Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Первым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) считается изобретение французского механика Ленуара в 1860 году. Поршневой агрегат работал за счёт сжигания в цилиндре светильного газа. Более удачную конструкцию предложил немец Отто в 1866 году. Его двигатель работал по 4-тактному циклу, сжимая в цилиндрах смесь газа и воздуха перед воспламенением запальной свечи. Следующим этапом развития стал переход на жидкое нефтяное топливо и внесение технических новшеств в конструкцию ДВС.
Что такое ДВС
Двигатель преобразует топливную, электрическую и другие виды энергии в механическую для передачи её исполнительным органам машины или установки: трансмиссии, насосу, ротору и т.д. Автомобильные двигатели различаются по виду первичной энергии и процессу её преобразования:
- поршневой двигатель внутреннего сгорания;
- газовая турбина;
- паровой двигатель;
- роторно-поршневой мотор;
- двигатель внешнего сгорания;
- электромотор;
- маховичный двигатель и др.
Наиболее распространён поршневой двигатель внутреннего сгорания. Источником энергии ДВС служит жидкое нефтяное топливо или горючий газ. Популярность этого типа мотора обусловлена возможностью компактного хранения топлива и его малого расхода при большом пробеге автомобиля.
Рассмотрим подробнее, 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. Так, поршневой 4-тактный агрегат состоит из кривошипно-шатунного (КШМ) и газораспределительного (ГРМ) механизмов:
- КШМ включает в себя подвижные и неподвижные детали. Основу составляет блок цилиндров, установленный на картере. Сверху блок закрыт головкой, в которой находятся впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания, форсунки. Внутри цилиндров перемещаются поршни, соединённые через поршневой палец с верхней головкой шатуна. Нижняя часть шатуна охватывает шейку коленвала. На конце вала закреплён маховик;
- в состав ГРМ входит распределительный вал, клапаны и привод ГРМ. Подробнее о механизме поговорим ниже.
В 2-тактном поршневом ДВС клапана отсутствуют. Вместо них в конструкции предусмотрены продувочные окна.
Достойной заменой поршневому агрегату можно рассмотреть только роторно-поршневой мотор или двигатель Ванкеля. Он работает по 4-тактому циклу, а поршень имеет форму треугольника Рёло. Газораспределение в роторном агрегате происходит через впускные и выпускные окна, поэтому необходимость в сложном клапанном механизме отпадает. Двигатели Ванкеля встречаются в машинах Mazda и советских ВАЗах.
Системы двигателя
Надёжная и долговременная работа двигателя внутреннего сгорания невозможна без питания, смазки, охлаждения. Кроме того, нужно обеспечить первый запуск коленвала и каждый раз воспламенять рабочую смесь в цилиндрах. Для этих целей разработаны следующие системы двигателя:
Если раньше системы были механические, сейчас в них появляется больше электроники. Электронное управление делает работу мотора высокоэффективной, экономичной и надёжной. Системы становятся компактными, но требуют качественного и регулярного обслуживания.
ГРМ — газораспределительный механизм
Устройство двигателя внутреннего сгорания включает в себя ГРМ. Его функция — вовремя подать в определённые цилиндры рабочую смесь, а также выпустить из этих цилиндров продукты горения. Работу механизма определяют последовательность работы цилиндров и фазы газораспределения.
Для функционирования ГРМ необходимы минимум 1 впускной и 1 выпускной клапан на каждый цилиндр. Диаметр тарелки впускного клапана обычно больше, чем у выпускного, что позволяет улучшить наполняемость цилиндра и увеличить рабочие показатели ДВС. Открытие и закрытие клапанов регулирует кулачковый распределительный вал. Сам вал приводится цепью или ремнём от коленвала.
Конструктивно привод клапанов делится на 4 вида:
- OHV — распредвал расположен в блоке цилиндров, а управление клапанами происходит через дополнительные толкатели и штанги;
- ОНС — распредвал размещён в головке блока, привод клапанов осуществляется за счёт рычажных толкателей;
- DОНС — схема расположения с двумя распредвалами в головке блока. В этом случае один вал используется для впускных, а другой для выпускных клапанов.
Фазы газораспределения — это моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленвала. Правильно подобранные фазы обеспечивают лучшее наполнение и очистку цилиндров. Если в устройство двигателя включить механизм управления фазами VVT, это позволит получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленвала и экономить ресурсы на малых оборотах.
Система смазки
Смазка двигателя автомобиля защищает детали от трения, коррозии, охлаждает конструкцию и смывает грязь. В ДВС часто используются комбинированные системы, в которых моторное масло подаётся под давлением и разбрызгиванием.
В типичной смазочной системе масло заливают через маслозаливную горловину в поддон картера до определённого уровня. При работе двигателя маслонасос высасывает из поддона смазку через маслозаборник. Затем масло фильтруется от примесей и переходит в главную магистраль.
Магистраль представляет собой ответвления каналов, по которым масло поступает к коренным подшипникам коленвала, опорам распредвала, поршневой группе и другим деталям. Из зазоров подшипников смазка вытекает и разбрызгивается движущимися элементами в виде капель и масляного тумана. Под действием силы тяжести масло стекает в поддон, смазывая при этом привод ГРМ.
В высокофорсированных ДВС спорткаров, в тракторах и спецавтомобилях применяется система смазки с сухим картером. Масло постоянно выкачивается дополнительным маслонасосом в масляный бак, из которого подаётся под давлением в систему смазки двигателя. Такое решение помогает предотвратить перемещение масла при резких манёврах, когда маслозаборник окажется выше уровня масла.
Система смазки выполняет функцию вентиляции картера от газов, которые прорываются из цилиндра через поршневые кольца. Соединяясь с парами воды, газы образуют агрессивные кислоты и могут вызвать коррозию. Самым простым способом вентиляции картерных газов является выведение их в атмосферу. Однако, высокие нормы экологии привели к появлению закрытых принудительных систем вентиляции, в которых газы направляются в камеры сгорания через впускной тракт.
Система охлаждения
Температура в камере сгорания в момент воспламенения доходит до 2500℃. Перегрев цилиндров, поршней, головки блока и других деталей приводит к потере мощности, тепловому расширению, выгоранию масла, обгоранию клапанов и заклиниванию двигателя. Для охлаждения конструкции разработана система, которая принудительно отводит тепло потоком воздуха или жидкости.
Воздушная система охлаждения ДВС применяется на мопедах, мотоциклах и газонокосилках. Жидкостная система более сложная и шумная, но обеспечивает равномерный и эффективный отвод тепла. В качестве теплоносителя используются антифризы — жидкости с низкой температурой замерзания.
Для отвода тепла от блока цилиндров и головки предусмотрена рубашка охлаждения — канал для прохождения жидкости. Рубашка соединяется патрубками с радиатором, который забирает тепло от жидкости и выбрасывает его в воздух. За радиатором располагают вентилятор, который увеличивает скорость прохождения воздуха. Вентилятор приводится от ременной передачи коленвала или электропривода. Часто вентилятор оснащают вязкостной или гидравлической муфтой.
Во время работы двигателя охлаждающая жидкость циркулирует от насоса, который приводится от коленвала или электродвигателя. Чтобы система обеспечивала оптимальный температурный режим, в контур охлаждения встраивают термостат с управляемым теплочувствительным элементом. Термостат может быть соединён с электронным блоком управления.
Система подачи топлива
Система подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания может быть карбюраторной или инжекторной. Наиболее распространённой является инжекторная система питания с распределённым впрыском. Она состоит из следующих подсистем:
- подачи и очистки топлива;
- подачи и очистки воздуха;
- улавливания и сжигания паров бензина;
- выпуска и дожигания отработанных газов;
- электронной части с набором датчиков.
Во время включения ДВС запускается электробензонасос, который закачивает топливо из бака. Бензин проходит через топливный фильтр к рампе с форсунками. На корпусе форсунки находятся электрические контакты, которые регулируют количество топлива, впрыскиваемого в цилиндр.
За количеств воздуха, поступающего в цилиндры ДВС, отвечает дроссельная заслонка. Она работает от механического троска или электропривода. Регулировку оборотов на холостом ходу осуществляет шаговый электродвигатель или непосредственно компьютер. Для корректной работы системы впрыска электронный блок получает информацию с датчиков массового расхода воздуха, температуры охлаждающей жидкости, положения и частоты вращения коленвала и др.
Помимо распределённого впрыска существуют системы непосредственного впрыска. Однако, они более сложные и дорогие. Специалистам компании Mitsubishi удалось разработать сбалансированную систему, которая улучшила топливную экономичность и повысила мощность мотора. Это объясняется возможностью двигателя работать на обеднённых смесях и повышением степени сжатия до с 10 до 12,5.
Впервые система непосредственного впрыска появилась в моторах 1,8 GDI на Mitsubishi Galant в 1996 году. Сейчас подобные двигатели внутреннего сгорания встречаются в машинах Peugeot-Citroen, Renault, Toyota.
Системы питания дизельных ДВС отличаются от бензиновых. Существуют две схемы подачи дизельного топлива: с разделённой камерой сгорания и непосредственный впрыск. Первый вариант работает мягче и тише, но распространение получил второй вариант с лучшей топливной экономичностью в 20 %.
Дизельное топливо поступает из бака в нагнетательный трубопровод, затем через подкачивающий насос в топливный фильтр. После очистки дизель попадает в топливный насос высокого давления ТНВД, который распределяет топливо по форсункам.
Альтернативой системе с ТНВД является система питания Common Rail от Bosch. Особенность системы — установка аккумуляторного узла со штуцерами для подсоединения форсунок. Топливо в узле находится постоянно под высоким давлением, что позволяет подавать в цилиндр небольшие и точно отмеренные порции.
Выхлопная система
Выхлопная система влияет на мощность ДВС, расход топлива и количество выбросов в атмосферу. Для уменьшения содержания вредных веществ в отработанных газах применяется каталитический нейтрализатор. Он состоит из восстановительного и двух окислительных катализаторов, которые превращают углеводороды в водяной пар, а окиси углерода — в углекислый газ. Нейтрализатор устанавливают максимально близко к выпускному коллектору.
Нейтрализатор работает эффективнее, если двигатель внутреннего сгорания работает на смеси из воздуха и топлива в соотношении 14,7:1. Количество воздуха в отработанных газах отслеживает датчик лямбда-зонд. Уровень вредных окисей азота снижают с помощью системы рециркуляции путём забора части газов из выпускной системы для подачи его во впуск.
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.
Если сравнивать двигатели внутреннего сгорания одной мощности по рабочему циклу, 2-тактный окажется проще и компактнее. А вот по топливной экономичности и экологическим показателям в выигрыше окажется 4-тактный мотор.
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.
В моделях премиум класса встречаются 12-цилиндровые агрегаты. Например, в Audi A8 установлен мотор W12 с 4 клапанами на каждый цилиндр и мощностью 420 л.с.
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 двигателя
Изучив устройство, перейдём к рассмотрению принципа работы ДВС. Как работает двигатель внутреннего сгорания разберём на примере одноцилиндрового бензинового мотора.
Принцип работы четырехтактного двигателя
Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается поршень, соединённый с коленчатым валом через шатун. Положение, в котором остаётся поршень после перемещения вверх, называется верхней мёртвой точкой ВМТ. А положение после перемещения вниз — нижней мёртвой точкой НМТ. Ход поршня между двумя крайними точками называется тактом. Рабочий цикл включает 4 последовательных такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Посмотрим поэтапно, как работает 4-тактный двигатель внутреннего сгорания:
- В начале такта впуска открывается впускной клапан, а поршень перемещается от ВМТ. В это время в цилиндр всасывается горючая смесь.
- После прохода НМТ поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь и остаточные газы. Все клапана закрыты. Растёт давление и температура сжатых газов. В это время свеча зажигания даёт искру для воспламенения смеси.
- Рабочая смесь горит, толкая поршень от ВМТ вниз. Клапана ещё закрыты.
- На такте выпуска открывается выпускной клапан, и поршень поднимается вверх, выталкивая отработавшие газы из цилиндра.
В многоцилиндровом блоке одинаковые такты в цилиндрах проходят в разном порядке. Например, если в устройство двигателя входит 4-цилиндровый блок, то очередность работы может выглядеть, как 1-3-2-4. Это означает, что такт впуска пройдёт сначала в 1, потом в 3, затем во 2, а после в 4 цилиндре.
Принцип работы двухтактного двигателя
Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя с двумя рабочими тактами отличаются от 4-тактного. Здесь вместо клапанов в определённых местах цилиндра предусмотрены отверстия — продувочные окна. Свечи зажигания установлены в головке цилиндра.
Во время первого такта поршень двигается от НМТ к ВМТ. Через впускное окно под давлением насоса поступает рабочая смесь, заполняя цилиндр. Выпускное окно открыто и выпускает остатки отработавших газов. Перемещаясь, поршень перекрывает окна. Горючая смесь сжимается. Вблизи ВМТ подаётся искра зажигания, после чего начинается второй такт.
Поршень перемещается вниз под действием давления газов. Открываются окна. Сначала выпускное, через которое выходят отработанные газы, а затем впускное, через которое снова подаётся смесь.
Схема двухтактного двигателя имеет большой КПД: поршень за весь рабочий цикл совершает 2 хода, а коленчатый вал делает один полный оборот. Однако, часть топливно-воздушной смеси теряется вместе с отработанными газами, что даёт низкую топливную экономичность. Кроме того, поршневые кольца, постоянно пересекая кромки продувочных окон, быстро изнашиваются.
Преимущества и недостатки ДВС
ДВС — основной силовой агрегат, который устанавливают в автомобили. Несмотря на популярность, устройство двигателя внутреннего сгорания далеко от идеала.
Плюсы ДВС
Минусы ДВС