Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы двигателя

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Впуск топлива;
2. Сжатие топлива;
3. Сгорание;
4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Во время рассмотрения принципа функционирования вышеуказанных двигателей вполне отчетливо видна причина относительно скромного КПД – ориентировочно 40%. Объясняется это участием в полезной работе на каком-то промежутке времени только одного цилиндра, когда другие заняты обеспечением трех остальных тактов: впуском, сжатием и выпуском.

В моторах разных мощностей КПД отличается своими особенностями. То, насколько эффективным будет КПД, зависит от потерь механического характера на разной рабочей стадии. Потери возникают во время трения отдельных движущихся частей мотора: поршней, поршневых колец и подшипников.

Ниже вы можете просмотреть видео о том, как работает двигатель внутреннего сгорания.

https://youtube.com/watch?v=ilZyCD-QlJg

Устройство мотора

Прежде, чем разбираться с принципом работы, стоит сначала понять, как устроен силовой агрегат и что входит в его конструкцию. Так как поршневые считаются наиболее востребованными, рассматриваться будет именно такое устройство. К основным деталям следует отнести:

1. Цилиндры, образующие отдельный блок
2. Головку блока с ГРМ
3. Кривошипно-шатунный механизм

Последний приводит в движение коленчатый вал, заставляя его вращаться. Механизм передает валу энергию, получаемую от двигающегося поршня, который в несколько тактов меняет свое положение. Движение поршня регулирует энергия тепла, возникающая в результате горения топлива.

Невозможно представить и организовать движение силового агрегата без установленных в нем механизмов. Так, например, ГРМ меняет положение клапанов, за счет чего удается обеспечить регулярную подачу топлива, впуская и выпуская определенные составы. Система поступления новых газов и выхода отработавших налажена.

• зажигания, основная роль которой заключается в воспламенении топлива,
• содержащего также воздух;
• впускная, регулирующая своевременную подачу воздуха внутрь цилиндра;
• топливная, благодаря которой удается обеспечить подачу топлива для сгорания и дальнейшей работы транспорта;
• система смазки, снижающая износ трущихся деталей конструкции во время их работы;
• выхлопная, посредством действия которой удается удалить отработавшие газы, в результате чего снижается их токсичность.

Также работает система охлаждения, регулирующая температуру внутри агрегата и следящая за тем, чтобы она была оптимальной.

Карбюраторные и инжекторные двигатели.

Приготовление горючей смеси в карбюраторных двигателях происходит в специальном устройстве – карбюраторе, в котором осуществляется процесс смешивания топлива с потоком воздуха, за счет искусственной конвекции, создаваемой аэродинамическими силами потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях процесс смесеобразования организован иначе. Топливо впрыскивается в воздушный поток, через специальные форсунки. Дозируется подача топлива электронным блоком управления, или (в более старых автомобилях) механической системой.

Первые инжекторные двигатели появились в 1997 году. Их внедрению способствовала корпорация OMC, которая выпустила двигатель, сконструированный с использованием технологии FICHT. Ключевым фактором этой технологии было использование специальных инжекторов, которые позволяли впрыскивать топливо сразу в камеру сгорания. Это революционное решение, в купе с использованием современного бортового компьютера, сделало возможным точное дозирование топлива, при перемещении поршня. В полость коленчатого вала впрыскивается чистое масло, без примесей топлива. Благодаря новой технологии конструкторам удалось изобрести двухтактный двигатель, который не уступал по экономичности карбюраторному четырехтактному двигателю, а также был компактным и легким.

Из-за новых стандартов на чистоту выхлопа, автомобильным производителям пришлось перейти от классических карбюраторных двигателей к инжекторным, а также установить современные нейтрализаторы выхлопных газов. Для функционирования катализатора необходим постоянный состав выхлопного газа, который поддерживается системой впрыска топлива. Обязательной составляющей катализатора является датчик содержания кислорода, благодаря которому отслеживается точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива и оксидов азота, которые сможет нейтрализовать катализатор.

Несколько слов о тактности

Как работает двигатель внутреннего сгорания? Циклично. Одни и те же действия проходят с повторениями до нескольких сотен раз в 60 с. Благодаря этому, все элементы вращаются беспрерывно.

Исходя из этого принципа работы, ДВС делятся на:

• 2-тактные;
• 4-тактные.

Чтобы понять разницу между ними, требуется сделать небольшое отступление и объяснить два важных термина – «такт» и «цикл». Под тактом принято принимать рабочий процесс, осуществляющийся за фрикцию поршня. Цикл же как раз и состоит из тактов, которые четко следуют друг за другом.

Первоначально практически все двигатели внутреннего сгорания были двухтактными. В них цикл состоит из:

• 2 движений поршня;
• одного оборота коленвала.

Такие агрегаты имели низкую производительность при неизменно высоком потреблении топлива. С течением времени им на замену пришли четырехтактные модели, в которых цикл немного иной:

• две фрикции поршня;
• 2 витка коленвала.

Эти механизмы получили широкое распространение и ставятся на 90% машин.

Все о 2-тактных моделях

Принцип работы ДВС этого типа можно подробно описать в следующем списке:

• запуск движка заставляет поворачиваться коленчатый вал;
• он вовлекает в перемещения поршень;
• при достижении нижней позиции вливается бензиново-воздушный состав;
• на ходу вверх создается давление;
• в верхней позиции свеча вызывает искру и воспламеняет содержимое камеры;
• расширение сдвигает поршень вниз;
• на нижней границе раскрывается клапан, выпускающий отработку.

За этот период коленвал делает одно вращение и все повторяется заново.

При такой схеме двигатель совершает небольшое количество движений, благодаря чему снижается износ узлов. Но при этом он серьезно греется, а потери газа существенно снижают мощность. Поэтому на производстве он ставится на технику небольшой мощности.

Функционирование 4-тактных агрегатов

Основываясь на том, как работает двигатель внутреннего сгорания двухтактного типа, отметим, что 4-тактный механизм во многом похож на него. Но здесь есть свои особенности – раскрытие и захлопывание клапанов никак не связано с остальными процессами. Каждый такт рассчитан на одну фрикцию поршня в ту или иную стороны.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания выглядит следующим образом:

• впуск – при опускании поршня до нижней границы раскрывается впускной клапан, параллельно повышается давление и температура;
• сжатие – движение вверх вызывает плотное закрытие клапанов с последующим сжатием при одновременном изменении температурного режима в сторону плавного увеличения;
• расширение – искра и горение приводят к резкому увеличению объема смеси, за счет чего поршень начинает опускаться вниз;
• выпуск – стремление к верхней границе сопровождается открытием выпускного клапана, избавляющего камеру от отработанных газов.

Таким образом функционируют все бензиновые моторы. Если сравнивать их с тем, как работает двигатель внутреннего сгорания на дизеле, то различие будет одно – для возгорания не требуются свечи

В таких моделях важно четко дозировать поступление солярки. При бесперебойном впрыскивании в определенном объеме агрегат будет работать слаженно и четко

Виды поршневых ДВС

Поршневые моторы классифицируются по типу используемого топлива:

• бензиновые;
• газовые;
• дизельные.

Кроме того, двигатели отличаются системой зажигания. В установках, использующих принудительное зажигание, воспламенение топливной смеси производится устройствами, генерирующими искру. Их ещё называют свечами зажигания. В них периодически образуется электрическая дуга, которая и поджигает топливо в камере сгорания цилиндра. Работают свечи от электрического аккумулятора. Сложность представляет регулировка свечей. Необходимо отрегулировать свечи так, чтобы искра образовывалась точно в тот момент, когда смесь достигнет расчётного уровня сжатия.

Принудительное зажигание характерно только для бензиновых двигателей. Реже такая система применяется в двигателях, работающих на газе.

Топливная смесь может подаваться в цилиндры двумя способами: с помощью карбюратора или инжектора.

Поршневые агрегаты, использующие в качестве топлива солярку, называются дизельными и имеют другую систему воспламенения топлива в цилиндре. В дизельных установках смесь самопроизвольно воспламеняется в результате её сжатия поршнем. Отличительной особенностью дизельных двигателей является их «всеядность». Они способны работать на нескольких видах топлива. Дизели прекрасно функционируют, будучи заправлены другими горючими веществами. Например, керосином, мазутом или даже растительным маслом.

В зависимости от количества тактов рабочего цикла, различают двухтактные и четырёхтактные ДВС. Двухтактные двигатели обычно ставят на мотоциклы, мопеды или газонокосилки. Четырёхтактные моторы устанавливаются в современных автомобилях.

По пространственному расположению цилиндров ДВС тоже имеют свою классификацию.

Если цилиндры расположены на одной оси, то такие двигатели называются рядными. Обозначаются рядные моторы английским символом «R» с цифрой, указывающей на количество цилиндров.

Если цилиндры размещены под углом друг к другу, то такие агрегаты называют V-образными. Они гораздо компактнее других типов двигателей. Обычно угол между осями цилиндров составляет 120 градусов. Имеются модели V-образных моторов с другим углом между осями цилиндров.

Агрегаты, обозначаемые символом «Vr», имеют переходную конструкцию. Они обладают признаками и рядных, и V-образных двигателей.

При расположении цилиндров напротив друг друга, то есть под углом 180 градусов, двигатели называются оппозитными.

Краткая техническая информация

А перед тем, как пытаться изучать достоинства и недостатки чего-либо, просто-таки необходимо хотя бы в общих чертах понять, как оно устроено и работает. Посему, сначала предлагаем вкратце познакомиться с некоторыми конструктивными особенностями бензинового мотора, принципом его работы и отличиями от дизельного аналога.

Отдельно надо отметить, что бензиновых двигателей внутреннего сгорания бывает несколько разновидностей. В частности, они классифицируются по таким признакам, как:

• количество рабочих тактов (двухтактные и четырехтактные);
• тип смазки (смешанный и раздельный);
• тип охлаждения (воздушное и жидкостное);
• количество цилиндров;
• расположение цилиндров (рядные, V-образные, оппозитные);
• способ приготовления топливовоздушной смеси (карбюратор, инжектор);
• способ наполнения цилиндров приготовленной смесью (атмосферные и с турбонаддувом).

Так вот, в большинстве серийных легковых автомобилей применяются четырехтактные, четырехцилиндровые, рядные, атмосферные, инжекторные двигатели с жидкостным охлаждением и раздельным типом смазки. В современных моделях разными могут быть такие параметры, как количество цилиндров и их расположение, а также способ наполнения цилиндров горючей смесью. Все остальные признаки — повторяются. Отдельной категорией бензиновых двигателей идут роторные силовые агрегаты. Но они не получили широкого распространения, потому их достоинства и недостатки учитывать тут не будем.

Рассмотрим кратко, как работает среднестатистический автомобильный двигатель на бензине. Полезную работу силовой агрегат выполняет в процессе повторяющихся циклов, каждый из которых состоит из четырех тактов. “Заглянем” в один цилиндр, дабы узнать, что там происходит на протяжении рабочего цикла и попутно сравним с происходящими процессами в дизельном двигателе:

1. Впуск. Поршень по инерции (после предыдущего цикла) двигается вниз, создавая разрежение в камере сгорания. Одновременно с этим открываются впускные клапаны, и в цилиндр врывается смешанный с воздухом бензин. В дизельном моторе происходит примерно то же самое, только через клапаны всасывается один воздух. Солярка подается под давлением через форсунку, соответственно, горючая смесь готовится непосредственно в цилиндре.
2. Сжатие. Впускные клапаны закрываются, а поршень (по все той же инерции) двигается вверх. Топливовоздушная смесь сжимается, еще лучше смешивается и прогревается (от давления). В дизельном моторе на данном этапе происходит все то же самое. Разница заключается только в давлении и температуре — здесь они выше.
3. Рабочий ход. Когда поршень после предыдущего такта подходит к верхней мертвой точке, между электродами свечи зажигания проскакивает искра. Смесь воспламеняется, в результате чего расширяется и давит на поршень. Тот двигается вниз, выполняя нужную нам полезную работу. В дизельном моторе никакой искры нет, поскольку и свечи там никакой не предусмотрено. Топливовоздушная смесь воспламеняется сама за счет саморазогрева под воздействием высокого давления.
4. Выпуск. Возвращаясь вверх после рабочего хода, поршень “выгоняет” отработанные газы (дым, остатки несгоревшего топлива, углекислый газ) через открывающиеся в это время выпускные клапаны. Далее цикл повторяется.

Сразу же отметим важные для нашей темы моменты. Во-первых, чтобы подать топливо в цилиндр бензинового двигателя, не обязательно создавать для этого “нечеловеческое” давление. Во-вторых, за счет более высокой степени сжатия и создаваемого давления (это далеко не одно и то же) топливо в дизельном моторе лучше смешивается и эффективнее сгорает, чем в бензиновом. В-третьих, чтобы поджечь бензин, нужна целая система зажигания, которой у моторов на солярке нету. В-четвертых, чтобы преодолеть то самое высокое давление на такте сжатия в дизеле, нужно намного больше “усилий”, чем в случае с бензином.

В свете уже только этой информации можно вывести несколько существенных плюсов и минусов бензинового мотора. Так что, приступим, а остальную нужную инфу будем добавлять по мере надобности.

Классификация двигателей

Конструкция ДВС бывает различной. Каждый разработчик мотора пытается внести свои улучшения, повысить мощность и экономичность, снизить выбросы вредных веществ и стоимость агрегата. Давайте посмотрим, по каким критериям классифицируют двигатели внутреннего сгорания.

По рабочему циклу

Рабочий цикл ДВС — это последовательность процессов внутри каждого цилиндра, в результате которой энергия топлива превращается в механическую энергию. Цикл может быть двухтактным или четырехтактным:

• четырёхтактный мотор работает по «циклу Отто» или Аткинсона и включает в себя такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск;
• в двухтактном ДВС впуск и сжатие происходят одновременно за один такт, а рабочий ход переходит в выпуск на втором такте.

По типу конструкции

По конструкции ДВС делятся на:

• поршневые, в которых расширяющиеся при сгорании газы приводят в движение поршень, который в свою очередь толкает коленвал;
• роторные.Растущее давление газов воздействует на ротор, соединённый с корпусом через зубчатую передачу. Роторный мотор не имеет ГРМ. Его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках корпуса;
• газовые турбины. В этих двигателях внутреннего сгорания газы с высокой скоростью попадают на лопатки силовой турбины, которая соединяется через редуктор с трансмиссией. Для нагнетания воздуха в мотор установлен турбинный компрессор.

Моторы могут быть без наддува, с турбокомпрессором или нагнетателем. Конструкция подбирается под назначение двигателя: будь то стационарная установка или транспорт.

По количеству цилиндров

Одно цилиндровые двигатели работают неравномерно, что не критично для лодочных моторов, мопедов и мотоциклов. Двигатель автомобиля устроен сложнее, поскольку нужна высокая мощность, а значит и большой объём цилиндра. Так, в транспорте малого класса применяются 4-цилиндровые моторы. В грузовые автомобили ставят 6- и 8-цилиндровые ДВС.

По принципу создания рабочей смеси

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания различается способами смесеобразования:

• внешнее: в карбюраторных моторах и в агрегатах с впрыском топлива во впускной коллектор;
• внутреннее: в дизельных двигателях и бензиновых с непосредственным впрыском в камеру сгорания.

По расположению цилиндров

Поршневые двигатели автомобиля различаются компоновочной схемой блока цилиндров и могут представлять собой конструкцию:

• рядную;
• V-образную;
• оппозитную с углом развала между поршнями 180°;
• VR-образную;
• W -образную.

В зависимости от компоновки моторы устанавливаются в подкапотное пространство вертикально, горизонтально или под углом к вертикальной плоскости для уменьшения высоты конструкции.

По типу топлива

Работа двигателя внутреннего сгорания происходит за счёт сжигания смеси воздуха с бензином, газа или дизеля. В качестве газового топлива ДВС применяются углеводород, сжиженный газ, смесь пропана и бутана, метан, водород.

По принципу работы ГРМ

Выше мы рассматривали, что ГРМ может быть устроен по схеме OHV, ОНС или DОНС. Выбор компоновки влияет на принцип работы двигателя. Также приводы клапанов различаются способами регулировки тепловых зазоров, которые увеличиваются в результате нагрева конструкции. Настройку зазоров проводят вручную, меняя специальные винты в коромыслах, или устанавливают гидрокомпенсаторы для автоматической регулировки.

Принцип работы ДВС: основные моменты

Даже понимая, что же такое ДВС и какую роль он выполняет в автомобиле, не обойтись без чисто технических знаний. Если объяснять простыми словами, то принцип работы ДВС основан на эффекте расширения газов и образования в результате этого процесса мощного выброса тепловой энергии:

• смесь топлива и воздуха в нужных пропорциях поступает в камеру;
• сжимается;
• воспламеняется;
• энергия преобразовывается в движущую силу.

Если говорить еще проще о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, то стоит отметить следующее:

• при воспламенении любая смесь увеличивается в объемах;
• в ограниченном пространстве она активно давит на стены камеры;
• при наличии одной подвижной стенки большая часть давления уходит на нее;
• любая присоединенная к этому элементу деталь приводится в движение.

В общих чертах принцип работы ДВС таков. В реальности все выглядит немного сложнее. Но общая последовательность операций сохраняется.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.

Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.

Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).

Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.

Рис. 1.3. Поршень с шатуном.

На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).

Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.

Примечание.

Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.

Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).

При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.

Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.

По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

Как работает двигатель автомобиля – кратко о сложных процессах

Итак, граница перемещения поршня имеет два крайних положения – верхнюю и нижнюю мертвые точки. В первом случае поршень находится на максимальном удалении от коленчатого вала, а второй вариант представляет собой наименьшее расстояние между поршнем и коленчатым валом. Для того чтобы обеспечить прохождение поршня через мертвые точки без остановок используется маховик, изготовленный в форме диска.

Чтобы правильно понять принцип работы двигателя автомобиля, необходимо знать, что в его основе лежит использование работы газов, расширенных в процессе нагревания, в результате чего и обеспечивается перемещение поршня между верхней и нижней мертвыми точками. При верхнем положении поршня происходит сгорание топлива, поступившего в цилиндр и смешанного с воздухом. В результате температура газов и их давление значительно возрастает.

Газы совершают полезную работу, благодаря которой поршень перемещается вниз. Далее через кривошипно-шатунный механизм действие передается на трансмиссию, а затем на автомобильные колеса. Отработанные продукты удаляются из цилиндра через систему выхлопа, а на их место поступает новая порция топлива. Весь процесс, от подачи топлива до вывода отработанных газов, называется рабочим циклом двигателя.

https://youtube.com/watch?v=Ue6cDpSOKu4