Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.
ДВС — что это такое в машине, как работает, из чего состоит, классификация двигателей внутреннего сгорания
Люди постоянно пытаются построить экономичный и надёжный мотор. До сих пор идея об изобретении вечного двигателя не даёт покоя многим изобретателям. Неудачные разработки исчезли в веках. Но в результате проб и ошибок появилось несколько типов двигательных установок. Эти механизмы успешно нами эксплуатируются.
Все известные двигатели используют разные виды энергии, которую затем преобразуют в движение. В качестве приводной тяги может служить электроэнергия, вода и тепло. Поэтому они разделяются на следующие типы:
Тепловые моторы основаны на преобразовании тепловой энергии в работу. В таких машинах применён один из двух способов сгорания топлива: внешний и внутренний.
В школе наверняка всем рассказывали о машинах, работающих на пару. Они как раз и представляют вид тепловых двигателей с внешней камерой сгорания. Первые паровые механизмы были построены ещё в середине XIX века . Сейчас паровые машины практически исчезли из нашей жизни. Они уступили место двигателям внутреннего сгорания (ДВС).
Принципиально ДВС отличаются от паровых машин местом размещения камеры сгорания. В механизмах с внутренним сгоранием эти камеры расположены в самих агрегатах. Такие моторы работают практически во всех транспортных средствах.
В этой статье приведена основная информация о принципе работы различных видов ДВС: газотурбинного, роторного, поршневого. Рассказано, как работает двигательный агрегат с внешней камерой сгорания — двигатель Стирлинга. Описана классификация и устройство двигателей внутреннего сгорания поршневого типа. Объяснено отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного.
Принцип работы ДВС
Самым главным механизмом, установленным в каждом автомобиле, является двигатель внутреннего сгорания. Механики любят называть его сердцем автомобиля. Именно он отвечает за преобразование энергии сгорания углеводородного топлива в механическое движение. Работают ДВС на жидком или газообразном топливе.
Принцип работы ДВС прост. Небольшие порции топлива, смешанного с воздухом в нужной пропорции, поступают в камеру сгорания. В ней топливная смесь воспламеняется. Выделяемая при этом энергия приводит в движение поршни, которые вращают вал.
Все остальные узлы автомобиля предназначены либо для повышения производительности силового агрегата, либо для контроля и управления. Вспомогательные системы создают также комфорт пассажирам и водителям, при этом обеспечивая им безопасную езду.
Более чем за полуторавековую историю своего развития появились ДВС, различающиеся конструкцией, мощностью и используемым топливом.
Видео: Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Для четырехтактных двигателей характерно последовательное чередование тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Это происходит в течение четырех ходов поршня и двух оборотов коленчатого вала.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.
На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.
Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.
В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты.
Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6.
Горючая смесь — это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива с воздухом (кислородом).
Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.
Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений — $1600-1800 \degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.
Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась — они начинают охлаждаться.
Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя
Для того чтобы более подробно рассмотреть схему работы данного двигателя, нам понадобятся новые определения.
Поршень может двигаться внутри цилиндра. В устройстве самого простого вида, который мы рассматриваем, он может двигаться вверх и вниз.
Мёртвые точки — это крайние точки положения поршня в цилиндре.
Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.
Рассматриваемые нами двигатели внутреннего сгорания называют четырехтактными.
Четырехтактный двигатель — это двигатель, в котором один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня (за четыре такта).
Один такой такт двигателя или ход поршня происходит за половину оборота коленчатого вала.
В ряде государств, к примеру, в соседней Норвегии, отказ случится даже раньше — население этой страны ещё несколько лет назад сделало выбор в пользу электрокаров. В 2025 году в силу должны вступить новые европейские экологические стандарты Евро-7, которые фактически похоронят ДВС.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Корпус двигателя объединяет в единый организм:
- блок цилиндров, внутри камер сгорания которых воспламеняется топливно-воздушная смесь, а газы от этого сгорания приводят в движение поршни;
- кривошипно-шатунный механизм, который передаёт энергию движения на коленчатый вал;
- газораспределительный механизм, который призван обеспечивать своевременное открытие/закрытие клапанов для впуска/выпуска горючей смеси и отработанных газов;
- система подачи («впрыска») и воспламенения («зажигания») топливно-воздушной смеси;
- система удаления продуктов горения (выхлопных газов).
Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе
При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.
Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.
Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.
Принципы работы ДВС
— Принцип работы двухтактного двигателя
Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.
В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.
В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.
При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.
Без двигателя внутреннего сгорания невозможно представить движение практически любого транспорта (кроме электрического) – автомобилей, мотоциклов, самолётов.
Исполнение
Устройство двигателя автомобиля, в состав конструкции которого входят поршни, одинаково. Корпус силовой установки основа, в которой размещаются, крепятся и функционируют узлы, системы и механизмы агрегата.
Компоненты, или из чего состоит двигатель машины:
- Остов двигателя. Место размещения камер объёмного вытеснения агрегата, играющих роль направляющих поршня;
Кривошипы и шатуны, передаточное и преобразующее звено между поршнем и коленчатым валом;
Поршни, кривошипы, шатуны, коленчатый вал:
- Механизм распределения газов, отвечает за наполнение и очистку камер объёмного вытеснения, действия выполняются клапанами;
Механизм распределения газов:
Транспортировка горючего, вовремя доставляет нужную порцию топлива соответствующей консистенции;
Механизм подачи топлива:
Система выпуска отработанных газов:
Циклический процесс работы двигателя повторяет действия агрегата по «кругу». Частота повторения высокая, за счет чего вал вращается непрерывно и как следствие, автомобиль работает.
Двухтактные двигатели
Работа силовой установки на два такта следующая:
- Первый такт (процесс ввода и сдавливания горючего).Поршень из крайнего нижнего положения движется в крайнее верхнее положение, в этот момент в пространство сгорания вводится горючая субстанция. Движение вверх, сдавливает горючее, достигнув крайнего верхнего положения, субстанция поджигается электрической дугой, происходит моментальное расширение.
- Второй такт (процесс рабочего хода и вывода). Пары газа транспортируют поршень к крайнему нижнему положению. В этот момент происходит ликвидация отработки через открытый канал выпуска. Дойдя до крайнего нижнего положения, поршень начинает двигаться вверх, повторяя цикл. Таким образом, коленчатый вал движка на два такта за рабочий цикл совершает один оборот.
Учитывая то, что поршень совершает меньше перемещений для совершения полного цикла, потери на трение в моторе меньше, чес в аналогичном агрегате на четыре такта. Кроме того, поршень играет роль клапанного механизма, что упрощает конструкцию, исключая механизм распределения газов. Недостатки агрегата, хуже происходит смесеобразование и большие потери горючего.
Вся система состоит из распредвала и клапанных групп. Ремонт головки часто вызывает затруднения, так как требует тщательной установки уплотнений. При неправильно установленных прокладках произойдёт подсос воздуха, возможна также утечка топлива. Это нарушает баланс топливной смеси.
Классификация двигателей
Двигатели разделяют по нескольким параметрам: рабочему циклу, типу конструкции, типу подачи воздуха.
Классификация двигателей в зависимости от рабочего цикла
В зависимости от цикла, описывающего термодинамический (рабочий процесс), выделяют два типа моторов:
- Ориентированные на цикл Отто. Сжатая смесь у них воспламеняется от постороннего источника энергии. Такой цикл присущ всем бензиновым двигателям.
- Ориентированные на цикл Дизеля. Топливо в данном случае воспламеняется не от искры, а непосредственно от разогретого рабочего тела. Такой цикл лежит в основе работы дизельных двигателей.
Чтобы работать с современными дизельными моторами, важно уметь хорошо разбираться в системе управлениям дизелями EDC (именно от неё зависит стабильное функционирование предпускового подогрева, системы рециркуляции отработанных газов, турбонаддува), особенностях системы впрыска Common Rail (CRD), механических форсунках, лямбда-зонда, обладать навыками взаимодействия с ними.
А для работы с агрегатами, работающими по циклу Отто, не обойтись без комплексного изучения свечей зажигания, системы многоточечного впрыска. Важно отличное знание принципов работы датчиков, каталитических нейтрализаторов.
И изучение дизелей, и бензодвигателей должно быть целенаправленным и последовательным. Рациональный вариант – изучать дизельные ДВС в виде модулей.
Классификация двигателей в зависимости от конструкции
- Поршневой. Классический двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом. При работе принципа ДВС рассматривалась как раз такая конструкция. Ведь именно поршневые ДВС стоят на большинстве современных автомобилей.
- Роторные (двигатели Ванкеля). Вместо поршня установлен трехгранный ротор (или несколько роторов), а камера сгорания имеет овальную форму. У них достаточно высокая мощность при малых габаритах, отлично гасятся вибрации. Но производителям невыгодно выпускать такие моторы. Производство двигателей Ванкеля дорогостоящее, сложно подстроиться под регламенты выбросов СО2, обеспечить агрегату большой срок службы. Поэтому современные мастера СТО при ремонте и обслуживании с такими автомобилями встречаются крайне редко. Но знать о таких двигателях также очень важно. Может возникнуть ситуация, что на сервис привезут автомобили Mazda RX-8. RX-8 (2003 по 2012 годов выпуска) либо ВАЗ-4132, ВАЗ-411М. И у них стоят именно роторные двигатели внутреннего сгорания.
Классификация двигателей по принципу подачи воздуха
Подача воздуха также разделяет ДВС на два класса:
- Атмосферные. При движении поршня мотор затягивает порцию воздуха. Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.
- Турбокомпрессорные. Организована дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания.
Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.
Преимущества ДВС
- Удобство. Достаточно иметь АЗС по дороге или канистру бензина в багажнике – и проблема заправки двигателя легко решаема. Если же на машине установлен электромотор, зарядка доступна пока ещё не во всех местах.
- Высокая скорость заправки двигателя топливом.
- Длительный ресурс работы. Современные двигатели внутреннего сгорания легко работают в заявленный производителем период (в среднем 100-150 тыс. км. пробега), а некоторые и 300-350 тыс. км пробега. Впрочем, мировой рекордсмен – пробег и вовсе ~4 800 000 км. И здесь нет лишних нулей. Такой рекорд установлен на двигателе Volvo» P1800. Единственное, за время работы двигатель два раза проходил капремонт.
- Компактность. Двигатели внутреннего сгорания существенно компактнее, нежели двигатели внешнего сгорания.
При использовании двигателя внутреннего сгорания нельзя организовать работу оборудования по замкнутому циклу, а, значит, организовать работу в условиях, когда давление существенно превышает атмосферное.
Большинство ДВС работает за счёт использования невозобновляемых ресурсов (бензина, газа). И исключение – машины, работающие на биогазе, этиловом спирте (на практике встречается редко, так как при использовании такого топлива невозможно добиться высоких мощностей и скоростей).
Существует тесная зависимость работы ДВС от качества топлива. Оно должно обладать определённым определенным цетановым и октановым числами (характеристиками воспламеняемости дизельного топлива, определяющими период задержки горения рабочей смеси и детонационной стойкости топлива), плотностью, испаряемостью.
Автомеханики называют ДВС сердцем авто, инженеры модернизируют ГРМ, а производители бензина не беспокояться о том, что все перейдут на электротранспорт.
В автомобилях чаще всего стоят четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В каждом цилиндре по очереди происходит рабочий ход. Поэтому коленчатый вал постоянно получает энергию от одного из поршней.
Какие ещё бывают ДВС
Помимо поршневых двигателей внутреннего сгорания создано немало иных разновидностей ДВС — роторные, газотурбинные, реактивные, турбореактивные и бесчисленное множество их модификаций. Чем они отличаются?
Если в традиционных поршневых ДВС работа расширения газообразных продуктов сгорания преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, то в газотурбинных работа расширения продуктов сгорания воспринимается рабочими лопатками ротора, а в реактивных используется реактивное давление, возникающее при истечении продуктов сгорания из сопла. Все эти типы ДВС объединяет одно — во время работы они внутри себя сжигают топливо.
Крайне необычные моторы, которые можно встретить даже на серийных машинах. Первый роторно-поршневой мотор был создан немецким инженером Феликсом Ванкелем в 1957 году. Этот ДВС внешне совершенно не похож ни на один традиционный поршневой мотор.
Двигатель Ванкеля состоит из корпуса, камеры сгорания, впускного и выпускного окон, неподвижной шестерни, зубчатого колеса, ротора, вала и свечи зажигания. Ротор на эксцентриковом валу приводится в действие силой давления газов в результате сгорания топливовоздушной смеси. Он вращается относительно статора посредством шестерён. Когда ротор совершает эксцентричные круговые движения, его грани соприкасаются с внутренней поверхностью камеры сгорания. Таким образом создаются три изолированные камеры, в которых попеременно сжигается топливо. Вращающийся ротор передаёт крутящий момент на трансмиссию.
Человечество создало немало невероятных и по-настоящему уникальных моторов. Вот 10 самых совершенных из них:
5 интересных фактов о ДВС
ДВС может работать на альтернативном топливе
Современные ДВС принято делить на два основных типа по применяемому топливу — бензиновые и дизельные. Однако сама история создания двигателей внутреннего сгорания позволяет понять: сжигать в таких моторах можно многие виды горючего — от различных газов до всевозможных растворителей и спиртов. Главное — испарить их и подмешать воздух в нужных пропорциях.
Наиболее распространённые альтернативы бензину и дизелю — пропан-бутан и метан, но можно использовать даже «гремучую смесь» — водород с кислородом. И это далеко не всё: почти любая современная машина с ДВС способна ездить на смеси бензина с этанолом или на чистом этаноле, то есть спирте, получаемом экологически чистым путём. Поедет бензиновый автомобиль и на различных растворителях. К примеру, запустить ДВС можно на обычном сольвенте из хозяйственного магазина — с помощью этой жидкости обычно осуществляют чистку топливной системы.
ДВС выживет в космосе и под водой (если очень постараться)
Двигатель внутреннего сгорания можно заставить работать даже в космосе. Всё, что для этого требуется, — обеспечить подачу кислорода для создания топливовоздушной смеси. При соблюдении этого нехитрого условия ДВС может запуститься и работать даже под водой. Для него нет ничего невозможного.
ДВС действительно плох
Несмотря на всю свою технологичность и сложность, по уровню КПД бензиновый ДВС недалеко ушёл от парового мотора. Эффективность этих агрегатов оставляет желать лучшего. Коэффициент полезного действия в среднем варьируется в диапазоне от 20 до 25%.
Иными словами, при сжигании условных 10 литров бензина лишь около трёх литров выполняют полезное действие. Всё остальное горючее тратится на тепловые и механические потери. С этой точки зрения дизельные движки намного круче: их КПД достигает 40%. Но и их век уже прошёл.
Отказ от ДВС неизбежен
Одну из причин грядущего отказа от двигателей внутреннего сгорания мы уже раскрыли — это низкий КПД. Но есть и ещё один немаловажный момент — влияние на экологию. Поскольку почти все ДВС работают на невозобновляемых ресурсах (бензине, дизеле, нефтяном газе), отказ от них жизненно необходим.
По данным специалистов, мировой запас нефти составляет 1,726 трлн баррелей, которых хватит при нынешнем уровне потребления немногим более чем на 50 лет. Из нефти делают не только топливо. Она — основа синтетических каучуков, пластиков, еды, тканей, шампуней и даже аспирина. Всего того, без чего жизнь человека уже практически невозможна.
Впускная система
Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра.
Топливная система
https://teletype.in/@lenok22/ByqdeCxR4
Топливная система, или система питания ДВС, «отвечает» за бесперебойную подачу горючего для образования топливно-воздушной смеси.
Система смазки
Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла; удаление продуктов нагара и износа; защита металла от коррозии.
Выхлопная система
Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора.
Система охлаждения
Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для отвода излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.
Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.
На этом краткое описание основных узлов и механизмов двигателя внутреннего сгорания заканчиваю. К более подробному описанию систем ДВС вернусь в следующих публикациях.
