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.
Двигатель внутреннего сгорания
Тепловым двигателем называют машину, в ходе работы которой внутренняя энергия переходит в механическую. Самую простую модель такой машины можно представить в виде металлического цилиндра и плотно пригнанного поршня, который может двигаться вдоль цилиндра.
Одним из самых распространённых видов теплового двигателя, который мы встречаем в жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Легко догадаться, что отсюда и пошло его название.
В данном уроке мы рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания и схему его работы.
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.
Обычно на один цилиндр приходится от двух до четырех клапанов. За то, чтобы «доступ» в камеру сгорания открывался вовремя, и отвечает механизм газораспределения (ГРМ), в который выходят клапаны. В зависимости от мотора ГРМ приводится в действие ремнем или цепью.
Виды моторов
Существует три вида двигателей, встречаемых в транспортных средствах:
Большой популярностью пользуется первый вариант моторов. На некоторые модели автомобилей устанавливают так поршневые двигатели с четырьмя тактами. Вызвана такая популярность тем, что подобные агрегаты стоят дешевле, имеют небольшой вес и подходят для использования практически во всех машинах вне зависимости от производства.
Если говорить простыми словами, то двигатель автомобиля — это особый механизм, способный изменить энергию тепла, превратив ее в механическую энергию, благодаря чему удается обеспечить работу множества элементов конструкции автомобиля, а также его систем.
Изучить принцип действия мотора не составит труда. Например, поршневые ДВС делятся на двух- и четырехтактные агрегаты. Четырехтактными двигатели называют потому, что в одном рабочем цикле элемента поршень двигается четыре раза (такта). Подробнее о том, что представляют собой такты, написано далее.
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:
- Цилиндры, образующие отдельный блок
- Головку блока с ГРМ
- 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 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 является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры, воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:
Рабочий цикл мотора
Как было сказано выше, цикл состоит из четырех тактов. Во время первого такта кулачок распредвала толкает впускной клапан, открывая его, поршень начинает двигаться из крайнего верхнего положения вниз. При этом в цилиндре создается разрежение, благодаря которому в цилиндр поступает готовая рабочая смесь, либо воздух, если двигатель внутреннего сгорания оснащен системой непосредственного впрыска топлива (в таком случае горючее смешивается с воздухом непосредственно в камере сгорания).
Поршень через шатун сообщает движение коленчатому валу, поворачивая его на 180 градусов к моменту достижения крайнего нижнего положения.
Во время второго такта – сжатия – впускной клапан (или клапаны) закрывается, поршень меняет направление движения на противоположное, сжимая и нагревая рабочую смесь или воздух. По окончанию такта, системой зажигания на свечу подается электрический разряд, и образуется искра, поджигающая сжатую топливно-воздушную смесь.
Принцип воспламенения горючего у дизельного ДВС иной: в завершении такта сжатия, через форсунку, в камеру сгорания впрыскивается мелкораспыленное дизтопливо, где оно смешивается с нагретым воздухом, и происходит самовоспламенение получившейся смеси. Необходимо отметить, что по этой причине степень сжатия дизеля намного выше.
Коленвал тем временем повернулся еще на 180 градусов, сделав один полный оборот.
Третий такт именуется рабочим ходом. Образующиеся во время сгорания топлива газы, расширяясь, толкают поршень в крайнее нижнее положение. Поршень передает энергию коленвалу через шатун и поворачивает его еще на пол-оборота.
По достижении нижней мертвой точки начинается заключительный такт – выпуск. В начале данного такта кулачок распределительного вала толкает и открывает выпускной клапан, поршень движется вверх и выгоняет отработавшие газы из цилиндра.
ДВС, устанавливаемые на современные автомобили, имеют не один цилиндр, а несколько. Для равномерной работы мотора в один и тот же момент времени в разных цилиндрах выполняются разные такты, и каждые пол-оборота коленвала как минимум в одном цилиндре происходит рабочий ход (исключение составляют 2- и 3-цилиндровые моторы). Благодаря этому удается избавиться от лишних вибраций, уравновешивая силы, действующие на коленвал и обеспечить ровную работу ДВС. Шатунные шейки расположены на валу под равными углами относительно друг друга.
Из соображений компактности многоцилиндровые моторы делают не рядными, а V-образными или оппозитными (визитная карточка фирмы Subaru). Это позволяет сэкономить немало пространства под капотом.
Двухтактные моторы
Помимо четырехтактных поршневых ДВС существуют двухтактные. Принцип их работы несколько отличается от описанного выше. Устройство такого мотора проще. В цилиндре имеется для окна – впускное и выпускное, расположенное выше. Поршень, находясь в НМТ, перекрывает впускное окно, затем, двигаясь вверх, перекрывает выпускное и сжимает рабочую смесь. По достижении им ВМТ на свече образуется искра и поджигает смесь. В это время впускное окно оказывается открытым, и через него в кривошипную камеру попадает очередная доза топливно-воздушной смеси.
Во время второго такта, двигаясь вниз под воздействием газов, поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы выдуваются из цилиндра новой порцией рабочей смеси, которая попадает в цилиндр через продувочный канал. Частично рабочая смесь при этом также уходит в выпускное окно, что объясняет прожорливость двухтактного ДВС.
Подобный принцип работы позволяет достичь большей мощности двигателя при меньшем рабочем объеме, однако за это приходится расплачиваться большим расходом топлива. К преимуществам таких моторов можно отнести более равномерную работу, простую конструкцию, малый вес и высокую удельную мощность. Из недостатков следует упомянуть более грязный выхлоп, отсутствие систем смазки и охлаждения, что грозит перегревом и выходом агрегата из строя.
В головке блока цилиндров находятся упомянутые выше форсунки — вместе со свечами зажигания (в бензиновом моторе) и клапанами . Свечи зажигания производят электрическую искру, предназначенную для воспламенения топливно-воздушной смеси.
Двухтактный мотор
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве рабочего процесса два такта прост. Отличительная особенность мотора, выполнение двух тактов: сдавливание и рабочий ход. Такты впуска и очистки интегрированы в сдавливание и рабочий ход, поэтому вал проворачивается на 360° за рабочий процесс.
Выполняемый порядок таков:
- Сдавливание.Поршень из крайнего нижнего положения уходит в крайнее верхнее положение. Перемещение создает разряжение под поршнем, благодаря чему через продувочные отверстия просачивается горючее. Дальнейшее перемещение провоцирует перекрытие отверстия впуска юбкой поршня и отверстий выпуска, выводящих отработку. Замкнутое пространство способствует росту напряжения. В крайней верхней точке заряд поджигается.
- Расширение.Горение создает давление внутри камеры, заставляя посредством расширения газов перемещаться поршень в низ. Происходит поочередное открытие выпускных и продувочных окон. Напряжение в области днища провоцирует поступление горючего в цилиндрическую полость, одновременно очищая её от отработки.
Устройство агрегата на два такта исключает механизм распределяющий газы, что сказывается на качестве процесса обмена. Кроме того, невозможно исключить продувку, а это сильно увеличивает расход топлива, поскольку часть смеси выбрасывается наружу с отработанными газами.
Принцип работы двухтактного мотора:
Четырёхтактный мотор
Моторами, которые выполняют 4 такта работы двигателя внутреннего сгорания за рабочий процесс, оснащена используемая сегодня техника. В этих моторах, ввод и вывод горючего и отработки, выполняются отдельными тактами. Двигатели используют механизм распределения газов, что синхронизирует клапана и вал. Преимущество мотора на четыре такта, подача горючего в очищенную от отработанных газов камеру при закрытых клапанах, что исключает утечку топлива.
- Ввод.Перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. Происходит разряжение в полости, что открывает клапана впуска. Горючее заходит в камеру объёмного вытеснения.
- Сдавливание.Перемещение поршня снизу вверх (крайние положения). Отверстия входа и выхода перекрыты, что способствует нарастанию давления в камере объёмного вытеснения.
- Рабочий ход.Смесь загорается, выделяется тепло, резкое увеличение объёма и рост силы, давящей на поршень. Движение последнего в крайнее нижнее положение.
- Очистка.Отверстия выпуска открыты, поршень перемещается снизу вверх. Избавление от отработки, очистка полости перед следующей порцией рабочей смеси.
Механический КПД двигателя внутреннего сгорания, с циклом на 4 такта ниже, в сравнении с агрегатом на 2 такта. Это обусловлено сложным устройством и наличием механизма распределения газов, который забирает часть энергии на себя.
Принцип работы четырёхтактного мотора:
О назначении и принципе работы турбины на дизельном двигателе, вы можете узнать из нашей статьи: Принцип работы турбины на дизельном двигателе
А 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.
Мощность от двигателя к колесам передается с помощью коробки передач, редуктора и приводных валов. Если мотор соединить с колесами напрямую, автомобиль после запуска начнет движение на одной-единственной передаче, с небольшой скоростью, а после торможения сразу заглохнет. Об этих передачах и о типах коробок (автоматах, вариаторах, механиках и т. д.) Mafin Media расскажет в следующем материале.
