что заставляет поршень опуститься вниз.
Ø Как только поршень достигает дна, открывается выхлопной клапан, и продукты сгорания выводятся из цилиндра через выхлопную трубу.
Теперь двигатель готов к следующему такту и цикл повторяется снова и снова.
Теперь давайте рассмотрим все части двигателя, работа которых взаимосвязана. Начнем с цилиндров.
Основные составные части двигателя благодаря которым он работает
Осноова двигателя - это цилиндр , в котором вверх-вниз перемещается поршень. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Это характерно для большинства газонокосилок, но большинство автомобилей имеет более чем один цилиндр (как правило, четыре, шесть и восемь). В многоцилиндровых моторах цилиндры обычно размещаются тремя способами: в один ряд, V-образным способом и плоским способом (также известный как горизонтально-оппозитный).
Разные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения гладкости, производственных затрат и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более или менее подходящими к разным видам транспортных средств.
Давайте более подробно рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя.
Свечи зажигания
Свечи зажигания обеспечивают искру, которая воспламеняет воздушно-топливную смесь. Искра должна возникнуть в правильный момент для безотказной работы двигателя.
Клапаны
Впускные и выпускные клапаны открываются в определенный момент для того чтобы впустить воздух и топливо и выпустить продукты сгорания. Следует обратить внимание на то, что оба клапана закрыты в момент сжатия и сгорания, обеспечивая герметичность камеры сгорания.
Поршень
Поршень - это цилиндрический кусок металла, который движется вверх-вниз внутри цилиндра двигателя.
Поршневые кольца
Поршневые кольца обеспечивают герметичность между скользящим внешним краем поршня и внутренней поверхностью цилиндра. Кольца имеют два назначения:
- Во время тактов сжатия и сгорания они предотвращают утечку воздушно-топливной смеси и выхлопных газов из камеры сгорания
- Они не позволяют маслу попасть в зону сгорания, где оно будет уничтожено.
Если ваш автомобиль начинает «подъедать масло» и вам приходиться подливать его каждые 1000 километров, значит двигатель автомобиля довольно старый и поршневые кольца в нем сильно изношены. Как следствие они не могут обеспечивать герметичность на должном уровне. А это значит, вам нужно озадачиться вопросом, ибо покупка нового движка кропотливое и ответственное дело.
Шатун
Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может вращаться в разные стороны и с обоих концов, т.к. и поршень и коленчатый вал находятся в движении.
Коленчатый вал
Круговыми движениями коленчатый вал заставляет поршень двигаться вверх-вниз.
Маслосборник
Маслосборник окружает коленчатый вал. Он содержит некоторое количество масла, которое собирается в нижней его части (в масляном поддоне).
Основные причины неполадок и перебоев в машине и двигателе
Одним прекрасным утром вы можете сесть в свой автомобиль и осознать, что утро не так уж и прекрасно… Автомобиль не заводится, мотор не работает. Что может быть причиной этому. Теперь, когда мы разобрались в работе двигателя, вы можете понять, что может стать причиной его поломки. Существует три основных причины: плохая топливная смесь, отсутствие сжатия или отсутствие искры. Кроме того тысячи мелочей могут стать причиной его неисправности, но эти три образуют «большую тройку». Мы рассмотрим, как эти причины влияют на работу мотора на примере совсем простого двигателя, который мы уже обсуждали ранее.
Плохая топливная смесь
Данная проблема может возникнуть в следующих случаях:
· У вас закончился бензин и в автодвигатель поступает только воздух, чего не достаточно для сгорания.
· Могут быть забиты воздухозаборники, и в движок просто не поступает воздух, который крайне необходим для такта сгорания.
· Топливная система может поставлять слишком мало или слишком много топлива в смесь, а это означает, что горение не происходит должным образом.
· В топливе могут быть примеси (например, вода в бензобаке), которые препятствуют горению топлива.
Отсутствие сжатия
Если топливная смесь не может быть сжата должным образом, то и не будет надлежащего процесса сгорания обеспечивающего работу машины. Отсутствие сжатия может возникнуть по следующим причинам:
· Поршневые кольца двигателя изношены, поэтому воздушно-топливная смесь просачивается между стенкой цилиндра и поверхностью поршня.
· Один из клапанов неплотно закрывается, что, опять-таки, позволяет смеси вытекать.
· В цилиндре есть отверстие.
В большинстве случаев «дырки» в цилиндре появляются в том месте, где верхушка цилиндра присоединяется к самому цилиндру. Как правило, между цилиндром и головкой цилиндра есть тонкая прокладка, которая обеспечивает герметичность конструкции. Если прокладка ломается, то между головкой цилиндра и самим цилиндром образуются отверстия, которые также становятся причиной утечки.
Отсутствие искры
Искра может быть слабой или вообще отсутствовать по нескольким причинам:
- Если свеча зажигания или провод, идущий к ней, изношены, то искра будет довольно слабой.
- Если провод перерезан или отсутствует вообще, если система, посылающая искры вниз по проводу не работает должным образом, то искры не будет.
- Если искра приходит в цикл слишком рано, или же слишком поздно, топливо не сможет воспламениться в нужный момент, что соответственно влияет на стабильную работу мотора.
Возможны и другие проблемы с двигателем. Например:
- Если разряжен, то двигатель не сможет сделать ни одного оборота, соответсвенно вы не сможете завести автомобиль.
- Если подшипники, которые позволяют свободно вращаться коленчатому валу, изношены, коленчатый вал не сможет провернуться и запустить двигатель.
- Если клапаны не будут закрываться или открываться в необходимый момент цикла, то работа двигателя будет невозможна.
- Если в автомобиле закончилось масло, поршни не смогут свободно двигаться в цилиндре, и двигатель застопорится.
В правильно работающем двигателе вышеописанные проблемы быть не могут. Если же они появились, ждите беды.
Как видите, в моторе автомобиля есть ряд систем, которые помогают ему выполнять главную задачу - преобразовывать топливо в движущую силу.
Клапанный механизм двигателя и система зажигания
Большинство подсистем автомобильного мотора могут быть внедрены по средствам различных технологий, и более совершенные технологии могут улучшить эффективность работы двигателя. Давайте рассмотрим эти подсистемы, используемые в современных автомобилях. Начнем с клапанного механизма. Он состоит из клапанов и механизмов, которые открывают и закрывают проход топливным отходам. Система открытия и закрытия клапанов называется валом. На распределительном валу имеются выступы, которые и перемещают клапаны вверх и вниз.
Большинство современных движков имеют так называемые накладные кулачки. Это означает, что вал расположен над клапанами. Кулачки вала воздействуют на клапаны непосредственно или через очень короткие связующие звенья. Эта система настроена так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями. Многие высокоэффективные двигатели имеют по четыре клапана на один цилиндр - два на вход воздуха и два на выход продуктов сгорания, и такие механизмы требуют два распределительных вала на один блок цилиндров.
Система зажигания производит высоковольтный заряд и передает его на свечи зажигания при помощи проводов. Сначала заряд поступает в распределитель, который вы можете с легкостью найти под капотом большинства легковых автомобилей. В центр распределителя подключен один провод, а из него выходит четыре, шесть или восемь других проводов (в зависимости от количества цилиндров в двигателе). Эти провода посылают заряд на каждую свечу зажигания. Работа двигателя настроена так, что за один раз только один цилиндр получает заряд от распределителя, что гарантирует максимально плавную работу мотора.
Система зажигания двигателя, охлаждения и набора воздуха
Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует вокруг цилиндров по специальным проходам, потом, для охлаждения, она поступает в радиатор. В редких случаях двигатели автомобиля оснащены воздушной системой автомобиля. Это делает двигатели легче, но охлаждение при этом менее эффективное. Как правило, двигатели с таким видом охлаждения, имеют меньший срок службы и меньшую производительность.
Теперь вы знаете, как и почему мотор вашей машины охлаждается. Но почему же тогда так важна циркуляция воздуха? Существуют автомобильные двигателя с наддувом - это означает, что воздух проходит через воздушные фильтры и попадает непосредственно в цилиндры. Для увеличения производительности некоторые двигатели оснащены турбонаддувом, а это значит, что воздух, который поступает в двигатель, уже находится под давлением, следовательно, в цилиндр может быть втиснуто больше воздушно-топливной смеси.
Повышение производительности автомобиля - это круто, но что же происходит на самом деле, когда вы проворачиваете ключ в замке зажигания и запускаете автомобиль? Система зажигания состоит из электромотора, или стартера, и соленоида. Когда вы проворачиваете ключ в замке зажигания, стартер вращает двигатель на несколько оборотов для того чтобы начался процесс сгорания топлива. Требуется действительно мощный мотор, чтобы запустить холодный двигатель. Так как запуск двигателя требует много энергии, сотни ампер должны поступить в стартер для его запуска. Соленоид является тем переключателем, который может справиться с таким мощным потоком электричества, и когда вы проворачиваете ключ зажигания, активируется именно соленоид, который, в свою очередь, запускает стартер.
Смазочные жидкости двигателя, топливная, выхлопная и электрические системы
Когда дело доходит до ежедневного использования автомобиля, первое, о чем вы заботитесь это наличие бензина в бензобаке. Каким образом этот бензин приводит в действие цилиндры? Топливная система двигателя выкачивает бензин из бензобака и смешивает его с воздухом таким образом, чтобы в цилиндр поступила правильная воздушно-бензиновая смесь. Топливо подается тремя распространенными способами: смесеобразованием, впрыском через топливный порт и прямым впрыском.
При смесеобразовании, прибор под названием карбюратор, добавляет бензин в воздух, как только воздух попадает в двигатель.
В инжекторном движке топливо впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо через впускной клапан (впрыск через топливный порт), либо непосредственно в цилиндр (прямой впрыск).
Масло также играет важную роль в двигателе. Смазочная система
гарантирует, что в каждую из движущихся частей двигателя поступает масло для плавной работы. Поршни и подшипники (которые позволяют свободно вращаться коленчатому и распределительному валу) - основные части, которые имеют повышенную потребность масла. В большинстве автомобилей, масло засасывается через масляный насос и маслосборника, проходит через фильтр, чтобы очиститься от песка, затем, под высоким давлением впрыскивается в подшипники и на стенки цилиндра. Далее масло стекает в маслосборник, и цикл повторяется снова.
Теперь вы знаете немного больше о тех вещах, которые поступают в двигатель вашего автомобиля. Но давайте поговорим и том, что выходит из него. Выхлопная система. Она крайне проста и состоит из выхлопной трубы и глушителя. Если бы не было глушителя, вы бы слышали звук всех тех мини-взрывов, которые происходят в двигателе. Глушитель гасит звук, а выхлопная труба выводит продукты сгорания из автомобиля.
Теперь поговорим об электрической системе автомобиля, которая тоже приводит его в действие. Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора переменного тока. Генератор переменного тока подключен проводами к двигателю и вырабатывает электроэнергию, необходимую для подзарядки аккумулятора. В свою очередь, аккумулятор предоставляет электроэнергию всем системам автомобиля, которые в ней нуждаются.
Теперь вы знаете все о главных подсистемах двигателя. Давайте рассмотрим, каким способом вы можете увеличить мощность двигателя своего автомобиля.
Как увеличить производительность двигателя и улучшить его работу?
Используя всю вышеприведенную информацию, вы, должно быть, обратили внимание на то, что есть возможность заставить двигатель работать лучше. Производители автомобилей постоянно играют с этими системами с одной лишь целью: сделать двигатель более мощным и сократить расход топлива.
Увеличение объема двигателя. Чем больше объем двигателя, тем больше его мощность, т.к. за каждый оборот двигатель сжигает больше топлива. Увеличение объема двигателя происходит за счет увеличения либо самих цилиндров, либо их количества. В настоящее время 12 цилиндров - это предел.
Увеличение степени сжатия. До определенного момента, высшая степень сжатия производит больше энергии. Однако, чем больше вы сжимаете воздушно-топливную смесь, тем выше вероятность того, что она воспламенится раньше, чем свеча зажигания даст искру. Чем выше октановое число бензина, тем меньше вероятность преждевременного воспламенения. Именно поэтому высокопроизводительные автомобили нужно заправлять высокооктановым бензином, так как двигатели таких машин используют очень высокий коэффициент сжатия для получения большей мощности.
Большее наполнение цилиндра. Если в цилиндр определенного размера можно втиснуть больше воздуха (и, следовательно, топлива), то вы сможете получить больше энергии от каждого цилиндра. Турбонаддувы и наддувы нагнетают давление воздуха и эффективно вталкивают его в цилиндр.
Охлаждение поступающего воздуха. Сжатие воздуха повышает его температуру. Тем не менее, хотелось бы иметь как можно более холодный воздух в цилиндре, т.к. чем выше температура воздуха, тем он расширяется при горении. Поэтому многие системы турбонаддува и наддува имеют интеркулер. Интеркулер - это радиатор, через который проходит сжатый воздух и охлаждается, прежде чем попасть в цилиндр.
Сделать меньшим вес деталей. Чем легче часть двигателя, тем лучше он работает. Каждый раз, когда поршень меняет направление, он тратит энергию на остановку. Чем легче поршень, тем меньше энергии он потребляет.
Впрыск топлива. Система впрыска топлива позволяет очень точное дозирование топлива, которое поступает в каждый цилиндр. Это повышает производительность двигателя и существенно экономит топливо.
Теперь вы знаете практически все о том, как работает двигатель автомобиля, а также причины основных неполадок и перебоев в машине. Напоминаем, что если после прочтения данной статьи вы почувствовали, что ваша машина требует обновления каких либо автодеталей, то рекомендуем заказать и купить их через наш интернет-сервис заполнив форму запроса в меню " ", либо заполнив название запчасти в правом верхнем окошке данной страницы. Надеемся, что наша статья о том, как работает двигатель автомобиля? А также основные причины неполадок и перебоев в машине поможет вам совершить правильную покупку.
У каждого из нас есть определенный автомобиль, однако лишь некоторые водители задумываются о том, как устроен двигатель автомобиля. Нужно понимать также, что полностью знать устройство двигателя автомобиля необходимо лишь специалистам, работающим на СТО. К примеру, у многих из нас есть различные электронные устройства, но это вовсе не означает, что мы должны понимать, как они устроены. Мы просто пользуемся ими по прямому назначению. Однако с машиной ситуация немного другая.
Все мы понимаем, что появление неполадок в двигателе автомобиля напрямую влияет на наше здоровье и жизнь. От правильной работы силового агрегата нередко зависит качество езды, а также безопасность людей, которые находятся в автомобиле. По этой причине, рекомендуем уделить внимание изучению данной статьи о том, как работает двигатель автомобиля и из чего он состоит.
История разработки автомобильного двигателя
В переводе с оригинального латинского языка двигатель или мотор означает «приводящий в движение». Сегодня двигателем называют определенное устройство, предназначенное для преобразования одного из видов энергии в механическую. Самыми популярными сегодня считаются двигатели внутреннего сгорания, типы которых бывают разными. Первый такой мотор появился в 1801 году, когда Филипп Лебон из Франции запатентовал мотор, который функционировал на светильном газе. После этого свои разработки представили Август Отто и Жан Этьен Ленуар. Известно, что Август Отто первым запатентовал 4-тактный двигатель. До нашего времени строение двигателя практически не изменилось.
В 1872 году состоялся дебют американского двигателя, который работал на керосине. Однако данную попытку трудно было назвать удачной, поскольку керосин не мог нормально взрываться в цилиндрах. Уже через 10 лет Готлиб Даймлер презентовал свой вариант двигателя, который работал на бензине, причем работал довольно неплохо.
Рассмотрим современные типы двигателей автомобиля и разберемся, к какому из них принадлежит ваша машина.
Типы автомобильных двигателей
Поскольку наиболее распространенным в наше время считают двигатель внутреннего сгорания, рассмотрим типы двигателей, которыми оснащаются сегодня почти все машины. ДВС – это далеко не наилучший тип двигателя, однако именно его используют во многих транспортных средствах.
Классификация двигателей автомобиля:
- Дизельные двигатели. Подача дизельного топлива осуществляется в цилиндры посредством специальных форсунок. Такие моторы не нуждаются в электрической энергии для работы. Она им нужна лишь для запуска силового агрегата.
- Бензиновые двигатели. Они бывают и инжекторными. Сегодня используется несколько типов систем впрыска и . Работают такие моторы на бензине.
- Газовые двигатели. В таких двигателях может использоваться сжатый или сжиженный газ. Такие газы получают с помощью преобразования дерева, угля либо торфа в газообразное топливо.
Работа и конструкция двигателя внутреннего сгорания
Принцип работы двигателя автомобиля – это вопрос, интересующий практически каждого автовладельца. В ходе первого ознакомления со строением двигателя все выглядит очень сложным. Однако в реальности, с помощью тщательного изучения, устройство двигателя становится вполне понятным. В случае необходимости знания о принципе работы двигателя можно использовать в жизни.
1. Блок цилиндров представляет собой своеобразный корпус мотора. Внутри него расположена система каналов, которая используется для охлаждения и смазки силового агрегата. Он используется в качестве основы для дополнительного оборудования, к примеру, картера и .
2. Поршень , являющийся пустотелым стаканом из металла. На его верхней части расположены «канавки» для поршневых колец.
3. Поршневые кольца. Кольца, расположенные внизу, называются маслосъемными, а верхние – компрессионные. Верхние кольца обеспечивают высокий уровень сжатия или компрессию смеси топлива и воздуха. Кольца используются для обеспечения герметичности камеры сгорания, а также в качестве уплотнителей, предотвращающих попадание масла в камеру сгорания.
4. Кривошипно-шатунный механизм. Отвечает за передачу возвратно-поступательной энергии поршневого движения на коленчатый вал двигателя.
Многие автолюбители не знают, что на самом деле принцип работы ДВС является достаточно несложным. Сначала попадает из форсунок в камеру сгорания, где оно смешивается с воздухом. Затем выдает искру, которая вызывает воспламенение топливно-воздушной смеси, из-за чего она взрывается. Газы, которые формируются в результате этого, двигают поршень вниз, в процессе чего он передает соответствующее движение коленчатому валу. Коленвал начинает вращать трансмиссию. После этого набор специальных шестерён осуществляет передачу движения на колеса передней или задней оси (в зависимости от привода, может и на все четыре).
Именно так работает двигатель автомобиля. Теперь вас не смогут обмануть недобросовестные специалисты, которые возьмутся за ремонт силового агрегата вашей машины.
Однако светильный газ годился не только для освещения.
Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару . Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу - она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.
В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения - была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Кроме того, двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Несмотря на это, Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре была применена кривошипно-шатунная передача. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.
Типы двигателей внутреннего сгорания
Поршневой ДВС
Роторный ДВС
Газотурбинный ДВС
- Поршневые двигатели - камера сгорания содержится в цилиндре , где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма .
ДВС классифицируют:
а) По назначению - делятся на транспортные, стационарные и специальные.
б) По роду применяемого топлива - легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).
в) По способу образования горючей смеси - внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).
г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).
д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, "двойной веер", ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.
Бензиновые
Бензиновые карбюраторные
Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа, состоящий из четырёх отдельных тактов:
- впуска,
- сжатия заряда,
- рабочего хода и
- выпуска (выхлопа).
Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики - инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения . Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW , Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (СААБ), обладающие большей гибкостью характеристики.
Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя - исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ ) до 20-30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20-30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания - дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД . В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил , увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.
Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Фербенкс - Морзе, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20-30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х - 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней - ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один - выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.
Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.
В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки - петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы - изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки - относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.
Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС
Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия . Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля , в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.
Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха - приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки(предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения(для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламениня топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).
См. также
- Филипп Лебон - французский инженер , получивший в 1801 году патент на двигатель внутреннего сгорания со сжатием смеси газа и воздуха.
- Роторный двигатель: конструкции и классификация
- Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)
Примечания
Ссылки
- Бен Найт «Увеличиваем пробег» //Статья о технологиях, которые уменьшают расход топлива автомобильным ДВС
