Двигатель (ДВС): устройство, принцип работы, классификация

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Самые распространенные виды двигателей

Существует три разновидности ДВС: поршневой, роторно-поршневой силовой агрегат системы Ванкеля и газотурбинный. За редким исключением на современные авто устанавливаются четырехтактные поршневые моторы. Причина кроется в низкой цене, компактности, малом весе, многотопливности и возможности установки практически на любые транспортные средства. 
Сам по себе двигатель автомобиля – это механизм, преобразующий тепловую энергию горящего топлива в механическую, работу которого обеспечивает множество систем, узлов и агрегатов. Поршневые ДВС бывают двух- и четырехтактными. Понять принцип работы двигателя автомобиля проще всего на примере четырехтактного одноцилиндрового силового агрегата.

Четырехтактным мотор называется потому, что один рабочий цикл состоит из четырех движений поршня (тактов) или двух оборотов коленчатого вала:

  • впуск;
  • сжатие;
  • рабочий ход;
  • выпуск.

Устройство мотора

Прежде, чем разбираться с принципом работы, стоит сначала понять, как устроен силовой агрегат и что входит в его конструкцию. Так как поршневые считаются наиболее востребованными, рассматриваться будет именно такое устройство. К основным деталям следует отнести:

  1. Цилиндры, образующие отдельный блок
  2. Головку блока с ГРМ
  3. Кривошипно-шатунный механизм

Последний приводит в движение коленчатый вал, заставляя его вращаться. Механизм передает валу энергию, получаемую от двигающегося поршня, который в несколько тактов меняет свое положение. Движение поршня регулирует энергия тепла, возникающая в результате горения топлива.

Невозможно представить и организовать движение сил

Невозможно представить и организовать движение силового агрегата без установленных в нем механизмов. Так, например, ГРМ меняет положение клапанов, за счет чего удается обеспечить регулярную подачу топлива, впуская и выпуская определенные составы. Система поступления новых газов и выхода отработавших налажена.

Работа двигателя возможна только при одновременной работе всех включенных в конструкцию деталей, механизмов и других элементов. Также вместе с ними должны бесперебойно действовать следующие системы:

  • зажигания, основная роль которой заключается в воспламенении топлива,
  • содержащего также воздух;
  • впускная, регулирующая своевременную подачу воздуха внутрь цилиндра;
  • топливная, благодаря которой удается обеспечить подачу топлива для сгорания и дальнейшей работы транспорта;
  • система смазки, снижающая износ трущихся деталей конструкции во время их работы;
  • выхлопная, посредством действия которой удается удалить отработавшие газы, в результате чего снижается их токсичность.

Также работает система охлаждения, регулирующая температуру внутри агрегата и следящая за тем, чтобы она была оптимальной.

Система зажигания

Система зажигания применяется только на бензиновых двигателях. На дизелях воспламенение смеси производится от сжатия, поэтому такая система ему не нужна.

У бензиновых же авто, воспламенение выполняется от искры, проскакивающей в определенный момент между электродами свечи накаливания, установленной в головке блока так, что ее юбка находится в камере сгорания цилиндра.

Состоит система зажигания из катушки зажигания, распределителя (трамблера), проводки и свечей зажигания.

Циклы двигателя

Под циклом подразумеваются действия, которые повторяются в отдельном цилиндре. Четырехтактный мотор оснащается механизмом, который обеспечивает срабатывание каждого из этих циклов.

В ДВС поршень выполняет возвратно-поступательные движения (вверх/вниз) по цилиндру. Шатун и кривошип, закрепленный на нем, преобразует эту энергию во вращение. Во время одного действия – когда поршень доходит от нижней точки до верхней и обратно – коленчатый вал делает один оборот вокруг своей оси.

Чтобы этот процесс происходил постоянно, в цилиндр должна поступать воздушно-топливная смесь, она должна в нем сжиматься и воспламеняться, а также должны удаляться продукты горения. Каждый из этих процессов происходит за один оборот коленвала. Эти действия называются тактами. Всего в четырехтактнике их четыре:

  1. Впуск или всасывание. На этом такте в полость цилиндра всасывается воздушно-топливная смесь. Она поступает через открытый впускной клапан. В зависимости от типа топливной системы бензин смешивается с воздухом во впускном коллекторе или непосредственно в цилиндре, как, например, у дизелей;
  2. Сжатие. В этот момент как впускной, так и выпускной клапаны закрыты. Поршень идет вверх благодаря провороту коленвала, а он вращается за счет выполнения других тактов в смежных цилиндрах. В бензиновом моторе ВТС сжимается до нескольких атмосфер (10-11), а в дизеле – более 20атм.;
  3. Рабочий ход. В момент, когда поршень остановится в самом верху, сжатая смесь зажигается при помощи искры от свечи зажигания. В дизельном агрегате этот процесс несколько отличается. В нем воздух так сильно сжимается, что его температура подскакивает до значения, при котором солярка загорается самостоятельно. Как только происходит взрыв смеси топлива и воздуха, высвободившейся энергии некуда деваться, и она перемещает поршень вниз;
  4. Выпуск продуктов горения. Чтобы камера наполнилась свежей порцией горючей смеси, газы, образовавшиеся в результате воспламенения, необходимо удалить. Это происходит в следующем такте, когда поршень идет вверх. В этот момент открывается выпускной клапан. При достижении поршнем верхней мертвой точки цикл (или совокупность тактов) в отдельном цилиндре замыкается, и процесс повторяется.

Плюсы и минусы

Двигатели внутреннего сгорания имеют немало достоинств:

  • удобство и простота использования;
  • доступность топлива;
  • быстрая заправка;
  • долговечность;
  • сохранение работоспособности даже после нескольких ТО.

К тому же для многих автовладельцев звук мотора является лучшей музыкой. Зная это, производители настраивают их особым образом.

Но и минусы у агрегатов существуют:

  • более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с электрическими моделями;
  • сложность системы.

Современные модели уже невозможно починить и обслуживать самостоятельно в гараже. Но чем сложнее конструкция, тем больше слабых мест в ней остается. А значит ТО придется проходить все чаще и чаще.

Требует упоминания и экологический аспект. Многие европейские города задыхаются от бензинового смога и не видят солнечного света. Поэтому требования к экологической безопасности регулярно ужесточаются.

Двигатели внутреннего сгорания с течением времени не теряют своих позиций. Несмотря на то, что инженеры и изобретатели бьются над созданием принципиально новых моторов, этот вопрос до сих пор не решен. А значит в ближайшие годы человечество будет пользоваться все теми же привычными, надежными и удобными агрегатами.

Как работает двухтактный мотор

Выше было упомянуто, что поршневые двигатели делятся как на 4-тактные, так и на 2-тактные. Принцип работы вторых немного отличается от того, что был описан ранее. Да и само устройство такого агрегата значительно проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате всего два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второе расположено чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего это.

Поршень при начале первого такта, до этого перекрывавший впускное окно, начинает двигаться наверх, в результате чего перекрывает собой окно впуска топлива. Поршень в это же время продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече образуется первая искра, и созданная смесь тут же поджигается, воспламеняясь. Впускное окно к этому моменту уже открывается. Оно пропускает очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.

Начало второго такта характеризуется сменой направления движения поршня — он начинает перемещаться вниз. На него действуют газы, стремящиеся расширить имеющееся пространство. Поршень перемещается, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы уходят, пропуская внутрь новую порцию топлива.

Какая-то часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому становится понятным, почему двухтактные двигатели требуют такого количества топлива.

Преимущества и недостатки

Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение большой мощности при небольшом рабочем объеме, если сравнивать их с четырехтактными. Однако владелец авто будет страдать от внушительных расходов топлива, из-за чего в скором времени в его голове возникнет идея поменять агрегат.

Также плюсами двухтактных ДВС можно назвать простую конструкцию, понятную и равномерную работу, маленький вес и компактный размер. К минусам следует отнести грязный выхлоп, нехватку различных систем, а также быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы машин с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его поломку.

Аnbsp;как запускается первый такт?

Каждый автомобиль обладает набором бортовой электроники — проводов, аккумулятора, стартера и т. д. Аккумулятор за время поездок накапливает достаточно энергии, чтобы при помощи специального механизма — стартера — раскрутить коленвал и завести мотор.

Электрооборудование

Обеспечивает это оборудование электроэнергией бортовую сеть авто, в том числе и систему зажигания. Этим оборудование также производится и запуск двигателя. Состоит оно из АКБ, генератора, стартера, проводки, всевозможных датчиков, которые следят за работой и состоянием двигателя.

Это и все устройство двигателя внутреннего сгорания. Он хоть и постоянно совершенствуется, однако принцип работы его не меняется, улучшаются лишь отдельные узлы и механизмы.

Принцип работы

В настоящее время преобладает четырехтактный принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что поршень в цилиндре проходит четыре раза – вверх и вниз одинаково по два.

Как работает двигатель внутреннего сгорания:

  1. Первый такт – поршень при движении вниз втягивает топливную смесь. При этом клапан впуска находится в открытом виде.
  2. После достижения поршнем нижнего уровня, он двигается вверх, сжимая горючую смесь, которая, в свою очередь, принимает объем камеры сгорания. Этот этап, включенный в принцип работы двигателя внутреннего сгорания, является вторым по счету. Клапаны, при этом, находятся в закрытом виде, и чем плотнее, тем качественнее происходит сжатие.
  3. В третий такт включается система зажигания, так как здесь происходит воспламенение топливной смеси. В назначении работы двигателя он называется «рабочим», так как при этом начинается процесс привода в работу агрегата. Поршень от взрыва топлива начинает движение вниз. Как и во втором такте, клапаны находятся в закрытом состоянии.
  4. Завершающий такт – четвертый, выпускной, который дает понять, что такое завершение полного цикла. Поршень через выпускной клапан избавляется от отработавших газов цилиндра. Затем все циклически повторяется снова, понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, можно представив цикличность работы часов.

Классификация двигателей

Конструкция ДВС постоянно совершенствуется. Разработчики внедряют новые идеи, а появление более совершенных материалов открывает дополнительные возможности. С учетом этих особенностей, разработано множество разновидностей двигателей, с классификацией их по конструктивному исполнению.

В зависимости от характеристики рабочего цикла, ДВС могут быть:

  • двухтактными;
  • четырехтактными.

Особенности работы и различия таких моторов рассматривались выше.

Исходя из типа конструктивного устройства, моторы делят на две такие группы:

  • поршневую – наиболее распространенная разновидность, привычная для большинства автовладельцев, в которой агрегат состоит из коленвала и поршней, двигающихся в цилиндрах;
  • роторно-поршневого – принцип работы которого изобретен Ванкелем.

В двигателе Ванкеля, вместо привычных поршней применяется трехгранный ротор, разделяющий цилиндрическую камеру сгорания на три отсека, с цикличными процессами для каждого из них.

Роторно-поршневой агрегат не слишком распространен

Роторно-поршневой агрегат не слишком распространен. Такие моторы устанавливали на некоторых моделях автомобилей. Но недостаточная эффективность конструкции привела к тому, что от этой идеи впоследствии отказались

Двигатели делят по количеству цилиндров. Общее их число может изменяться от 1 до 16. Но в наиболее распространенных силовых установках используется от 3 до 8 цилиндров. Чем большее количество цилиндров содержит двигатель, тем выше его мощность. Но одновременно приходится решать дополнительные задачи по охлаждению, распределению топлива и пр.

Чаще применяются моторы с четным числом камер сгорания, чтобы сбалансировать и уравновесить работу агрегата. Однако на некоторых моделях автомобилей Ford установлены уникальные трехцилиндровые двигатели.

Цилиндры в двигателях компонуются в различном порядке. Рядное расположение – наиболее простое в отношении обслуживания, но не самое выгодное с точки зрения общей компоновки агрегата.

Исходя из порядка расположения цилиндров, выделяют двигатели с таким их размещением:

    • рядным – когда цилиндры установлены в ряд и соединены с общим коленчатым валом;
  • V-образным – с размещением цилиндров в двух плоскостях, под взаимным углом от 45 до 90 градусов; коленчатый вал остается единым;VR-образным – разновидность предыдущего устройства
  • VR-образным – разновидность предыдущего устройства, при небольшом угле группы цилиндров (в пределах от 10 до 20 градусов);W-образным – когда количество плоскостей цилиндров
  • W-образным – когда количество плоскостей цилиндров может быть 3 или четыре, при одном коленчатом вале;U-образным – компоновка единого силового агрегата
  • U-образным – компоновка единого силового агрегата из двух рядных блоков, объединенных общей системой охлаждения и подачи топлива, с двумя отдельными коленчатыми валами;оппозитным – когда от одного коленвала работает дв
  • оппозитным – когда от одного коленвала работает две группы поршней, направленных противоположно;встречным – особый тип конструкции, когда в каждом
  • встречным – особый тип конструкции, когда в каждом из цилиндров работает по паре поршней, двигающихся в противоположных направлениях; конструктивно такой мотор представляет собой единую цилиндро-поршневую группу при двух коленчатых валах;радиальным – если группа поршней приводится из одн
  • радиальным – если группа поршней приводится из одной точки общего коленвала, с шатунами, расходящимися по направлениям радиуса.

В автомобильной технике наибольшее распространение получили различные разновидности V-образной конструкции, включая сходные с ней типы устройства. Радиальные моторы используются на самолетах. Остальные виды силовых установок применяются ограниченно.

С учетом типа топлива, различают двигатели внутреннего сгорания:

  • бензиновые – с применением бензина, воспламеняемого искрой от свечей и катушек зажигания, синхронизированных с вращением коленчатого вала; такие моторы развивают наибольшую скорость;
  • дизельные – в таких моторах топливо-воздушная смесь воспламеняется самопроизвольно, при достижении показателя давления критической отметки; свечи зажигания здесь отсутствуют, но используют прямой впрыск, при подаче горючего под большим давлением, учитывая характеристики среды в камере сжатия; отличаются большой мощностью, при ограниченной скорости; преимущественно устанавливают на тяжелую технику;
  • газовые – работают на сжиженном газе, что обходится дешевле бензина; предполагают более высокие температуры, что требует определенных конструктивных решений и особых сортов смазочной жидкости;
  • гибридные – совмещают применение двигателя внутреннего сгорания с электрической установкой; в обычных условиях задействован электродвигатель, ДВС используется для подзарядки аккумуляторных батарей или при возрастающей нагрузке на силовую установку;
  • водородные – применяют относительно недавно, по причине повышенной опасности, требующей соответствующих конструктивных решений; при разложении воды на водород и кислород методом электролиза, высок риск нестабильного состояния среды, с опасностью взрыва; не так давно изобрели новый способ – с раздельным поступлением этих газов; кислород забирается из воздуха, а водородом наполняют баки, помещенные на машине; в итоге процесс работы обратен электролизу, с выработкой электроэнергии и образованием воды от соединения элементов при работе.

Наибольшее распространение получили бензиновые двигатели. Но за новыми гибридными и водородными установками, по мнению большинства ученых и конструкторов, будущее развития техники. Эти двигатели все более совершенствуются, но насколько их использование окажется эффективным – покажет время.

Газораспределительный механизм управляет работой двигателя, открывая и закрывая клапаны для впрыска топливо-воздушной смеси. Клапаны работают от распределительного вала, приводимого в движение коленвалом за счет цепи или ремня.

Компоновка мотора может предусматривать один распредвал при рядном размещении цилиндров, или несколько (от двух до четырех) – при V-образном.

По мере развития техники, традиционную механическую систему впрыска сменила электронная, где момент открытия клапана определяет компьютерный блок. В связи с этим используются адаптивные и пневматические модули, прибавляющие до 30 процентов эффективности в мощностных показателях двигателей.

Моторы делят по принципу подачи воздуха в камеры сгорания. Различают такие силовые установки:

  • атмосферные – традиционный ДВС, где воздух закачивается в камеру цилиндров поршнем;
  • турбинные – при использовании дополнительной подкачки.

Турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов

Турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов, с вращением турбины, дополнительно нагнетающей воздух, принудительным способом.

Преимущества моторов с турбонаддувом в возрастании мощности за счет увеличения притока воздуха. Недостатки – в излишнем усложнении конструктивного устройства.

Четырехтактный ДВС

Число тактов работы — одна из важнейших характеристик любого ДВС. Далее приведено описание взаимодействия поршня с клапанами поочерёдно в каждом такте. Напомним, 1 цикл — это 4 такта.

В первом такте выполняется впуск смеси. Топливо смешивается с воздухом. Поршень двигается к наивысшей точке. В камере сгорания создаётся область низкого давления — разрежение. Впускной клапан открывает отверстие в камере для подачи смеси. Коленвал начинает первый оборот.

Во втором такте смесь сжимается. Впускной клапан закрывается. Поршень, достигнув наивысшей точки, сжимает обогащённую топливную смесь. Коленвал завершает первый оборот.

Рабочий ход выполняется в третьем такте. Обогащённая смесь поджигается. В бензиновых двигателях поджигание производится электрической дугой от свечи. В дизельных — топливо воспламеняется самостоятельно в процессе сжатия. Облако расширяющихся газов заставляет поршень двигаться вниз. Начало второго оборота коленвала.

В четвёртом такте происходит выпуск. Открывается выпускной клапан. Газы выводятся в коллектор, а затем выбрасываются наружу. Поршень начинает двигаться вверх. Вал завершает второй оборот.

Таким образом, за 1 рабочий цикл этот двигатель совершает 4 такта, во время которых вал проворачивается дважды.

Видео: Принцип работы четырёхтактного двигателя

Видео: Принцип работы четырёхтактного двигателя

Система смазки

Система смазки обеспечивает снижение трения между взаимодействующими поверхностями двигателя, путем создания специальной пленки, предотвращающей прямой контакт поверхностей. Дополнительно осуществляет отвод тепла, защищает от коррозии элементы двигателя.

Состоит система смазки из масляного насоса, емкости для масла – поддона, маслозаборника, масляного фильтра, каналов, по которым масло движется к трущимся поверхностям.

Тип топлива

Следует помнить и об октановом числе топлива, которое используют двигатели внутреннего сгорания разных типов.

Чем выше октановое число топлива – тем больше степень сжатия, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Но существуют и такие двигатели, для которых увеличение октанового числа выше положенного заводом изготовителем, приведет к преждевременной поломке. Это может произойти путем прогорания поршней, разрушения колец, закопченности камер сгорания.

Заводом предусмотрено свое минимальное и максимальное октановое число, которое требует двигатель внутреннего сгорания.

Виды двигателей

  • Бензиновые моторы карбюраторного типа работают от топлива, смешанного с воздухом. Смесь эта предварительно подготавливается в карбюраторе, далее поступает в цилиндр. В нем смесь сжимается, воспламеняется искрой от свечи зажигания.
  • Инжекторные двигатели отличаются тем, что смесь подается напрямую от форсунок во впускной коллектор. У этого вида имеются две системы впрыска – моновпрыск и распределенный впрыск.
  • В дизельном моторе воспламенение происходит без свечей зажигания. В цилиндре данной системы находится воздух, разогретый до температуры, которая превышает температуру воспламенения топлива. В этот воздух через форсунку подается топливо, и вся смесь воспламеняется по образу факела.
  • Газовый ДВС имеет принцип теплового цикла, топливом может являться как природный газ, так и углеводородный. Газ поступает в редуктор, где давление его стабилизируется в рабочее. Затем попадает в смеситель, а в итоге воспламеняется в цилиндре.
  • Газодизельные ДВС работают по принципу газовых, только в отличие от них, смесь воспламеняется не свечой, а дизельным топливом, впрыск которого происходит также, как и у обычного дизельного мотора.
  • Роторно-поршневые типы двигателей внутреннего сгорания принципиально отличаются от остальных наличием ротора, который вращается в камере, имеющей форму восьмерки. Чтобы понять, что такое ротор, нужно усвоить, что в данном случае ротор выполняет роль поршня, ГРМ и коленчатого вала, то есть специальный механизм ГРМ здесь полностью отсутствует. При одном обороте происходит сразу три рабочих цикла, что сравнимо с работой двигателя с шестью цилиндрами.

Газораспределительный механизм

В задачу этого механизма входит своевременная подача горючей смеси или ее составляющих в цилиндр, а также отвод продуктов горения.

У двухтактных двигателей как такового механизма нет. У него подача смеси и отвод продуктов горения производится технологическими окнами, которые проделаны в стенках гильзы. Таких окон три – впускное, перепускное и выпускное.

Поршень, двигаясь производит открытие-закрытие того или иного окна, этим и выполняется наполнение гильзы топливом и отвод отработанных газов. Использование такого газораспределения не требует дополнительных узлов, поэтому ГБЦ у такого двигателя простая и в ее задачу входит только обеспечение герметичности цилиндра.

У 4-тактного двигателя механизм газораспределения имеется. Топливо у такого двигателя подается через специальные отверстия в головке. Эти отверстия закрыты клапанами. При надобности подачи топлива или отвода газов из цилиндра производится открывание соответствующего клапана. Открытие клапанов обеспечивает распределительный вал, который своими кулачками в нужный момент надавливает на необходимый клапан и тот открывает отверстие. Привод распредвала осуществляется от коленвала.

ГРМ с ременным и цепным приводом

ГРМ с ременным и цепным приводом

Компоновка газораспределительного механизма может отличаться. Выпускаются двигатели с нижним расположением распредвала (он находится в блоке цилиндров) и верхним расположением клапанов (в ГБЦ). Передача усилия от вала к клапанам производится посредством штанг и коромысел.

Более распространенными являются моторы, у которых и вал и клапана имеют верхнее расположение. При такой компоновке вал тоже размещен в ГБЦ и действует он на клапана напрямую, без промежуточных элементов.

Литература

  1. Кушуль В. М. Знакомьтесь: двигатель нового типа. — Л.: Судостроение, 1966. — 120 с.
  2. Судовые двигатели внутреннего сгорания: учеб. / Ю. Я. Фомин, А. И. Горбань, В. В. Добровольский, А. И. Лукин и др. — Л.: Судостроение, 1989. — 344 с.
  3. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А. С. Орлина, Д. Н. Вырубова. — М.: Машиностроение, 1971. — 400 с.
  4. Демидов В. П. Двигатели с переменной степенью сжатия. — М.: Машиностроение, 1978. — 136 с.
  5. Махалдиани В. В, Эджибия И. Ф. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия. — Тбилиси, 1973. — 272 с.