Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Автомобили с роторным двигателем

Первым серийным автомобилем с роторным мотором стал NSU Spider, а мировую славу Ванкелю принесла модель NSU Ro80. Автомобиль вышел в серию в 1967 году, а тираж ограничился 38 000 экземплярами. Тем не менее автомобиль установил новые стандарты в классе седанов с точки зрения дизайна и показывал отличные технические характеристики.

На него установили двухсекционный литровый роторный мотор, который выкручивал 115 лошадей, а максималка у автомобиля была за 180 км/ч. До сотни NSU разгонялся за 12 секунд. Все бы хорошо, но в эксплуатации автомобиля сквозило слишком много недостатков:

1. Камера сгорания имела серповидную форму, вследствие чего плохо проветривалась, а это влияло на расход и на частые перегревы мотора.
2. Постоянно работающая камера сгорания не остывала во время работы, а только накалялась, в результате чего материалы цилиндра просто не выдерживали термической нагрузки.
3. Уплотнители создавали конструкторам большие проблемы, но еще большие проблемы они начертили экологам, потому что масло, которое необходимо для смазки стенок камеры сгорания не выгорало, существенно загрязняя выхлоп.
4. Роторный двигатель не может работать на дизельном топливе. Слишком большие нагрузки.

Устройство ДВС

Конструктивно двигатели делят, с учетом устройства и компоновки техники, на которой они установлены. Но сохраняются неизменными принципы, одинаковые для конструкции любого ДВС.

Двигатель комплектуется такими конструктивными узлами:

• блоком цилиндров – основной частью корпуса с проемами для рабочих камер, рубашкой охлаждения (для моторов, охлаждаемых жидкостью), крепежными отверстиями для установки головок и картера, посадочными местами для коленчатого вала и прочими конструктивными элементами;
• кривошипно-шатунной группой – с коленчатым валом, к которому крепятся шатуны, приводящие в действие поршни, двигающиеся внутри цилиндров; инерция вращения поддерживается маховиком;
• газораспределительным механизмом – системой, подающей в камеры сгорания топливо-воздушную смесь, с отводом выхлопа; включает распределительный вал, клапана, приводимые в действие коромыслами, ремнем или цепью, соединенными с коленвалом;
• топливной системой – подает горючее в камеры сгорания, после обогащения воздухом; включает бак, систему трубок для подвода питающей жидкости, карбюратора или инжектора (с учетом особенностей конструктивного устройства), форсунок, насоса, фильтрующего элемента;
• смазочной системой – с подачей смазки к трущимся деталям; включает масляный насос, приводящийся коленчатым валом, систему патрубков и полостей, фильтр и поддон; предусмотрено устройство «сухого» или «мокрого» картера;
• системой зажигания – для поджигания топливно-воздушной смеси; используется только на бензиновых двигателях, поскольку на дизельных моторах топливо с воздухом воспламеняется самостоятельно, при определенном давлении;
• системой охлаждения – может быть воздушной или жидкостной, для снижения температуры корпуса мотора, чтобы предупредить износ и выход из строя элементов;
• электросистемой – источником электроэнергии, необходимой для работы мотора; включает аккумуляторную батарею, генераторный блок, стартер и проводку с датчиками;
• системой выхлопа – для удаления продуктов сгорания в атмосферу, с доочисткой этой смеси, снижением шума от работы двигателя, фильтрующим элементом.

Конструкция узлов совершенствуется, по мере появления новых материалов и конструктивных решений.

С учетом особенностей конструктивного устройства различных элементов двигателей, важно учитывать такие моменты:

• цилиндры могут выполняться отдельно, с запрессовкой в корпус блока, или совместно с корпусом; моноблочные системы не предусматривают восстановления, в связи с тем, что нельзя заменить гильзу;
• корпуса двигателей изготавливают из сплавов чугуна или алюминия, устойчивых к перепадам температуры и высокому давлению;
• головка блока цилиндров выполняется с ним совместно или в виде отдельной детали; при раздельном исполнении возможно использование разных материалов для головки и блока цилиндров;
• работа кривошипно-шатунного механизма может уравновешиваться балансирными валами, расположенными по сторонам от коленвала и нивелирующими влияние инерционных сил; в результате снижается вибрация и шум, исключаются перегрузки двигателя;
• негативное влияние пружин при быстрой работе двигателя с механическим газораспределительным механизмом снижается за счет десмодромной системы управления мотором – со сложной конфигурацией кулачков;
• зависание клапанов исключается легкими материалами для изготовления этих деталей и пружинных элементов, пневматическим приводом;
• альтернатива традиционной конструкции ГРМ – гильзовый способ, разработанный Найтом; предусматривает использование взамен клапанов скользящих гильз, работающих бесшумно и долговечно; этот способ перестали использовать по причинам большого расхода смазочной жидкости, с разработкой верхнеклапанной конструкции;
• ранние модели двигателей комплектовались не стартерами, а генераторами переменного тока (магнето), приводимыми в действие коленчатым валом; это требовало прокручивания вала двигателя для запуска;
• вредное воздействие на экологию выхлопных газов частично снижается каталитическим нейтрализатором, окисляющим и химически преобразовывающим выхлоп;
• электронные системы дополнительно улучшают работу двигателя; изменение фаз газораспределения изменяет нагрузку на мотор, с учетом включенной передачи, снижая потребление горючего; дезактивация цилиндров регулирует объем камер сжатия, отключая ненужные цилиндры; регулировка степени сжатия изменяет объем камер сгорания, с учетом режимов работы мотора.

Эти и другие особенности конструктивно улучшили работу двигателей внутреннего сгорания.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Несмотря на разнообразие типов и конструкций ДВС, принцип его устройства остается практически неизменным на любой технике. Конечно, отдельные элементы конструкции могут сильно отличаться на разных двигателях, но основные узлы и компоненты очень похожи между собой.

Итак, двигатель внутреннего сгорания состоит из таких конструктивных узлов.

1. Блок цилиндров (БЦ) – «оболочка» ЦПГ и всего двигателя в целом, в том числе с рубашкой системы охлаждения.
   Блок цилиндров
2. Кривошипно-шатунный механизм, он же КШМ – узел, в котором происходит преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное. Состоит из коленвала, поршней, шатунов, маховика, а также подшипников скольжения (вкладышей), на которые опирается коленвал и крепления шатунов.
   Кривошипно-шатунный механизм: 1 — цилиндр; 2 — маховик; 3 — шатунный подшипник; 4 — коленчатый вал; 5 — колено; 6 — коренной подшипник; 7 — шатун.
3. Газораспределительный механизм (ГРМ) – это система подачи в цилиндры топливно-воздушной смеси и отвода выхлопных газов. Состоит из распредвалов, клапанов с коромыслами или штангами, ремня ГРМ, благодаря которому вся система работает синхронно с оборотами коленвала.
   Газораспределительный механизм
4. Система питания – это узел, в котором происходит подготовка топливно-воздушной смеси, которая затем подается в камеры сгорания. В зависимости от конструкции система подачи топлива может быть карбюраторной (одна форсунка на двигатель), инжекторной (форсунки установлены перед впускным клапаном каждого цилиндра), с непосредственным впрыском (форсунка установлена внутри камеры сгорания). Включает в себя топливный бак с фильтром и насосом, карбюратор (опционально), впускной коллектор, форсунки, ТНВД (в дизельных двигателях), воздухозаборника с воздушным фильтром.
   Система питания
5. Система смазки двигателя – обеспечивает подачу смазки в каждый из узлов трения, а также на участки, требующие дополнительного охлаждения (например, на нижнюю часть поршней). Состоит из масляного насоса, подключенного к коленвалу, системы трубок и каналов, выходящих на пары трения, масляного фильтра, масляного поддона. В зависимости от конструкции различаются двигатели с «сухим» и «мокрым» картером. У первых емкость для сбора моторного масла расположена отдельно, во вторых – непосредственно под двигателем.
   Система смазки двигателя: 1 – масляный насос; 2 – пробка сливного отверстия картера; 3 – маслоприемник; 4 – редукционный клапан; 5 – отверстие для смазывания распределительных шестерен; 6 – датчик сигнальной лампы аварийного давления масла; 7 – датчик указателя давления масла; 8 – кран масляного радиатора; 9 – масляный радиатор; 10 – масляный фильтр.
6. Система зажигания – нужна для поджига топливной смеси в камере сгорания. Применяется только на бензиновых двигателях, поскольку дизтопливо воспламеняется само от сжатия. Включает в себя свечи зажигания, высоковольтные провода, катушки зажигания, а также распределитель (трамблер) на двигателях старого типа. В современных моторах система зажигания обходится без трамблера и даже без проводов: используется конструкция «катушка на свече».
   Система зажигания двигателя: 1 – генератор; 2 – выключатель зажигания; 3 – распределитель зажигания; 4 – кулачок прерывателя; 5 – свечи зажигания; 6 – катушка зажигания; 7 – аккумуляторная батарея.
7. Система охлаждения – заботится о поддержании заданной рабочей температуры двигателя. Жидкостная система охлаждения состоит из теплоносителя (охлаждающей жидкости, антифриза), рубашки охлаждения (сеть камер и каналов внутри блока цилиндров), теплообменника (радиатор охлаждения), водяного насоса и термостата.
   Система охлаждения
8. Электросистема – это источники энергии, необходимой для старта двигателя и поддержания его работы. К электросистеме относится аккумуляторная батарея, генератор, стартер, проводка и датчики работы двигателя.
9. Выхлопная система – отводит продукты сгорания из двигателя, выполняет функцию доочистки выхлопных газов, регулирует звук работы мотора. Состоит из выпускного коллектора, катализатора и сажевого фильтра (опционально), резонатора, глушителя.

Выхлопная система

Каждая их этих частей постепенно развивается и совершенствуется в зависимости от запросов времени. Стремление к росту мощности сменилось поиском самых надежных и долговечных решений, затем на первое место вышла экономия топлива, а сегодня – забота о природе.

Система выпуска отработавших газов

Теперь, когда мы знаем о ряде вещей, которые мы положили (налили) в свой ​​автомобиль, давайте посмотрим на другие вещи, которые выходят из него. Система выпуска включает в себя выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя Вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов из своей ​​выхлопной трубы. Глушитель гасит звук. Выхлопная система также включает в себя каталитический нейтрализатор, который использует катализатор и кислород, чтобы сжечь всё неиспользованное топливо и некоторые другие химические веществ в выхлопных газах. Таким образом, Ваш автомобиль соответствует определённым евростандартам по уровню загрязнения воздуха.

Что ещё есть, кроме всего вышеперечисленного в автомобиле? Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора. Генератор подключен к двигателю ремнём и вырабатывает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Аккумулятор выдаёт 12-вольтовый заряд электрической энергии, доступной ко всему в машине, нуждающемуся в электроэнергии (системе зажигания, магнитоле, фарам, стеклоочистителям, электрическим стеклоподъемникам, приводу сидений, бортовому компьютеру и ещё множеству устройств) посредством проводки автомобиля.

Принцип работы

Машина с ДВС (двигателем) должна ездить, а для этого ей необходимо совершить механическое усилие. Именно его и производит двигатель, который передает вращательную силу на колеса автомобиля. Те вращаются, и транспортное средство начинает движение. Это очень примитивное объяснение, которое позволит лишь отдаленно понять, что это такое – ДВС в машине. Главная цель двигателя – преобразование бензина (или дизельного топлива) в механическое движение. Сегодня самый простой способ заставить автомобиль двигаться – это сжечь топливо внутри мотора. Именно поэтому двигатель внутреннего сгорания получил соответствующее название. Все они работают по одинаковому общему принципу, хотя есть некоторые разновидности: дизельные, с карбюраторными или инжекторными системами питания и так далее.

Итак, принцип мы поняли: топливо сгорает, высвобождает при этом большие объемы энергии, которые толкают механизмы в двигателе, что приводит к вращению коленчатого вала. Усилия затем передаются на колеса, и машина начинает движение. 

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты четырехтактного двигателя

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации

Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта)

Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.

1. На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
2. Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
3. Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
4. И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного двигателя

По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.

При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется  большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.

Принцип работы двухтактного двигателя

Такты двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:

1. В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
2. Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.

Работа двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.

При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.

Работа двигателя внутреннего сгорания

В основе функционирования двигателя находится расширение газов и эффект, появляющийся от сгорания топлива, собственно, это и становится силой, которая приводит в движение поршень.

Функционирование поршневых моторов состоит из циклов. В одном цикле – пара оборотов совершаемых коленвалом и 4 такта (касается четырехтактных моторов): после впуска происходит сжатие, далее рабочий ход и вывод отработанных газов.

После впуска выполняется рабочий ход, поршень движется по направлению вниз, а во время сжатия и последующего выпуска – направленно вверх. Цикл в цилиндрах происходит фазами, благодаря чему и достигается равномерное функционирование.

При впуске соответствующими системами создается смесь топлива с воздухом. Это может осуществляться в коллекторе впуска или непосредственно в камере сгорания – зависит от конструкции.

Рабочий ход приводит к воспламенению топлива, сопровождающегося выделением горючих газов, приводящих поршень в движение по направлению вниз. При помощи кривошипа происходит преобразование поршневого движения во вращение коленвала, далее используемое для передвижения авто.

В процессе выпуска в устройстве газораспределения открываются клапаны, и происходит удаление отработанных газов с последующим очищением, охлаждением и подавлением шумов. Только после прохождения всех этих этапов газы направляются в окружающее пространство.

Как работает пусковая система?

Повышение производительности Вашего двигателя является большим делом, но важнее то, что именно происходит, когда Вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его! Пусковая система состоит из стартера с электродвигателем. Когда Вы поворачиваете ключ зажигания, стартер крутит двигатель на несколько оборотов, чтобы процесс горения начал свою работу, и остановить его смог только поворот ключа в обратную сторону, когда перестаёт подаваться искра в цилиндры, и двигатель, таким образом, глохнет.

Стартер же имеет мощный электродвигатель, который вращает холодный двигатель внутреннего сгорания. Стартер — это всегда довольно мощный и, следовательно, «кушающий» ресурсы аккумулятора двигатель, ведь должен преодолеть:

• Всё внутреннее трение, вызванное поршневыми кольцами и усугубляющееся холодным непрогретым маслом.
• Давление сжатия любого цилиндра (цилиндров), которое происходит в процессе такта сжатия.
• Сопротивление, оказываемое открытием и закрытием клапанов распределительным валом.
• Все иные процессы, непосредственно связанные с двигателем, в том числе сопротивление водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.

Мы видим, что стартеру необходимо очень много энергии. Автомобиль чаще всего использует 12-вольтовую электрическую систему, и сотни ампер электричества должны поступать в стартер.

Принцип работы

Задача двигателя – превращение топлива в движение автомобиля. Поршень перемещается под действием сгорания бензина. Процесс, начиная от впрыска, и заканчивая выходом отработавших газов, называется рабочим циклом. Он состоит из 4 тактов. Каждый такт начинается при нахождении поршня в крайних положениях (мёртвых точках).

Представим себе цилиндр, поршень и два клапана. Рассмотрим происходящие процессы.

1. Впуск. Поршень движется вниз. Топливовоздушная смесь поступает через питательный клапан. Эффект можно сравнить с медицинским шприцем.
2. Сжатие. Поршень направляется вверх. Температура стремительно возрастает.
3. Расширение. От возгорания топлива, поршень устремляется вниз. Еще этот такт называют рабочим.
4. Выпуск. Отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу. Далее процесс повторяется.

Все ДВС работают по этой методике. Поршень передаёт энергию на коленчатый вал, а затем на колёса автомобиля.

Классификация моторов

Разделяются по следующим категориям.

По виду смесеобразования:

1. С наружным. Топливо соединяется с воздухом в отдельном пространстве – карбюраторе. Далее смесь направляется «самотёком».
2. С внутренним. Образование смеси происходит непосредственно в цилиндре. Распыление выполняется при помощи инжекторов.

По способу возгорания:

1. Бензиновые. Возгорание топлива от электрической искры (внешний источник).
2. Дизельные. Происходит самовоспламенение внутри цилиндра.

По методу поступления воздуха.

1. Атмосферные. Поступление естественным путём от разряжения.
2. Турбированные. Воздух подаётся в цилиндры под давлением, через нагнетатель.

По цикличности:

1. Четырёхтактные. Оборот двигателя равен четырём тактам.
2. Двухтактные. Один оборот коленвала соответствует двойному ходу поршня.

Показатели двигателей

Показателями двигателя называют величины, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр.

Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо (рис. 3) и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).

Крутящий момент увеличивается с ростом:
рабочего объема . Поэтому двигатели, которым необходим значительный крутящий момент, обладают большим объемом;
давления горящих газов в цилиндрах, которое ограничено детонацией (взрывное горение бензо-воздушной смеси, сопровождаемое характерным звонким звуком. Ошибочно называется «стуком поршневых пальцев») или ростом нагрузок в дизелях.

Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах (см. ниже), они вместе с его величиной указываются в технической документации.

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).

Двигатели большей мощности производители получают увеличением:
рабочего объема, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
оборотов коленчатого вала, число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях — конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.

Номинальная мощность — гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.

Удельный расход топлива — это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.