На сегодняшний день существуют бензиновые, карбюраторные, инжекторные и дизельные двигатели. Бензиновый двигатель принадлежит к классу двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых находится топливовоздушная смесь, поджигающаяся электрической искрой. Управляется он за счет регулирования воздуха, осуществляемого с помощью дроссельной заслонки.
Управление дросселем обычно выполняется с места водителя – рычажным, кнопочным или педальным способом.
Карбюраторные двигатели работают за счет горючей смеси, процесс приготовления которой происходит в карбюраторе. Сам карбюратор является специальным устройством, смешивающим топливо с воздушным потоком с помощью аэродинамических сил. Данные силы, в свою очередь, вызываются потоком воздуха, который засасывается карбюраторным двигателем.
В двигателях инжекторного вида топливо впрыскивается в воздушный поток специальными форсунками. Горючее подается к ним под давлением, а дозирование выполняется с помощью электронного блока управления, который открывает форсунку.
Дизельный двигатель является поршневым двигателем внутреннего сгорания, работающим за счет распыленного горючего, которое воспламеняется от соприкосновения с воздухом, разогревающимся при сжатии.
Поскольку работа дизельного двигателя не требует испарения топлива, он может работать на керосине, мазуте, рапсовом и пальмовом масле, фритюрном жире, сырой нефти и многих других вариантах топлива.
Новинки двигателестроения
Современный мир не стоит на месте – уже изобретен электродвигатель, который для работы использует электрическую энергию, черпая ее из топливных элементов или аккумуляторных батарей. Основной недостаток автомобилей, оснащенных электродвигателем – довольно небольшая емкость источника электроэнергии, что приводит к низкому запасу хода.
Также существует так называемая гибридная силовая установка, объединяющая в себе электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания, которые связаны генератором. Передача энергии в гибридном автомобиле выполняется последовательно (двигатель внутреннего сгорания – генератор – электродвигатель – колесо) или параллельно. Наиболее распространенной является гибридная силовая установка с параллельной компоновкой (ДВС – трансмиссия – колесо и ДВС – генератор – электродвигатель – колесо).
Не будет преувеличением сказать, что большинство самодвижущихся устройств сегодня оснащены двигателями внутреннего сгорания разнообразных конструкций, использующими различные принципиальные схемы работы. Во всяком случае, если говорить об автомобильном транспорте. В данной статье мы рассмотрим более подробно ДВС. Что это такое, как работает данный агрегат, в чем его плюсы и минусы, вы узнаете, прочитав ее.
Принцип работы двигателей внутреннего сгорания
Главный принцип работы ДВС основан на том, что топливо (твердое, жидкое или газообразное) сгорает в специально выделенном рабочем объеме внутри самого агрегата, преобразуя тепловую энергию в механическую.
Рабочая смесь, поступающая в цилиндры такого двигателя, подвергается сжатию. После ее воспламенения при помощи специальных устройств возникает избыточное давление газов, заставляющих поршни цилиндров возвращаться в исходное положение. Так создается постоянный рабочий цикл, преобразующий при помощи специальных механизмов кинетическую энергию в крутящий момент.
На сегодняшний день устройство ДВС может иметь три основных вида:
- часто называемый легким;
- четырехтактный силовой агрегат, позволяющий добиться более высоких показателей мощности и значений КПД;
- обладающие повышенными мощностными характеристиками.
Помимо этого существуют и другие модификации основных схем, позволяющие улучшить те или иные свойства силовых установок данного вида.
Преимущества двигателей внутреннего сгорания
В отличие от силовых агрегатов, предусматривающих наличие внешних камер, ДВС обладает значительными преимуществами. Главными из них являются:
- гораздо более компактные размеры;
- более высокие показатели мощности;
- оптимальные значения КПД.
Необходимо заметить, говоря о ДВС, что это такое устройство, которое в подавляющем большинстве случаев позволяет использовать различные виды топлива. Это может быть бензин, дизельное топливо, природный или керосин и даже обычная древесина.
Такой универсализм принес данной принципиальной схеме двигателя заслуженную популярность, повсеместное распространение и поистине мировое лидерство.
Краткий исторический экскурс
Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания ведет отсчет своей истории с момента создания французом де Ривасом в 1807 году поршневого агрегата, использовавшего в качестве топлива водород в газообразном агрегатном состоянии. И хотя с тех пор устройство ДВС подверглось значительным изменениям и модификациям, основные идеи этого изобретения продолжают использоваться и в наши дни.
Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания увидел свет в 1876 году в Германии. В середине 80-х годов XIX столетия в России был разработан карбюратор, позволявший дозировать подачу бензина в цилиндры мотора.
А в самом конце позапрошлого века знаменитый немецкий инженер предложил идею воспламенения горючей смеси под давлением, что существенно повышало мощностные характеристики ДВС и показатели КПД агрегатов подобного вида, которые до этого оставляли желать много лучшего. С тех пор развитие двигателей внутреннего сгорания шло в основном по пути улучшения, модернизации и внедрения разнообразных улучшений.
Основные виды и типы ДВС
Тем не менее более чем 100-летняя история агрегатов данного вида позволила разработать несколько основных видов силовых установок с внутренним сгоранием топлива. Они отличаются между собой не только составом используемой рабочей смеси, но и конструктивными особенностями.
Бензиновые двигатели
Как явствует из названия, агрегаты данной группы используют в качестве топлива различные виды бензина.
В свою очередь, такие силовые установки принято подразделять на две большие группы:
- Карбюраторные. В таких устройствах топливная смесь перед поступлением в цилиндры обогащается воздушными массами в специальном устройстве (карбюраторе). После чего происходит ее воспламенение при помощи электрической искры. Среди наиболее ярких представителей данного типа можно назвать модели ВАЗ, ДВС которых очень долгое время был исключительно карбюраторного типа.
- Инжекторные. Это более сложная система, в которой впрыск топлива в цилиндры осуществляется посредством специального коллектора и форсунок. Он может происходить как механическим способом, так и посредством специального электронного устройства. Наиболее продуктивными считаются системы прямого непосредственного впрыска "Коммон Рейл". Устанавливаются почти на все современные автомобили.
Инжекторные бензиновые двигатели принято считать более экономичными и обеспечивающими более высокий КПД. Однако стоимость таких агрегатов намного выше, а обслуживание и эксплуатация - заметно сложнее.
Дизельные двигатели
На заре существования агрегатов подобного вида очень часто можно было слышать шутку о ДВС, что это такое устройство, которое ест бензин, как лошадь, а движется намного медленнее. С изобретением дизельного двигателя эта шутка частично потеряла свою актуальность. Главным образом потому, что дизель способен работать на топливе гораздо более низкого качества. А значит, и на гораздо более дешевом, нежели бензин.
Главным принципиальным отличием внутреннего сгорания является отсутствие принудительного воспламенения топливной смеси. Солярка впрыскивается в цилиндры специальными форсунками, а отдельные капли топлива воспламеняются из-за силы давления поршня. Наряду с преимуществами дизельный двигатель обладает и целым рядом недостатков. Среди них можно выделить следующие:
- гораздо меньшая мощность по сравнению с бензиновыми силовыми установками;
- большими габаритами и весовыми характеристиками;
- сложностями с запуском при экстремальных погодных и климатических условиях;
- недостаточной тяговитостью и склонностью к неоправданным потерям мощности, особенно на сравнительно высоких оборотах.
Кроме того, ремонт ДВС дизельного типа, как правило, гораздо более сложен и затратен, нежели регулировка или восстановление работоспособности бензинового агрегата.
Газовые двигатели
Несмотря на дешевизну природного газа, используемого в качестве топлива, устройство ДВС, работающих на газе, несоизмеримо сложнее, что ведет к существенному удорожанию агрегата в целом, его монтажа и эксплуатации в частности.
На силовых установках подобного типа сжиженный или природный газ поступает в цилиндры через систему специальных редукторов, коллекторов и форсунок. Воспламенение топливной смеси происходит так же, как и в карбюраторных бензиновых установках, - при помощи электрической искры, исходящей от свечи зажигания.
Комбинированные типы двигателей внутреннего сгорания
Мало кто знает о комбинированных системах ДВС. Что это такое и где применяется?
Речь идет, конечно же, не о современных гибридных автомобилях, способных работать как на горючем, так и от электрического мотора. Комбинированными двигателями внутреннего сгорания принято называть такие агрегаты, которые объединяют в себе элементы различных принципов топливных систем. Наиболее ярким представителем семейства таких двигателей являются газодизельные установки. В них топливная смесь поступает в блок ДВС практически так же, как и в газовых агрегатах. Но поджиг горючего производится не при помощи электроразряда от свечи, а запальной порцией солярки, как это происходит в обычном дизельном моторе.
Обслуживание и ремонт двигателей внутреннего сгорания
Несмотря на достаточно широкое разнообразие модификаций, все двигатели внутреннего сгорания имеют аналогичные принципиальные конструкции и схемы. Тем не менее, для того чтобы качественно осуществлять обслуживание и ремонт ДВС, необходимо досконально знать его устройство, понимать принципы работы и уметь определять неполадки. Для этого, безусловно, необходимо тщательно изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания различных типов, уяснить для себя назначение тех или иных деталей, узлов, механизмов и систем. Дело это непростое, но очень увлекательное! А главное, нужное.
Специально для пытливых умов, которые желают самостоятельно постичь все таинства и секреты практически любого транспортного средства, примерная принципиальная схема ДВС представлена на фото выше.
Итак, мы выяснили, что собой представляет данный силовой агрегат.
19.04.2016
Современные легковые автомобили различаются не только функциональным, но и техническим наполнением. Производители соревнуются друг перед другом в качестве и надежности моделей, стараясь предоставить клиентам надежный, управляемый и доступный по цене продукт. С момента зарождения автомобилестроения серьезных изменений познала одна из главных составляющих - двигатель автомобиля. Какие же виды моторов сегодня бывают? В чем особенности существующих типов двигателей легковых автомобилей?
Классификации
Первое, с чего стоит начать - общей классификации двигателей легковых автомобилей, которая дает общее представление о конструкциях и особенностях этих узлов.
Все моторы по типу смесеобразования можно разбить на две основные группы:
В основе классификации поршневых моторов внутреннего сгорания лежит тип топлива, который применяется для работы силового узла:
- Газ. В случае с применением газообразного топлива может применяться газ генераторного, сжиженного или природного типа.
- Жидкое горючее. Такое топливо является продуктом переработки нефтяных продуктов, в результате чего образуется дизельное топливо, керосин или бензин.
- Смешанный вид топлива. Газожидкостные моторы способны работать на смеси различных типов горючего - жидкого и газообразного. При этом в основе лежит именно газ, а жидкая форма горючего применяется только в роли зажигательной смеси. Существуют и многотопливные моторы, которые могут длительное время функционировать с применением различных типов топлива, начиная от сырой нефти и заканчивая бензином с высоким октановым числом.
Если классифицировать моторы внутреннего сгорания, то они различаются по ряду признаков:
- По особенностям зажигания подготовленной горючей смеси - с зажиганием от силы сжатия или с зажиганием от свечи (принудительное воспламенение).
- По типу реализации рабочего цикла - с 2-мя и 4-мя тактами, с наддувом или без него.
Кроме этого, ДВС классифицируются по ряду типов:
- По особенностям системы охлаждения (может быть воздушным или жидкостным).
- По типу образования смеси - с внутренним и внешним образованием горючей смеси. К первому типу относятся бензиновые моторы с впрыском смеси в цилиндр и дизельные агрегаты, а ко второму - моторы на газу и карбюраторные типы.
- По позиции цилиндров - оппозитные, с V-образным расположением (2-рядные), с вертикальным и горизонтальным положением.
Бензиновый и дизельный мотор
Наибольшее распространение в автомобилестроении получили два типа мотора (по типу применяемого топлива) - бензиновый и дизельный. Именно им стоит уделить наибольшее внимание:
1. Бензиновый силовой агрегат. В двигателе, который работает на бензине, подразумевается воспламенение смеси с помощью обычной искры. Бензиновые моторы можно классифицировать по типу питания:
- Карбюраторный мотор. Особенность таких агрегатов в том, что смешивание воздуха и топлива происходит в карбюраторе, а далее процесс продолжается уже в трубопроводе впуска. Главные минусы такого типа - низкий уровень экологичности, чрезмерная «прожорливость», меньший уровень надежности (в сравнении с другими типами мотора). Именно по этим причинам такие типы силовых агрегатов потеряли свою популярность и почти не выпускаются;
- Впрысковый мотор. Здесь главным элементом является инжектор, подающий горючую смесь через главный трубопровод (прямой тип впрыска). Топливо может подаваться одним или несколькими форсунками, установленными перед клапанами. В последнем случае речь идет о распределительном впрыске, управляемом ЭБУ;
- Силовой узел с непосредственным впрыском. Особенность такого агрегата в том, что подача горючей смеси осуществляется прямо в камеру сгорания. Благодаря такой конструкции, удалось решить сразу две проблемы - устранить вредные вещества из выхлопа и уменьшить потребление топлива.
2. Дизельный силовой агрегат. Главная особенность, которая выделяет «дизели» - способность воспламенять горючую смесь не за счет образуемой свечи, а благодаря мощному сжатию. Если рассматривать принцип действия дизеля, то можно выделить четыре такта, в каждом из которых происходят определенные действия:
- Сжатие. В этом случае поршень идет вверх и сжимает расположенный внутри воздух. В пиковый момент внутрь камеры сгорания происходит выброс дизельного горючего;
- Рабочих ход. Наличие огромного давления и воздуха способствует воспламенению смеси. Теперь создается обратное давление газов, которое выталкивает поршень и заставляет опускаться его в нижнюю точку;
- Выпуск. Поршень начинает движение вверх. Одновременно с этим открываются выпускные клапана, обеспечивающие выход из камеры сгорания лишних продуктов сгоревшего топлива.
Все дизельные моторы можно классифицировать и по типу камеры сгорания. Последняя бывает распределенной или нераспределенной. В первом случае горючая смесь подается сначала в дополнительную, а уже потом в основную камеру. Такой тип исполнения позволяет добиться большей экономии топлива. Что касается моторов с нераспределенной камерой, то их особенность - в расположении камеры и подаче дизельного горючего в пространство над поршнем. Плюс - экономичность. Минус - высокий уровень шума.
Бензиновый и дизельный мотор: особенности
- Дизельное топливо обходится дешевле бензина;
- Потребление дизеля ниже, что и обуславливает дополнительную экономию. Если брать современные модели авто, то потребление дизельных моторов может быть на 50-60% ниже, что экономит средства в кошельке;
- Ресурс силового агрегата, который работает на дизеле, выше, чем у его собрата.
Нельзя не отметить и ряд минусов - дороговизна дизельного мотора и сложность обслуживания.
2. Момент вращения. Если рассматривать крутящий момент, как ключевую характеристику, то здесь в лидерах дизель. Эта особенность хороша не только для легковушек, но и для грузовых авто. Именно высокий момент вращения способствует быстрому троганию транспорта и успешному маневрированию при большой нагрузке и небольших скоростях.
3. Эксплуатация. Не менее важный момент - удобство использования автомобиля с тем или иным мотором. Здесь стоит выделить главный недостаток дизеля - необходимость переходить на зимний тип топливной смеси. Если своевременно не осуществить переход, то вместо жидкости в баке можно увидеть затвердевшую смесь. В итоге придется не только греть машину, но и ремонтировать многие элементы топливной системы.
5. Шум. Если анализировать уровень шума, то здесь впереди бензиновый силовой агрегат. Многим автолюбителя не нравится раздражающий «дизельный» стук. С другой стороны, повышенный шум будет иметь место лишь при неправильной настройке. Кроме этого, производители делают все возможное, чтобы уровни шума бензиновых и дизельных моторов почти не различались.
6. Экологическая составляющая. Не менее важный момент - экологичность двигателя (особенно сегодня). Современные моторы выпускают в окружающую среду меньший объем окиси углерода, являющегося главным загрязнителем атмосферы. К сожалению, на дорогах пока много автомобилей, имеющих высокий уровень вредных элементов в выбросе, и загрязняющих окружающую среду. В плане экологичности лидером является бензиновый мотор, ведь здесь конструкторам удалось создать множество типов узлов, улучшающих состав выхлопных газов и снижающих их уровень вреда.
7. Пожароопасность. С позиции вероятности воспламенения более безопасным считается дизель, ведь его топливо загорается лишь при смешивании и кислородом и под высоким давлением. Что касается бензина, то он летуч, а его пары могут воспламениться от малейшей искры.
Основные схемы
При рассмотрении типов двигателей для легковых автомобилей нельзя пропустить тему конструктивной особенности агрегата. Здесь более чем за сотню лет ученым удалось создать множество вариантов моторов, отличающихся не только числом, но и расположением цилиндров. Из основных схем двигателей легковых авто стоит выделить:
- Рядный мотор. Этот тип силового агрегата появился первым. Число цилиндров в таких двигателя может различаться и бывает от двух до восьми. Для легковых машин больше характерны 4-цилидровые моторы. Некоторые производители предпочитают устанавливать «шестерки» из-за лучшей балансировки. Что касается 8-цилиндровых моторов, то они уже не пользуются спросом. Преимущества рядного типа мотора - простота в эксплуатации и надежность. Расположение силового агрегата (несмотря на массивность) может быть различным - поперек или вдоль. Собственно, размеры и повышенная масса являются главными минусами этого мотора. В противовес стоит выделить уравновешенность.
- Мотор V-образного типа. Особенность таких моторов - расположение цилиндров в виде буквы V. Подобная конструкция была разработана в «Старом свете» и там нашла применение во многих моделях автомобилей. Сегодня V-образные моторы в большей части устанавливаются на машинах производства США. Главные плюсы таких двигателей - компактность и особое расположение цилиндров (под углом друг к другу). Минусы конструкции - чрезмерная «прозорливость» и низкий уровень уравновешенности. Да и высокую стоимость сложно отнести к преимуществам.
- Оппозитные моторы. Однажды конструкторы разработали горизонтальный тип мотора, который позволил опустить центр тяжести и улучшить развесовку транспортного средства. Количество цилиндров - четыре. Несмотря на ряд плюсов, оппозитные моторы встречаются редко. Главный минус - большие габариты и сложность конструкции. Автолюбители часто жалуются и на дороговизну ремонтных работ.
Есть ли альтернатива?
Кроме описанных выше моторов (бензиновых и дизельных) стоит выделить еще два типа:
- Роторно-поршенвой мотор. Главное отличие в том, что поршень осуществляет не поступательные движения (как это происходит обычно), а вращается по определенной траектории. Благодаря такой особенности, роторно-поршневой двигатель быстрее набирает обороты. Нельзя не выделить и ряд минусов - небольшой ресурс, высокая цена, плохие параметры экологии.
- «Гибриды». Все большим спросом пользуются гибридные силовые установки, в составе которых находится электромотор, поршневой силовой агрегат, генератор и АКБ. В зависимости от особенностей эксплуатации, режим работы «гибрида» может быть различным. Так, при активном разгоне электрический и поршневой мотор работают в паре. Во время торможения осуществляется подзаряд АКБ, а в режиме города работает лишь электрический мотор.
Итоги
Сегодня разработано множество разных типов двигателей для легковых автомобилей, каждый из которых имеет особенности, минусы и плюсы. При этом практика применения и действующие требования способствуют выбору только лучших вариантов, которые и применяются на современном транспорте.
Двигатель – это сердце автомобиля, он является движущей силой машины. Он служит для преобразования энергии топлива в механическую энергию, которая используется для выполнения полезной работы.
Классификация двигателей по типу
Принцип работы силового агрегата основывается на преобразования тепловой энергии в механическую. Повторяющиеся процессы в моторе являют собой рабочий цикл двигателя. Зависимо от того, сколько поршень делает ходов, двигатели делятся на четырехтактные и двухтактные. Двигатели внутреннего сгорания, которые применяются в машинах, работают по 4-тактному циклу. Сюда входит впуск топлива, рабочий ход (туда-назад) и выпуск отработанных газов.
В двухтактном моторе за один цикл происходит всего 2 хода поршня: рабочий ход и сжатие. Наполнение цилиндров и очистка происходит во время этих 2-х тактов. У двигателей этого типа есть существенные недостатки, например высокий уровень выброса выхлопных газов. Главный минус – это высокий , из-за чего двухтактные двигатели не используются в современных автомобилях.
Ижекторный двигатель работает немного иначе: топливо подается в воздушную среду способом мелкого впрыска. Под давлением через форсунку распыляется горючая жидкость, что значительно снижает расход топлива, потому как количество дозируют специальные устройства. По этой причине инжекторные двигатели более экономичные, а оптимальная пропорция горючей смеси позволяет увеличить чистоту выхлопа и повысить КПД силового агрегата.
Инжекторные двигатели делятся на механические и электронные. В механическом двигателе устанавливается дозировка топлива с помощью рычагов, а в электронном силовом агрегате применяется специальная система управления дозировкой топлива. При использовании таких систем более тщательно перегорает топливо и снижаются вредные выбросы.
Бензин, который проходит через топливную систему, попадает в карбюратор или впускной коллектор. В него же поступает воздух, который в дальнейшем смешивается с топливом и получается готовая смесь. Она подается в цилиндры и там поджигается искрой, которую дают .
Автомобили с карбюраторным типом двигателем на данный момент считаются устаревшими. Сейчас широко используются двигатели инжекторного типа. Распыление топлива производится форсунками или через впускной коллектор.
Отдельного внимания достойны дизельные двигатели . Их принцип работы основывается на воспламенении рабочей смеси при сжатии. Когда втягивается воздух, процесс происходит под высоким давлением, в результате чего смесь самовоспламеняется. После воспламенения происходит рабочий ход поршня, который потом вытесняет отработавшие газы.
Данный тип двигателя имеет более и небольшое количество вредных веществ в выбросах. КПД этого силового агрегата тоже намного выше. Дизельные двигатели сейчас продолжают совершенствоваться и даже заморозки уже не помеха к запуску мотора.
Разные виды двигателей, работающих на дизельном топливе, отличаются характеристиками, которые зависят от времени года. Эти силовые агрегаты не имеют системы зажигания, потому как топливо загорается из-за высокого давления, что дает движение поршня.
Видео типы двигателей
Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.
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.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:
- Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
- карбюраторные , в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
- инжекторные , в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
- дизельные , в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
- Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
- Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.
Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.
Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях 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.
В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.
Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т.п. маломощная техника.
Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.
Процесс работы двигателя внутреннего сгорания
Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:
- Такт первый, впуск . Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура - от 80 до 120 градусов Цельсия.
- Такт второй, сжатие . При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2-1,7 Мпа, а температуры - до 300-400 градусов Цельсия.
- Такт третий, расширение . Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
- Такт четвёртый, выпуск . Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры - 600-900 градусов по Цельсию.
Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания
Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры , воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:
- Источник питания . Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы - генератор.
- Включатель, или замок зажигания . Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
- Накопитель энергии . Катушка, или автотрансформатор - узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
- Распределитель зажигания (трамблёр) . Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.
Система зажигания ДВС
- 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. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:
- Воздухозаборник . Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
- Воздушный фильтр . Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
- Дроссельная заслонка . Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике - при помощи электроники.
- Впускной коллектор . Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.
Топливная система, или система питания ДВС, «отвечает» за бесперебойную подачу горючего для образования топливно-воздушной смеси. В состав топливной системы входят:
- Топливный бак - ёмкость для хранения бензина или дизтоплива, с устройством для забора горючего (насосом).
- Топливопроводы - комплекс трубок и шлангов, по которым к двигателю поступает его «пища».
- Устройство смесеобразования, то есть карбюратор или инжектор - специальный механизм для приготовления топливно-воздушной смеси и её впрыска в ДВС.
- Электронный блок управления (ЭБУ) смесеобразованием и впрыском - в инжекторных двигателях это устройство «отвечает» за синхронную и эффективную работу по образованию и подаче горючей смеси в мотор.
- Топливный насос - электрическое устройство для нагнетания бензина или солярки в топливопровод.
- Топливный фильтр - расходный материал для дополнительной очистки топлива в процессе его транспортировки от бака к мотору.
Схема топливной системы ДВС
- 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 . Система смазки ДВС включает в себя:
- Поддон картера - резервуар для хранения моторного масла. Уровень масла в поддоне контролируется не только специальным щупом, но и датчиком.
- Масляный насос - качает масло из поддона и подаёт его к нужным деталям двигателя через специальные просверленные каналы-«магистрали». Под действием силы тяжести масло стекает со смазанных деталей вниз, обратно в поддон картера, накапливается там, и цикл смазки повторяется снова.
- Масляный фильтр задерживает и удаляет из моторного масла твёрдые частицы, образующиеся из нагара и продуктов износа деталей. Фильтрующий элемент всегда меняется на новый вместе с каждой заменой моторного масла.
- Масляный радиатор предназначен для охлаждения моторного масла, с помощью жидкости из системы охлаждения двигателя.
Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):
- Выпускной коллектор. Это система труб из жаропрочного чугуна, которая принимает раскалённые отработанные газы, гасит их первичный колебательный процесс и отправляет далее, в приёмную трубу.
- Приёмная труба - изогнутый газоотвод из огнестойкого металла, в народе именуемый «штанами».
- Резонатор , или, говоря народным языком, «банка» глушителя - ёмкость, в которой происходит разделение выхлопных газов и снижение их скорости.
- Катализатор - устройство, предназначенное для очистки выхлопных газов и их нейтрадизации.
- Глушитель - ёмкость с комплексом специальных перегородок, предназначенных для многократного изменения направления движения потока газов и, соответственно, их шумности.
Выхлопная система ДВС
- 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 забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.
- Радиатор системы охлаждения служит для отдачи избыточного тепла в окружающую среду. Он состоит из большого количества изогнутых аллюминиевых трубок, с рёбрами для дополнительной теплоотдачи.
- Вентилятор предназначен для усиления охлаждающего эффекта на радиатор от встречного потока воздуха.
- Водяной насос (помпа) - «гоняет» охлаждающую жидкость по «малому» и «большому» кругам, обеспечивая её циркуляцию через двигатель и радиатор.
- Термостат - специальный клапан, обеспечивающий оптимальную температуру охлаждающей жидкости путём запуска её по «малому кругу», минуя радиатор (при холодном двигателе) и по «большому кругу», через радиатор - при прогретом двигателе.
Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.
В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.
