Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Традиционно тип двигателя автомобиля современного авто, работающего на жидком топливе, дифференцируют по виду потребляемого горючего: бензин или дизель.

Кроме простых, однотопливных силовых установок, еще есть версии с ГБО, в ходе работы, переключающиеся между потреблением бензина и сжиженного газа, а также гибридные – где относительно маленький ДВС приводит в действие мощный электрический генератор, вращающий колеса.

Кроме привычных нам моторов с рядным, двухрядным (поперечным или продольным), оппозитным, L‐ или V‐образным расположением цилиндров, существуют ДВС вообще без цилиндров, и даже без обычного коленвала. Разберем, что такое тип двигателя, по какому принципу проводится различие и почему часто происходит путаница в типах, классах и названиях.

Конструкция автомобильных двигателей внутреннего сгорания, их компоновка, и сами составляющие – диктуются принципом, по которому они извлекают тепловую энергию сжигания топлива и трансформируют ее в крутящий момент, передаваемый трансмиссии. Как уже было сказано, есть два основных типа двигателей: бензиновый и дизельный, работающие по известным многим термодинамическим циклам: Отто, и (как не странно – не Дизеля) — Тринклера‐Сабатэ.

Первый цикл подразумевает подвод к камере сгорания независимого источника воспламенения топливной смеси (искры), второй — нет. Существенное отличие между этими типами моторов — наличие системы зажигания. Бензиновый — оборудован управляемым искровым зажиганием, а дизельный — не требует никакого дополнительного оборудования. Топливо в нем загорается само, достигая высокой температуры от резкого сжатия под большим давлением.

Кроме одноименного горючего, «бензиновый» мотор может работать на сжиженном газе, спирте, высокооктановой смеси спиртов и бензина, смеси бензина и закиси азота.

Дизельный двигатель – на менее калорийный, кроме солярки, может работать на рапсовом или даже подсолнечном масле, смеси мазута с керосином, разных продуктах нефтеперегонки, вплоть до сырой нефти (в теории, на современных авто – не применяется).

Рядный, V-образный, VR-образный, U-образный, поперечный, продольный, роторный, «звезда» и еще с десяток наименований – это не «тип», а конфигурация, компоновка частей поршневого ДВС, относящегося к бензиновым (газовым), или дизельным.

Разделение по количеству цилиндров и их расположению часто называют «архитектурой».

Сейчас конфигурацией пользуются как основным критерием, потому, что самое массовое применение в мировом автопроме имеют поршневые движки с возвратно‐поступательным принципом работы, включающие привычный набор: цилиндр‐головка‐поршень‐шатун‐коленвал. Исключение — РПД, но о них поговорим отдельно.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Другие критерии, по которым двигатели можно классифицировать:

  • Тактность — 2Т, 4Т.
  • Способ смесеобразования — карбюраторные, инжекторные, впрысковые.
  • Рабочий объем (куб. см).
  • Тип ГРМ — клапанный, поршневой, золотниковый.
  • Количество клапанов на цилиндр.
  • Система охлаждения — воздушное, воздушно‐масляное, жидкостное.
  • Наличие и количество распредвалов — одновальный, двухвальный.
  • Наличие или отсутствие принудительной подачи воздуха — турбированные или атмосферные.
  • Конструкция привода ГРМ — ременной, цепной, штанговый, шестеренчатый.
  • Расположение относительно оси движения машины — продольное, или поперечное.

Во всех поршневых ДВС обязательно есть: камера сгорания, поршень, цилиндр (или заменяющий его объем, в котором поршень перемещается) и вал передачи крутящего момента, который вырабатывается этим смещением поршня.

Какой формы будет этот вал – коленчатый (как в большинстве моторов авто), аксиальный, или просто центральный ротор, а также количество, форма, расположение цилиндров, схема системы газораспределения и питания — все это определяется механическим принципом, который человек сконструировавший этот двигатель, взял за основу.

Виды двигателей внутреннего сгорания по принципу работы:

  • Возвратно‐поступательные — в которых линейные движения поршня в цилиндре кривошипный механизм трансформирует во вращение коленвала.
  • Роторные – где камера сгорания подвижна, и давление сгорающего топлива сразу же придает эксцентриковому валу (ротору) вращательное движение.
  • Аксиальные — где, вместо коленвала, нижняя шейка шатунов интегрирована в качающуюся звездообразную шайбу, за счет эксцентрика раскручивающую центральный вал.
  • Свободнопоршневые (прототипы) – в которых два оппозитно направленных поршня, с отдельной для каждого камерой сгорания, закреплены на одном штоке. Вращение тут исключено в принципе, и работа составляет только осевое (вправо-влево) перемещение штока, являющегося якорем электрогенератора.

Большинство силовых установок на современных машинах относятся к четырехтактным. Двухтактные можно встретить намного реже.

В двухтактниках – рабочий цикл (все 4 фазы – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) приходится на всего два хода поршня между ВМТ и НМТ (верхней и нижней мертвой точкой), на один оборот коленвала.

В четырехтактниках – движение происходит на каждый этап, 4 раза (вниз-вверх, вниз-вверх), 2 оборота «колена».

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Двухтактный цикл позволяет сделать двигатель менее оборотистым и в 1,5 раза более мощным, чем такой же по объему четырехтактный, но ценой экономичности (от 15 до 30%) и большей токсичности выхлопа из-за необходимости добавлять масло непосредственно в горючее.

В четырехтактном – сгорание смеси происходит более полно, исключая потери части топливной смеси, вылетающей в выпускной тракт, однако, большой процент выдаваемого крутящего момента уходит на компенсацию тепловых и мощностных потерь от вдвое большего количества ходов поршня (и необходимости тормозить-разгонять значимую массу в ЦПГ).

В итоге «экологичность» и экономичность, все же, «победили», и бензиновые двухтактники (к тому же, требовавшие более интенсивного теплоотвода) в массовом производстве силовых установок для легковушек и грузовиков уступили место четырехтактникам. А вот в танкостроении и авиации, где с потерями масла и экономичностью считаться не принято, наоборот – двигатель 2Т типа «прижился» хорошо.

Все знают, что двух и четырехтактными бывают бензиновые моторы, а четырехтактными – дизели, но не все знают, что на самом деле двухтактный дизель тоже существует.

Разработанный больше 120 лет назад, он спроектирован по схеме встречного движения двух поршней в одном цилиндре. Их верхушки в ВМТ создают одну общую камеру сгорания, воспламенение смеси – тоже «одно на двоих».

Двигаясь в противоположных направлениях, поршни толкают каждый свой коленвал, тем самым компенсируя вибрации друг друга.

Интересно, что подобная схема допускает создание как дизельного, так и бензинового мотора: бензиновый вариант такого «оппозита» раньше устанавливался на немецкие самолеты Юнкерс, а сегодня – усовершенствованный вариант двухтактного дизеля применяется в тепловозах серий ТЭ3 и ТЭ10, в танках (движки 5ТДФ и 6ТД), на малых судах.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Чтобы поджечь топливовоздушную смесь (не важно, газ это, или жидкость) эти ДВС генерируют высоковольтный искровой разряд от внешнего электрооборудования.

Схематически: ток от генератора через прерыватель идет к каждому цилиндру, повышается на его катушке, пробивает зазор между электродами свечи, поджигает смесь, уходя на массу (корпус).

Для питания такой системы горючим применяют простую, но более архаичную и неэкономичную — карбюраторную схему, либо усовершенствованную — инжекторную систему подачи топлива.

Топливовоздушная смесь готовится для него в отдельном устройстве, на входе во впускной канал (каждого цилиндра индивидуально, или общего впускного коллектора для нескольких).

Упрощенно, карбюратор – это закрытый «стакан» с соломинкой, верхушка которой торчит во впускном тракте, на пути потока, который разрежением «высасывает» бензин из этого стакана.

Количество топлива – регулируется величиной отверстия (жиклера) внутри этой «соломинки», а постоянный уровень в «стакане» (поддоне) поддерживается бензонасосом. Общий объем бензовоздушной смеси – регулируется поворотом воздушной заслонки – дросселя (педалью газа).

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Объем поступающего воздуха и качество смеси в инжекторных ДВС регулируется отдельно: за воздух – так же отвечает дроссель, за топливо – «мозги» (ЭБУ), дающие форсунке команду на впрыск.

Соответственно размещению топливных форсунок, инжекторы делятся на три типа:

  • Центрального – выходящие соплом во впускной коллектор (устаревший).
  • Распределенного — индивидуальная форсунка на каждый впускной клапан.
  • Непосредственного — сопло форсунки выходит прямо в камеру сгорания.

В двух последних типах – предварительное одинаковое рабочее давление «форсункам» обеспечивает единая топливная рейка (она же – рампа).

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Система подачи топлива в этих ДВС сходна с распределенным впрыском на инжекторах, только с поправкой на большую, по сравнению с бензиновыми движками, степень сжатия. Ее характеристики для бензинового, в среднем, составляют от 7 до 10 единиц, для дизеля – от 11 до 20 (26 у супертурбо) единиц.

Давления порядка 40–50 бар — хватает на то, чтобы разогреть воздух в камере сгорания до 800–900 оС, поэтому впрыскиваемое в этот момент топливо сгорает, даже если оно недостаточно однородно распылено, из-за чего движки, работающие на солярке, по сравнению с другими, выдают процентов на 10–12 больший КПД, и демонстрируют до 40% экономии топлива. Естественно, для реализации таких характеристик нужен значительный запас прочности, поэтому детали ЦПГ и коленвала дизеля всегда будут массивнее, толще, тяжелее, чем у бензинового мотора внутреннего сгорания того же объема и конфигурации.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Это еще более экономичная (до 60% экономии топлива) версия типового мотора, потребляющего солярку. Правда не в качестве основного топлива, а в качестве инициирующей «запальной» порции, перед впрыском основной — сжиженного природного газа.

Читайте также:  Почему не поступает бензин в двигатель: основные причины

Конфигурацией агрегатов — не отличается от дизеля, применяется в тяжелой дорожной, или стационарной технике. Газодизели получаются из простого серийного мотора, путем установки специальной версии ГБО.

За исключением редких концептов, вроде свободнопоршневых, это обычные бензиновые движки (дизельные – в этом плане практически не применяются), которые лишены привычной коробки передач и «крутят», в основном, электрогенератор, питающий емкую аккумуляторную батарею.

Аккумулятор, в свою очередь, питает большой, тяговый электродвигатель, сообщающий крутящий момент на колеса. В зависимости от нагрузки и уровня заряда батареи, обычный мотор — отключается, либо подключается автоматикой к общей трансмиссии машины, через вариатор.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

В конструкции современных автомобилей обычно применяются силовые установки с числом цилиндров от двух и больше.

При том же объеме, двухцилиндровый мотор выдаст больший крутящий момент, чем одноцилиндровый, а четырехцилиндровый – соответственно, больше, чем двух.

Однако «умножать» их количество можно только до какого‐то разумного предела: при всей эффективности, нужно соблюсти компактность, обеспечить цилиндрам равно хорошую смазку, подачу горючего и охлаждение.

В погоне за идеалом, конструкторы «разродились» несколькими схемами взаимной компоновки цилиндропоршневой группы и кривошипно‐шатунного механизма. Самые распространенные виды — рядная и V‐образная схема.

Рядный тип – это когда шатуны нескольких цилиндров (2-3-4-5-6 шт.) смонтированы на одном продольном коленчатом валу, каждый на отдельной «шейке», цилиндры идут в едином блоке, параллельно друг другу. Наиболее популярны 4 и 6‐цилиндровые версии.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

У V-образных движков, цилиндры которых расположены в два ряда, под взаимным углом 60, 90, либо 45 (мотоциклетные) градусов — на одной коренной шейке могут монтироваться по два шатуна одновременно. Самые надежные и сбалансированные — версии V6 и V8.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Оппозитный вариант компоновки бывает двух видов: сходный с V-образным, но с развалом цилиндров 180 градусов и стыковкой шатунов на единой шейке, с последовательным поочередным выходом в ВМТ. Либо – с индивидуальными «коленами» для каждого из них, находящихся в противофазе: одновременно выходящих на ВМТ.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

U-образный тип компоновки подразумевает параллельное «сращивание» двух рядных моторов со взаимно независимыми кривошипными механизмами, вращающимися в противоположном направлении и рядами блоков. Преимущества – те же, что у «рядников», плюс компенсация инерционных вибраций.

U‐образный двигатель Бугатти

VR двигатель – очень старый (20 годов ХХ века) вариант V-образной компоновки с единым «коленом» и развалом цилиндров менее 20 градусов. Рядно‐смещенная схема позволяет сделать ДВС очень компактным при большой кубатуре.

VR двигатель в разрезе

W-двигатель – наиболее монструозный вариант с тремя, или четырьмя рядами цилиндров, взаимно «разваленных» под углом от 50 до 30 градусов, шатуны которых посажены на единый коленвал. Преимущественно 12‐цилиндровый, формой напоминающий одноименную букву, движок выдавал бешеный крутящий момент. Применялся в основном на спорткарах.

W‐образный двигатель в разрезе

Не укладывающиеся в привычные нам рамки автомобильных моторов, но, тем не менее, успешно реализованные в серийном или мелкосерийном производстве: роторно-поршневые (они же РПД, RCV, или Двигатель Ванкеля) имеют равное число серьезных недостатков и достоинств, перекрывающих их в глазах преданных фанатов.

Все японские автомобильные концерны имеют лицензию на производство РПД еще с 50-х годов прошлого века, но только одному удалось довести до «серии» этот прожорливый, перегревающийся, неремонтопригодный движок с крайне малым ресурсом (от 30 до 150 т. км пробега). Кроме Мазды, в 70–80 годы такой тип мотора применялся в отдельных моделях Ситроенов, Шевроле, Мерседесов, и даже некоторых ВАЗах (спецтранспорт для ГАИ и милиции).

Роторно‐поршневой двигатель Мазда

Принцип работы РПД похож на вращение якоря в обмотке электродвигателя, с той разницей, что большой треугольный эксцентрик его «ротора» внутри корпуса «статора» «толкает» не ток, а энергия теплового расширения сгорающей бензо‐масло‐воздушной смеси.

Каждая плоскость ротора имеет углубление, служащее камерой сгорания, каждый торец — снабжен уплотнением, работающим как поршневое кольцо.

Захватив порцию смеси, они последовательно продвигают ее по кругу, за один оборот проходя все 4 такта рабочего цикла.

Принцип настолько же прост, насколько эффективен: мощность, выдаваемая одним (нетурбированным!) блоком объемом 1.3 л достигала 230–250 л с. При необходимости, блоки можно набирать последовательно насаживая на единый вал, и получая соответствующий прирост мощности.

Роторно-поршневой двигатель лишен вибраций, фантастически компактен, имеет высокий КПД, поэтому, несмотря на склонность к перегреву, сложность в изготовлении и малый ресурс, все еще совершенствуется.

Японским конструкторам удалось подвести «токсичность» Rotary Engine к нормам Евро-4, а впереди – планы по переводу его на «чистое» топливо — водород.

Двигатели внутреннего сгорания. Классификация, основные типовые конструкции

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — наиболее распростра­ненный тип тепловых двигателей, в которых процессы получения тепловой энергии и преобразования ее в механическую работу про­странственно совмещены.

Достигается это совмещение благодаря тому, что получение теплоты от сжигания топлива осуществляется в полостях с ограниченным объемом, в результате чего расширяю­щиеся продукты сгорания создают избыточное давление.

Такое давление реализуется в виде механической работы, затрачиваемой на перемещение поршней, турбинных лопаток или вытекающей струи газа. В соответствии с типом элемента, перемещаемого дав­лением газа, различают поршневые, турбинные и реактивные дви­гатели.

Благодаря компактности, высокой экономичности и надежнос­ти поршневые ДВС получили наиболее широкое применение в раз­личных отраслях промышленности, строительства и пр. Класси­фикация поршневых ДВС показана на рис. 1.

Процесс преобразования тепловой энергии в механическую ра­боту поршневыми двигателями осуществляется циклически.

Рабочим циклом называют совокупность последовательно про­текающих в цилиндре двигателя термодинамических процессов, в результате совершения которых происходит однократное преобра­зование тепловой энергии, выделенной при сжигании порции топ­лива в цилиндре двигателя, в механическую работу по перемеще­нию поршня.

Рабочий цикл состоит из следующих процессов: за­полнения цилиндра воздухом или приготовленной в карбюраторе горючей смесью, сжатия воздуха или горючей смеси, подачи и распыливания топлива в дизелях (смесеобразование), воспламенения, сгорания и тепловыделения, расширения продуктов сгорания и вы­пуска отработавших газов.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания
Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Рис. 1. Общая классификация двигателей внутреннего сгорания.

Поршень в цилиндре двигателя совершает возвратно-поступа­тельные движения между определенными (фиксированными) по­ложениями, которые называются соответственно внутренней и наружной мертвыми точками (ВМТ и НМТ).

Перемещение поршня между мертвыми точками в одном направлении называют ходом поршня, а часть цикла, совершаемую при движении поршня между мертвыми точками, — тактом. Название такта дается по основному процессу, протекающему при ходе поршня.

При перемещении поршня объем внутренней полости цилиндра меняется.

  • Характерными объемами при этом принимаются следующие:
  • — объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ, называемый объемом пространства сжатия и обозначаемый Vc;
  • — объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в НМТ, называемый полным объемом цилиндра и обозначаемый Vt;
  • — объем, описываемый поршнем между мертвыми точками, кото­рый называется рабочими объемом цилиндра и обозначается Vs.
  • Отношение полного объема цилиндра к объему пространства сжатия называют степенью сжатия, ее обозначают е и находят по формуле

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем цилиндра над поршнем, т. е. сжимается заряд в цилиндре при перемещении поршня из НМТ в ВМТ.

Рабочий цикл в ДВС может совершаться за два или четыре хода поршня. В соответствии с этим двигатели называют двух­тактными и четырехтактными.

  1. В зависимости от способа приготовления горючей смеси, полу­чаемой при смешивании топлива с воздухом, различают двигатели с внутренним смесеобразованием — дизельные и внешним — кар­бюраторные двигатели.
  2. По способу воспламенения рабочей смеси, состоящей из топлива и воздуха, ДВС делят на основные группы: с принудительным воспламенением от постороннего источника (двигатели карбюра­торные и газовые); с воспламенением от сжатия (дизели).
  3. Карбюраторные двигатели работают на легком жидком топли­ве (бензине), дизели — на тяжелом жидком топливе (дизельном топливе и других фракциях нефти).

В карбюраторных двигателях горючая смесь образуется вне ци­линдра. В цилиндры поступает готовая смесь (пары бензина с воз­духом), которая во время такта сжатия сжимается в 6-9 раз и затем поджигается электрической искрой.

Дизели работают по иному принципу, чем карбюраторный дви­гатель: в цилиндры поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который сжимается в 12-20 раз. При таком сжатии давление в камере сжатия повышается, а сам воздух при этом нагревается.

В сжатый и нагретый воздух через специальную форсунку впрыс­кивается дизельное топливо, которое распыляется на мельчайшие капельки и частично испаряется, образуя с воздухом горючую смесь.

Эта смесь воспламеняется от нагретого при сжатии воздуха без какого-либо постороннего зажигания и сгорает.

Количественные соотношения топлива и воздуха (топливо и воздух образуют горючую смесь) определяются окислительно-вос­становительными реакциями, протекающими между химическими элементами топлива и кислородом воздуха.

Читайте также:  Купить зернодробилку зубр

В большем количестве воздуха можно сжечь большее количество топлива и, следова­тельно, получить большее количество теплоты и механической ра­боты, поэтому в дизельных двигателях для повышения мощности при неизменных геометрических параметрах цилиндров может ис­пользоваться наддув, т. е. подача воздуха под давлением.

Поршневой ДВС состоит из группы неподвижных и подвижных узлов и ряда обслуживающих систем. Принципиальные схемы од­ноцилиндрового четырехтактного дизеля с наддувом и двухтактного дизеля показаны на рис. 2, 3 и 4.

К основным неподвижным узлам относятся фундаментная рама с подшипниками коленчатого вала, на которую устанавливаются станина и втулки цилиндров. Сверху цилиндры закрываются крыш­ками. Двигатели с помощью лап монтируются на подмоторной раме 13 (см. рис. 2, а).

Втулки цилиндров устанавливаются, как правило, в едином блоке, называемом блоком цилиндров 5, и закрывается единой для всего ряда цилиндров крышкой, которую называют головкой блока цилиндров 11.

К главным подвижным деталям ДВС относятся поршень 7, шатун 3 и коленчатый вал 2.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания
Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Рис. 2. Двигатель внутреннего сго­рания (дизель):

  • а — принципиальная схема двигате­ля:
  • 1 — нижний картер (поддон); 2 — коленчатый вал; 3 — шатун; 4 — верхний картер; 5 — блок цилиндров; 6 — нагнетатель (наддувочный аг­регат); 7 — поршень; 8 — впускной клапан; 9 -форсунка; 10 — выпускной клапан; 11 -голов­ка блока цилиндров; 12 — топливный насос высокого давления; 13 — подмоторная рама;
  • б — индикаторная диаграмма Р — V; в — диаграмма фаз газораспределения:
  • φ0 — угол опережения открытия впускного кла­пана; φз — угол запаздывания закрытия впуск­ного клапана; φв — угол опережения открытия выпускного клапана; φк — угол запаздывания закрытия выпускного клапана; φт — угол опе­режения впрыска топлива; φ0+φк — угол пере­крытия клапанов;
  • г — схема работы четырехтактного дизеля

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Рис. 3. Схема работы двухтактного дизеля со встречно-движущимися поршнями и прямоточно-щелевой продувкой:

1,6 — верхний и нижний поршни; 2 — продувочные окна; 3 — форсунки; 4 — камера сгорания; 5 — выхлопные окна

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Рис. 4. Двухтактный дизель с П-образной поперечной продув­кой: а — схема работы двухтактного дизеля; б — диаграмма фаз газораспределения; в — индикаторная диаграмма: zут — рас­ширение; тп — свободный выпуск; паа' — продувка; а'а» — на­полнение; а»с — cжатие; czy — горение; х — начало впрыска топлива; у -окончание подачи топлива в камеру сгорания

  1. Каждый ДВС имеет следующие системы:
  2. — систему газообмена, управляющую органами наполнения цилиндров свежим зарядом воздуха и очистки его от отработавших газов;
  3. — топливную систему, служащую для подачи и подготовки топлива к сгоранию в цилиндре;
  4. — систему смазывания;
  5. — систему охлаждения;
  6. — систему пуска;
  7. — систему управления;
  8. — систему регулирования.

Современные ДВС оснащаются также дополнительными системами и устройствами, которые улучшают мощностные и другие показатели. К ним относят системы наддува, предпускового подо­грева и автоматики, шумо- и виброгасящие устройства, гасители крутильных колебаний на коленчатом валу и т. п.

К основным параметрам дизелей относят номинальную мощ­ность, число цилиндров, тактность, диаметр цилиндра, ход поршня, степень сжатия, массогабаритные размеры и др.

Рассмотрим принцип работы четырехтактного ди­зеля с наддувом (см. рис. 2, г), у которого один рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня, соответствующих двум оборотам коленчатого вала.

Первый такт — такт впуска свежего воздуха — происходит при перемещении поршня от ВМТ к НМТ. Впускной клапан 8 открыт, а выпускной 10 — закрыт. С началом движения поршня от ВМТ к НМТ объем рабочего пространства цилиндра 5 увеличи­вается, а давление в нем уменьшается и становится меньше атмос­ферного в дизелях без наддува (нагнетатель 6 отсутствует).

При наличии наддува воздух поступает в цилиндр под давлением, со­здаваемым компрессором (наддувочным агрегатом). При отсут­ствии наддува свежий заряд воздуха поступает в цилиндр за счет разрежения.

Для достижения максимального наполнения цилинд­ра впускной клапан открывается несколько раньше, в точке г с определенным углом опережения, равным 15-35° угла поворота коленчатого вала до ВМТ, и закрывается в точке а с некоторым углом запаздывания φз, равным 10-30° поворота вала после НМТ (см. рис. 2, в).

Второй такт — такт сжатия — начинается при обратном ходе поршня НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. В цилиндре образуется замкнутое пространство, объем которого при движении к ВМТ уменьшается.

За счет уменьшения объема происходит сжа­тие свежего заряда воздуха, в результате чего повышаются его давление до 3-4 МПа и температура — до 600-700 °С, которая становится достаточной для самовоспламенения впрыскиваемого топлива.

При подходе поршня к ВМТ в цилиндр впрыскивается мелко распыленное топливо с некоторым опережением φт, равным 10-30° угла поворота коленчатого вала до ВМТ, для образования однород­ной смеси и ее воспламенения вблизи ВМТ.

Третий такт — такт расширения, при котором топливо сгорает и происходит резкое повышение давления и температуры рабочего тела. Максимальное давление при сгорании топлива у малооборот­ных дизелей 5-7 МПа, у средне- и высокооборотных 6-12 МПа, у дизелей с наддувом 10-15 МПа. Температура газа в конце сго­рания топлива тем выше, чем больше давление, и колеблется в пределах 1600-2000 °С.

Высокое давление при расширении рабочего тела вызывает дви­жения поршня от ВМТ к НМТ, в результате чего совершается полезная работа.

Четвертый такт — такт выпуска, при котором в конце рабоче­го хода до прихода поршня в НМТ открывается выпускной кла­пан 10 и начинается процесс свободного выпуска газов из цилинд­ра в выпускной трубопровод. Свободный выпуск осуществляется за счет перепада давления в цилиндре и в выпускной системе. Температура отработавших газов при этом 350-500 °С и давле­ние 0,3-0,4 МПа.

Опережение открытия выпускного клапана 10 в точке 6 соот­ветствует φв = 20-50° угла поворота коленчатого вала до НМТ. Поршень, двигаясь вверх, выталкивает отработавшие газы из ци­линдра, освобождая цилиндр для новой порции свежего воздуха.

Закрывается выхлопной клапан в точке r при φк = 10-30° за ВМТ. Сумма двух углов φ0 + φк называется углом перекрытия клапанов. При дальнейшем движении поршня вниз начинается новый рабочий цикл, такты которого повторяются в перечислен­ной ранее последовательности.

Рассмотрим принцип работы двухтактного дизеля (см. рис. 3) со встречно-движущимися поршнями и прямоточно-щелевой продувкой.

В цилиндре дизеля имеется по два поршня, движущихся в про­тивоположных направлениях и образующих при этом в средней части цилиндровой гильзы (между днищами поршней) одну об­щую камеру сгорания.

Подвод продувочного воздуха к цилиндрам и выпуск отработанных газов осуществляются через окна в ци­линдровых гильзах, которые открываются и закрываются поршня­ми.

Верхние поршни управляют впуском воздуха через продувочные окна, а нижние — выпуском отработанных газов через выпуск­ные (выхлопные) окна.

Рабочий цикл в двухтактном дизеле совершается за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала, и осуществляется следую­щим образом.

Первый такт начинается при движении поршней навстречу друг другу (см. рис. 3) от их НМТ к ВМТ. Сначала нижний поршень перекрывает выпускные окна, а затем верхний поршень — продувочные окна.

Указанная очередность закрытия окон объяс­няется тем, что нижний коленчатый вал по углу поворота опере­жает верхний на 12°. До закрытия выпускных окон воздух, посту­пающий под давлением, вытесняет отработавшие газы из цилинд­ра.

Когда окна закрываются, воздух через открытые впускные окна продолжает поступать в цилиндр.

Более позднее закрытие впуск­ных окон по сравнению с выпускными способствует дозаправке цилиндра свежим воздухом до давления, почти равного давлению продувочного воздуха, т. е. происходит так называемый наддув. Это позволяет увеличивать весовой заряд воздуха в цилиндре, а, следовательно, сжечь большее количество топлива и получить большую мощность.

Как только окна закрылись, начинается сжатие воздуха в ци­линдре. Когда поршни приблизятся к ВМТ, в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое в среде нагретого при сжатии до высокой температуры воздуха воспламеняется.

В начале второго такта происходит сгорание топлива, что при­водит к повышению давления газов в цилиндре до 8-9 МПа. Под действием этого давления поршни расходятся от ВМТ, газы расши­ряются и их давление понижается.

В конце такта расширения ниж­ний поршень открывает выпускные окна и начинается выхлоп от­работавших газов. Немного позднее, когда верхний поршень откро­ет впускные окна, начинается процесс продувки цилиндра свежим воздухом.

Этот процесс продолжается до момента закрытия выпуск­ных окон в начале первого такта, а далее цикл повторяется.

Аналогично совершается рабочий цикл двухтактного дизеля с П-образной поперечной продувкой (см. рис. 4).

Читайте также:  Как сделать гидравлику на минитрактор

Виды, устройство и принцип работы ДВС

С момента установки двигателя внутреннего сгорания на первый автомобиль прошло уже более ста лет. С тех пор он непрерывно усовершенствовался и сейчас является основным двигателем для автотранспортных средств. В данной статье рассмотрим, как устроен ДВС, узнаем принцип его работы и возможные разновидности.

Что такое ДВС

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это вид теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает внутри него, а выделяющаяся при этом теплота преобразуется в механическую работу. Поэтому он и носит название «внутреннего сгорания».

Существуют также двигатели внешнего сгорания (паровые машины, двигатель Стирлинга), которые вырабатывают механическую энергию за счет теплоты, подводящейся извне. На сегодняшний день сложно себе представить движение какого-либо транспорта без ДВС.

Исключение составляет набирающий все большую популярность электрический мотор.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгоранияДвигатель внутреннего сгорания

Устройство двигателя

Первые ДВС имели один небольшой по объему цилиндр. Позже их число и размер увеличивался. Сейчас классической компоновкой считается четыре цилиндра, расположенные в ряд.

Двигатель состоит из следующих основных систем и компонентов:

  • Блок цилиндров и головка блока цилиндров. Внутри блока находятся цилиндры с поршнями, которые соединены через шатуны с кривошипом. В камерах сгорания воспламеняется топливовоздушная смесь.
  • Кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал. Движение поршней приводит в движение кривошип и коленчатый вал.
  • Механизм газораспределения. Через ременное или цепное соединение обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов для правильной работы тактов двигателя.
  • Система подачи топлива. В карбюраторных ДВС за подачу отвечает карбюратор, в инжекторных – форсунки, непосредственный впрыск.
  • Впускная система. Многие современные моторы форсированные, оснащены нагнетателями и турбинами, чтобы добиться большей мощности, не увеличивая объем ДВС.
  • Система зажигания.
  • Система смазки.
  • Система охлаждения. Без должного отвода тепла двигатель быстро перегреется. Для этого в блоке предусмотрена специальная рубашка с циркулирующей охлаждающей жидкостью.
  • Выпускная система.
  • Электронная система управления ДВС. Обеспечивает согласованную и оптимальную работу мотора, в соответствии с текущими условиями и командами водителя.

Принцип работы

Работа ДВС основана на эффекте расширения газов, которое возникает при сгорании топлива. Таким образом, создается давление, которое приводит в движение поршни. Этот процесс происходит циклически, снова и снова и называется тактом работы двигателя. Различают двухтактный и четырехтактный двигатель. Рассмотрим работу каждого подробнее.

Четырехтактный

Коленчатый вал четырехтактного двигателя за один рабочий цикл совершает два оборота, за время которых проходит четыре такта:

  1. Впуск топливовоздушной смеси.
  2. Сжатие и воспламенение.
  3. Рабочий ход поршня.
  4. Выпуск отработавших газов.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгоранияРабота четырехтактного двигателя

На первом такте поршень опускается вниз, при этом открывается впускной клапан и подается топливо с воздухом, без которого не было бы возможно воспламенение. Следующим тактом поршень поднимается вверх и начинается сжатие. Молекулы сжимаются, создается давление, на верхней точке свеча зажигания создает искру, и смесь воспламеняется в камере сгорания.

Происходит интенсивное горение, выделяется тепло, давление, которое заставляет поршень двигаться обратно вниз, совершая полезную работу. Вращение передается на коленвал. На четвертом такте поршень вновь идет вверх под действием сил инерции, при этом открывается выпускной клапан. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Затем процесс повторяется.

За секунду происходит в среднем 60 таких тактов только в одном цилиндре.

Немаловажную роль играет газораспределительный механизм, который отвечает за открытие и закрытие клапанов в нужный момент. Коленчатый вал связан с распределительным валом цепью или ремнем ГРМ.

Двухтактный

Такой двигатель работает в два такта. Вместо клапанов в цилиндре выполнены впускной и выпускной каналы. Также имеются продувочные каналы для нормализации давления. Через впускной канал в цилиндр поступает топливовоздушная смесь. При движении поршня вверх, продувочные каналы перекрываются, и под поршнем образуется вакуум.

При проходе до верхней точки открывается впускной клапан и в вакуум засасывается новая порция топливной смеси. Тем временем срабатывает зажигание, и под давлением поршень опускается вниз. По пути открываются каналы, и топливная смесь проходит через них в камеры наверх. Отработавшие газы при этом выходят наружу. Цикл повторяется.

Более наглядно этот процесс можно рассмотреть в анимации или на видео.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгоранияРабота двухтактного двигателя

Также топливо для двухтактных моторов принято разбавлять маслом, так как в процессе работы происходит смазывание. Большим минусом таких двигателей является то, что в момент выпуска часть топлива может выходить через выхлоп, при этом теряется компрессия и мощность. Они широко применяются для газонокосилок, мопедов, бензопил и другой маломощной техники.

Виды двигателей

Двигатели делятся по устройству, назначению, виду используемого топлива и другим критериям. Одни созданы для наземного транспорта, другие для авиации, а есть и такие, которые могут работать вне атмосферы.

Поршневые ДВС

Если рассматривать автомобильный поршневой ДВС, то его можно классифицировать по следующим основным признакам:

  • по рабочему циклу (двухтактные, четырехтактные);
  • по количеству цилиндров (может быть от 2 до 16 цилиндров);
  • по расположению цилиндров (компоновке), могут располагаться в разных плоскостях и под разными углами;
  • по типу применяемого топлива (бензин, дизельное топливо, сжиженный газ);
  • по принципу работы ГРМ. Могут быть с одним или двумя распределительными валами, также различают нижнее (уже не применяется) и верхнее положение распредвала;
  • по принципу подачи воздуха (атмосферный двигатель или турбированный);
  • по способу смесеобразования. С внешним – карбюраторные ДВС, где топливная смесь смешивается в карбюраторе и затем подается в цилиндры. С внутренним смесеобразованием – инжекторные ДВС, которые после 80-х годов начали вытеснять карбюраторные. Под контролем ЭБУ топливо подается через специальные форсунки в каждый цилиндр или может быть единый впрыск. Также может быть выполнен непосредственный впрыск топлива в цилиндр;
  • по способу воспламенения топливовоздушной смеси (с искровым зажиганием или с воспламенением от сжатия (дизельные двигатели));
  • по способу охлаждения (жидкостное или воздушное).

Роторно-поршневые

Этот тип двигателя в автомобилестроении практически не применялся из-за относительно малого ресурса и быстрого износа. Но есть известные экземпляры, например, Mazda RX8.

В роторно-поршневом моторе нет ГРМ и КШМ, вместо них используется эксцентриковый вал и роторы треугольной формы, которые выполняют роль поршней. Принцип работы схож с обычным поршневым мотором.

Роторы перемещаются по планетарной траектории, есть цикл впуска, сжатия, сгорания и выпуска.

Назначение и классификация двигателей внутреннего сгоранияРабота роторно-поршневого двигателя

Газотурбинные

В таких силовых агрегатах синхронизирована работа компрессора для сжатия воздуха, камеры сгорания и турбины, которая передает усилия на силовой вал. Он, в свою очередь, вращает ротор, который передает усилие на винт. Такие агрегаты применяются в авиации и промышленности.

КПД ДВС

Эффективный КПД (коэффициент полезного действия) двигателя – это отношение эффективной работы, регистрируемой на сцеплении автомобиля (We) к работе, эквивалентной израсходованному топливу (Wb).

η = We/Wb

КПД бензинового двигателя снижается за счет многочисленных потерь. Примерно 25% теряется от неполного сгорания топлива. Около 35% уходит на тепловые потери: прогрев мотора, жидкости и т.д.

Ещё 20% уходит на механические потери. Это движение поршней, шатунов, преодоление трения. В конечном итоге мы получаем КПД всего 20%, а в лучшем случае 25%.

Это та часть энергии, которая остается на полезное действие, то есть, вращение вала и колес.

Самым эффективным двигателем по КПД считается электрический. Значение достигает 90-95%.

Сравнение КПД бензинового и дизельного мотора

КПД дизеля будет на порядок выше – 40-45%. Почему значение выше, хотя оба вида мотора работают по одному принципу? Все дело в эффективности. Коэффициент сжатия намного больше и топливо воспламеняется за счет сжатия. Нагревается дизель также меньше бензинового, энергия не расходуется на свечи и катушки зажигания.

Большое значение играет степень сжатия дизеля, что отражается на топливной эффективности. При небольшом объеме он выдает большую мощность. Также это отражается и на небольших габаритах агрегата. Все это повышает КПД дизеля в сравнении с бензиновым агрегатом, но и у него есть свои существенные недостатки.

Мощность и крутящий момент

Мы привыкли измерять мощность в лошадиных силах, хотя это не совсем верно и устарело. Мощность следует измерять в кВт. Это физическая величина, которая показывает работу двигателя за единицу времени. Проще говоря, чем больше мощность, тем большую скорость сможет развить автомобиль.

Мощность и крутящий момент связаны друг с другом. Передаваемая мощность преобразуется в крутящий момент, а он, в свою очередь, влияет на динамику автомобиля. Значение имеет объем двигателя, степень сжатия, сила давления газов.

Бензиновые и дизельные моторы достигают максимальной мощности и максимального крутящего момента при разных оборотах коленчатого вала. Дизель уже на 3000-4000 об/мин достигает максимальной мощности, а бензиновый на 5000-6500 об/мин.

(2

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector