Принцип работы и устройство двигателя
Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.
В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:
- Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
- карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
- инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
- дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.
Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.
Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.
На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.
Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.
Принцип работы двигателя
Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:
- Впуск топлива;
- Сжатие топлива;
- Сгорание;
- 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.
Системы двигателя
Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:
- ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
- Система смазки;
- Система охлаждения;
- Система подачи топлива;
- Выхлопная система.
ГРМ — газораспределительный механизм
Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:
- Распределительный вал;
- Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
- Детали привода клапанов;
- Элементы привода ГРМ.
ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.
Система смазки
В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:
- Масляный картер (поддон);
- Насос подачи масла;
- Масляный фильтр с редукционным клапаном;
- Маслопроводы;
- Масляный щуп (индикатор уровня масла);
- Указатель давления в системе;
- Маслоналивная горловина.
Система охлаждения
Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:
- Рубашка охлаждения двигателя;
- Насос (помпа);
- Термостат;
- Радиатор;
- Вентилятор;
- Расширительный бачок.
Система подачи топлива
Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:
- Топливный бак;
- Датчик уровня топлива;
- Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
- Топливные трубопроводы;
- Впускной коллектор;
- Воздушные патрубки;
- Воздушный фильтр.
В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.
Выхлопная система
Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:
- Выпускной коллектор;
- Приемная труба глушителя;
- Резонатор;
- Глушитель;
- Выхлопная труба.
В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.
Строение двигателя
Машина едет за счёт вращения колёс, имеющих сцепление с дорогой. Колёса вращаются за счёт трансмиссии, передающей на них крутящий момент от двигателя. А вот этот самый крутящий момент является продуктом преобразования энергии сжигания топлива в механическую работу, для чего собственно и предназначен двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
В славное семейство ДВС входят роторные, газотурбинные и поршневые двигатели. Именно последние находятся под капотом львиной доли автомобилей для частной и коммерческой эксплуатации. О них и поговорим и рассмотрим схемы в разрезе далее.
Устройство двигателя
Итак, поршневой ДВС является сердцем большинства современных легковушек и включает в себя обязательный джентльменский набор из корпуса, двух механизмов и семи систем. Посмотрите одну из схем устройства двигателя в разрезе:
Корпус связывает в единое целое головку блока цилиндров, в которой находятся основные элементы газораспределительного механизма (ГРМ). Функция ГРМ — обеспечивать своевременную подачу топливо-воздушной смеси (воздуха) и отвод отработанных газов. ГРМ приводится в действие посредством цепи или ремня от зубчатого венца маховика коленвала, являющегося частью кривошипно-шатунного механизма, преобразующего возвратно-поступательные движения поршней в тот самый крутящий момент, который снимается с коленчатого вала и через трансмиссию передается колёсам.
Системы Двигателя (ДВС) на схеме в разрезе
- Впускная. Горючее не сможет воспламениться без доступа кислорода, и именно впускная система обеспечивает забор, фильтрацию и подачу в нужном объёме воздуха в двигатель.
- Топливная обеспечивает питание мотора. Для современных двигателей в качестве горючего используются бензин, ДТ, биотопливо, водород, как перспективное топливо, сводящее к минимуму отрицательное воздействие на окружающую среду.
- Зажигание обеспечивает воспламенение рабочей смеси. В дизельных двигателях происходит её самовоспламенение.
- Смазка для циркуляции моторного масла, снижающего трение между движущимися частями, создающего защитные плёнки на рабочих поверхностях и нивелирующего негативные эффекты от металлической микро стружки, продуктов сгорания и других вредных факторов работы мотора.
- Охлаждение. Наиболее распространённым является охлаждение ДВС путём принудительной циркуляции антифризов, на худой конец — воды. Есть примеры и воздушного охлаждения мотора, такие как канувший в лету “Запорожец” и широко известный в узких кругах “Porsche 911”.
- Выпускная система отводит от двигателя продукты сгорания, их частичную нейтрализацию и выброс в атмосферу.
- Управление двигателем — это совокупность датчиков и электронных элементов управления остальными системами, завязанная в современных машинах на бортовой компьютер.
Как выглядит схема ДВС в разрезе:
Как работает двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Воспламенения рабочей смеси, состоящей из топлива, воздуха и остатков отработанных газов, происходит в момент максимального верхнего положения поршня, чем достигается наивысшая степень сжатия смеси. Тепловое расширение сгорающих газов толкает поршень вниз, что приводит к вращению коленчатого вала. Двум оборотам коленчатого вала, в четырёхтактном двигателе, соответствуют четыре этапа работы поршня в цилиндре. Для лучшего понимания, рассмотрите еще одну схему ДВС в разрезе:
Как видите на схеме в разрезе показаны: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Подробнее об этом далее.
- Впуск. Поршень идёт вниз. Топливно-воздушная смесь — это продукт совместной деятельности топливной и выпускной систем. В бензиновых двигателях с центральным и распределённым впрыском она образуется во впускном коллекторе. В бензиновых моторах с непосредственным впрыском и в дизелях, данная смесь образуется непосредственно в камере сгорания.
- Сжатие. Ход вверх. При закрытых впускных клапанах происходит смешивание и сжатие смеси до максимальных значений. Апофеозом этого процесса является принудительное или самовоспламенение смеси, знаменующее начало третьего такта.
- Рабочий ход. Поршень идёт вниз. Двигаясь к своей нижней точке, в паре с шатуном передают энергию расширения горящих газов коленвалу.
- Выпуск. Поршень идёт вверх. Через открывающиеся выпускные клапаны ГРМ, отработанные газы отводятся в выпускную систему, где глушатся, охлаждаются и очищаются перед выбросом в окружающую среду.
Стабильная, равномерная работа мотора достигается тем, что цилиндры не совпадают по фазам. Пока один цилиндр совершает полезную работу, в других идут подготовительные циклы, поэтому КПД двигателей внутреннего сгорания не высок (около 40%). Для повышения КПД ДВС и снижения вредных выбросов моторы турбируют, совершенствуют электронное управление рабочим циклом, делая более полным и эффективным сгорание топлива.
Схема цилиндра ДВС в разрезе:
Несколько важных моментов, связанных с устройством ДВС
При всём совершенстве современной электроники, на неё не стоит полагаться на все сто. Знание устройства и принципа работы мотора поможет даже новичку вовремя заметить тревожные симптомы, а значит избежать неприятных последствий поломок и затрат на их ликвидацию. О важности именно ручного контроля уровня масла в картере мы уже неоднократно писали в материалах.
На что ещё нужно обращать внимание?
Не так уж редки случаи растяжения цепи или разрыва приводного ремня ГРМ, особенно у авто с вторичного рынка. Последствия разрыва ремня ГРМ особенно печальны и дороги в устранении. Стоит следить за физическим состоянием ремня, и при появлении бахромы и других визуально определяемых следов его износа, менять на новый без всяких колебаний. Ослабление ремня или цепи привода ГРМ, проявляется в виде свистящих и гремящих звуков, а также определяется тактильно. Неполадки в головке блока цилиндров могут проявлять себя “пением сверчков” кулачкового привода клапанов. Полезно также следить за напором и характером выхлопных газов. Слегка прерывистый напор, с ритмичным чередованием усилений и ослаблений выхлопа, свидетельствует о нормальном рабочем цикле двигателя. Ослабленный и равномерный выхлоп, или “выстрелы” из выхлопной трубы, а также наличие в газах сажи, струйки топлива, и особенно — тосола, является показанием для вызова эвакуатора и скорейшего визита на СТО. Есть ряд ситуаций, когда допустима буксировка автомобиля или можно дотянуть до мастера своим ходом, но новичку не всегда просто определиться с предварительным диагнозом, поэтому лучше не рисковать. Деньги, уплаченные за эвакуацию — ничто, по сравнению с затратами на капитальный ремонт двигателя, или лечение “клина” в автоматических коробках передач.
Итак, мы рассказали и показали разные схемы двигателя в разрезе, надеемся, что информация была вам полезна. Здоровья вам и вашему автомобилю. Удачи на дорогах.
Источник https://wikers.ru/articles/ustrojstvo-dvigatelya.html
Источник https://kuzov-media.ru/articles/nachinayushchemu-masteru-na-zametku/stroenie-dvigatelya/
Источник