Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) считается изобретением французского механика Ленуара в 1860 году. Поршневой агрегат работал за счет сжигания газовой лампы в цилиндре. Более удачная конструкция была предложена немцем Отто в 1866 году. Его двигатель работал по 4-тактному циклу, сжимая смесь газа и воздуха в цилиндрах перед зажиганием свечи зажигания. Следующим этапом развития стал переход на жидкое нефтяное топливо и внедрение технических новинок в конструкцию двигателя внутреннего сгорания.

Что такое ДВС

Двигатель преобразует топливо, электрическую энергию и другие виды энергии в механическую энергию для передачи ее исполнительным органам машины или установки: трансмиссии, насосу, ротору и т.д. Автомобильные двигатели различаются по виду первичной энергии и процессу ее преобразования:

• паровой двигатель;
• маховик и др.
• поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• электродвигатель;
• роторно-поршневой двигатель;
• двигатель внешнего сгорания;
• газовая турбина;

Самый распространенный двигатель внутреннего сгорания с поршнями. Источником энергии для двигателя внутреннего сгорания является жидкое жидкое топливо или топливный газ. Популярность этого типа двигателя обусловлена ​​возможностью компактного хранения топлива и его низким расходом при большом пробеге автомобиля.

Давайте подробнее разберемся, что такое двигатель внутреннего сгорания, его устройство, принцип работы, плюсы и минусы.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

В устройство двигателя внутреннего сгорания входят различные механизмы и системы. Таким образом, 4-тактный поршневой агрегат состоит из кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и газораспределительного механизма (ГРМ:

• КШМ включает подвижные и неподвижные части. Основание представляет собой блок цилиндров, установленный на картере. Блок закрыт сверху головкой, в которой находятся впускной и выпускной клапаны, свечи зажигания, форсунки. Поршни перемещаются внутри цилиндров, соединенных поршневым пальцем с верхней головкой шатуна. Нижняя часть шатуна закрывает шейку коленчатого вала. К концу вала прикреплен маховик;
• ремень ГРМ включает в себя распределительный вал, клапаны и привод ГРМ. Подробнее о механизме мы поговорим ниже.

В двухтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания клапаны отсутствуют. Вместо них в конструкции предусмотрены обдувные окна.

Достойной заменой поршневому агрегату можно считать только роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля. Он работает по 4-тактному циклу, а поршень имеет форму треугольника Рело. Распределение газа в роторном агрегате происходит через впускное и выпускное отверстия, поэтому сложный клапанный механизм не требуется. Двигатели Ванкеля встречаются в автомобилях Mazda и советских ВАЗах.

Системы двигателя

Надежная и длительная работа двигателя внутреннего сгорания невозможна без мощности, смазки и охлаждения. Кроме того, необходимо обеспечить первый запуск коленчатого вала и каждый раз включать рабочую смесь в цилиндры. Для этих целей разработаны следующие системы двигателей:

• еда;
• управление.
• смазочные материалы;
• инъекция;
• бросать;
• включить;
• охлаждение;

Если раньше системы были механическими, то теперь в них появляется больше электроники. Электронное управление делает работу двигателя высокоэффективной, экономичной и надежной. Системы становятся компактными, но требуют высокого качества и регулярного обслуживания.

ГРМ — газораспределительный механизм

В устройство двигателя внутреннего сгорания входит зубчатый ремень. Его функция — доставлять рабочую смесь в определенные цилиндры с течением времени, а также выпускать из этих цилиндров продукты сгорания. Работа механизма определяется последовательностью цилиндров и синхронизацией клапанов.

Для работы ремня ГРМ требуется как минимум 1 впускной клапан и 1 выпускной клапан на цилиндр. Диаметр диска впускного клапана обычно больше диаметра выпускного клапана, что улучшает наполнение цилиндра и увеличивает производительность двигателя внутреннего сгорания. Открытие и закрытие клапанов контролируется распределительным валом. Сам вал приводится цепью или ремнем от коленчатого вала.

Конструктивно срабатывание клапана делится на 4 типа:

• OHV — распредвал расположен в блоке цилиндров, а управление клапанами осуществляется с помощью дополнительных кнопок и тяг;
• ДОНС — компоновка с двумя распредвалами в головке блока. В этом случае один вал используется для впускных клапанов, а другой — для выпускных.
• ОНС — распредвал расположен в головке блока, управление клапанами осуществляется кнопками рычага;

Регулировка фаз газораспределения — это время, когда клапаны открываются и закрываются, выраженное в углах поворота коленчатого вала. Правильно подобранные фазы гарантируют лучшее наполнение и очистку цилиндров. Если в моторное устройство включен механизм регулирования фазы VVT, это позволит получить максимальную мощность при высоких оборотах коленчатого вала и сэкономить ресурсы на низких скоростях.

Система смазки

Смазка автомобильного двигателя защищает детали от трения, коррозии, охлаждает конструкцию и смывает грязь. В двигателях внутреннего сгорания часто используются комбинированные системы, в которых моторное масло подается под давлением и распыляется.

В типичной системе смазки масло заливается через маслозаливную горловину в масляный поддон до определенного уровня. При работающем двигателе масляный насос всасывает смазку из поддона через маслозаборник. Затем масло отфильтровывается от примесей и попадает в магистральный трубопровод.

Линия представляет собой ответвление каналов, по которым масло поступает к коренным подшипникам коленчатого вала, подшипникам распределительного вала, поршневому узлу и другим деталям. Смазка выходит из зазоров подшипников и разбрызгивается с движущихся частей в виде капель и масляного тумана. Под действием силы тяжести масло стекает в поддон, смазывая привод ГРМ.

В высокооборотных двигателях внутреннего сгорания спортивных автомобилей, тракторов и спецтехники применяется система смазки с сухим картером. Масло постоянно перекачивается дополнительным масляным насосом в масляный бак, из которого оно под давлением подается в систему смазки двигателя. Это решение помогает предотвратить движение масла во время резких маневров, когда забор масла превышает уровень масла.

Система смазки выполняет функцию вентиляции картера от газов, выходящих из цилиндра через поршневые кольца. В сочетании с водяным паром эти газы образуют едкие кислоты и могут вызывать коррозию. Самый простой способ отвести картерные газы — это выбросить их в атмосферу. Однако высокие экологические стандарты привели к появлению закрытых систем принудительной вентиляции, в которых газы направляются в камеры сгорания через впускной тракт.

Система охлаждения

Температура в камере сгорания в момент воспламенения достигает 2500 ℃. Перегрев цилиндров, поршней, головок цилиндров и других деталей приводит к потере мощности, тепловому расширению, истощению масла, сгоревшим клапанам и заклиниванию двигателя. Для охлаждения конструкции разработана система, принудительно отводящая тепло с помощью потока воздуха или жидкости.

Система воздушного охлаждения двигателя внутреннего сгорания применяется на мопедах, мотоциклах и газонокосилках. Гидравлическая система более сложная и шумная, но обеспечивает равномерное и эффективное рассеивание тепла. В качестве охлаждающей жидкости используются антифризы — жидкости с низкой температурой замерзания.

Для отвода тепла от блока цилиндров и головки предусмотрена рубашка охлаждения, канал для прохождения жидкости. Рубашка соединена трубами с радиатором, который забирает тепло от жидкости и отдает его в воздух. За радиатором установлен вентилятор, увеличивающий скорость воздуха. Привод вентилятора осуществляется от ременной передачи коленчатого вала или от электропривода. Вентилятор часто оснащается вязкостной или гидравлической муфтой.

При работающем двигателе охлаждающая жидкость циркулирует насосом, приводимым в действие коленчатым валом, или электродвигателем. Чтобы система обеспечивала оптимальный температурный режим, в охлаждающий контур встроен термостат с управляемым термочувствительным элементом. Термостат можно подключить к электронному блоку управления.

Система подачи топлива

Система подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания может быть карбюраторной или инжекторной. Наиболее распространенной является топливная система с многоточечным впрыском. Он состоит из следующих подсистем:

• подача и очистка воздуха;
• электронная часть с набором датчиков.
• заправка и очистка топлива;
• выхлоп и дожигание выхлопных газов;
• улавливание и сжигание паров бензина;

При включении ДВС запускается электрический бензонасос, который перекачивает топливо из бака. Бензин поступает через топливный фильтр в рампу форсунок. На корпусе форсунки есть электрические контакты, регулирующие количество впрыскиваемого в цилиндр топлива.

Дроссельная заслонка отвечает за количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Он приводится в действие механическим тросом или электродвигателем. Холостой ход управляется шаговым двигателем или напрямую компьютером. Для корректной работы системы впрыска электронный блок получает информацию от датчиков массового расхода воздуха, температуры охлаждающей жидкости, положения и частоты вращения коленчатого вала и т.д.

Помимо многоточечного впрыска существуют системы прямого впрыска. Однако они более сложные и дорогие. Mitsubishi разработала сбалансированную систему, которая улучшает топливную экономичность и мощность двигателя. Это связано с тем, что двигатель может работать на обедненных смесях, а степень сжатия увеличилась с 10 до 12,5.

Впервые система непосредственного впрыска появилась в двигателях 1.8 GDI на Mitsubishi Galant в 1996 году. Сейчас аналогичные двигатели внутреннего сгорания встречаются на автомобилях Peugeot-Citroen, Renault, Toyota.

Дизельные топливные системы ДВС отличаются от бензиновых. Существует две схемы заправки дизельным топливом: с разделенной камерой сгорания и с непосредственным впрыском. Первый вариант мягче и тише, но второй вариант распространился с улучшенной топливной экономичностью на 20 %.

Дизельное топливо перетекает из бака в напорную магистраль, затем через подкачивающий насос в топливный фильтр. После очистки дизельное топливо поступает в топливный насос высокого давления ТНВД, который распределяет топливо по форсункам.

Альтернативой системе ТНВД является блок питания Bosch Common Rail. Особенностью системы является установка аккумуляторного блока с штуцерами для подключения форсунок. Топливо в агрегате постоянно находится под высоким давлением, что позволяет подавать в цилиндр небольшие, точно отмеренные порции.

Выхлопная система

Выхлопная система влияет на мощность двигателя внутреннего сгорания, расход топлива и количество выбросов в атмосферу. Для снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах используется каталитический нейтрализатор. Он состоит из восстановительного и двух катализаторов окисления, которые превращают углеводороды в водяной пар и монооксид углерода в диоксид углерода. Нейтрализатор устанавливается как можно ближе к выпускному коллектору.

Каталитический нейтрализатор работает наиболее эффективно, если двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и топлива в соотношении 14,7: 1. Количество воздуха в выхлопных газах контролируется лямбда-зондом. Уровень вредных оксидов азота снижается за счет использования системы рециркуляции, когда часть газов из выхлопной системы направляется во впускное отверстие.

Классификация двигателей

Конструкция двигателя внутреннего сгорания разная. Каждый разработчик двигателя стремится внести свои усовершенствования, повысить мощность и эффективность, снизить выбросы и снизить стоимость агрегата. Посмотрим, по каким критериям классифицируют двигатели внутреннего сгорания.

По рабочему циклу

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания — это последовательность процессов в каждом цилиндре, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую. Цикл может быть двухтактным или четырехтактным:

• четырехтактный двигатель работает по «циклу Отто» или Аткинсона и включает такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск;
• в двухтактном двигателе внутреннего сгорания впуск и сжатие происходят одновременно в одном такте, а рабочий такт переходит на выпуск во втором такте.

Если сравнить двигатели внутреннего сгорания одинаковой мощности на основе рабочего цикла, двухтактный будет проще и компактнее. Но с точки зрения топливной экономичности и экологических характеристик 4-тактный двигатель окажется в выигрыше.

По типу конструкции

По конструкции двигатели внутреннего сгорания делятся на:

• поршень, в котором газы, расширяющиеся при сгорании, приводят в движение поршень, который, в свою очередь, толкает коленчатый вал;
• газовые турбины. В этих двигателях внутреннего сгорания высокоскоростные газы поступают на лопатки силовой турбины, которая через коробку передач соединена с трансмиссией. Для нагнетания воздуха в двигатель установлен турбинный компрессор.
• увеличивающееся давление газа действует на ротор, который через зубчатую передачу соединен с корпусом. Роторный двигатель не имеет ГРМ. Его функции выполняют входные и выходные окна в боковых стенках корпуса;

Двигатели могут быть безнаддувными, с турбонаддувом или наддувом. Конструкция подбирается по назначению двигателя: будь то стационарная установка или транспортная.

По количеству цилиндров

Одноцилиндровые двигатели работают хаотично, что не критично для подвесных двигателей, мопедов и мотоциклов. Двигатель автомобиля более сложный, так как он требует большой мощности и, следовательно, большого объема цилиндра. Так, в автомобилях малого класса используются 4-цилиндровые двигатели. Грузовики оснащены 6- и 8-цилиндровыми двигателями внутреннего сгорания.

В моделях премиум-класса есть 12-цилиндровые агрегаты. Например, Audi A8 имеет двигатель W12 с 4 клапанами на цилиндр и мощностью 420 л.с.

По принципу создания рабочей смеси

Принцип работы ДВС различается способами смесеобразования:

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

По расположению цилиндров

Поршневые двигатели автомобиля различаются расположением блока цилиндров и могут иметь конструкцию:

• V-образный;
• W-образный
• онлайн;
• В виде виртуальной реальности;
• напротив — угол развала поршней 180°;

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

По типу топлива

Двигатель внутреннего сгорания работает за счет сжигания смеси воздуха с бензином, газом или дизельным топливом. В качестве газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания используются углеводороды, сжиженный газ, смесь пропана и бутана, метана и водорода.

По принципу работы ГРМ

Выше мы считали, что время можно организовать по схеме OHV, ONS или DONS. Выбор компоновки влияет на работу двигателя. Кроме того, приводы клапанов отличаются способами регулировки тепловых зазоров, которые увеличиваются из-за нагрева конструкции. Регулировка люфта производится вручную путем замены специальных винтов в коромыслах или устанавливаются гидрокомпенсаторы для автоматической регулировки.

Принцип работы двигателя

Изучив устройство, перейдем к рассмотрению принципа работы ДВС. Разберем, как работает ДВС на примере одноцилиндрового бензинового двигателя.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Внутри цилиндра поочередно движется поршень, соединенный с коленчатым валом посредством шатуна. Положение, в котором поршень остается после подъема, называется ВМТ. А положение после спуска — это нижняя мертвая точка BDC. Ход поршня между двумя крайними точками называется ходом. Рабочий цикл включает 4 последовательных хода: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Посмотрим, как работает 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания:

1. В начале такта впуска впускной клапан открывается, и поршень перемещается из ВМТ. В этот момент в цилиндр втягивается горючая смесь.
2. После прохождения НМТ поршень поднимается, сжимая рабочую смесь и остаточные газы. Все клапаны закрыты. Давление и температура сжатых газов увеличиваются. В это время свеча зажигания испускает искру для воспламенения смеси.
3. Рабочая смесь горит, выталкивая поршень из ВМТ вниз. Клапаны по-прежнему закрыты.
4. Во время такта выпуска выпускной клапан открывается, и поршень поднимается, выталкивая выхлопные газы из цилиндра.

В многоцилиндровом блоке одинаковые ходы цилиндров выполняются в другом порядке. Например, если в устройство двигателя входит 4-цилиндровый блок, последовательность работы может отображаться как 1-3-2-4. Это означает, что такт впуска будет сначала на 1, затем на 3, затем на 2 и затем на 4 цилиндрах.

Принцип работы двухтактного двигателя

Механизмы кривошипа и газораспределения рабочего двухтактного двигателя различаются от одно- до четырехтактного. Здесь вместо клапанов в некоторых местах цилиндра предусмотрены отверстия — продувочные окна. Свечи зажигания установлены в головке блока цилиндров.

Во время первого хода поршень перемещается из ВМТ в ВМТ. Рабочая смесь подается через входной патрубок под давлением насоса, наполняя цилиндр. Выхлопная дверь открыта и выпускает остаточные выхлопные газы. В движении поршень перекрывает окна. Горючая смесь сжимается. Возле ВМТ возникает искра зажигания, после чего начинается второй цикл.

Поршень движется вниз под действием давления газа. Окна открываются. Сначала выход, через который выходят выхлопные газы, а затем вход, через который снова подается смесь.

Схема двухтактного двигателя имеет высокий КПД: поршень совершает 2 оборота за весь рабочий цикл, а коленчатый вал совершает один полный оборот. Однако часть воздушно-топливной смеси теряется с выхлопными газами, что приводит к снижению топливной эффективности. Кроме того, поршневые кольца, которые постоянно пересекают края продувочных отверстий, быстро изнашиваются.

Преимущества и недостатки ДВС

ДВС — основной силовой агрегат, устанавливаемый на автомобили. Несмотря на свою популярность, устройство двигателя внутреннего сгорания далеко от идеала.

Преимущества ICE	Недостатки двигателей внутреннего сгорания
Самостоятельная занятость	Зависимость мощности и крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала
Эффективность топлива	Токсичные выбросы
Высокое напряжение	Трудный запуск при минусовых температурах
Доступная цена	Вибрации и шум
	Сложная конструкция с множеством расходных материалов
	Необходимость использования коробки передач
	Небольшой ресурс
	Затраты на техническое обслуживание

Заключение

Конструкция двигателя внутреннего сгорания становится все более сложной, чтобы удовлетворить потребности потребителей. Количество модификаций растет, используются новые электронные системы и перспективные виды топлива. Но эпоха доминирования ICE постепенно подходит к концу, на смену приходят более экологичные, эффективные и тихие проекты. Например, гибридный автомобиль, в котором двигатель внутреннего сгорания работает в паре с электродвигателем.