Virbactd.ru

Авто шины и диски
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части . Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ) .

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

В данной статье разберем устройство и теорию двигателей внутреннего сгорания, рассмотрим из чего они состоят и как работают. Вы найдете основные понятия и термины, описывается конструкция и работа двигателя.

  • по способу приготовления горючей смеси — с внешним смесеобразованием (карбюраторные, инжекторные, газовые двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели),
  • по роду применяемого топлива — бензиновые (работающие на бензине), газовые (на горючем газе) и дизели (работающие на дизельном топливе),
  • по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением,
  • расположению цилиндров — рядные и V-образные,
  • по способу воспламенения горючей (рабочей) смеси—с принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и инжекторные двигатели) или с самовоспламенением от сжатия (дизели).

Дизельные — это двигатели, работающие на дизельном топливе с воспламенением от сжатия. В дизельных двигателях смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением является система непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.

Газовые — это двигатели, которые работают на пропано-бутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом. По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от бензиновых и мы не будем их рассматривать. Однако, если вы переоборудовали свой автомобиль «на газ», то советую изучить статью Газобаллонное оборудование. Схема ГБО.

  • кривошипно-шатунный механизм,
  • газораспределительный механизм,
  • система питания (топливная),
  • система выпуска отработавших газов,
  • система зажигания,
  • система охлаждения,
  • система смазки.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

схема одноцилиндрового двигателя, как он работает

Для начала, возьмем простейший одноцилиндровый двигатель и разберемся с его устройством и работой. Рассмотрим протекающие в нем процессы, и выясним откуда все-таки берется тот самый крутящий момент, который в конечном итоге приходит на ведущие колеса автомобиля.

Одна из основных деталей двигателя — цилиндр 6, в котором находится поршень 7, соединенный через шатун 9 с коленчатым валом 12. При перемещении поршня в цилиндре вверх и вниз его прямолинейное движение шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик 10, который необходим для равномерности вращения вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой, в которой находятся впускной 5 и выпускной клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала 14 через передаточные детали 15. Распределительный вал приводится во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения.

Для нормальной работы двигателя в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Для уменьшения затрат работы 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.

Понятия и термины при работе двигателя

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — это крайнее верхнее положение поршня.

Нижняя мертвая точка (НМТ) — это крайнее нижнее положение поршня.

Ход поршня — это расстояние, пройденное от одной мертвой точки до другой. За один ход поршня коленчатый вал повернется на полоборота.

Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра — это пространство, освобождаемое поршнем при перемещение его из ВМТ в НМТ.

Рабочий объем двигателя — это сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя. При малых объемах (до 1 л.) его выражают в кубических сантиметрах, а при больших — в литрах.

Полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема.

Степень сжатия — это число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. В бензиновых двигателях степень сжатия бывает от 8 до 12, а в дизелях — от 14 до 18. Степень сжатия не стоит путать с компрессией, т.к. это два разных понятия.

Такт — процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх – вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения. У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке. За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз).

При постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре — в верхней (ВМТ) и нижней части (НМТ). В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя: а) впуск, б) сжатие, в) рабочий ход, г) выпуск.
Работа двигателя складывается из совокупности процессов, протекающих в цилиндрах двигателя с определённой последовательностью. Эти процессы называют рабочим циклом и состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Подробнее в статье Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя.

Рабочий цикл мотора

рабочие циклы двигателя

Как было сказано выше, цикл состоит из четырех тактов. Во время первого такта кулачок распредвала толкает впускной клапан, открывая его, поршень начинает двигаться из крайнего верхнего положения вниз. При этом в цилиндре создается разрежение, благодаря которому в цилиндр поступает готовая рабочая смесь, либо воздух, если двигатель внутреннего сгорания оснащен системой непосредственного впрыска топлива (в таком случае горючее смешивается с воздухом непосредственно в камере сгорания).

Поршень через шатун сообщает движение коленчатому валу, поворачивая его на 180 градусов к моменту достижения крайнего нижнего положения.

Во время второго такта – сжатия – впускной клапан (или клапаны) закрывается, поршень меняет направление движения на противоположное, сжимая и нагревая рабочую смесь или воздух. По окончанию такта, системой зажигания на свечу подается электрический разряд, и образуется искра, поджигающая сжатую топливно-воздушную смесь.

Принцип воспламенения горючего у дизельного ДВС иной: в завершении такта сжатия, через форсунку, в камеру сгорания впрыскивается мелкораспыленное дизтопливо, где оно смешивается с нагретым воздухом, и происходит самовоспламенение получившейся смеси. Необходимо отметить, что по этой причине степень сжатия дизеля намного выше.

камера двс

Коленвал тем временем повернулся еще на 180 градусов, сделав один полный оборот.

Третий такт именуется рабочим ходом. Образующиеся во время сгорания топлива газы, расширяясь, толкают поршень в крайнее нижнее положение. Поршень передает энергию коленвалу через шатун и поворачивает его еще на пол-оборота.

По достижении нижней мертвой точки начинается заключительный такт – выпуск. В начале данного такта кулачок распределительного вала толкает и открывает выпускной клапан, поршень движется вверх и выгоняет отработавшие газы из цилиндра.

v-образный двигатель

ДВС, устанавливаемые на современные автомобили, имеют не один цилиндр, а несколько. Для равномерной работы мотора в один и тот же момент времени в разных цилиндрах выполняются разные такты, и каждые пол-оборота коленвала как минимум в одном цилиндре происходит рабочий ход (исключение составляют 2- и 3-цилиндровые моторы). Благодаря этому удается избавиться от лишних вибраций, уравновешивая силы, действующие на коленвал и обеспечить ровную работу ДВС. Шатунные шейки расположены на валу под равными углами относительно друг друга.

Из соображений компактности многоцилиндровые моторы делают не рядными, а V-образными или оппозитными (визитная карточка фирмы Subaru). Это позволяет сэкономить немало пространства под капотом.

Первые попытки создания двигателя

Итак, первым кто задумался над созданием двигателя внутреннего сгорания, был изобретатель Лебон. Воспользовавшись свойствами светильного газа, который при смешивании с воздухом взрывался и выделял огромное количество тепла, он создал двигатель способный конвертировать эту энергию на нужды человека. Его двигатель представлял собой механизм из камеры и двух компрессоров. В одном компрессоре находился светильный газ, а в другом – воздух. При их смешивании возникало воспламенение, которое и позволяло двигателю работать. Однако изобретателю так и не удалось реализовать свою задумку, так как в 1804 году он погиб.

Следующие годы были безуспешными для других исследователей старавшихся создать двигатель, однако бельгийский механик Ленуар решил попытать счастья и создать механизм, в котором смесь топлива и воздуха будет воспламеняться при помощи искры.

Прошли годы, однако, несмотря на затруднения и неудачи ему все-таки удалось воплотить задуманное в жизнь и к 1864 году мир увидели более трехсот двигателей различной мощности. Однако существенно заработав, Ленуар прекратил усовершенствование изобретения, чем и поплатился, ведь другому изобретателю удалось создать двигатель лучше предыдущего.

Новая ступень в создании двигателя

Итак, в 1865 году патент на создание газового двигателя получил немецкий изобретатель Август Отто, который сделал небольшой шаг назад и создал менее прогрессивный, но более экономичный аналог двигателя Ленуара, что позволило ему захватить рынок и существенно заработать.

Однако в отличие от предшественника он не остановился на этом и, получив в 1877 году патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом – создал его. Но выяснилась, что такую же модель ранние разработал французский инженер Бо деРоша, который отсудил права на изобретение у Отто.

Несмотря на это налаженное производство двигателей Отто позволило ему удержаться на ринке и даже захватить его существенную долю. Спрос возрастал, а вот потребность в светличном газе оказывалась все менее обеспеченной, что привело к необходимости поиска нового вида горючего, которое можно было бы распылить и воспламенить. И таким, в ходе исследований американца Брайтона изначально стал керосин, однако из-за высокой массы затрудняющей испарение он был заменен на бензин.

Прорыв в создании двигателя

Создание двигателяС использованием бензина была достигнута необходимая конкурентоспособность двигателя, однако одним из немаловажных моментов оставалось обеспечение испарения этого самого бензина в воздушной смеси для достижения эффекта возгорания.

Брайтоном было достигнуто такого эффекта благодаря использованию так званого «испарительного» карбюратора, однако работа его была неудовлетворительной. И исследования продолжались дальше.

В 1880 году изобретателем Костовичем был создан первый работоспособный прототип бензинового двигателя, однако о его разработке мало кому известно.

В это же время в Европе разработкой бензинового двигателя занимался сотрудник компании Отто по имени Готлиб Даймлер. Однако представленная им разработка не была по достоинству оценена его руководством, и прототип бензинового двигателя так и дальше остался бы лишь прототипом, если бы Готлиб не был так уверен в его дееспособности на транспорте.

Решившись на отчаянный шаг, Даймлер вместе с напарником из фирмы Отто Майбахом оставляют компанию и, купив небольшую мастерскую неподалеку от Штутгарта, начинают работу над проектом.

Основной задачей для них становится создание легкого, и компактного двигателя способного перемещать экипаж. Увеличение мощности разработчиками планировалось за счет более частого вращения вала, однако чтобы достигнуть этого, им необходимо было обеспечить постоянный источник воспламенения. И им это удалось, в 1883 году они создают первый калильный бензиновый двигатель, в котором вещество воспламеняется благодаря раскаленной трубочке, вставленной в цилиндр.

Настоящим прорывом для использования бензиновых двигателей стало изобретение карбюратора, создателем которого был венгерский инженер Донат Банки. Двигатель фотоИменно он придумал не испарять бензин, а лишь распылять его в воздухе, благодаря чему он равномерно распределялся по цилиндру, а его испарение было обусловлено действием сжатого тепла.

Распыление бензина обеспечивалось проходящим потоком воздуха, через дозирующий жиклер, который представлял собой трубку с несколькими отверстиями расположенной перпендикулярно. Равномерность достигалась благодаря поддержанию постоянного уровня бензина внутри карбюратора.

Именно эти двигатели стали первыми, и их мощность достигалась благодаря увеличению цилиндра, однако в конце девятнадцатого века для увеличения мощности начали просто увеличивать количество цилиндров.

Классификация двигателей ВС

Со времен первой разработки и до наших дней производятся поршневые и роторно-поршневые ДВС (Ванкеля).

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Рабочая камера сгорания в поршневых моторах располагается внутри цилиндра, между поверхностью плоскости ГБЦ (головки блока цилиндров) и днищем поршня, когда тот находится в верхней мертвой точке (максимальный подъем поршня).

Тепловая энергия образуется при помощи КШМ (кривошипно-шатунного механизма), обеспечивающий возвратно-поступательные движения. Полученная энергия в результате воспламенения смеси давит на поршень, передавая энергию на коленчатый вал.

Принцип двигателя внутреннего сгорания

Поршневые моторы существуют в трех вариациях:

Бензиновый карбюраторный автомобильный двигатель. Посредством карбюрации, топливно-воздушная смесь образуется вне камеры сгорания (внешнее смесеобразование), а готовится в карбюраторе. Смесь воспламеняется от свечи зажигания.

Бензиновый инжектор. смесеобразование происходит внутри камеры сгорания. Топливо подается электронно-управляемыми форсунками, которые могут быть установлены на конце впускного коллектора, либо вмонтированы в ГБЦ. Управляет и корректирует работу всего мотора ЭБУ (электронный блок управления двигателем).

Дизельный двигатель. Воспламенение дизельного топлива происходит без участия свечи зажигания, а посредством сжатия воздуха, в результате чего температура воздуха превышает температуру горения. Впрыск топлива осуществляется форсунками, а за впрыск под давлением отвечает ТНВД (топливный насос высокого давления).

Роторный двигатель внутреннего сгорания

Роторно-поршневой автомобильный двигатель работает следующим образом: рабочая камера двигателя овальной формы, внутри которой движется треугольный ротор, двигающиеся по планетарной траектории вокруг своей оси.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Ротор берет на себя функцию поршня, КШМ и ГРМ (газораспределительного механизма). В камере есть 4 отсека, в каждом их которых происходит такт:

  1. впуска,
  2. сжатия,
  3. рабочего хода,
  4. выпуска.

Роторно-поршневые двигатели имеет высокий КПД относительно поршневого, так как потери на трения у первого значительно меньше, но максимальный ресурс ротора не превышает 100 000 км.

Историческая справка

На самом деле, двигатель внутреннего сгорания — это не инновационная находка в техническом мире, и его строение известно давно. Тем не менее, в первых ДВС ресурс был крайне невелик. История создания подобных агрегатов берет начало более двух столетий назад, когда эра паровых машин достигла своего расцвета, но пытливые умы ученых пытались изобрести более совершенные, экономичные и надежные конструкции, работающие на альтернативном топливе.

Renault Laguna 2003

История создания первого прообраза двигателя датируется французом Филиппом Лебоном, который незадолго до этого момента изобрел так называемый светильный газ и пытался найти ему практическое применение.

Таким образом, было установлено, что при горении газ расширяется в несколько раз, выделяя при этом немалое количество энергии и увеличивая свою температуру, и у такого ДВС ресурс стал несколько выше. Кроме того, такой газ горел крайне медленно, что позволило сделать вывод об экономичности его расхода.

Из чего состоял подобный двигатель авто, и в чем особенности его строения? В его основе лежали два компрессора, имеющих высокую рабочую температуру. Первый из них подавал в камеру сгорания воздух, а второй — газ. В результате смешения получалась некая смесь, которая была способна гореть и двигать поршень вверх или вниз.

История создания первого прообраза составляющих шатунного механизма, превращающего поступательное движение во вращательное, содержит в себе имя Жана Этьена Ленуара, который произвел собственное исследование и выяснил, из чего должен состоять двигатель, имеющий достаточную надежность, долговечность и совершенство конструкции.

Также история создания идеи современного типа розжига смеси принадлежит имени Ленуара. Так, он впервые предположил, что воспламенять смесь при помощи открытого огня неразумно. Также Ленуар выяснил, что поршень быстро разогревается, расширяется и застревает в цилиндре, из чего можно было сделать вывод, что детали нуждаются в постоянном охлаждении. Так была реализована система жидкостного охлаждения, хоть и далекая от техники, выпускаемой на сегодняшний день и имеющая чрезмерно большой вес и низкую эффективность по уменьшению температуры.

Кроме того, для предотвращения усиленного трения и уменьшения рабочей температуры, учеными была изобретена система смазки, которая позволяла поршню нагреваться меньше, и, таким образом, работать долгое время, не выводя из строя составляющие ДВС.

Дальнейшая история создания такого агрегата, как ДВС, связана с фамилией Отто. Он отметил, что важнее всего при проектировании ДВС — ресурс и его долговечность, и предпринял попытку его доработки. На первый взгляд, такой мотор казался менее совершенным, чем модель Ленуара, однако на деле оказалось, что новая модель обладает меньшим весом и лучшими характеристиками.

Стоит отметить, что здесь впервые было применено некое подобие шатунного механизма. Так, поршень был жестко привязан к рейке, которая соединяла его с валом. Вал вращался и приводил в действие набор шестерен.

После этого предпринимались неоднократные попытки перейти к более совершенному источнику топлива, который имел бы меньший удельный вес, и уменьшить рабочую температуру конструкции. В 1872 году некий Брайтон решил перейти на двигатели внутреннего сгорания с керосином, чтобы проверить свою теорию.

Эксперимент не оказался успешным, из чего был сделан вывод о том, что топливо, которое заливается в двигатели внутреннего сгорания, необходимо искать дальше. Так оказалось, что бензин, обладающий меньшим удельным весом, что является несомненным его преимуществом, и есть самый подходящий источник энергии.

Главная характеристика ДВС — ресурс всех его элементов. В связи с этим, общую доработку существовавшей конструкции произвели Даймлер и Майбах в 1880 году, из чего можно сделать вывод, что такая модель является наиболее приближенной к той, что применятся на современных двигателях внутреннего сгорания. Так, появился карбюратор жиклерного типа, который обладает меньшим весом, чем генератор, и, благодаря небольшим размерам, имеет более удачное расположение.

Двигатель Рено 2.0l

Принцип работы ДВС

Известен не один вид двигателя внутреннего сгорания. Двигатели отличаются друг от друга:

  1. Числом цилиндров.
  2. Мощностью измеряемой в условном значении – лошадиных силах.
  3. Скоростью вращения.
  4. По типу топливу, которое используется (дизельные, бензиновые, газовые).

Самый простой — это двигатель, в котором цилиндры расположены в ряд. Такое расположение в один ряд составляет какой-либо рабочий объем. Таким было изготовление двигателя внутреннего сгорания в предшествующие времена, в настоящий момент производители стремятся к компактности и уже отошли от этой схемы.

Более распространенной на данный момент является конструкция V-образного двигателя внутреннего сгорания. Это предполагает расположение цилиндров под углом в 180 градусов по отношению один к другому. В некоторых двигателях внутреннего сгорания, изготовленных на таком принципе, цилиндров может насчитываться от шести до двенадцати и даже больше. При таком количестве цилиндров расположение их в линию привело бы к слишком большой длине. При V-образном двигателе длина значительно сокращается.

Несмотря на то, что ДВС в настоящее время состоит из множества деталей и элементов, принципы работы двигателя внутреннего сгорания не являются сложными. Поршни в ДВС работают по циклам, которых может быть до нескольких сотен в минуту. За время одного хода поршня совершается такт. Цикл является суммой тактов, которые идут в определенной последовательности. Рабочий цикл характеризуется повторяющимися последовательными действиями, которые происходят в каждом из цилиндров двигателя.

По количеству тактов выделяются двухтактные и четырехтактные рабочие циклы ДВС. Количество тактов означает движение вверх и вниз. Если четырехтактный мотор, значит, совершается два движения вверх и два вниз.

Независимо от количества тактов рабочий процесс всегда идет по одной схеме: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск. Двигатели отличаются друг от друга количеством движений и выделением количества тепловой энергии. Современная техника оснащается четырехтактными ДВС. Такие двигатели действуют по схеме впуск, выпуск горючей смеси и потом выхлопных газов. Все это происходит в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещается со сжатием и расширением. В четырехтактном ДВС впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления выхлопных газов.

двигатели

Наличие таких разных двигателей позволяет варьировать их применение в разнообразной технике. От того, как работает двигатель внутреннего сгорания, зависит техническая характеристика транспортного средства.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Какая тормозная жидкость залита в Hyundai Solaris?
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector