Двухтактный принцип работы – обычное явление для мотоциклов, бензопил. Это легко объяснить тем, что при высокой удельной мощности эти устройства можно сделать очень легкими и компактными.
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля
Во времена СССР автомобили работали на дровах и были большой роскошью. В современном мире большое количество людей ездит на автомобилях и автомобиль не является новинкой. Не обязательно знать устройство всего автомобиля, но важно знать устройство двигателя, чтобы правильно обслуживать автомобиль (в дальнейшем это может сказаться на его сроке службы). Поэтому правильно будет уделить несколько минут тому, чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания (4-тактный) автомобиля).
Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, в котором сгорание топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давления, которые могут расширяться. Отличительной особенностью двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется за счет расширения горячих газов, которые действуют непосредственно, вызывая движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже толкая и перемещая весь двигатель.
Термин «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС) почти всегда используется для обозначения поршневых двигателей, двигателей Ванкеля и аналогичных конструкций, в которых сгорание носит прерывистый характер. Однако двигатели непрерывного сгорания, такие как реактивные двигатели, большинство ракет и многие газовые турбины, также являются двигателями внутреннего сгорания.
Общее устройство двигателя
Все двигатели внутреннего сгорания основаны на экзотермическом химическом процессе сгорания: реакции топлива, обычно с воздухом, хотя могут использоваться и другие окислители, такие как закись азота.
Наиболее распространенное топливо, используемое сегодня, состоит из углеводородов и в основном нефти. К ним относятся знакомые виды топлива, такие как дизельное топливо, бензин и нефтяной газ, а также время от времени используется газ пропан. Большинство двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без значительных модификаций, за исключением компонентов подачи топлива. Вы также можете использовать жидкое и газообразное биотопливо, такое как этанол и биодизельное топливо, форма дизельного топлива, которая производится из сельскохозяйственных культур, производящих триглицериды, таких как соевое масло. Некоторые из них также могут работать на водороде.
Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь способ воспламенения своих цилиндров для создания сгорания. В двигателях используется электрический метод или система воспламенения от сжатия.
Двигатель внутреннего сгорания состоит из множества частей, но вот основные:
- Коленчатый вал приводит машину в движение с помощью поршня;
- Поршень представляет собой металлическую чашку, помещенную внутрь
- Цилиндр сжимает газ, двигает коленчатый вал;
- Цилиндр, в котором происходит сгорание и расширение газа;
- Свеча зажигает газ;
- Клапаны впускают и выпускают газ.
Двигатели имеют тенденцию нагреваться, и для того, чтобы двигатель не перегревался, в них используется система охлаждения двигателя, состоящая из рубашки охлаждения, насоса, термостата, радиатора, вентилятора и расширительного бака.
Также для лучшего понимания устройства ДВС рекомендуем посмотреть видео «для чайников» после
Система охлаждения обеспечивает поддержание оптимальной рабочей температуры при работе двигателя. Используются два типа систем: воздушная и жидкостная.
Принцип работы ДВС
Важнейшим 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. ДВС работают на жидком или газообразном топливе.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания прост. Небольшие порции топлива, смешанные с воздухом в нужной пропорции, поступают в камеру сгорания. В нем воспламеняется топливная смесь. Выделяющаяся при этом энергия приводит в движение поршни, вращающие вал.
Все остальные узлы автомобиля предназначены для повышения производительности силового агрегата или для контроля и управления им. Вспомогательные системы также создают комфорт для пассажиров и водителей, обеспечивая им безопасное путешествие.
За более чем полтора века его развития появились двигатели внутреннего сгорания, отличающиеся конструкцией, мощностью и используемым топливом.
Видео: Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Главная классификация ДВС
Все существующие двигатели внутреннего сгорания делятся на 3 типа:
В поршневых агрегатах рабочим органом является поршень. Роторные двигатели используют движение ротора. В газотурбинных двигателях движение осуществляется турбиной.
В каждом из типов этих электростанций конструктивно реализованы разные схемы преобразования тепловой энергии в полезную работу. Это принципиально отличает их друг от друга. От того, как преобразуется тепловая энергия, зависит максимальная производительность силовых агрегатов. Каждый тип силового агрегата предназначен для эффективной работы в своей области применения.
Конструкции этих агрегатов и физические процессы, протекающие в них, подробно описаны ниже. Отдельный раздел статьи посвящен двигателю Стирлинга. Относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого двигателя во многом схож с двигателем внутреннего сгорания. Это часто вызывает путаницу.
Газотурбинный двигатель
При воспламенении топлива образуются газы, расширяющиеся при нагревании. Этот факт известен всем из школьного курса физики. Этот принцип лежит в основе газотурбинной установки. Топливная смесь сгорает, и нагретый газ мгновенно расширяется, заставляя вращаться лопатки турбины. Чем выше температура газа, тем быстрее он расширяется в объеме. Эта зависимость определяет КПД данного типа ДВС: чем выше температура газа, тем выше КПД.
Разработано два типа газотурбинных установок, отличающихся количеством рабочих валов. Агрегаты с двумя валами более мощные, чем механизмы с одним валом.
Газотурбинные двигатели устанавливаются в машинах, где необходима большая силовая установка. Например, грузовики, корабли, самолеты и железнодорожные локомотивы.
Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя
Роторный ДВС
В двигателях этого типа реализован принцип вращения вала от кругового движения ротора. Ротор представляет собой треугольный поршень, вращающийся в овальной камере — статоре. Ротор установлен на валу с эксцентриситетом. При таком расположении при вращении ротора в цилиндре создаются полости для тактов зажигания, сгорания и выпуска. За один оборот ротора происходит 3 рабочих цикла.
Преимуществом роторного двигателя внутреннего сгорания является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих компонентов. Инженеры подсчитали, что в агрегате роторного типа гораздо меньше деталей, чем в других типах двигателей. Поэтому роторные двигатели намного меньше других. Это еще одно из его преимуществ.
В Японии, известной своими передовыми разработками в области автомобилестроения, были спроектированы двигатели с несколькими роторами. Например, японцы сконструировали агрегат, по мощности равный шестипоршневому двигателю гоночного автомобиля. Но габариты мультироторного двигателя гораздо меньше.
Роторные двигатели устанавливались на первые модели автомобилей ВАЗ.
Роторные двигатели намного проще и эффективнее поршневых. Но по неизвестной причине поворотные приводы используются очень редко.
В LMS ELECTUDE особое внимание уделяется системе впрыска и ГРМ. Любой автомеханик должен понимать, что возможность быстрого изменения скорости автомобиля зависит от исправности системы впрыска, момента впрыска. А это одна из важнейших особенностей любого двигателя.
Виды ДВС
В зависимости от типа рабочего механизма все многообразие двигателей внутреннего сгорания можно разделить на несколько категорий, это:
Именно за счет этих механизмов в камере сгорания может осуществляться процесс преобразования тепловой энергии в движущую силу, собственно за счет поршня, ротора или турбины. Рассмотрим подробнее принцип работы каждого типа двигателя внутреннего сгорания.
Газотурбинный двигатель
Работа газотурбинного двигателя основана на том, что топливо при воспламенении толкает лопатки турбины. Другими словами, лопасти вращаются за счет расширяющегося газа. И чем выше температура сгорания топлива, тем выше КПД этого двигателя.
В свою очередь существуют одновальные и двухвальные газотурбинные двигатели. Одновальные двигатели имеют одну турбину, двухвальные – две. Кроме того, двухосные агрегаты могут нести более высокую нагрузку, чем одноосные. Такие двигатели чаще всего встречаются в грузовиках, кораблях, локомотивах и самолетах.
Роторный ДВС
Принцип работы роторного двигателя основан на постоянном вращении ротора с переменными циклами. Роторный двигатель имеет один поршень, который также является ротором. Он вращается в специально приспособленном для этого цилиндре.
Ротор, в свою очередь, соединен с валом и зубчатой передачей со стартером. Его лопасти при вращении ротора попеременно охватывают камеру, где сгорает топливо. Этот мотор имеет сбалансированную конструкцию, малый вес и компактные размеры. Однако такой агрегат расходует топлива на 100 километров намного больше, чем поршневой двигатель.
Роторный двигатель в разное время устанавливался на некоторые модели Mercedes, Chevrolet и Citroen. Также в прошлом двигатель такой конструкции также устанавливался на модели ВАЗ-2108 и ВАЗ-2109. В настоящее время роторный двигатель можно увидеть в модели Mazda RX8. Однако с 2012 года его производство прекращено. На данный момент концерн готовит к выпуску новую модель спортивного автомобиля «Mazda RX-9″.
Поршневой двигатель
В двигателе внутреннего сгорания с поршневым принципом работы камера сгорания расположена внутри цилиндра, где подвижной частью выступает сам поршень, который в зависимости от стадии сгорания топлива и хода двигателя поднимается или опускается. В свою очередь двигатель автомобиля может иметь определенное количество цилиндров. Его поршни через передаточный механизм приводят в движение коленчатый вал, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, в конечном итоге позволяя колесам автомобиля вращаться.
Поршневой двигатель получил наибольшее распространение в автомобилестроении благодаря своим положительным характеристикам:
- Высокая мощность и надежность, по сравнению с другими типами двигателей внутреннего сгорания;
- Лучшая экономичность;
- А также из-за его достаточно компактных размеров.
Классификация ДВС поршневого типа
Этот тип двигателя можно классифицировать по используемому топливу, выделяют:
Так же и двигатели поршневого типа можно классифицировать по системе зажигания, они делятся на:
- В двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива;
- Для двигателей, в которых топливо самовоспламеняется при сжатии.
Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь способ воспламенения своих цилиндров для создания сгорания. В двигателях используется электрический метод или система воспламенения от сжатия.
Принцип работы ДВС
Чтобы понять, как работает такой двигатель, рассмотрим пример простейшего одноцилиндрового двигателя, имеющего четыре такта.
- В цилиндр подается бензин в смеси с воздухом, впускной клапан открыт, поршень движется в нижнюю точку. При этом коленчатый вал поворачивается примерно на 90 градусов.
- После наполнения цилиндра и достижения НМТ поршня он движется вверх, при этом оба клапана закрыты, подаваемая смесь сжимается. Положение коленчатого вала меняется еще на 90 градусов.
- Как только поршень достигает верхней точки, в этот момент на электродах свечи зажигания появляется искра, которая воспламеняет сжатую смесь, а последняя создает большое давление, под действием которого поршень движется вниз и приводит в движение коленчатый вал будет двигаться сделать еще 90 градусов.
- Как только поршень достигнет нижней точки, он снова пойдет вверх. При этом откроется выпускной клапан и под давлением выхлопные газы будут вытекать в выпускной коллектор.
Конечно, весь этот процесс намного быстрее, и работа всех систем очень четко синхронизирована. Во время всей работы работает масляный насос, который создает необходимое давление масла для смазки деталей и механизма. Кроме того, водяной насос приводится в действие через ременную передачу от коленчатого вала, который обеспечивает циркуляцию воды или антифриза в системе.
Разобравшись с принципом работы, пора узнать, что же такое ДВС.
Виды двигателей внутреннего сгорания
Таких классификаций много, но мы начнем с самых больших: дизельные и бензиновые. Разница между этими двумя двигателями заключается в виде топлива, которое сжигается в цилиндрах. В отличие от бензинового двигателя, дизель не имеет системы зажигания, так как воспламенение смеси происходит только от сжатия. Дополнительно мощность обеспечивается насосом высокого давления и форсунками. Все остальные узлы и детали имеют аналогичное строение и назначение. Дизель намного мощнее и экономичнее за счет более эффективного использования смеси.
Вот тут-то и самое интересное, ведь чем больше цилиндров, тем больше объем, а значит, двигатель работает намного продуктивнее. Изначально все двигатели оснащались рядным расположением цилиндров, а их количество часто ограничивалось шестью. С целью увеличения объема двигателя и экономии места разработчики создали V-образный двигатель, в котором два ряда располагались под углом друг к другу. Этот тип двигателя популярен на классических американских автомобилях, а также на многих грузовиках.
На данный момент существуют двигатели, в которых полностью отсутствует поршень. Ярким примером тому является роторно-поршневой двигатель, в котором вместо камеры сгорания используется круглая полость, а внутри вращается ротор, разделяющий эту полость на три неравные части. Смесь подается в первую, затем при вращении ротор прижимает ее к стенкам и воспламеняет.
По аналогичному принципу происходит микровзрыв, заставляющий ротор вращаться быстрее, а выброс производится в первую полость. Такой двигатель имеет большую мощность и почти полностью устраняет вибрации, делая работу более эффективной, но имеет большие трудности со смазкой, которую очень сложно нанести внутрь РПД.
Последним представителем двигателя внутреннего сгорания является газотурбинная установка, но поскольку в автомобилях она не используется, ее устройство мы рассматривать не будем.
Основная проблема современного поршневого двигателя заключается в том, что он имеет максимальную производительность только при определенном числе оборотов. К примеру, если взять за основу средний автомобиль, то его максимальная мощность будет достигаться только при 3000 об/мин. Если их количество выше, КПД двигателя резко падает. Конечно, современные двигатели имеют большую мощность, но общая проблема для них все же остается.
При работе двигателя масло нагревается, что также негативно сказывается на работе двигателя. Все мощные двигатели работают на собственной системе масляного охлаждения. Они широко известны как маслоохладители.
Классификация двигателей
Двигатели делятся по различным параметрам: рабочий цикл, тип конструкции, тип подачи воздуха.
Классификация двигателей в зависимости от рабочего цикла
По циклу, описывающему термодинамику (рабочий процесс), выделяют два типа двигателей:
- На основе цикла Отто. Ваша сжатая смесь воспламеняется от внешнего источника энергии. Этот цикл присущ всем бензиновым двигателям.
- Ориентирован на дизельный цикл. Топливо в этом случае воспламеняется не искрой, а непосредственно подогретым рабочим телом. Этот цикл лежит в основе работы дизельных двигателей.
Для работы с современными дизелями важно хорошо разбираться в системе управления дизелем EDC (от этого зависит стабильная работа предпускового подогрева, рециркуляции отработавших газов, турбонаддува), характеристиках системы впрыска Common Rail (CRD), механической форсунки, лямбда-зонд, есть навыки взаимодействия с ними.
А для работы с агрегатами, работающими по циклу Отто, не обойтись без комплексной проработки свечей зажигания, системы многоточечного впрыска. Важно отличное знание принципов работы датчиков, каталитических нейтрализаторов.
И изучение дизельных, и бензиновых двигателей должно быть целенаправленным и последовательным. Рациональным вариантом является изучение дизелей внутреннего сгорания в виде модулей.
Классификация двигателей в зависимости от конструкции
- Поршень. Классический двигатель с поршнями, цилиндрами и коленчатым валом. Когда работал принцип ДВС, такая конструкция рассматривалась. Ведь поршневые двигатели внутреннего сгорания стоят в большинстве современных автомобилей.
- Роторные (двигатели Ванкеля). Вместо поршня установлен трехгранный ротор (или несколько роторов), а камера сгорания имеет овальную форму. Имеют достаточно большую мощность при небольших габаритах, прекрасно гасят вибрации. Но производителям невыгодно выпускать такие моторы. Двигатели Ванкеля дороги в производстве, трудно соблюсти стандарты выбросов CO2 и обеспечить длительный срок службы агрегата. Поэтому современные мастера СТО по ремонту и обслуживанию таких автомобилей встречаются крайне редко. Но знать такие моторы тоже очень важно. Может возникнуть ситуация, когда автомобили Mazda RX-8 будут приняты на вооружение. RX-8 (с 2003 по 2012 год) или ВАЗ-4132, ВАЗ-411М. И у них именно роторные двигатели внутреннего сгорания.
Классификация двигателей по принципу подачи воздуха
Подача воздуха также делит ДВС на два класса:
- Атмосферный. При движении поршня мотор всасывает порцию воздуха. Для вращения турбины и впрыска сжатого воздуха в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом используются непосредственно выхлопные газы.
- Турбокомпрессоры. Организована дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания.
Для вращения турбины и впрыска сжатого воздуха в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом используются непосредственно выхлопные газы.
Преимущества ДВС
- Удобство. Достаточно иметь в дороге заправку или канистру с бензином в багажнике, и проблема заправки двигателя легко решается. Если в автомобиле установлен электродвигатель, зарядка доступна еще не во всех местах.
- Скоростная заправка двигателя топливом.
- Долгий срок службы. Современные двигатели внутреннего сгорания легко отрабатывают заявленный производителем срок (в среднем 100-150 тысяч километров), а некоторые даже 300-350 тысяч километров. Однако рекордсменом мира является пробег ~4 800 000 км. И нет лишних нулей. Такой рекорд был установлен на двигателе Volvo «P1800. Единственное, за время эксплуатации двигатель дважды подвергался капитальному ремонту.
- Компактность. Двигатели внутреннего сгорания намного компактнее двигателей внешнего сгорания.
При использовании двигателя внутреннего сгорания невозможно организовать работу оборудования по замкнутому циклу, а значит организовать работу в условиях, когда давление значительно превышает атмосферное.
Большинство двигателей внутреннего сгорания работают на невозобновляемых ресурсах (бензин, газ). И исключение составляют машины, работающие на биогазе, этиловом спирте (на практике встречаются редко, так как с таким топливом невозможно достичь большой мощности и скорости).
Существует тесная зависимость работы двигателя внутреннего сгорания от качества топлива. Он должен иметь определенные числа цетанового и октанового числа (характеристики воспламеняемости дизельного топлива, определяющие период задержки сгорания рабочей смеси и детонационную стойкость топлива), плотность и летучесть.
Автомеханики называют ДВС сердцем автомобиля, инженеры модернизируют ГРМ, а производителям бензина все равно, что все переходят на электромобили.
В современном мире широко используются двигатели внутреннего сгорания. Ими оснащаются не только автомобили, но и авиация, а благодаря простоте конструкции и обслуживания их устанавливают на многие виды транспортных средств и в качестве генераторов переменного тока.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
Автомобильные двигатели делятся на различные типы и классификации, исходя из конструкции и принципа действия двигателя внутреннего сгорания. Классификация ДВС по международным стандартам:
- Те, которые работают на жидком топливе (бензин, керосин, дизель).
- Те, что работают на газообразном топливе.
- Те, которые работают с альтернативными источниками (электричество).
- 2 раза
- 4 раза
- с внешним смешением (карбюраторные и газовые силовые агрегаты),
- с внутренним смесеобразованием (дизель, турбодизель, непосредственный впрыск)
- с принудительным воспламенением смеси (карбюраторные, двигатели с непосредственным впрыском легкого топлива);
- воспламенение от сжатия (дизель).
- один, два, три и так далее цилиндра;
- однорядный, двухрядный
- с жидкостным охлаждением;
- охлажденный воздух.
Принципы эксплуатации
Двигатели автомобилей работают на разных ресурсах. Самые простые двигатели могут иметь технический ресурс 150 000 км при надлежащем обслуживании. Но некоторые современные дизельные двигатели, устанавливаемые на грузовые автомобили, могут потреблять до 2 млн.
При организации конструкции двигателя автопроизводители обычно ориентируются на надежность и технические характеристики силовых агрегатов. Учитывая нынешнюю тенденцию, многие автомобильные двигатели рассчитаны на короткий, но надежный срок службы.
Таким образом, средний пробег силового агрегата легкового автомобиля составляет 250 000 км. И тут есть несколько вариантов: утилизация, контракт двигателя или капитальный ремонт.
Все силовые установки состоят из механизмов, узлов и систем, которые, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают преобразование энергии, выделяющейся при сгорании горючих продуктов, во вращательное движение коленчатого вала. Это движение и есть его полезная работа.
Электрооборудование
Это оборудование подает электроэнергию в бортовую сеть автомобиля, в том числе и в систему зажигания. Это оборудование также используется для запуска двигателя. Он состоит из аккумулятора, генератора, стартера, проводки, различных датчиков, следящих за работой и состоянием двигателя.
Это все устройство двигателя внутреннего сгорания. Хотя он постоянно совершенствуется, принцип его работы не меняется, совершенствуются лишь отдельные узлы и механизмы.
Современные разработки
Основная задача, над которой бьются автопроизводители, — снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу. Поэтому они постоянно совершенствуют систему питания, результатом чего является недавнее внедрение систем непосредственного впрыска.
Ведутся поиски альтернативных видов топлива, последней разработкой в этом направлении пока является использование в качестве топлива спиртов, а также растительных масел.
Ученые также пытаются наладить производство двигателей с совершенно другим принципом работы. Таков, например, двигатель Ванкеля, но пока он не имел особых успехов.
