Принцип работы двигателя

Называть двигатель сердцем автомобиля — банальное, но меткое сравнение. Вы можете сколько угодно дорабатывать подвеску, настраивать рулевое управление или улучшать тормоза — если двигатель не подходит, все это будет пустой тратой времени.

Сегодня на дорогах можно встретить автомобили всех поколений: старомодные карбюраторные двигатели, мощные дизельные двигатели с электронным управлением и даже новейшие водородные двигатели, которые только начинают совершенствоваться. И во всем этом многообразии довольно сложно ориентироваться, если не знать основ и принципов работы двигателя внутреннего сгорания.

Что такое ДВС и для чего он нужен?

Конструкция двигателя

Чтобы транспортное средство двигалось, что-то должно его поддерживать. В разное время это было запряженное животное, позже его заменили паровые и электрические двигатели (да, прототипы современного автомобиля появились еще раньше, чем традиционный двигатель внутреннего сгорания), а затем двигатели, работающие на горючем топливе.

Современный двигатель внутреннего сгорания — это механизм, преобразующий энергию вспышки топлива (тепло) в механическую работу. Несмотря на свою довольно громоздкую конструкцию, двигатель внутреннего сгорания остается, безусловно, самым удобным источником энергии.

Электромобили становятся все более распространенными, но время, необходимое для их заправки, сводит на нет все преимущества — вы не можете положить электрическую канистру в багажник.

Двигатель внутреннего сгорания нашел свое применение во многих областях: автомобили, мотоциклы и мотороллеры, сельскохозяйственная и строительная техника, водный транспорт, авиационные двигатели, военная техника, газонокосилки….. Это означает, что почти все, что ездит или летает, работает по одному и тому же принципу.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Несмотря на разнообразие типов и конструкций двигателей внутреннего сгорания, принцип конструкции остается практически неизменным в каждом автомобиле. Конечно, отдельные компоненты могут значительно отличаться от двигателя к двигателю, но основные узлы и компоненты очень похожи.

Таким образом, двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих структурных компонентов.

1. Блок цилиндров (БЦ) — это «оболочка» головки блока цилиндров и всего двигателя, включая оболочку системы охлаждения.Блок цилиндров
2. Кривошипно-шатунный механизм, также известный как шатун, является компонентом, который преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение. Он состоит из коленчатого вала, поршней, шатунов, маховика и подшипников скольжения, на которых закреплены коленчатый вал и шатун.Кривошипно-шатунный механизм: 1 — цилиндр; 2 — маховик; 3 — шатунный подшипник; 4 — коленчатый вал; 5 — кривошип; 6 — коренной подшипник; 7 — шатун.
3. Механизм газораспределения (клапанный механизм) — это система, подающая топливно-воздушную смесь и отработавшие газы в цилиндры. Он состоит из распределительных валов, клапанов с коромыслами или штангами и ремня ГРМ, который заставляет всю систему работать синхронно со скоростью вращения коленчатого вала.Сроки
4. Силовой агрегат — это место, где топливно-воздушная смесь подготавливается и затем подается в камеры сгорания. В зависимости от конструкции система подачи топлива может быть карбюраторной (одна форсунка на двигатель), инжекторной (форсунки устанавливаются перед впускным клапаном каждого цилиндра), прямого впрыска (форсунка устанавливается внутри камеры сгорания). Включает топливный бак с фильтром и насосом, карбюратор (опция), впускной коллектор, форсунки, ТНВД (на дизельных двигателях), воздухозаборник с воздушным фильтром.Энергетическая система
5. Система смазки двигателя — подает смазку к каждому из узлов трения, а также к участкам, требующим дополнительного охлаждения (например, к нижней зоне поршня). Он состоит из масляного насоса, соединенного с коленчатым валом, системы трубопроводов и каналов к парам трения, масляного фильтра и масляного поддона. В зависимости от конструкции различают двигатели с «сухим» и «мокрым» картером. Первые имеют отдельный масляный резервуар, у вторых он расположен непосредственно под двигателем.Система смазки двигателя: 1 — масляный насос; 2 — сливная пробка картера; 3 — маслоприемник; 4 — регулятор давления; 5 — отверстие для смазки шестерни распределительного вала; 6 — световой датчик аварийной сигнализации давления масла; 7 — манометр давления масла; 8 — кран масляного радиатора; 9 — масляный радиатор; 10 — масляный фильтр.
6. Система зажигания — необходима для воспламенения топливной смеси в камере сгорания. Он используется только в бензиновых двигателях, так как дизель воспламеняется сам при сжатии. Он включает свечи зажигания, провода зажигания, катушки зажигания и распределитель (коммутатор распределителя) в старых двигателях. Современные двигатели не требуют распределителя и даже не имеют проводов — система зажигания представляет собой конструкцию «катушка на штекере».Система зажигания двигателя: 1 — генератор; 2 — выключатель зажигания; 3 — распределитель; 4 — кулачок прерывателя; 5 — свечи зажигания; 6 — катушка зажигания; 7 — аккумулятор.
7. Система охлаждения — заботится о поддержании определенной рабочей температуры двигателя. Система жидкостного охлаждения состоит из охлаждающей жидкости (хладагент, антифриз), рубашки охлаждения (сеть камер и каналов внутри блока цилиндров), теплообменника (радиатор охлаждения), водяного насоса и термостата.Система охлаждения
8. Электрическая система является источником энергии, необходимой для запуска двигателя и поддержания его работы. Электрическая система включает в себя аккумулятор, генератор, стартер, проводку и датчики двигателя.
9. Выхлопная система — отводит продукты сгорания от двигателя, действует как система доочистки выхлопных газов и регулирует звук двигателя. Он состоит из выпускного коллектора, каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра (опция), резонатора и глушителя.

Выхлопная система

Каждая из этих частей подвергается постоянному развитию и совершенствованию в зависимости от текущих потребностей. От стремления к большей мощности до поиска более надежных и долговечных решений, от экономии топлива до современных экологических проблем.

Принцип работы двигателя

Все двигатели внутреннего сгорания, независимо от их конструкции, используют один и тот же принцип работы. Это преобразование энергии теплового расширения от сгорания топлива сначала в прямолинейное движение, а затем во вращательное.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Внедорожники с четырехтактным двигателем

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупных транспортных средствах и самолетах. Это так называемый классический двигатель типа ДВС, которому конструкторы уделяют все свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в процессоре можно разделить на четыре этапа (такта). К ним относятся: впуск, сжатие, сгорание, выхлоп. Приведенное ниже видео наглядно демонстрирует работу 4-тактного двигателя в 3D-анимации.

1. При такте впуска поршень в цилиндре движется вниз от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, впускной клапан открывается, и топливно-воздушная смесь (или просто воздух, если двигатель имеет прямой впрыск) поступает в цилиндр. Сам поршень при своем движении «закачивает» нужное количество воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под давлением, если установлен турбокомпрессор.
2. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, он начинает подниматься. Впускной клапан закрывается, и, двигаясь, поршень сжимает воздух с распыленным в нем топливом до критического давления.
3. Как только поршень условно достигает верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо взрывается (дизель воспламеняется сам во время сжатия, без искры). Микровзрыв от вспышки снова толкает поршень вниз, к НТМ.
4. На четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выталкивая отработавшие газы из камеры сгорания в выпускной коллектор.

Эксплуатация четырехтактного двигателя

Двигатель фактически имеет только один из четырех тактов, когда сгорание создает положительное давление, толкающее поршень. Остальные три хода нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но потребляют энергию.

В этих условиях двигатель остановится, когда кривошипно-шатунный механизм (CVT) достигнет энергетического баланса. Чтобы избежать этого, для уравновешивания сил, действующих на поршни, используется большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленчатом валу.

Принцип работы двухтактного двигателя

Внедорожники с двухтактным двигателем

Двухтактный двигатель используется не часто. В основном двигатели для скутеров и мопедов, легких моторных лодок и газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на две основные фазы:

1. В начале движения поршня вверх (от нижней мертвой точки к верхней) топливно-воздушная смесь попадает в камеру сгорания. Когда поршень поднимается, он сжимается до критической степени сжатия, и когда он достигает верхней мертвой точки, происходит воспламенение.
2. При сгорании топлива оно толкает поршень вниз, одновременно открывая выпускной коллектор и позволяя продуктам сгорания выйти из цилиндра. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), первый ход повторяется — впуск и сжатие происходят одновременно.

Эксплуатация двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель вдвое эффективнее четырехтактного, потому что на его работу затрачивается в два раза меньше усилий. В действительности мощность двухтактного двигателя гораздо ниже желаемой, и это происходит из-за неисправности механизма ГРМ.

При сгорании топлива часть энергии попадает в выпускной коллектор, не совершая никакой работы, кроме нагрева. Поэтому двухтактные двигатели используются только в маломощных автомобилях и требуют специальных моторных масел.

Классификация двигателей

Поскольку двигатели внутреннего сгорания развивались и совершенствовались более 100 лет, накопилось довольно много их разновидностей. Классификация двигателей основана на различных признаках и характеристиках.

По рабочему циклу

Мы уже знакомы с делением двигателей на двухтактные и четырехтактные.

1. Двухтактные двигатели имеют один полный цикл, в котором коленчатый вал вращается один раз;
2. Четырехтактный — Один полный цикл состоит из четырех этапов, при этом коленчатый вал совершает два оборота.

По типу конструкции

Существует два основных типа двигателей внутреннего сгорания: поршневые и роторные.

1. Поршневой двигатель — это наиболее знакомый нам двигатель, он имеет поршни, цилиндры и коленчатый вал и встречается почти в каждом автомобиле;
2. Роторно-поршневой двигатель, он же двигатель Ванкеля, — это особый тип двигателя внутреннего сгорания, в котором вместо поршня используется треугольный ротор, а камера сгорания имеет овальную форму. Двигатель Ванкеля использовался в некоторых моделях автомобилей, но трудности в производстве и обслуживании заставили инженеров отказаться от этой конструкции.

Работа роторного двигателя

По количеству цилиндров

Двигатель может иметь от 1 до 16 цилиндров в головке, в случае легковых автомобилей обычно от 3 до 8. Конструкторы обычно предпочитают четное количество цилиндров для баланса циклов. Самым известным исключением из правил является двигатель Ecoboost, разработанный компанией Ford, многие модели которого имеют только три цилиндра.

По расположению цилиндров

Расположение головки блока цилиндров не всегда является рядным (хотя рядный двигатель является самым простым в ремонте и обслуживании). В зависимости от фантазии инженеров, двигатели делятся на несколько типов компоновки:

1. Рядный — все цилиндры расположены в один ряд и на одном коленчатом валу.Работа рядного двигателя
2. V-образный — два ряда цилиндров, расположенных под углом от 45 до 90 градусов на одном коленчатом валу.Работа V-образного двигателя
3. Тип VR — два ряда цилиндров под небольшим углом, от 10 до 20 градусов, установленные на одном коленчатом валу.Работа двигателя VR
4. Тип W — блок с 3 или 4 рядами цилиндров, установленных на одном коленчатом валу.Работа двигателя W
5. U-образный — два параллельных ряда цилиндров, установленных на двух коленчатых валах, объединенных в один силовой агрегат.Работа двигателя U
6. Противоположный — с двумя рядами цилиндров, установленных горизонтально под углом 180 градусов друг к другу на одном коленчатом валу.Противоположная работа двигателя
7. Оппозитный — специальная конструкция двигателя, в котором каждый цилиндр имеет два поршня, движущихся в противоположных направлениях. По сути, это одна цилиндро-поршневая группа, установленная на двух коленчатых валах.Противодвигательная операция
8. Радиальный — с кольцевым расположением процессора, установленного на центрально расположенном коленчатом валу.

Работа радиального двигателя

В легковых автомобилях используются рядные, V-образные, VR-образные, W-образные и U-образные двигатели, а также оппозитные двигатели в некоторых моделях. Радиальные двигатели используются в самолетах.

По типу топлива

Бензиновые и дизельные двигатели — это классика. Газовые двигатели набирают популярность, постепенно разрабатываются гибридные и водородные двигатели.

1. Бензиновые двигатели требуют воспламенения топливно-воздушной смеси. Это осуществляется с помощью свечей и катушек зажигания, которые работают синхронно с движением коленчатого вала. Особенностью бензиновых двигателей является их способность достигать более высоких оборотов;
2. Дизельные двигатели работают по принципу самовоспламенения топливно-воздушной смеси. В нем нет свечей зажигания, но есть система прямого впрыска, требующая подачи топлива под высоким давлением. Для запуска двигателя используются свечи накаливания, которые предварительно нагревают воздух и отключаются после прогрева камеры сгорания. Дизельные двигатели способны производить большую мощность, но не скорость, поэтому они используются в тяжелой технике;
3. Газовые агрегаты популярны благодаря низкой стоимости сжиженного газа (по сравнению с бензином). Газовые двигатели работают при более высоких температурах, чем бензиновые или дизельные, что, в свою очередь, требует качественной системы охлаждения и специального моторного масла;
4. Гибридные двигатели представляют собой комбинацию двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. В стандартном режиме движения используется только электромотор, а двигатель внутреннего сгорания используется для увеличения нагрузки или зарядки батарей;
5. Водородные двигатели до недавнего времени были довольно опасны: кислород и водород, образующиеся из воды в результате электролиза, сгорают нестабильно, с риском детонации. Относительно недавняя разработка — использование водородно-кислородной смеси: водород заправляется в баки (а заправка занимает около трех минут), кислород извлекается из воздуха и затем питает электрогенератор вместо двигателя внутреннего сгорания. По сути, мы получаем обратную сторону процесса электролиза, в результате которого получаются электричество и вода. Первым автомобилем с водородным двигателем стала Toyota Mirai.

По принципу работы ГРМ

Ключевым компонентом механизма ГРМ является распределительный вал, который соединен с коленчатым валом двигателя ремнем или цепью ГРМ. Распределительный вал по своей конструкции регулирует работу клапанов, и вся система работает синхронно с оборотами двигателя. Выход из строя ремня ГРМ почти всегда является причиной капитального ремонта.

В зависимости от системы ГРМ двигатель может иметь один распределительный вал для рядных двигателей и от двух до четырех распределительных валов для V-образных двигателей.

Однако стандартный клапанный механизм уже не отвечает современным требованиям к мощности и эффективности двигателя. И теперь, помимо стандартной механической системы, существуют адаптивные системы, такие как i-VTEC, VTEC-E и DOHC от Honda, VVT-i от Toyota, MIVEC от Mitsubishi, разработка Volkswagen и Eco-Motors, а также пневматическая система ГРМ, установленная на Koenigsegg Regera, которая в итоге добавляет двигателю 30% мощности.

По принципу подачи воздуха

Еще одна распространенная классификация: деление двигателей на атмосферные и с турбонаддувом.

1. Атмосферный двигатель — это тот же двигатель, который втягивает воздух при движении поршня вниз в цилиндре. Подача кислорода происходит стандартным образом;
2. Турбина (турбокомпрессор) — это дополнительная подача воздуха в камеру сгорания. Турбокомпрессор работает за счет того, что поток выхлопных газов вращает турбину, которая, в свою очередь, нагнетает воздух во впускной коллектор с помощью крыльчатки.

Эксплуатация двигателя с турбонаддувом

Двигатели с турбонаддувом имеют свои преимущества и недостатки: с одной стороны, чем больше воздуха, тем большую мощность может развивать двигатель. С другой стороны — эффект турбоямы может серьезно попортить нервы любителям спортивного вождения. Кроме того, ненужный агрегат — это ненужное слабое место, поэтому двигатели с турбонаддувом (или би-турбо, как называют двигатель с двумя турбинами) нравятся не всем. Иногда хорошо сделанный атмосферный двигатель может «запереть любой нагнетатель за пояс».

Преимущества и недостатки ДВС

1. Если говорить о преимуществах двигателей внутреннего сгорания, то на первом месте стоит простота эксплуатации. В век бензина у нас есть сеть заправочных станций, и нет сомнений, что вы всегда сможете заправить свой автомобиль и поехать дальше. Если вы рискуете не встретить заправочную станцию, не волнуйтесь, вы всегда можете купить бензин в канистре. Именно инфраструктура делает использование ICE таким удобным.
2. Заправка двигателя топливом, с другой стороны, занимает считанные минуты, проста и доступна. Вы заправляете бак и отправляетесь в путь. Это ничто по сравнению с зарядкой электромобиля.
3. Способность долго служить при надлежащем обслуживании — это то, чем могут похвастаться знаменитые двигатели стоимостью миллион долларов. Регулярное и своевременное техническое обслуживание способно поддерживать двигатель в рабочем состоянии в течение очень долгого времени.
4. И, конечно же, не забудется сладкий рев мощного двигателя. Настоящий, честный, совершенно не похожий на звук современных электромобилей. Не зря некоторые автомобильные компании специально адаптируют звук двигателей своих автомобилей.

В чем заключается основной недостаток двигателя внутреннего сгорания?

1. Конечно, это низкий КПД — в пределах 20-25%. В настоящее время самый высокий КПД среди двигателей внутреннего сгорания — 38% — имеет двигатель VVT-iE компании Toyota. Электрические двигатели выглядят гораздо лучше в сравнении, особенно с системами рекуперативного торможения.
2. Вторым существенным недостатком является общая сложность всей системы. Современные двигатели уже давно перестали быть такими «простыми», как описывает классическая схема двигателя внутреннего сгорания. Напротив, требования к двигателям становятся все выше, сами двигатели становятся все более точными и сложными, появляются новые технологии и инженерные решения. Все это еще больше усложняет конструкцию двигателя, а чем она сложнее, тем больше у нее слабых мест.

Так, если раньше наш сосед дядя Вася сам бы восстановил двигатель своего подражателя, то в новых современных автомобилях вряд ли кто-то полезет в нежную систему двигателя внутреннего сгорания без специального оборудования и инструментов.

И, наконец, сама нефтяная эра уходит в прошлое. Не зря растут требования к экологически безопасному транспорту и, одновременно, к эффективности солнечных батарей. Да, бензиновые и дизельные двигатели не скоро исчезнут с улиц, но Европа уже борется за внедрение электромобилей, чтобы человечество однажды забыло слово «бензиновый смог».

Заключение

Несмотря на все свои недостатки, двигатель внутреннего сгорания остается «главным транспортным средством». Химики изобретают новые моторные масла, инженеры разрабатывают новые системы привода клапанов, а производители бензина не спешат снижать цены. Это потому, что ни один другой вид транспорта не может сравниться по удобству и автономности с привычными нам двигателями.