Двигатель ⭐ внутреннего сгорания в физике: устройство, принцип работы, характеристики

Что такое ДВС и для чего он нужен

Определение

Двигатель внутреннего сгорания (сокращенно ДВС) — это тип теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает в рабочей камере внутри двигателя. Результирующая тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на физическом эффекте теплового расширения газов, который образуется при сгорании топливовоздушной смеси (бензин + воздух) внутри цилиндров двигателя под давлением.

Такие двигатели в основном используются в автомобилях, и их цель заключается в следующем: преобразовывать энергию сгорания топливной смеси в энергию вращательного движения для движения транспортного средства.

Примечание

Использование таких двигателей внутреннего сгорания применяется практически во всех автомобилях. Работа ДВС состоит из четырех тактов: впуска топливовоздушной смеси, сжатия смеси, рабочего такта при сгорании смеси и выпуска выхлопных газов.

КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет от 20 до 25%.

Формула расчета КПД:

η = ApQ1 = Q1 — Q2Q1 × 100% Ap — полезная работа Q1 — количество тепла, полученное нагревателем Q2 — количество тепла, переданное в холодильник Q1 — Q2 — количество тепла, поступившего в работу

Как работает двухтактный мотор

выше было сказано, что поршневые двигатели делятся на 4-тактные и 2-тактные. Принцип работы последнего немного отличается от описанного выше. Да и само устройство такого агрегата намного проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате в цилиндре всего два окна — впускное и выпускное. Второй находится чуть выше первого, и сейчас мы объясним, для чего он нужен.

В начале первого хода поршень, ранее перекрывавший впускное окно, начинает движение вверх, в результате чего закрывает впускное окно для топлива. При этом поршень продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече зажигания образуется первая искра, и образованная смесь немедленно воспламеняется, воспламеняясь. В этот момент окно ввода уже открывается. Пропустить очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.

Начало второго хода характеризуется изменением направления движения поршня — он начинает движение вниз. На него действуют газы, стремясь расширить доступное пространство. Поршень движется, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы выходят наружу, пропуская внутрь новую порцию топлива.

Часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Таким образом, становится понятно, почему двухтактным двигателям требуется столько топлива.

Преимущества и недостатки

Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение высокой мощности при меньшем рабочем объеме по сравнению с четырехтактными. Однако автовладелец пострадает от внушительного расхода топлива, из-за чего вскоре в его голове возникнет идея поменять агрегат.

Кроме того, достоинствами двухтактных двигателей внутреннего сгорания можно назвать простую конструкцию, четкую и плавную работу, малый вес и компактные размеры. К недостаткам можно отнести грязный выхлоп, отсутствие различных систем и быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы автомобилей с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его выход из строя.

История создания

До появления двигателей внутреннего сгорания самоходные машины оснащались двигателями внешнего сгорания. Такие агрегаты работали от давления пара, образующегося в результате нагрева воды в отдельном резервуаре.

Конструкция таких двигателей была негабаритной и малоэффективной: помимо большого веса установки для преодоления больших расстояний транспорт должен был тянуть приличный запас топлива (уголь или дрова).

Ввиду этого недостатка инженеры и изобретатели пытались решить важный вопрос — как совместить топливо с корпусом силовой установки. Удалив такие элементы из системы, как бойлер, резервуар для воды, конденсатор, испаритель, насос и т.д., можно значительно уменьшить вес двигателя.

Создание двигателя внутреннего сгорания в привычном современному автомобилисту виде происходило постепенно. Вот основные вехи, которые привели к рождению современного двигателя внутреннего сгорания:

• 1791 Джон Барбер изобретает газовую турбину, которая работает путем перегонки нефти, угля и древесины в реторты. Образовавшийся газ вместе с воздухом закачивался в камеру сгорания компрессором. Образовавшийся горячий газ под давлением подавался к крыльчатке рабочего колеса и заставлял ее вращаться.
• 1794 г. Роберт Стрит патентует двигатель на жидком топливе.
• 1799 г. Филипп Ле Бон в результате пиролиза нефти получает люминесцентный газ. В 1801 году он предложил использовать его в качестве топлива для газовых двигателей.
• 1807 Франсуа Исаак де Риваз — патент на «использование взрывчатых материалов в качестве источника энергии в двигателях». Создать самоходный отряд на базе развития».
• 1860 г. Этьен Ленуар первым изобрел первое изобретение, создав рабочий двигатель, работающий на смеси осветительного газа и воздуха. Механизм приводился в движение искрой от внешнего источника питания. Изобретение применялось на лодках, но не устанавливалось на самоходные машины.
• 1861 г. Альфонс Бо Де Роча раскрывает важность сжатия топлива перед его воспламенением, что послужило основанием для создания теории работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (впуск, сжатие, сгорание с расширением и выпуском).
• 1877 Николаус Отто создает первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания мощностью 12 л.с.
• 1879 Карл Бенц патентует двухтактный двигатель.
• 1880 г. Огнеслав Кострович, Вильгельм Майбах и Готлиб Даймлер одновременно разрабатывают модификации карбюратора двигателя внутреннего сгорания, готовя их к серийному производству.

Помимо бензиновых двигателей, в 1899 году появился двигатель Тринклера. Это изобретение представляет собой другой тип двигателя внутреннего сгорания (масляный двигатель высокого давления без компрессора), работающий по принципу изобретения Рудольфа Дизеля. С годами силовые агрегаты, как бензиновые, так и дизельные, совершенствовались, что повысило их эффективность.

Рабочий цикл ДВС

Основной мотоциклетный цикл предполагает выполнение четырех основных прогонов. Именно о них и пойдет речь далее по тексту.

Первый такт: впуск

Начальный: движение кулачков, которые являются частью конструкции распределительного вала. Они меняют воздействие на впускной клапан, заставляя его открываться.

Кроме того, вслед за открытым клапаном поршень выходит из своего положения. Деталь постепенно перемещается из верхнего положения в нижнее. Воздух внутри цилиндра за счет уменьшения пространства поршнем становится более разреженным, и в него может попасть подготовленная рабочая смесь.

После этого поршень через шатун начинает воздействовать на коленчатый вал, в результате чего вал поворачивается на 180 градусов. Сам поршень уже достиг своего нижнего критического положения, и с этого момента начинается второй ход.

Второй такт: сжатие

Он предполагает дальнейшее сжатие смеси внутри цилиндра. Впускной клапан закрывается, и поршень меняет направление, двигаясь вверх. Из-за уменьшения пространства воздух начинает сжиматься и рабочая смесь начинает нагреваться. По окончании второго пробега срабатывает система зажигания. Его основное предназначение — подавать электрический заряд на свечу зажигания для образования искры. Именно эта искра воспламеняет сжатую смесь топлива и воздуха, вызывая ее возгорание.

Отдельно стоит рассмотреть способ воспламенения топлива в дизельном двигателе внутреннего сгорания. Как только сжатие завершается, мелко распыленное дизельное топливо начинает течь через сопло в камеру. После этого горючее вещество смешивается с воздухом внутри, из-за чего происходит возгорание.

Как и в случае со стандартным карбюраторным двигателем, коленчатый вал совершает один полный оборот во втором цикле.

Третий такт: рабочий ход

Третий удар называется рабочим ударом. Оставшиеся после сгорания смеси газы начинают толкать поршень, перемещая его вниз. Полученная деталью энергия передается коленчатому валу и снова поворачивается, но уже на пол-оборота.

Четвертый такт: выпуск

Четвертый удар — выброс оставшихся газов. Когда ход только начинается, кулачок меняет положение, на этот раз выпускной клапан, открывая его. Это способствует началу движения поршня вверх, в результате чего выхлопные газы начинают выходить из цилиндра.

примечательно, что на современных моделях автомобилей ДВС комплектуются не одним цилиндром, а несколькими. Благодаря их слаженной работе гарантируется лучшая производительность двигателя и систем машин. В этом случае в каждом цилиндре одновременно выполняется несколько ходов. Так, например, в одном цилиндре рабочий ход идет полным ходом, а во втором коленчатый вал делает только один оборот. Аналогичный дизайн также:

• устраняет лишние вибрации;
• уравновешивает силы, действующие на коленчатый вал;
• организует бесперебойную работу двигателя.

Из-за своей компактности многоцилиндровые двигатели делаются не рядными, а V-образными. Существует также форма оппозитных двигателей, которые часто встречаются на автомобилях Subaru. Такое решение позволяет сэкономить много места под капотом.

Устройство двигателя внутреннего сгорания: описание основных узлов ДВС

Двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих основных частей и компонентов:

1. Цилиндрический блок. Внутри блока цилиндров воспламеняется топливно-воздушная смесь, и выхлопные газы приводят в движение поршни.
2. Кривошипный механизм. Этот механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня гильзы в энергию движения коленчатого вала.
3. Цилиндро-поршневая группа. Он состоит из следующих элементов: поршней, пальцев и, как следствие, гильз цилиндров. Именно в нем происходит горение и передача тепловой энергии для преобразования в механическую энергию. Горение происходит внутри гильзы, закрытой с одной стороны поршнем, а с другой — головкой блока. Для обеспечения герметичности используются поршневые кольца, чтобы не могли улетучиваться смеси и продукты сгорания.
4. Механизм газораспределения. Этот механизм обеспечивает своевременную подачу горючей смеси, а также отвод выхлопных газов. Он позволяет своевременно открывать и закрывать клапаны для входа горючей смеси и выхода выхлопных газов.
5. Система питания и зажигания топливовоздушной смеси.
6. Система удаления выхлопных газов.
7. Система смазки. Смазка предназначена для смазывания трущихся элементов двигателя (поршней).
8. Система охлаждения. Система состоит из жидкостного (тосол, антифриз) и воздушного (вентилятор) охлаждения. Он предназначен для поддержания рабочей и допустимой температуры двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания характеризуется такими конструктивными параметрами, как:

• объем камеры сгорания — объем полости цилиндра и выемки в головке над поршнем, которая может находиться в верхней мертвой точке;
• рабочий объем цилиндра — пространство от верхней мертвой точки до нижней;
• общий объем цилиндра складывается из рабочего объема камеры сгорания и рабочего объема;
• смещение или смещение — сумма рабочих объемов всех цилиндров;
• степень сжатия — отношение общего объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания различаются по следующим характеристикам:

• крутящий момент — это сила тяги на колесах. Чем выше крутящий момент, тем лучше разгон и динамика двигателя;
• мощность двигателя — работа двигателя в единицу времени. Мощность измеряется в кВт и лошадиных силах. Одна мощность эквивалентна примерно 0,74 кВт;
• номинальная мощность — мощность двигателя при полном запасе топлива на определенной скорости;
• расход топлива — количество топлива, расходуемое двигателем на 1 кВт в час развиваемой мощности;
• экологический класс.

Виды моторов

В процессе технического прогресса были разработаны и испытаны типы агрегатов, в которых топливо сжигалось во внутреннем пространстве, не все из них доказали свою работоспособность. Выделены наиболее распространенные типы двигателей внутреннего сгорания:

Поршневая установка.

Составная часть агрегата выполнена в виде блока с установленными внутри цилиндрическими полостями. Часть цилиндра используется для сжигания топлива. С помощью поршня, кривошипа и шатуна энергия сгорания преобразуется в энергию вращения вала. В зависимости от того, как готовится горючая смесь, блоки делятся:

• Карбюратор. В таких установках топливо готовится карбюрированием. Атмосферный воздух и топливо пропорционально подаются к механизму, а затем смешиваются в системе. Готовая смесь вводится в камеру и сжигается;
• Инжектор. Рабочая смесь подается в систему с помощью пистолета-распылителя. Впрыск осуществляется в коллектор и управляется электроникой. Через коллектор топливо попадает в камеру, где зажигается свечой;
• Дизель. Принцип принципиально отличается от предыдущих противников. Процесс происходит из-за давления. Часть топлива (дизельное топливо) впрыскивается в объем через форсунку, температура воздуха выше температуры сгорания, топливо воспламеняется.

Поршневой двигатель:

• Роторно-поршневой двигатель. Преобразование энергии расширения газа в механическую работу происходит за счет скорости вращения ротора. Ротор представляет собой часть специального профиля, на который давят газы, заставляя его вращаться. Траектория движения ротора по объемной камере вытеснения сложная, образована эпитрохоидой. Ротор выполняет функции: поршня, газораспределителя, вала.

Роторно-поршневой двигатель:

• Газотурбинные двигатели. Процесс осуществляется путем преобразования тепла в работу. Непосредственно задействованы лопасти ротора. Вращение деталей от газового потока передается на турбину.

Сегодня поршневые двигатели полностью вытеснили другие типы установок и заняли доминирующее положение в автомобильной промышленности. Процент роторно-поршневых двигателей невелик, производством занимается только Mazda. Кроме того, производство имплантатов осуществляется в ограниченном количестве. Не прижились и газотурбинные агрегаты, так как они имели ряд недостатков для гражданского использования, главным из которых был рост расхода топлива.

Также возможна классификация двигателей внутреннего сгорания по потребляемому топливу. В двигателях используются: бензиновые, дизельные, газовые, комбинированные.

Газотурбинный двигатель:

Самые распространенные виды двигателей

Существует три типа двигателей внутреннего сгорания: поршневые, роторно-поршневые силовые агрегаты системы Ванкеля и газовые турбины. За редким исключением современные автомобили оснащаются четырехтактными поршневыми двигателями. Причина кроется в невысокой цене, компактности, небольшом весе, многотопливной емкости и возможности установки практически на любой транспорт.

Сам двигатель автомобиля — это механизм, преобразующий тепловую энергию горящего топлива в механическую, работу которой обеспечивают многие системы, узлы и агрегаты. Поршневые двигатели внутреннего сгорания бывают двух- и четырехтактными. Проще всего понять принцип работы автомобильного двигателя на примере одноцилиндрового четырехтактного силового агрегата.

Четырехтактный двигатель назван потому, что рабочий цикл состоит из четырех движений поршня (тактов) или двух оборотов коленчатого вала:

• вход;
• сжатие;
• рабочие поездки;
• публикация.

Плюсы и минусы

У двигателей внутреннего сгорания много преимуществ:

• практичность и удобство использования;
• наличие топлива;
• быстрая заправка;
• продолжительность;
• сохранение работоспособности даже после нескольких ТО.

Также для многих автовладельцев звук двигателя — лучшая музыка. Зная это, производители по-особенному персонализируют их.

Но у агрегатов есть и недостатки:

• меньший КПД, чем у электрических моделей;
• сложность системы.

Современные модели уже не подлежат ремонту и обслуживанию в гараже самостоятельно. Но чем сложнее конструкция, тем больше в ней остается слабых мест. Это означает, что ТО будет необходимо пересматривать все чаще и чаще.

Отдельно стоит упомянуть экологический аспект. Многие европейские города задыхаются от бензинового смога и не видят дневного света. Поэтому требования к экологической безопасности регулярно ужесточаются.

Двигатели внутреннего сгорания со временем не теряют своих позиций. Несмотря на то, что инженеры и изобретатели изо всех сил пытаются создать принципиально новые двигатели, эта проблема до сих пор не решена. Это означает, что в ближайшие несколько лет все человечество будет использовать одни и те же семейные единицы, надежные и доступные.

Механизм искрообразования

Назначение механизма — своевременное искрение в полости цилиндра двигателя. Искра помогает зажечь топливо и запустить агрегат. Механизм зажигания, неотъемлемая часть электрооборудования автомобиля, в состав которого входят:

• Источник накопителя электрической энергии, аккумулятор. Источник, вырабатывающий электричество, генератор.
• Механическое или электрическое устройство, которое подает электрическое напряжение в сеть автомобиля, также называется зажиганием.
• Накопитель и преобразователь электрической энергии, трансформатор или катушка. Механизм обеспечивает достаточный заряд свечей зажигания двигателя.
• Распределительный механизм зажигания, или трамблер. Устройство предназначено для своевременного распределения и подачи на цилиндр электрического импульса, необходимого для свечей зажигания.

Система зажигания:

Электрооборудование

Он снабжает это оборудование электроэнергией в бортовую сеть автомобиля, в том числе и в систему зажигания. Это оборудование также запускает двигатель. В его состав входят аккумулятор, генератор, стартер, жгут проводов, всевозможные датчики, контролирующие работу и состояние двигателя.

В этом весь прибор двигателя внутреннего сгорания. Хотя он постоянно совершенствуется, принцип его действия не меняется, совершенствуются только отдельные узлы и механизмы.

Тип топлива

Также следует помнить об октановом числе топлива, используемого в различных типах двигателей внутреннего сгорания.

Чем выше октановое число топлива, тем выше степень сжатия, что приводит к увеличению КПД двигателя внутреннего сгорания.

Но есть и двигатели, для которых повышение октанового числа выше установленного производителем приведет к преждевременному выходу из строя. Это может произойти при сгорании поршней, разрушении колец и закопченных камерах сгорания.

Система имеет собственное минимальное и максимальное октановое число, для чего требуется двигатель внутреннего сгорания.

Цилиндро-поршневая группа

В эту группу входят гильзы цилиндров, поршни, поршневые кольца и пальцы. Именно в этой группе происходит процесс горения и передача энергии, выделяющейся для преобразования. Горение происходит внутри гильзы, которая с одной стороны закрыта головкой блока, а с другой — поршнем. Сам поршень может перемещаться внутри гильзы.

Для обеспечения максимального уплотнения внутри гильзы используются эластичные ленты, предотвращающие утечку смеси и продуктов сгорания между стенками гильзы и поршнем.

Поршень подвижно соединен с шатуном с помощью пальца.

Общее устройство ДВС

Чтобы понять, как работает двигатель, необходимо в общих чертах обрисовать его конструкцию. Основные части:

1. блок цилиндров (в нашем случае только один цилиндр);
2. кривошипно-шатунный механизм, состоящий из коленчатого вала, шатунов и поршней;
3. головка блока с газораспределительным механизмом (ГРМ).

Кривошипный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращение коленчатого вала. Поршни приводятся в движение за счет энергии топлива, сжигаемого в цилиндрах.

Работа этого механизма невозможна без работы газораспределительного механизма, обеспечивающего своевременное открытие впускных и выпускных клапанов для входа рабочей смеси и выпуска выхлопных газов. Распределение состоит из одного или нескольких распределительных валов с кулачками, упорных клапанов (не менее двух на каждый цилиндр), клапанов и возвратных пружин.

Двигатель внутреннего сгорания способен работать только при слаженной работе вспомогательных систем, к которым относятся:

• система зажигания, отвечающая за воспламенение горючей смеси в цилиндрах;
• система всасывания, подающая воздух для образования рабочей смеси;
• топливная система, обеспечивающая непрерывную подачу топлива и смеси топлива с воздухом;
• система смазки, предназначенная для смазки трущихся деталей и удаления продуктов износа;
• выхлопная система, удаляющая выхлопные газы из цилиндров ДВС и снижающая их токсичность;
• система охлаждения, необходимая для поддержания оптимальной температуры для работы силового агрегата.

Блок цилиндров

Теперь о самом устройстве ДВС. Основа любой установки — блок цилиндров. В нем и на нем расположены все компоненты.

Конструктивные особенности блока зависят от определенных условий: количества цилиндров, их расположения, способа охлаждения. Количество цилиндров, которые объединяются в один блок, может варьироваться от 1 до 16. Кроме того, блоки с нечетным числом цилиндров встречаются редко, из выпускаемых в настоящее время двигателей можно встретить только одно- и трехцилиндровые агрегаты. Большинство агрегатов имеют одинаковое количество цилиндров: 2, 4, 6, 8 и реже 12 и 16.

Четыре блока цилиндров

Силовые установки от 1 до 4 цилиндров обычно имеют рядные цилиндры. Если количество цилиндров больше, они располагаются в два ряда, с определенным углом положения одного ряда относительно другого, так называемые силовые установки с V-образным расположением цилиндров. Такая компоновка позволила уменьшить размер блока, но при этом их изготовление сложнее, чем поточная компоновка.

Блок цилиндров восьмой

Есть еще один тип блока, в котором цилиндры расположены в два ряда под углом друг к другу 180 градусов. Эти двигатели называются оппозитными двигателями. В основном они встречаются на мотоциклах, хотя есть автомобили с таким типом трансмиссии.

Но условие количества цилиндров и их расположения не является обязательным. Есть 2- и 4-цилиндровые двигатели с V-образными или оппозитными цилиндрами, а также 6-цилиндровые рядные двигатели.

На электростанциях используются два типа охлаждения: воздушное и жидкостное. От этого зависит конструктивная особенность блока. Агрегат с воздушным охлаждением меньше по размеру и проще по конструкции, поскольку цилиндры в его конструкцию не входят.

Блок жидкостного охлаждения более сложен, в его конструкцию входят цилиндры, а сверху на блоке с цилиндрами расположена рубашка охлаждения. Внутри него циркулирует жидкость, забирая тепло от цилиндров. В этом случае блок вместе с рубашкой охлаждения образуют единое целое.

Сверху блок накрывается специальной пластиной — коллектором (коллектором). Это один из компонентов, обеспечивающих замкнутое пространство, в котором происходит процесс горения. Его конструкция может быть простой, без включения дополнительных механизмов, или сложной.

Классификация двигателей

Конструкция ДВС постоянно совершенствуется. Разработчики внедряют новые идеи, а появление лучших материалов открывает новые возможности. С учетом этих характеристик было разработано множество типов двигателей с их классификацией по конструкции.

В зависимости от характеристик рабочего цикла ДВС может быть:

• два раза;
• четыре раза.

Об особенностях работы и отличиях таких двигателей говорилось выше.

По типу конструктивного устройства двигатели делятся на две такие группы:

• поршневой — самый распространенный вид, знакомый большинству автовладельцев, в котором агрегат состоит из коленчатого вала и поршней, движущихся в цилиндрах;
• роторно-поршневой — принцип действия изобрел Ванкель.

В двигателе Ванкеля вместо обычных поршней используется треугольный ротор, который делит цилиндрическую камеру сгорания на три отсека, в каждом из которых происходят циклические процессы.

Роторно-поршневой агрегат встречается не очень часто. Такие двигатели устанавливались на некоторые модели автомобилей. Но недостаточная эффективность конструкции привела к тому, что от этой идеи впоследствии отказались

Двигатели делятся по количеству цилиндров. Общее их количество может варьироваться от 1 до 16. Но самые распространенные силовые установки используют от 3 до 8 цилиндров. Чем больше цилиндров в двигателе, тем больше его мощность. Но при этом необходимо решать дополнительные задачи по охлаждению, распределению топлива и т.д.

Чаще всего для уравновешивания и балансировки работы агрегата используют двигатели с четным количеством камер сгорания. Однако некоторые модели автомобилей Ford оснащены уникальными трехцилиндровыми двигателями.

Цилиндры в двигателях расположены в другом порядке. Линейная компоновка — самая простая с точки зрения обслуживания, но не самая выгодная с точки зрения общей компоновки агрегата.

По расположению цилиндров двигатели различают по следующему расположению:

• рядный — когда цилиндры установлены в ряд и соединены с общим коленчатым валом;
• V-образный — с размещением цилиндров в двух плоскостях, с взаимным углом от 45 до 90 градусов; коленчатый вал остается унифицированным;
• VR-образный — разновидность предыдущего устройства, с небольшим углом цилиндрической группы (от 10 до 20 градусов);
• W-образный — при этажности цилиндра может быть 3 или четыре, с коленчатым валом;
• П-образная — компоновка единого силового агрегата из двух рядных агрегатов, объединенных общей системой охлаждения и подачи топлива, с двумя отдельными коленчатыми валами;
• напротив — при работе от коленчатого вала двух групп противоположно направленных поршней;
• счетчик — особый тип конструкции, когда в каждом из цилиндров находится пара поршней, движущихся в противоположных направлениях; конструктивно этот двигатель представляет собой одноцилиндрово-поршневой агрегат с двумя коленчатыми валами;
• радиальный — если поршневая группа приводится в движение общей точкой коленчатого вала, при этом шатуны расходятся в направлениях радиуса.

В автомобильной технике чаще встречаются различные типы V-образных конструкций, в том числе типы аналогичных устройств. В самолетах используются радиальные двигатели. Другие типы электростанций используются в ограниченном объеме.

По типу топлива различают двигатели внутреннего сгорания:

• бензин — на бензине, воспламеняемый искрой свечей и катушек зажигания, синхронизированный с вращением коленчатого вала; эти моторы развивают максимальную скорость;
• дизельный — в таких двигателях самовоспламеняется топливовоздушная смесь, когда показатель давления достигает критической отметки; свечи зажигания здесь отсутствуют, но используется непосредственный впрыск, когда топливо подается под высоким давлением с учетом особенностей среды в камере сжатия; для них характерна большая мощность, ограниченная скорость; в основном устанавливаются на большегрузные автомобили;
• газ — работает на сжиженном газе, который дешевле бензина; предполагают более высокие температуры, что требует определенных конструктивных решений и специальных марок смазочной жидкости;
• гибрид — сочетает в себе использование двигателя внутреннего сгорания с электроустановкой; в нормальных условиях вмешивается электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания используется для подзарядки аккумуляторов или при увеличении нагрузки на электростанцию;
• водород — применяется сравнительно недавно, в связи с повышенной опасностью, что требует подходящих конструктивных решений; при разложении воды на водород и кислород методом электролиза велик риск возникновения нестабильного состояния окружающей среды с опасностью взрыва; не так давно был изобретен новый способ — с раздельной подачей этих газов; кислород забирается из воздуха, а цистерны, размещенные на машине, заполняются водородом; В результате рабочий процесс противоположен электролизу, с выработкой электричества и образованием воды из комбинации элементов во время работы.

Наиболее популярны бензиновые двигатели. Но за новыми гибридными и водородными установками, по мнению большинства ученых и конструкторов, будущее технологического развития. Эти движки становятся все лучше и лучше, но насколько эффективным будет их использование — покажет время.

Газораспределительный механизм управляет работой двигателя, открывая и закрывая клапаны впрыска топливовоздушной смеси. Клапаны приводятся в движение распределительным валом, приводимым в движение коленчатым валом через цепь или ремень.

В компоновку двигателя может входить распредвал с цилиндрами в ряд или более (от двух до четырех) в V.

С развитием технологий традиционная механическая система впрыска была заменена электронной, в которой момент открытия клапана определяется компьютеризированным блоком. В связи с этим используются адаптивные и пневматические модули, которые в сумме дают до 30 процентов КПД по показателям мощности двигателя.

Двигатели делятся по принципу подачи воздуха в камеры сгорания. Есть такие силовые установки:

• атмосферный — традиционный двигатель внутреннего сгорания, в котором воздух нагнетается в камеру цилиндра поршнем;
• турбина — при использовании дополнительной откачки.

Турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов при вращении турбины, которая также с силой выдувает воздух.

Преимущества двигателей с турбонаддувом — увеличение мощности за счет увеличенного воздушного потока. Недостатки — в ненужном усложнении конструктивного устройства.

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

Ни один современный двигатель внутреннего сгорания не может работать самостоятельно. Это так, потому что топливо должно подаваться из бензобака в двигатель, оно должно зажигаться в нужный момент и, чтобы двигатель не «задыхался» от выхлопных газов, их нужно вовремя удалять.

Вращающиеся детали нуждаются в постоянной смазке. Из-за высоких температур, возникающих при сгорании, двигатель необходимо охлаждать. Эти сопутствующие процессы не предусмотрены самим двигателем, поэтому двигатель внутреннего сгорания работает совместно со вспомогательными системами.

Система зажигания

Эта вспомогательная система предназначена для своевременного воспламенения горючей смеси в соответствующем положении поршня (ВМТ на такте сжатия). Применяется в бензиновых двигателях внутреннего сгорания и состоит из следующих элементов:

• Источник питания. При остановленном двигателе эту функцию выполняет аккумулятор (как завести автомобиль, если аккумулятор разряжен, читайте в отдельной статье). После запуска двигателя генератор действует как источник энергии.
• Стартовый блок. Устройство, замыкающее электрическую цепь, чтобы запитать ее от источника питания.
• Накопитель. У большинства автомобилей с бензиновым двигателем есть катушка зажигания. Также есть модели, в которых есть несколько элементов этого типа, по одному на каждую свечу. Они преобразуют низкое напряжение аккумулятора в высокое напряжение, необходимое для создания искры высокого качества.
• Выключатель распределителя зажигания. В карбюраторных автомобилях это распределитель, в большинстве других этот процесс управляется ЭБУ. Эти устройства передают электрические импульсы на соответствующие свечи зажигания.

Впускная система

Для создания процесса горения требуется сочетание трех факторов: топлива, кислорода и источника воспламенения. Если применяется электрический разряд — работа системы зажигания, система впуска подает кислород в двигатель, чтобы топливо могло воспламениться.

Эта система состоит из:

• Воздухозаборник — патрубок, через который забирается чистый воздух. Процесс приема зависит от модификации двигателя. В атмосферных двигателях воздух засасывается за счет создания вакуума в цилиндре. В моделях с турбонаддувом этот процесс усиливается за счет вращения лопаток компрессора, что увеличивает мощность двигателя.
• Воздушный фильтр предназначен для очистки струи от пыли и мелких частиц.
• Дроссельная заслонка — это клапан, который регулирует количество воздуха, поступающего в двигатель. Регулировка осуществляется нажатием педали акселератора или через электронику блока управления.
• Впускной коллектор: система труб, соединенных с общей трубой. В инжекторных двигателях внутреннего сгорания дроссельная заслонка и топливная форсунка устанавливаются вверху для каждого цилиндра. В карбюраторных модификациях на впускном коллекторе устанавливается карбюратор, в котором воздух смешивается с бензином.

Помимо воздуха в цилиндры необходимо подавать топливо. Для этого разработана система электроснабжения, состоящая из:

• топливный бак;
• топливопровод — трубы и трубки, по которым бензин или дизельное топливо движется от бака к двигателю;
• карбюратор или форсунка (системы форсунок);
• топливный насос, перекачивающий топливо из бака в карбюратор или другое устройство для смешивания топлива и воздуха;
• топливный фильтр, очищающий бензин или дизельное топливо от мусора.

Сегодня существует множество модификаций двигателей, в которых рабочая смесь подается в цилиндры разными способами. Среди этих систем:

• однократный впрыск (карбюраторный принцип, только с форсункой);
• распределенный впрыск (на каждый цилиндр устанавливается отдельная форсунка, топливовоздушная смесь формируется в канале впускного коллектора);
• прямой впрыск (форсунка распыляет рабочую смесь прямо в цилиндр);
• комбинированный впрыск (совмещает принцип прямого и распределенного впрыска)

Система смазки

Все трущиеся поверхности металлических деталей необходимо смазать для охлаждения и уменьшения износа. Для обеспечения этой защиты двигатель оборудован системой смазки. Он также защищает металлические детали от окисления и удаляет нагар. Система смазки состоит из:

• отстойник — резервуар, в котором находится моторное масло;
• масляный насос, создающий давление, благодаря которому смазка подается ко всем узлам двигателя;
• масляный фильтр, улавливающий любые частицы, образующиеся в результате работы двигателя;
• некоторые автомобили оснащены маслоохладителем для дополнительного охлаждения моторного масла.

Выхлопная система

Качественная выхлопная система обеспечивает отвод выхлопных газов из рабочих камер цилиндров. Современные автомобили оснащены выхлопной системой, которая включает в себя следующие элементы:

• выпускной коллектор, гасящий колебания горячих выхлопных газов;
• приемная труба, по которой отходящие газы выходят из коллектора (как и выпускной коллектор, он выполнен из жаропрочного металла);
• катализатор, очищающий выхлопные газы от вредных элементов, что позволяет автомобилю соответствовать экологическим нормам;
• резонатор — чуть меньшая мощность, чем у основного глушителя, призванная снизить интенсивность выхлопа;
• основной глушитель, внутри которого расположены перегородки, изменяющие направление выхлопных газов для снижения их скорости и шума.

Еще по теме:
Что такое бортовой компьютер и зачем он нужен?

Система охлаждения

Эта дополнительная система позволяет двигателю работать без перегрева. Поддерживает рабочую температуру двигателя во время его работы. Чтобы этот показатель не превышал критических пределов даже при неподвижном автомобиле, система состоит из следующих частей:

• радиатор охлаждения, состоящий из труб и пластин, предназначенный для быстрого теплообмена между теплоносителем и окружающим воздухом;
• вентилятор, обеспечивающий больший приток воздуха, например, если машина находится в пробке и радиатор недостаточно продувается;
• водяной насос, благодаря которому обеспечивается циркуляция охлаждающей жидкости, отводящей тепло от горячих стенок блока цилиндров;
• термостат — клапан, который открывается после прогрева двигателя до рабочей температуры (до включения охлаждающая жидкость циркулирует по небольшому кругу, а при его открытии жидкость движется по радиатору).

Синхронная работа каждой вспомогательной системы обеспечивает бесперебойную работу двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы ДВС: основные моменты

Принцип работы двухтактного двигателя

Принцип работы такого двигателя объясняется циклами (тактами), которых всего два:

1. Цикл сжатия. Все начинается с того, что поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку, блокируя выпускные и выпускные отверстия. После закрытия выпускного отверстия горючая смесь сжимается в цилиндре.

Одновременно со сжатием горючей смеси в картерной камере создается разрежение, под действием которого готовая горючая смесь поступает прямо в картерную камеру из выпускного коллектора через впускное окно и приоткрытый клапан.

2. Ход рабочего хода. Сжатая рабочая смесь с положением поршня вблизи верхней мертвой точки воспламеняется от искры свечи зажигания. В результате возгорания резко повышаются температура и давление. В результате газы расширяются и поршень перемещается в нижнюю мертвую точку (происходит полезная работа).

По мере того, как поршень опускается, он создает избыточное давление в камере кривошипа. Под действием этого давления клапан закрывается, предотвращая возврат горючей смеси во впускной коллектор. Когда поршень достигает выходной двери, он открывается и выпускаются выхлопные газы. Давление в баллоне снижается.

Далее поршень открывает окно продувки, продувая цилиндр от остаточных выхлопных газов и заполняя его горючей смесью.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Принцип работы четырехтактного двигателя состоит из четырехтактных:

1. Вход. Когда поршень перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, в рабочей камере создается разрежение и впускные клапаны открываются. В баллон втягивается горючая смесь. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, впускные клапаны закрываются.
2. Сжатие. По мере перемещения поршня из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку горючая смесь сжимается, в результате чего давление в камере увеличивается, а температура топливной жидкости увеличивается. Когда поршень достигает верхней мертвой точки, свеча зажигания воспламеняется и воспламеняет горючую смесь.
3. Ход работы или расширение. Имеется пик возгорания горючей смеси. Выделяется много тепла, температура дымовых газов и давление в цилиндре повышаются. Под давлением поршень перемещается в нижнюю мертвую точку и проворачивает коленчатый вал через шатун.
4. Публикация. Когда поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку, распределительный вал открывает выпускной клапан, и поршень сжимает выхлопные газы. После выпуска отработавших газов выпускной клапан закрывается.

В цилиндрах ходы чередуются в определенной последовательности (1-3-4-2). Это главное правило стабильной работы четырехтактного двигателя.