Двигун – серце. Як багато сьогодні означає це слово. Без двигуна не працює жоден пристрій, двигун дає життя будь-якому агрегату. У статті розглянемо, що таке двигун, які види бувають, як працює двигун автомобіля.
Основне завдання будь-якого двигуна – перетворити паливо на рух. Одним із способів досягти такого можна за допомогою спалювання палива всередині двигуна. Звідси і назва двигуна внутрішнього згоряння.
Але, крім ДВСслід розрізняти двигун зовнішнього згоряння. Прикладом служить паровий двигун теплохода, коли його паливо (дерево, вугілля) згоряють за межами двигуна, генеруючи пару, що є рушійною силою. Двигун зовнішнього згоряння не такий ефективний як внутрішнього.
На сьогоднішній день широкого поширення набув двигун внутрішнього згоряння, яким укомплектовані всі автомобілі. Незважаючи на те, що ККД ДВС не близько до позначки 100%, найкращі вчені та інженери працюють над доведенням до досконалості.
За видами двигуна поділяються:
Бензинові: можуть бути як карбюраторними, так і інжекторними, використовується система впорскування.
Дизельні: працюють на основі дизельного палива, яке під тиском розпорошується в камері згоряння паливною форсункою.
Газові: працюють на основі зрідженого чи стисненого газу, виробленого від переробки вугілля, торфу, дерева.
Отже, перейдемо до начинки двигуна.
Основним механізмом є блок циліндрів, він же частина корпусу механізму. Блок складається з різних каналів у собі, що служить для циркуляції охолоджуючої рідини, знижуючи температуру механізму, у народі називається сорочка охолодження.
Усередині блоку циліндрів розташовані поршні, їхня кількість залежить від конкретного двигуна. На поршень одягаються у верхній частині компресійні кільця, а в нижній маслознімні. Компресійні кільця служать для створення герметичності при стисненні для займання, а маслознімні для забору змащувальної рідини зі стінки блоку циліндрів і запобігання потраплянню олії в камеру згоряння.
Кривошипно-шатунний механізм: передає крутний момент від поршня до коленвала. Складається з поршнів, циліндрів, головок, пальців поршневих, шатунів, картера, коленвала.
Алгоритм роботи двигунадосить простий: паливо розпорошується форсункою в камері згоряння, де перемішується з повітрям і під впливом іскри утворена суміш спалахує.
Утворені гази штовхають поршень донизу і обертальний момент передається колінвалу, який передає обертання трансмісії. За допомогою шестеренного механізму відбувається рух коліс.
Якщо створити безперебійний цикл займистих паливної суміші за певну кількість часу, то отримаємо примітивний двигун.
Сучасні мотори засновані на чотиритактному циклі згоряння для перетворення палива на рух транспорту. Іноді такий такт називають на честь німецького вченого Отто Ніколауса, який у 1867 році створив такт, що складається з таких циклів: впуск, стиск, горіння, виведення продуктів згоряння.
Опис та призначення систем:
Система живлення: дозує утворену суміш повітря та палива та подає її в камери згоряння – циліндри двигуна. У карбюраторному варіанті складається з карбюратора, повітряного фільтра, трубоканалу впускного, фланця, паливного насоса з відстійником, бензобака, паливопроводу.
Система газорозподілу: балансує процеси впуску горючої суміші та випуску відпрацьованих газів. Складається із шестерень, кулачкового валу, пружини, штовхача, клапана.
: призначений для подачі струму на контакт свічки для займання робочої суміші.
: уберігає мотор від перегріву, шляхом циркуляції та охолодження рідини.
: подає змащувальну рідину до деталей, що труться, з метою мінімізації тертя і зносу.
У цій статті розглянуто поняття двигуна, його види, опис та призначення окремих систем, такт та його цикли.
Багато інженерів працюють на тому, щоб мінімізувати робочий об'єм двигуна і суттєво збільшити потужність, скоротивши споживання палива. Новинки автопрому вкотре підтверджують раціональність конструкторських розробок.
В даний час двигун внутрішнього згоряння є основним видом автомобільного двигуна. Двигуном внутрішнього згоряння (скорочене найменування – ДВС) називається теплова машина, що перетворює хімічну енергію палива на механічну роботу.
Розрізняють такі основні типи двигунів внутрішнього згоряння: поршневий, роторно-поршневий та газотурбінний. З представлених типів двигунів найпоширенішим є поршневий ДВС, тому пристрій та принцип роботи розглянуті на його прикладі.
Перевагамипоршневого двигуна внутрішнього згоряння, що забезпечили його широке застосування, є автономність, універсальність (поєднання з різними споживачами), невисока вартість, компактність, мала маса, можливість швидкого запуску, багатопаливність.
Разом з тим, двигуни внутрішнього згоряння мають низку суттєвих недоліків, До яких відносяться: високий рівень шуму, велика частота обертання колінчастого валу, токсичність газів, що відпрацювали, невисокий ресурс, низький коефіцієнт корисної дії.
Залежно від виду застосовуваного палива розрізняють бензинові та дизельні двигуни. Альтернативними видами палива, які у двигунах внутрішнього згоряння, є природний газ, спиртові палива – метанол і етанол, водень.
Водневий двигун з погляду екології перспективним, т.к. не створює шкідливих викидів. Поряд з ДВЗ водень використовується для створення електричної енергії в паливних елементах автомобілів.
Пристрій двигуна внутрішнього згоряння
Поршневий двигун внутрішнього згоряння включає корпус, два механізми (кривошипно-шатунний та газорозподільний) та ряд систем (впускну, паливну, запалювання, мастила, охолодження, випускну та систему управління).
Корпус двигуна поєднує блок циліндрів та головку блоку циліндрів. Кривошипно-шатунний механізм перетворює зворотно-поступальний рух поршня у обертальний рух колінчастого валу. Газорозподільний механізм забезпечує своєчасну подачу в циліндри повітря або паливно-повітряної суміші та випуск відпрацьованих газів.
Система керування двигуном забезпечує електронне керування роботою систем двигуна внутрішнього згоряння.
Робота двигуна внутрішнього згоряння
Принцип роботи ДВС заснований на ефект теплового розширення газів, що виникає при згорянні паливно-повітряної суміші і забезпечує переміщення поршня в циліндрі.
Робота поршневого ДВЗ здійснюється циклічно. Кожен робочий цикл відбувається за два обороти колінчастого валу і включає чотири такти (чотиритактний двигун): впуск, стиск, робочий хід та випуск.
Під час тактів впуск та робочий хід відбувається рух поршня вниз, а тактів стиснення та випуск – вгору. Робочі цикли у кожному з циліндрів двигуна не збігаються по фазі, що досягається рівномірність роботи ДВС. У деяких конструкціях двигунів внутрішнього згоряння робочий цикл реалізується за два такти – стиск та робочий хід (двотактний двигун).
На такті впусквпускна та паливна системи забезпечують утворення паливно-повітряної суміші. Залежно від конструкції суміш утворюється у впускному колекторі (центральне та розподілене упорскування бензинових двигунів) або безпосередньо в камері згоряння (безпосереднє упорскування бензинових двигунів, упорскування дизельних двигунів). При відкритті впускних клапанів газорозподільного механізму повітря або паливно-повітряна суміш за рахунок розрядження, що виникає під час руху поршня вниз, подається в камеру згоряння.
На такті стисненнявпускні клапани закриваються, і паливно-повітряна суміш стискується в циліндрах двигуна.
Такт робочий хідсупроводжується займанням паливно-повітряної суміші (примусове або самозаймання). Внаслідок займання утворюється велика кількість газів, які тиснуть на поршень і змушують його рухатися вниз. Рух поршня через кривошипно-шатунний механізм перетворюється на обертальний рух колінчастого валу, який потім використовується для руху автомобіля.
При такті випусквідкриваються випускні клапани газорозподільного механізму, і гази, що відпрацювали, видаляються з циліндрів у випускну систему, де проводиться їх очищення, охолодження і зниження шуму. Далі гази надходять до атмосфери.
Розглянутий принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння дозволяє зрозуміти, чому ДВЗ має невеликий коефіцієнт корисної дії – близько 40%. У конкретний час зазвичай лише у одному циліндрі відбувається корисна робота, в інших – що забезпечують такти: впуск, стиск, випуск.
У переважній більшості автомобілів використовуються як паливо для двигунів похідні нафти. При згорянні цих речовин виділяються гази. У замкнутому просторі вони утворюють тиск. Складний механізм сприймає ці навантаження і трансформує їх спочатку в поступальний рух, а потім - у обертальний. На цьому ґрунтується принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння. Далі обертання вже передається на провідні колеса.
Поршневий двигун
У чому перевага такого механізму? Що дав новий принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння? Нині їм обладнуються як автомобілі, а й сільськогосподарський і вантажний транспорт, локомотиви поїздів, мотоцикли, мопеди, скутера. Двигуни такого типу встановлюються на військовій техніці: танках, бронетранспортерах, гелікоптерах, катерах. Ще можна згадати про бензопили, косарки, мотопомпи, генераторні підстанції та інше мобільне обладнання, в якому використовується для роботи дизельне паливо, бензин або газова суміш.
До винаходу принципу внутрішнього згоряння паливо, частіше тверде (вугілля, дрова), спалювалося в окремій камері. Для цього застосовувався котел, який грів воду. Як першоджерело рушійної сили використовувався пар. Такі механізми були масивними та габаритними. Ними обладналися локомотиви паровозів та теплоходи. Винахід двигуна внутрішнього згоряння дало змогу в рази зменшити габарити механізмів.
Система
Працюючи двигуна постійно відбувається ряд циклічних процесів. Вони повинні бути стабільними і проходити за певний проміжок часу. Ця умова забезпечує безперебійну роботу всіх систем.
У дизельних двигунів паливо попередньо не готується. Система подачі палива доставляє його з бака і подається під високим тиском в циліндри. Бензин по дорозі попередньо змішується з повітрям.
Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння такий, що система запалювання спалахує цю суміш, а кривошипно-шатунний механізм приймає, трансформує та передає енергію газів на трансмісію. Газорозподільна система випускає з циліндрів продукти горіння та виводить їх за межі транспортного засобу. Принагідно знижується звук вихлопу.
Система мастила забезпечує можливість обертання рухомих вузлів. Проте тертьові поверхні нагріваються. Система охолодження стежить, щоб температура не виходила межі допустимих значень. Хоча всі процеси відбуваються в автоматичному режимі, за ними все ж таки необхідно спостерігати. Це забезпечує система керування. Вона передає дані на пульт у кабіну водія.
Достатньо складний механізм повинен мати корпус. У ньому монтуються основні вузли та агрегати. Додаткове обладнання для систем, що забезпечують нормальну його роботу, розміщується поблизу та монтується на знімних кріпленнях.
У блоці циліндрів розташовується кривошипно-шатунний механізм. Основне навантаження від згорілих газів палива передається на поршень. Він шатуном з'єднаний з колінчастим валом, який перетворює поступальний рух у обертальний.
Також у блоці розміщується циліндр. По його внутрішній площині переміщається поршень. На ньому прорізані канавки, в яких розміщуються кільця ущільнювачів. Це необхідно для мінімізації зазору між площинами та створення компресії.
Зверху до корпусу кріпиться головка блоку циліндрів. У ній монтується газорозподільний механізм. Він складається з валу з ексцентриками, коромисел та клапанів. Їхнє почергове відкриття та закриття забезпечують впуск палива всередину циліндра та випуск потім відпрацьованих продуктів горіння.
Донизу корпусу монтується піддон блоку циліндрів. Туди стікає масло після того, як воно змаже терть з'єднання деталей вузлів і механізмів. Усередині двигуна ще розташовані канали, якими циркулює охолодна рідина.
Принцип роботи ДВС
Суть процесу полягає у перетворенні одного виду енергії в інший. Це відбувається при спалюванні палива у замкнутому просторі циліндра двигуна. Гази, що виділяються при цьому, розширюються, і всередині робочого простору створюється надлишковий тиск. Його сприймає поршень. Він може рухатися вгору-вниз. Поршень за допомогою шатуна з'єднаний з колінчастим валом. По суті, це головні деталі кривошипно-шатунного механізму - основного вузла, що відповідає за перетворення хімічної енергії палива у обертальний рух валу.
Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння ґрунтується на почерговій зміні циклів. При поступальному русі поршня вниз відбувається робота - на певний кут провертається колінчастий вал. На одному його кінці закріплено потужний маховик. Отримавши прискорення, він інерцією продовжує рух, і це ще провертає колінчастий вал. Тепер шатун штовхає поршень нагору. Він займає робоче становище і знову готовий прийняти на себе енергію спалахненого палива.
Особливості
Принцип роботи ДВС легкових автомобілів найчастіше заснований на перетворенні енергії бензину, що згоряється. Вантажівки, трактори та спеціальна техніка обладнуються в основному дизельними двигунами. Ще як паливо може використовуватися скраплений газ. Дизельні двигуни не мають системи запалювання. Запалення палива походить від створюваного тиску в робочій камері циліндра.
Робочий цикл може здійснюватися за один або два обороти колінчастого валу. У першому випадку відбувається чотири такти: впуск палива та його займання, робочий хід, стиск, випуск відпрацьованих газів. Двотактний двигун внутрішнього згоряння повний цикл здійснює за один оборот колінчастого валу. При цьому за один такт відбувається впуск палива та його стиск, а на другому - займання, робочий хід та випуск відпрацьованих газів. Роль газорозподільного механізму двигунах такого типу грає поршень. Рухаючись вгору-вниз, він по черзі відкриває вікна впуску палива та випуску відпрацьованих газів.
Крім поршневих ДВЗ існують ще турбінні, реактивні та комбіновані двигуни внутрішнього згоряння. Перетворення у них енергії палива в поступальний рух транспортного засобу здійснюється за іншими принципами. Пристрій двигуна та допоміжних систем також суттєво відрізняється.
Втрати
Незважаючи на те, що ДВЗ відрізняється надійністю та стабільністю роботи, його ефективність недостатньо висока, як це може здатися на перший погляд. У математичному вимірі ККД двигуна внутрішнього згоряння становить середньому 30-45 %. Це говорить про те, що більша частина енергії палива, що згоряється, витрачається вхолосту.
ККД кращих бензинових двигунів може становити лише 30%. І тільки потужні економні дизелі, які мають багато додаткових механізмів і систем, можуть ефективно перетворити до 45% енергії палива в перерахунку на потужність і корисну роботу.
Пристрій двигуна внутрішнього згоряння не може унеможливити втрати. Частина палива не встигає згоряти і йде з відпрацьованими газами. Інша стаття втрат - це витрата енергії на подолання різноманітних опорів при терті пов'язаних поверхонь деталей вузлів і механізмів. І ще якась її частина витрачається на приведення в дію систем двигуна, що забезпечують його нормальну і безперебійну роботу.
Двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ) називають двигун, у якому згоряння палива відбувається безпосередньо всередині робочої камери. Саме такі агрегати широко застосовуються в автомобільній індустрії, забезпечуючи перетворення теплової енергії від згоряння палива на механічну силу.
Спосіб здійснення робочого циклу може відбуватися в один такт, або два такти. Тому розрізняють двотактні та чотиритактні ДВС. Тактом називається хід поршня між двома мертвими точками, з поворотом колінчастого валу на 180 градусів.
Принцип роботи
Принципи роботи кожного з типів двигунів дещо відрізняються. У двотактному моторі за один оберт відбувається завершення робочого циклу за два етапи - за рахунок стиснення і розширення. Клапани в такому пристрої відсутні, а їхню функцію виконує поршень. Його переміщення забезпечує відкриття та закриття продувних вікон.
Робочий процес у чотиритактному моторі відбувається за чотири етапи. При цьому до стиснення та розширення додаються такі процеси, як впуск на першому та випуск на четвертому етапах відповідно.
Основною відмінністю таких моторів є хороші механізми газообміну, тобто. подача палива в циліндри та відведення відпрацьованих газів. У конструкцію чотиритактних агрегатів включений газорозподільний механізм, що забезпечує відкриття та закриття клапанів у певні моменти часу. У двотактних двигунах циліндри спорожняються і заповнюються в моменти тактів стиснення та розширення.
Відео: Пристрій та як працює двигун внутрішнього згоряння
Загальний пристрій ДВЗ
За типом перетворення теплової енергії всі двигуни можна розділити на такі види:
- Поршневі. У таких агрегатах згоряння палива відбувається в циліндрах, а завдяки зворотно-поступальному руху поршня за рахунок кривошипно-шатунного механізму теплова енергія перетворюється на механічну;
- Роторно-поршневі. Енергія перетворюється з допомогою обертання ротора зі спеціальним профілем з допомогою робочих газів;
- Газотурбінні. У таких двигунах перетворення енергії забезпечує ротор із клиноподібними лопатками.
Найпопулярнішим і затребуваним серед усіх видів агрегатів є поршневий ДВС, за рахунок своєї універсальності, здатності до швидкого запуску та можливості роботи з різними видами пального.
Загальний пристрій ДВЗ включає корпус агрегату, а також два типи механізмів – кривошипно-шатунний та газорозподільний. Крім цього він містить низку систем - живлення, запалення, пуску, охолодження та мастила. Усі перелічені системи складаються з певних вузлів та механізмів, а також необхідних комунікаційних елементів.
Важливо! Тільки завдяки злагодженому виконанню механізмами та системами своїх функцій забезпечується безперебійна робота ДВЗ.
Кривошипно-шатунний механізм
Циклічний поступальний рух поршня, що описується ним при переміщенні в циліндрі, повинен бути перетворений на обертальний рух колінчастого валу. Саме ця дія забезпечується завдяки кривошипно-шатунному механізму (КШМ).
У конструкцію такого механізму входять рухомі складові – поршні, поршневі кільця, пальці, шатуни, маховик та колінчастий вал. Також КШМ включає і нерухомі елементи – блок циліндрів та прокладка, головка блоку циліндрів, циліндри, картер, піддон. Крім того, пристрій включає різні елементи кріплень, кріпильні і шатунні підшипники.
Газорозподільчий механізм
Завдяки газорозподільчому механізму (ГРМ) своєчасна подача в циліндри в залежності від типу ДВЗ повітря або паливно-повітряної суміші, а також випуску в систему вихлопу відпрацьованих газів.
Цікаво! Завдяки своєчасному відкриття чи закриття клапанів ГРМ забезпечується безперебійна робота механізму.
До складу конструкції ГРМ входять такі вузли та механізми:
- Розподільний вал. Чавунний чи сталевий елемент, який відкриває чи закриває клапани.
- Штурхачі. Забезпечують передачу зусиль на клапани від кулачків.
- Впускні та випускні клапани. Сприяють подачі суміші в камеру, а також видаляють відпрацьовані гази. Залежно від діаметра головки різняться впускні та випускні клапани. Крім того головка впускного клапана має хромоване покриття, а головка випускного виготовлена з жароміцної сталі.
- Штанги. Завдяки яким відбувається передача зусилля від штовхачів до штанг.
- Привід ГРМ, який забезпечує відкриття та закриття клапанів, за рахунок передачі обертання колінвала на розподільний вал. Як привод може використовуватися як ремінь, так і ланцюг ГРМ, а також зубчаста передача.
Система харчування
До складу даної системи входять такі пристрої, як елементи, призначені для зберігання палива, очисні прилади, вузли, що забезпечують очищення і подачу палива, а також прилади для приготування паливної суміші.
Елементами живлення ДВЗ є:
- Паливний бак та паливопроводи;
- Паливний фільтр та насос;
- Повітряний фільтр;
- Карбюратор, моновпорскування або інжектор, залежно від пристрою системи живлення.
Цікаво! В інжекторних системах живлення регулювання роботи паливних форсунок здійснює електронний пристрій - блок управління, конструкцію якого включені різні датчики контролю.
Головними функціями паливної системи є:
- Подача палива із бака;
- Фільтрування пального;
- Освіта горючої суміші;
- Подача суміші у циліндри.
Відрізняються паливні системи залежно від типу палива: в дизельних агрегатах впорскування в камеру відбувається під високим тиском, для чого застосовується паливний насос високого тиску.
Система запалювання
Головна функція даної системи є подача іскри до свічок запалювання у певний момент часу. Системи запалення бувають трьох основних типів:
- Контактна. Створення імпульсів відбувається у момент розриву контактів.
- Безконтактна. Керуючі імпульси створює транзисторний керуючий пристрій.
- Мікропроцесорна система запалювання керується електронним пристроєм.
Основними елементами системи є:
- Джерело живлення;
- Вимикач запалювання;
- Накопичувач;
- Свічки запалювання;
- Система розподілу;
- Високовольтний провід.
Принцип роботи цієї системи заснований на накопиченні котушкою запалювання напруги з низькими характеристиками та її перетворенні на високу. Після накопичена енергія передається до свічок запалювання, а іскра, що утворюється в необхідний момент часу, займає паливно-повітряну суміш.
Пуск
Основними складовими механізмами системи пуску ДВЗ є:
- Стартер;
- Акумуляторна батарея;
- Вмикач запалювання.
Дана система забезпечує зручний, надійний та швидкий пуск двигуна незалежно від умов експлуатації автомобіля.
Охолодження
Функціонування систем і механізмів ДВЗ без організації відведення зайвого тепла не можливе, оскільки їхня робота пов'язана з підвищеним температурним режимом. Основне призначення системи охолодження – це зменшення температури робочих елементів двигуна.
Цікаво! Якщо авто обладнане автоматичною трансмісією, система охолодження бере участь також у організації охолодження трансмісійної рідини.
Існує два основних типи систем охолодження ДВЗ:
- Рідина;
- Повітряна.
Крім основних функцій, система охолодження відповідає за:
- Роботу системи опалення, вентиляції та кондиціювання;
- Охолодження олії в змащувальній системі;
- Охолодження газів у системі вихлопу.
Найбільш поширеною є рідинна система охолодження, чому сприяють рівномірне та ефективне охолодження вузлів та механізмів, а також низький рівень шумності при роботі.
Важливими елементами системи охолодження є:
- Рідкісний радіатор;
- Масляний радіатор;
- Теплообмінник;
- Вентилятор;
- Відцентровий насос;
- Розширювальний бачок;
- Термостат.
Важливим витратним матеріалом, завдяки якому забезпечується охолодження, є робоча рідина антифриз.
Система змазки
Робота механізмів та вузлів ДВЗ відбувається в умовах постійного тертя елементів. Це негативно впливає на їх стан, викликаючи зношування та знижуючи експлуатаційні характеристики агрегату. Саме для запобігання таким негативним явищам у конструкцію ДВЗ включена система мастила. Вона є комбінованою, тобто. відбувається змішування моторної олії з паливом.
Основними елементами системи мастила ДВС є:
- Масляний фільтр та насос;
- Піддон;
- Забірник;
- Контури, що забезпечують подачу олії до елементів.
За допомогою масляного насоса відбувається подача олії у фільтр, а далі вона розподіляється між вузлами та каналами мастила. Цей процес відбувається постійно, а завдяки наявності спеціальних датчиків контролюється тиск у системі.
Тюнінг
Для підвищення експлуатаційних характеристик двигуна, його модернізації та збільшення крутного моменту використовується така процедура, як тюнінг. Основними видами тюнінгу є:
- Розточує циліндри, що сприяє збільшенню камери згоряння палива, що дещо збільшує силові можливості агрегату.
- Установка турбіни, що забезпечує збільшення потужності та ККД двигуна;
- Чіп-тюнінг - збільшення експлуатаційних характеристик за рахунок зміни роботи електронної частини блоку керування.
- Установка закису азоту, що сприяє значному збільшенню потужності двигуна.
Як правило, тюнінг проводиться тільки у разі повної справності вузлів та механізмів силового агрегату та має виконуватися кваліфікованими майстрами автосервісів.
Для безперебійної та ефективної роботи ДВЗ слід звертати увагу на будь-які зміни та своєчасно проводити діагностику та ремонт обладнання.
| Ви можете задати питання, що вас цікавлять, по темі представленої статті, залишивши свій коментар внизу сторінки. Вам відповість заступник генерального директора автошколи "Мустанг" з навчальної роботи Викладач вищої школи, кандидат технічних наук Кузнєцов Юрій Олександрович |
Частина 1. ДВИГУН І ЙОГО МЕХАНІЗМИ
Двигун є джерелом механічної енергії.
На переважній більшості автомобілів застосовується двигун внутрішнього згоряння.
Двигун внутрішнього згоряння - це пристрій, в якому хімічна енергія палива перетворюється на корисну механічну роботу.
Автомобільні двигуни внутрішнього згоряння класифікуються:
За родом застосовуваного палива:
Легкі рідкі (газ, бензин),
Тяжкі рідкі (дизельне паливо).
Бензинові двигуни
Бензинові карбюраторні.Суміш палива з повітрямготується вкарбюраторі або у впускному колекторі за допомогою форсунок, що розпилюють (механічних або електричних), далі суміш подається в циліндр, стискається, а потім підпалюється за допомогою іскри, що проскакує між електродамисвічки .
Бензинові інжекторніСумішотворення відбувається шляхом упорскування бензину у впускний колектор або безпосередньо в циліндр за допомогою розпилюючихфорсунок ( інжектор ов). Існують системи одноточкового та розподіленого упорскування різних механічних та електронних систем. У механічних системах упорскування дозація палива здійснюється плунжерно - важільний механізм з можливістю електронного коригування складу суміші. В електронних системах сумішоутворення здійснюється під управлінням електронного блоку управління (ЕБУ) упорскуванням, що управляє електричними бензиновими вентилями.
Газові двигуни
Двигун спалює як паливо вуглеводні, що знаходяться в газоподібному стані. Найчастіше газові двигуни працюю на пропані, але є й інші, що працюють на попутних (нафтових), зріджених, доменних, генераторних та інших видах газоподібного палива.
Принципова відмінність газових двигунів від бензинових та дизельних у вищому ступені стиснення. Застосування газу дозволяє уникнути зайвого зносу деталей, так як процеси згоряння паливоповітряної суміші відбуваються більш правильно завдяки вихідному (газоподібному) стану палива. Також газові двигуни економічніші, оскільки газ коштує дешевше нафти і легше видобувається.
До безперечних переваг двигунів на газі варто віднести безпеку та бездимність вихлопу.
Самі собою газові двигуни рідко випускаються серійно, найчастіше вони з'являються після переробки традиційних ДВС, шляхом обладнання їх спеціальним газовим обладнанням.
Дизельні двигуни
Спеціальне дизельне паливо впорскується у певний момент (не доходячи до верхньої мертвої точки) у циліндр під високим тиском через форсунку. Горюча суміш утворюється безпосередньо в циліндрі в міру впорскування палива. Рух поршня всередину циліндра викликає нагрівання та подальше займання паливоповітряної суміші. Дизельні двигуни є низькооборотними і характеризуються високим крутним моментом на валу двигуна. Додатковою перевагою дизельного двигуна є те, що, на відміну від двигунів із примусовим запалюванням, він не потребує електрики для роботи (в автомобільних дизельних двигунах електрична система використовується тільки для запуску), і, як наслідок, менше боїться води.
За способом займання:
Від іскри (бензинові),
Від стискування (дизельні).
За кількістю та розташуванням циліндрів:
Рядні,
Опозитні,
V - образні,
VR - образні,
W – образні.
Рядний двигун
Цей двигун відомий із самого початку автомобільного двигунобудування. Циліндри розташовані в один ряд перпендикулярно колінчастому валу.
Перевага:простота конструкції
Недолік:при великій кількості циліндрів виходить дуже довгий агрегат, який неможливо розташувати поперечно щодо поздовжньої осі автомобіля.
Опозитний двигун
Горизонтально-опозитні двигуни відрізняються меншою габаритною висотою, ніж двигуни з рядним або V-подібним розташуванням циліндрів, що дозволяє знизити центр тяжіння всього автомобіля. Легка вага, компактність конструкції та симетричність компонування зменшує момент нишпорення автомобіля.
V-подібний двигун
Щоб зменшити довжину двигунів, у цьому двигуні циліндри розташовані під кутом від 60 до 120 градусів, при цьому поздовжні осі циліндрів проходять через подовжню вісь колінчастого валу.
Перевага:відносно короткий двигун
Недоліки:Двигун відносно широкий, має дві роздільні головки блоку, підвищена вартість виготовлення, занадто великий робочий об'єм.
VR-двигуни
У пошуках компромісного рішення виконання двигунів на легкових автомобілях середнього класу дійшли створення VR-двигунів. Шість циліндрів під кутом 150 градусів утворюють відносно вузький і загалом короткий двигун. Крім того, такий двигун має лише одну головку блоку.
W-двигуни
У двигунах W-родини в одному двигуні з'єднані два ряди циліндрів у VR-виконанні.
Циліндри кожного ряду розміщені під кутом 150 один до одного, а самі ряди циліндрів розташовані під кутом 720.
Стандартний автомобільний двигун складається з двох механізмів та п'яти систем.
Механізми двигуна
Кривошипно-шатунний механізм,
Газорозподільчий механізм.
Системи двигуна
Система охолодження,
Система змазки,
Система харчування,
Система запалювання,
Система випуску газів, що відпрацювали.
Кривошипно-шатунний механізм
Кривошипно-шатунний механізм призначений для перетворення поворотно-поступального руху поршня в циліндрі в обертальний рух колінчастого валу двигуна.
Кривошипно-шатунний механізм складається:
Блоки циліндрів з картером,
Головки блоку циліндрів
Піддона картера двигуна
Поршні з кільцями та пальцями,
Шатунів,
Колінчастого валу,
Маховик.
Блок циліндрів
Є цільнолитою деталлю, що поєднує собою циліндри двигуна. На блоці циліндрів є опорні поверхні для встановлення колінчастого валу, до верхньої частини блоку, як правило, кріпиться головка блоку циліндрів, нижня частина є частиною картера. Таким чином, блок циліндрів є основою двигуна, на яку навішуються інші деталі.
Відливається зазвичай - з чавуну, рідше - алюмінію.
Блоки, виготовлені з цих матеріалів, не рівноцінні за своїми властивостями.
Так, чавунний блок найбільш жорсткий, а значить - при інших рівних витримує найвищий ступінь форсування і найменш чутливий до перегріву. Теплоємність чавуну приблизно вдвічі нижча, ніж алюмінію, а отже двигун із чавунним блоком швидше прогрівається до робочої температури. Однак, чавун дуже важкий (в 2,7 рази важчий за алюміній), схильний до корозії, а його теплопровідність приблизно в 4 рази нижче, ніж у алюмінію, тому у двигуна з чавунним картером система охолодження працює в більш напруженому режимі.
Алюмінієві блоки циліндрів легкі та краще охолоджуються, проте в цьому випадку виникає проблема з матеріалом, з якого виконані безпосередньо стінки циліндрів. Якщо поршні двигуна з таким блоком зробити із чавуну або сталі, то вони дуже швидко зносять алюмінієві стінки циліндрів. Якщо зробити поршні з м'якого алюмінію, то вони просто «схопляться» зі стінками, і двигун миттєво заклинить.
Циліндри в блоці циліндрів можуть бути як частиною виливки блоку циліндрів, так і бути окремими змінними втулками, які можуть бути мокрими або сухими. Крім утворює частини двигуна, блок циліндрів несе додаткові функції, такі як основа системи мастила - по отворах в блоці циліндрів масло під тиском подається до місць мастила, а двигунах рідинного охолодження основа системи охолодження - по аналогічним отворах рідина циркулює по блоку циліндрів.
Стінки внутрішньої порожнини циліндра служать також напрямними для поршня при його переміщення між крайніми положеннями. Тому довжина утворюють циліндра визначається величиною ходу поршня.
Циліндр працює в умовах змінних тисків у надпоршневій порожнині. Внутрішні стінки його стикаються з полум'ям та гарячими газами, розпеченими до температури 1500-2500°С. До того ж середня швидкість ковзання поршневого комплекту по стінках циліндра в автомобільних двигунах досягає 12-15 м/сек при недостатньому мастилі. Тому матеріал, що вживається для виготовлення циліндрів, повинен мати велику механічну міцність, а сама конструкція стінок підвищеної жорсткістю. Стінки циліндрів повинні добре протистояти стирання при обмеженому мастилі і мати загальну високу стійкість проти інших можливих видів зносу
Відповідно до цих вимог як основний матеріал для циліндрів застосовують перлітний сірий чавун з невеликими добавками легуючих елементів (нікель, хром та ін.). Застосовують також високолегований чавун, сталь, магнієві та алюмінієві сплави.
Головка блоку циліндрів
Є другий за значимістю та за величиною складовою двигуна. У головці розташовані камери згоряння, клапани та свічки циліндрів, у ній же на підшипниках обертається розподільний вал із кулачками. Так само, як і в блоці циліндрів, у його головці є водяні та масляні канали та порожнини. Головка кріпиться до блоку циліндрів і при роботі двигуна складає з блоком єдине ціле.
Піддон картера двигуна
Закриває знизу картер двигуна (відливається як єдине ціле з блоком циліндрів) та використовується як резервуар для олії та захищає деталі двигуна від забруднення. У нижній частині піддону є пробка для зливу моторного масла. Піддон кріпиться до картера болтами. Для запобігання витоку олії між ними встановлюється прокладка.
Поршень
Поршень — деталь циліндричної форми, що здійснює зворотно поступальний рух усередині циліндра і служить для перетворення зміни тиску газу, пари або рідини на механічну роботу, або навпаки — зворотно-поступального руху на зміну тиску.
Поршень поділяється на три частини, що виконують різні функції:
Днище,
Ущільнююча частина,
Напрямна частина (спідниця).
Форма днища залежить від виконуваної поршнем функції. Наприклад, у двигунах внутрішнього згоряння форма залежить від розташування свічок, форсунок, клапанів, конструкції двигуна та інших факторів. При увігнутій формі днища утворюється найбільш раціональна камера згоряння, але в ній інтенсивніше відбувається відкладення нагару. При опуклій формі днища збільшується міцність поршня, але погіршується форма згоряння камери.
Днище та ущільнююча частина утворюють головку поршня. У ущільнюючій частині поршня розташовуються компресійні та маслознімні кільця.
Відстань від днища поршня до канавки першого кільця компресійного називають вогневим поясом поршня. Залежно від матеріалу, з якого зроблений поршень, вогневий пояс має мінімально допустиму висоту, зменшення якої може призвести до прогару поршня вздовж зовнішньої стінки, а також руйнування посадкового місця верхнього компресійного кільця.
Функції ущільнення, що виконуються поршневою групою, мають велике значення для нормальної роботи поршневих двигунів. Про технічний стан двигуна судять по здатності поршневої групи, що ущільнює. Наприклад, в автомобільних двигунах не допускається, щоб витрата олії через чад його внаслідок надлишкового проникнення (підсмоктування) в камеру згоряння перевищувала 3% від витрати палива.
Спідниця поршня (тронк) є його напрямною частиною під час руху в циліндрі і має два припливи (бобишки) для встановлення поршневого пальця. Для зниження температурної напруги поршня з двох сторін, де розташовані боби, з поверхні спідниці, видаляють метал на глибину 0,5-1,5 мм. Ці поглиблення, що покращують змащування поршня в циліндрі і перешкоджають утворенню задир від температурних деформацій, називаються «холодильниками». У нижній частині спідниці також може розташовуватися кільце знімне.
Для виготовлення поршнів застосовуються сірі чавуни та алюмінієві сплави.
Чавун
Переваги:Поршні з чавуну міцні та зносостійкі.
Завдяки невеликому коефіцієнту лінійного розширення вони можуть працювати з відносно малими проміжками, забезпечуючи хороше ущільнення циліндра.
Недоліки:Чавун має досить велику питому вагу. У зв'язку з цим область застосування чавунних поршнів обмежується порівняно тихохідними двигунами, в яких сили інерції зворотно рухомих мас не перевищують однієї шостої від сили тиску газів на днище поршня.
Чавун має низьку теплопровідність, тому нагрівання днища у чавунних поршнів досягає 350-400 °C. Такий нагрів небажаний особливо в карбюраторних двигунах, так як він спричинює виникнення калільного запалювання.
Алюміній
Переважна більшість сучасних автомобільних двигунів мають алюмінієві поршні.
Переваги:
Мала маса (щонайменше на 30 % менше порівняно з чавунними);
Висока теплопровідність (у 3-4 рази вища за теплопровідність чавуну), що забезпечує нагрівання днища поршня не більше 250 °C, що сприяє кращому наповненню циліндрів і дозволяє підвищити ступінь стиснення в бензинових двигунах;
Гарні антифрикційні властивості.
Шатун
Шатун - деталь, що з'єднуєпоршень (за допомогоюпоршневого пальця) та шатунну шиюколінчастого валу. Служить передачі поворотно-поступальних рухів від поршня на колінчастий вал. Для меншого зносу шатунних шийок колінчастого валу між ними та шатунами поміщаютьспеціальні вкладиші, що мають антифрикційне покриття.
Колінчастий вал
Колінчастий вал - деталь складної форми, що має шийки для кріпленняшатунів , від яких сприймає зусилля і перетворює їх наобертаючий момент .
Колінчасті вали виготовляють з вуглецевих, хромомарганцевих, хромонікельмолібденових та інших сталей, а також зі спеціальних високоміцних чавунів.
Основні елементи колінчастого валу
Корінна шия- Опора валу, що лежить в корінномупідшипнику , розміщеному вкартері двигуна.
Шатунна шийка- Опора, за допомогою якої вал зв'язується зшатунами (Для мастила шатунних підшипників є масляні канали).
Щоки— пов'язують корінні та шатунні шийки.
Передня вихідна частина валу (шкарпетка) - Частина валу, на якій кріпитьсязубчасте колесо абошків відбору потужності для приводугазорозподільного механізму (ГРМ)та різних допоміжних вузлів, систем та агрегатів.
Задня вихідна частина валу (хвостовик) - Частина валу, що з'єднується змаховиком або масивною шестернею відбору основної частини потужності.
Противаги- Забезпечують розвантаження корінних підшипників від відцентрових сил інерції першого порядку неврівноважених мас кривошипа і нижньої частини шатуна.
Маховик
Масивний диск із зубчастим вінцем. Зубчастий вінець необхідний для запуску двигуна (шестерня стартера входить у зачеплення з шестірнею маховика та розкручує вал двигуна). Також маховик служить зменшення нерівномірності обертання колінчастого валу.
Газорозподільчий механізм
Призначений для своєчасного впуску в циліндри горючої суміші та випуску газів, що відпрацювали.
Основними деталями газорозподільного механізму є:
Розподільний вал,
Впускні та випускні клапани.
Розподільний вал
За розташуванням розподільчого валу виділяють двигуни:
З розподільним валом, розташованим ублоці циліндрів (Cam-in-Block);
З розподільним валом, розташованим у головці блоку циліндрів (Cam-in-Head).
У сучасних автомобільних двигунах, як правило, розташований у верхній частині головки блокуциліндрів і з'єднаний зшківом або зубчастою зірочкоюколінвала ременем або ланцюгом ГРМ відповідно і обертається з удвічі меншою частотою, ніж останній (на 4-тактних двигунах).
Складовою частиною розподільного валу є йогокулачки , кількість яких відповідає кількості впускних та випускнихклапанів двигуна. Таким чином, кожному клапану відповідає індивідуальний кулачок, який відкриває клапан, набігаючи на важіль штовхача клапана. Коли кулачок "збігає" з важеля, клапан закривається під дією потужної поворотної пружини.
Двигуни з рядною конфігурацією циліндрів і однією парою клапанів на циліндр зазвичай мають один розподільний вал (у разі чотирьох клапанів на кожен циліндр, два), а V-подібні та опозитні - або один у розвалі блоку, або два, по одному на кожен напівблок ( у кожній головці блоку). Двигуни, що мають 3 клапани на циліндр (найчастіше два впускних і один випускний), зазвичай мають один розподільний вал на головку блоку, а мають 4 клапани на циліндр (два впускних і 2 випускних) мають 2 розподільні вали в кожній головці блоку.
Сучасні двигуни іноді мають системи регулювання фаз газорозподілу, тобто механізми, які дозволяють провертати розподільний вал щодо приводної зірочки, тим самим змінюючи момент відкриття та закриття (фазу) клапанів, що дозволяє більш ефективно наповнювати робочою сумішшю циліндри на різних оборотах.
Клапана
Клапан складається з плоскої головки та стрижня, з'єднаних між собою плавним переходом. Для кращого наповнення циліндрів горючою сумішшю діаметр головки впускного клапани роблять значно більше ніж діаметр випускного. Так як клапани працюють в умовах високих температур, їх виготовляють із високоякісних сталей. Впускні клапани роблять з хромистої сталі, випускні з жаростійкою, так як останні стикаються з горючими газами, що відпрацювали, і нагріваються до 600 - 800 0 С. Висока температура нагріву клапанів викликає необхідність установки в головці циліндрів спеціальних вставок з жаростійкого чавуну, які називаються сідлами.
Принцип роботи двигуна
Основні поняття
Верхня мертва точка - крайнє верхнє положення поршня у циліндрі.
Нижня мертва точка - крайнє нижнє положення поршня у циліндрі.
Хід поршня- Відстань, яка поршень проходить від однієї мертвої точки до іншої.
Камера згоряння- простірміж головкою блоку циліндрів і поршнем при його знаходженні у верхній мертвій точці.
Робочий об'єм циліндра - простір, що звільняється поршнем при його переміщенні з мертвої верхньої точки в нижню мертву точку.
Робочий об'єм двигуна - Сума робочих об'ємів всіх циліндрів двигуна. Виражається у літрах, тому часто називається літражем двигуна.
Повний об'єм циліндра - сума об'єму камери згоряння та робочого об'єму циліндра.
Ступінь стиснення- показує у скільки разів повний об'єм циліндра більший за об'єм камери згоряння.
Компресія-Тиск в циліндрі в кінці такту стиснення.
Такт- Процес (частина робочого циклу), який відбувається в циліндрі за один хід поршня.
Робочий цикл двигуна
Перший такт - впуск. При русі поршня вниз у циліндрі утворюється розрідження, під дією якого через відкритий впускний клапан в циліндр надходить горюча суміш (суміш палива з повітрям).
Другий такт - стиск . Поршень під впливом колінчастого валу і шатуна переміщається вгору. Обидва клапани закриті та горюча суміш стискається.
Третій такт - робочий хід . Наприкінці такту стиснення горюча суміш спалахує (від стиску в дизельному двигуні, від іскри свічки в бензиновому двигуні). Під тиском газів, що розширюються, поршень переміщається вниз і через шатун приводить в обертання колінчастий вал.
Четвертий такт - випуск . Поршень переміщається вгору, і через випускний клапан, що відкрився, виходять назовні відпрацьовані гази.
