Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы, виды

Развитие технологии

Было предпринято множество попыток создать силовую установку, которая могла бы заменить паровой двигатель того времени. По сей день ученые спорят о том, кто изобрел двигатель внутреннего сгорания. Существует несколько вариантов, поскольку основная точка зрения была взращена в умах ученых того времени.

В седьмом году 19 века механик из Франции Франсуа Исаак де Риваз сконструировал первый поршневой двигатель. Машина приводилась в движение за счет сгорания водорода; дальнейшее развитие двигателя использовало элементы поршневой группы и воспламенение топлива с помощью свечи.

Франсуа Исаак де Риваз (1752 — 1828):

Считается, что первый двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860-х годах Этьеном Ленуаром, изобретателем французского происхождения. Двухтактный газовый двигатель выдавал одиннадцать лошадиных сил. Камера однократного смещения располагалась горизонтально и работала по принципу окисления кислорода и легкого газа, заряд поджигался электрическим разрядом. Главной особенностью было использование кривошипно-шатунного механизма. Эффективность составила 4,65%.

Этьен Ленуар (1822 — 1900) и его газовый двигатель, 1860 г:

Позже, в 1863 году, изобретатель немецкого происхождения Николай Август Отто, изучив двигатель Ленуара, проектирует и строит двухтактный атмосферный агрегат с внутренним сгоранием жидкого топлива. Цилиндр машины был расположен вертикально, зажигание было открыто с КПД 15%. В семьдесят шестом году 19 века Отто разработал четырехтактный двигатель, работающий на газе.

Николай Август Отто (1832 — 1891) и его четырехтактный двигатель, 1876 г:

В 1885 году был разработан двигатель, работающий на горючей смеси легких нефтяных углеводородов с карбюраторным смесеобразованием. Авторы, конструкторы немецкого происхождения Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. В том же году двигатель был установлен на первом двухколесном автомобиле, а через год — на первом четырехколесном.

Рудольф Дизель (1858 — 1913):

Знаковый момент в автомобилестроении произошел благодаря работе немецкого конструктора Рудольфа Дизеля. В 1917 году, с целью повышения эффективности двигателей, которые он разрабатывал в то время, ему пришла в голову идея использовать сжатие для воспламенения смеси. По сей день на городских улицах работают двигатели внутреннего сгорания, использующие тот же метод зажигания.

Из истории

Первым двигателем внутреннего сгорания был двигатель Де Риваза, названный в честь его конструктора Франсуа де Риваза, уроженца Франции, который разработал его в 1807 году.

Этот двигатель уже имел искровое зажигание и представлял собой кривошипно-шатунный двигатель с поршневой системой, своего рода прототип современных двигателей.

Соотечественник де Риваза, Этьен Ленуар, изобрел двухтактный агрегат 57 лет спустя. Двигатель имел горизонтальный один цилиндр, искровое зажигание и работал на смеси жидкого газа и воздуха. Двигатель внутреннего сгорания в это время уже был достаточным для небольших лодок.

Еще через 3 года конкурентом стал немец Николаус Отто, чье изобретение представляло собой четырехтактный атмосферный двигатель с вертикальным цилиндром. КПД здесь увеличился на 11%, в отличие от КПД двигателя внутреннего сгорания Rivaz, который составлял 15%.

Чуть позже, в 1880-х годах, русский конструктор Огнеслав Костович впервые создал карбюраторную установку, а немецкие инженеры Даймлер и Майбах усовершенствовали ее до легкой формы, которую стали устанавливать на автомобили и мототехнику.

В 1897 году Рудольф Дизель представил двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, используя в качестве топлива нефть. Этот тип двигателя является прародителем дизельного двигателя, который используется до сих пор.

Отличительная черта

Для того чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, давайте рассмотрим его основную характеристику, которая отличает его от других двигателей. Речь идет о воспламенении топливно-воздушной смеси. Для того чтобы процесс контролировался, а вырабатываемая энергия направлялась в нужное русло, сжигаемое вещество помещается в камеру вытеснения, где происходит окисление. В результате окисления выделяется тепло и отходы. Расширяясь в объеме, вещество давит на поршень. Через эту часть и компоненты мощность повышения температуры реорганизуется в работу силы.

Исполнение

Конструкция поршневого автомобильного двигателя такая же. Корпус трансмиссии — это основание, в котором расположены, закреплены и работают компоненты, системы и механизмы агрегата.

Компоненты, т.е. из чего состоит двигатель автомобиля:

• Шасси двигателя. Седло вытеснительной камеры устройства, выполняющее роль направляющих поршня;

Блок цилиндров:

Шатуны и шатуны — передаточное и преобразовательное звено между поршнем и коленчатым валом;
Поршни, кривошипы, шатуны, коленчатый вал:

• Газораспределительный механизм, отвечающий за наполнение и продувку объемных вытеснительных камер, действия выполняются клапанами;

Механизм распределения газа:

Транспортировка топлива, своевременная доставка нужной порции топлива нужной консистенции;
Механизм подачи топлива:

• Зажигает топливо, поджигает нагрузку через заданный интервал времени;

Свеча зажигания:

• Устраняет выхлопные газы, выводит продукты горения в окружающую среду.

Выхлопная система:

Двигатель вращает устройство по «кругу». Частота повторения высокая, поэтому вал вращается непрерывно и, соответственно, транспортное средство движется.

Виды двигателей

• Бензиновые двигатели карбюраторного типа работают на топливе, смешанном с воздухом. Смесь заранее готовится в карбюраторе, а затем поступает в цилиндр. Там смесь сжимается и поджигается искрой от свечи зажигания.
• Двигатели с впрыском отличаются тем, что смесь подается непосредственно из форсунок во впускной коллектор. Этот тип имеет две системы впрыска — моновпрыск и ступенчатый впрыск.
• В дизельном двигателе зажигание происходит без свечей зажигания. В цилиндре этой системы находится воздух, который нагревается до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива. Топливо подается в этот воздух через форсунку, и вся смесь поджигается в факельной системе.
• Газовый двигатель внутреннего сгорания основан на принципе теплового цикла, топливом может служить природный газ или углеводороды. Газ поступает в регулятор, где его давление стабилизируется до рабочего давления. Затем он поступает в смеситель и окончательно воспламеняется в цилиндре.
• Газодизельные двигатели работают по тому же принципу, что и газовые, но в отличие от газовых двигателей, смесь воспламеняется не свечой зажигания, а дизельным топливом, которое впрыскивается так же, как и в обычном дизельном двигателе.
• Основное отличие роторно-поршневых типов двигателя внутреннего сгорания от других типов заключается в роторе, который вращается в цилиндрической камере, имеющей форму цифры восемь. Чтобы понять, что такое ротор, важно понимать, что в данном случае ротором является поршень, клапанный механизм и коленчатый вал, что означает полное отсутствие специального клапанного механизма. Во время одного оборота одновременно происходит три рабочих цикла, что сравнимо с шестицилиндровым двигателем.

Главная классификация ДВС

Все существующие двигатели внутреннего сгорания делятся на 3 типа:

• поршень;
• вращающийся;
• Газовая турбина.

В поршневых двигателях рабочим органом является поршень. Роторные двигатели используют движение ротора. В газовых турбинах это движение осуществляется турбиной.

Каждая из этих двигательных систем предназначена для преобразования тепловой энергии в полезную работу по-разному. Это делает их принципиально отличными друг от друга. Максимальная выходная мощность приводных устройств зависит от способа преобразования тепловой энергии. Каждый тип приводного устройства предназначен для эффективной работы в своей области применения.

Конструкция этих блоков и физические процессы в них подробно описаны ниже. Отдельный раздел статьи посвящен двигателю Стирлинга. Он относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого двигателя в нескольких отношениях схож с двигателем внутреннего сгорания. Это часто является причиной недоразумений.

Газотурбинный двигатель

При воспламенении топлива образуются газы, которые расширяются при нагревании. Каждый знает этот факт из школьной физики. Этот принцип лежит в основе газотурбинного двигателя. Топливная смесь сгорает, и нагретый газ мгновенно расширяется, заставляя лопатки турбины вращаться. Чем выше температура газа, тем быстрее он расширяется в объеме. Эта зависимость определяет КПД данного типа двигателя внутреннего сгорания: чем выше температура газа, тем выше КПД.

Были разработаны два типа газотурбинных установок, различающихся по количеству работающих валов. Агрегаты с двумя валами имеют большую мощность, чем агрегаты с одним валом.

Газовые турбины устанавливаются в машинах, где требуется большая мощность. Например, грузовики, корабли, самолеты и железнодорожные локомотивы.

Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя

Роторный ДВС

В двигателях этого типа принцип вращения вала реализуется за счет кругового движения ротора. Ротор представляет собой треугольный поршень, который вращается в овальной камере — статоре. Ротор крепится к валу с помощью эксцентрика. Такое расположение создает в цилиндре камеры для зажигания, сгорания и выхлопа при вращении ротора. На один оборот ротора приходится три рабочих цикла.

Преимуществом роторного двигателя является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих компонентов. Инженеры подсчитали, что в роторном агрегате гораздо меньше деталей, чем в других типах двигателей. Поэтому роторные двигатели намного меньше других двигателей. Это еще одно преимущество.

Япония, известная своими новаторскими достижениями в области автомобилестроения, разработала двигатели с несколькими роторами. Например, японцы разработали устройство, обладающее такой же мощностью, как шестипоршневой двигатель гоночного автомобиля. Но размер мультироторного двигателя гораздо меньше.

Ранние модели автомобилей ВАЗ одно время оснащались роторными двигателями.

Роторные двигатели намного проще и эффективнее поршневых.  Однако по неизвестным причинам роторные агрегаты используются очень редко.

Видео: Принцип работы роторного двигателя

Поршневой двигатель

Это самый распространенный тип двигателя. Давайте посмотрим на схему, как это работает.

Этот тип двигателя имеет несколько цилиндров, а поршни внутри каждого цилиндра совершают возвратно-поступательное движение. На обоих концах цилиндров находятся клапаны. Когда клапан открывается, он пропускает часть топливной смеси в камеру сгорания, образованную в цилиндре перед поршнем. В это время поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. В расчетный момент он воспламеняется.  Образующиеся газы расширяются и толкают поршень в другом направлении. Несколько таких поршней сидят на U-образном валу. Этот вал обычно называют коленчатым валом. Коленчатый вал вращается на определенную величину при каждом движении поршня. Цикл движения поршня от одной стороны цилиндра к другой называется ходом поршня. Согласованное движение поршней заставляет коленчатый вал вращаться на полный оборот. Эти циклы постоянно повторяются, заставляя вал вращаться с высокой скоростью.

Производители автомобилей постоянно совершенствуют поршневые двигатели. Каждое улучшение ведет к увеличению мощности двигателя. Поршневые двигатели — самые надежные из всех трансмиссий.

Видео: Принцип работы дизельного двигателя

Системы двигателя

Надежный и долговечный двигатель внутреннего сгорания невозможен без питания, смазки и охлаждения. Кроме того, необходимо запустить двигатель в первый раз и каждый раз воспламенять топливно-воздушную смесь в цилиндрах. Для этого были разработаны следующие системы двигателей:

• смазка
• охлаждение;
• мощность;
• начало;
• зажигание;
• инъекция;
• управления.

Если раньше системы были механическими, то сейчас появляется все больше электроники. Электронное управление делает работу двигателя высокоэффективной, экономичной и надежной. Системы становятся все более компактными, но требуют хорошего и регулярного обслуживания.

ГРМ — газораспределительный механизм

Двигатель внутреннего сгорания сконструирован как механизм синхронизации. Его функция заключается во впрыске горючей смеси в определенные цилиндры в соответствующее время и выпуске продуктов сгорания из этих цилиндров. Порядок расположения цилиндров и синхронизация клапанов определяют работу механизма.

Механизм ГРМ требует наличия как минимум 1 впускного и 1 выпускного клапана на цилиндр. Тарелка впускного клапана обычно имеет больший диаметр, чем тарелка выпускного клапана, что позволяет лучше заполнять цилиндры и улучшать работу двигателя. Открытие и закрытие клапанов контролируется распределительным валом. Распределительный вал приводится в движение цепью или ремнем от коленчатого вала.

Существует четыре типа привода клапана:

• OHV — распределительный вал расположен в блоке цилиндров, а клапаны управляются дополнительными толкателями и штоками;
• OHV — распределительный вал расположен в головке блока цилиндров, а клапаны приводятся в действие рычажными толкателями;
• ДОНС — система с двумя распределительными валами в головке блока цилиндров. В этом случае один вал используется для управления впускными клапанами, а другой — выпускными.

Связанная статья Технические характеристики двигателя ЗМЗ 511

Время открытия и закрытия клапанов выражается в углах поворота коленчатого вала. Правильный выбор времени обеспечивает лучшее наполнение и очистку цилиндров. Встроенное в двигатель управление фазами газораспределения VVT позволяет получить максимальную мощность при высоких оборотах коленчатого вала и экономить ресурсы при низких оборотах двигателя.

Система смазки

Смазка двигателя автомобиля защищает детали от трения, коррозии, охлаждает конструкцию и смывает загрязнения. В двигателях внутреннего сгорания часто используется комбинированная система, в которой моторное масло подается под давлением и распыляется.

В типичной системе смазки масло заливается до определенного уровня через маслозаливную горловину в поддоне картера. Когда двигатель работает, масляный насос всасывает смазку из картера через маслозаборник. Затем масло фильтруется от загрязнений и поступает в магистраль.

Масляная галерея состоит из каналов, по которым масло подается к коренным подшипникам коленчатого вала, опорам распределительного вала, поршневой группе и другим деталям. Смазка вытекает из пазов подшипника и разбрызгивается движущимися частями в виде масляного тумана и капель. Под действием силы тяжести масло стекает в масляный поддон и смазывает клапанный механизм.

В высокопроизводительных двигателях спортивных автомобилей, тракторов и специальной техники используется система смазки с сухим картером. Масло непрерывно закачивается дополнительным масляным насосом в масляный резервуар, откуда под давлением поступает в систему смазки двигателя. Это решение помогает предотвратить унос масла при резких маневрах, когда маслозаборник находится выше уровня масла.

Система смазки выполняет функцию удаления из картера газов, которые выходят из цилиндра через поршневые кольца. Эти газы в сочетании с водяным паром образуют агрессивные кислоты и могут вызвать коррозию. Самый простой способ вентиляции картерных газов — это их выброс в атмосферу. Однако высокие экологические стандарты привели к разработке закрытых систем принудительной вентиляции, в которых газы направляются через систему всасывания в камеры сгорания.

Система охлаждения

Температура в камере сгорания при воспламенении достигает 2500℃. Перегрев цилиндров, поршней, головки блока цилиндров и других деталей приводит к потере мощности, тепловому расширению, выгоранию масла, прогоранию клапанов и остановке двигателя. Система предназначена для охлаждения двигателя, заставляя воздух или жидкость отводить тепло.

Система воздушного охлаждения двигателя используется на мопедах, мотоциклах и газонокосилках. Жидкостная система охлаждения сложнее и шумнее, но обеспечивает равномерное и эффективное рассеивание тепла. В качестве охлаждающей жидкости используется антифриз, который представляет собой жидкость с низкой температурой замерзания.

Для отвода тепла от блока цилиндров и головки блока предусмотрена рубашка охлаждения — канал, через который проходит жидкость. Охлаждающая рубашка соединена с радиатором, который отводит тепло от жидкости и выбрасывает его в воздух. За радиатором находится вентилятор, который увеличивает скорость воздушного потока. Вентилятор приводится в действие ременной передачей коленчатого вала или электродвигателем. Вентилятор часто оснащается вязкостной или гидравлической муфтой.

Когда двигатель работает, охлаждающая жидкость циркулирует через насос, который приводится в движение коленчатым валом или электродвигателем. Для достижения оптимальной температуры в контур охлаждения встроены термостат и датчик температуры. Термостат может быть интегрирован в электронный блок управления.

Система подачи топлива

Система подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания может быть инжекторной или карбюраторной. Наиболее распространенной является топливная система с диффузным впрыском. Он состоит из следующих подсистем:

• подача и очистка топлива;
• подача и очистка топлива; — подача и очистка воздуха;
• Рекуперация и сжигание паров бензина;
• выхлоп и дожигание выхлопных газов;
• электронная часть с набором датчиков.

При запуске двигателя включается электрический бензонасос для перекачки топлива из бака. Бензин проходит через топливный фильтр к рейке инжектора. На корпусе инжектора имеются электрические контакты, которые регулируют количество впрыскиваемого в цилиндр топлива.

Дроссельная заслонка отвечает за количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Он управляется механическим тросом или дроссельной заслонкой с электрическим приводом.  Скорость холостого хода регулируется шаговым двигателем или непосредственно компьютером. Для правильной работы системы впрыска компьютер получает информацию от датчиков массового расхода воздуха, температуры охлаждающей жидкости, положения и частоты вращения коленчатого вала и т.д.

В дополнение к распределенному впрыску существуют системы непосредственного впрыска. Однако они более сложные и дорогие. Специалистам Mitsubishi удалось разработать сбалансированную систему, которая улучшает расход топлива и увеличивает мощность двигателя. Это связано со способностью двигателя работать на более бедных смесях и увеличением степени сжатия с 10 до 12,5.

Система непосредственного впрыска впервые появилась в двигателях 1.8 GDI на автомобиле Mitsubishi Galant в 1996 году. Сейчас аналогичные двигатели внутреннего сгорания используются в Peugeot-Citroen, Renault и Toyota.

Дизельные двигатели имеют системы питания, отличные от бензиновых двигателей. Существует два типа систем подачи дизельного топлива: с камерой сгорания и прямым впрыском. Первый вариант более плавный и тихий, но второй с 20% лучшей экономией топлива встречается чаще.

Дизельное топливо поступает из бака в линию подачи, затем через подкачивающий насос в топливный фильтр. После очистки дизельное топливо поступает в топливный насос высокого давления, который распределяет топливо по форсункам.

Альтернативой системе HPF является система Common Rail компании Bosch. Особенностью является установка аккумуляторного блока с форсуночными соединениями. Топливо постоянно находится под высоким давлением, что позволяет впрыскивать в цилиндр небольшое, точно отмеренное количество топлива.

Выхлопная система

Система выпуска отработавших газов влияет на мощность двигателя, расход топлива и выбросы отработавших газов. Каталитический нейтрализатор используется для уменьшения количества загрязняющих веществ в выхлопных газах.  Он состоит из катализатора восстановления и двух катализаторов окисления, которые преобразуют углеводороды в водяной пар и монооксид углерода в диоксид углерода. Нейтрализатор устанавливается как можно ближе к выпускному коллектору.

Нейтрализатор работает более эффективно, когда двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздух/топливо с соотношением 14,7:1. Количество воздуха в отработавших газах контролируется лямбда-зондом. Вредные оксиды азота снижаются благодаря системе рециркуляции, которая позволяет забирать часть выхлопных газов из выхлопной системы и подавать их на впуск.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Несмотря на разнообразие типов и конструкций двигателей внутреннего сгорания, принцип конструкции остается практически одинаковым во всех машинах. Конечно, отдельные компоненты могут значительно отличаться от двигателя к двигателю, но основные элементы очень похожи.

Таким образом, двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих конструктивных элементов.

1. Блок цилиндров (БЦ) — это «оболочка» головки блока цилиндров и всего двигателя, включая рубашку системы охлаждения.

   

   

   Блок цилиндров

2. Кривошипно-шатунный механизм, также известный как шатун, является компонентом, который преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение. Он состоит из коленчатого вала, поршней, шатунов, маховика и подшипников скольжения, на которых закреплены коленчатый вал и шатун.

   

   

   Кривошипно-шатунный механизм: 1 — цилиндр; 2 — маховик; 3 — шатунный подшипник; 4 — коленчатый вал; 5 — кривошип; 6 — коренной подшипник; 7 — шатун.

3. Механизм газораспределения (клапанный механизм) — это система, подающая топливно-воздушную смесь и отработавшие газы в цилиндры. Он состоит из распределительных валов, клапанов с коромыслами или штангами и ремня ГРМ, который заставляет всю систему работать синхронно со скоростью вращения коленчатого вала.

   

   

   Сроки

4. Силовой агрегат — это место, где топливно-воздушная смесь подготавливается и затем подается в камеры сгорания. В зависимости от конструкции система подачи топлива может быть карбюраторной (одна форсунка на двигатель), инжекторной (форсунки устанавливаются перед впускным клапаном каждого цилиндра), прямого впрыска (форсунка устанавливается внутри камеры сгорания). Включает топливный бак с фильтром и насосом, карбюратор (опция), впускной коллектор, форсунки, ТНВД (на дизельных двигателях), воздухозаборник с воздушным фильтром.

   

   

   Энергетическая система

5. Система смазки двигателя — подает смазку к каждому из узлов трения, а также к участкам, требующим дополнительного охлаждения (например, к нижней зоне поршня). Он состоит из масляного насоса, соединенного с коленчатым валом, системы трубопроводов и каналов к парам трения, масляного фильтра и масляного поддона. В зависимости от конструкции различают двигатели с «сухим» и «мокрым» картером. Первые имеют отдельный масляный резервуар, у вторых он расположен непосредственно под двигателем.

   

   

   Система смазки двигателя: 1 — масляный насос; 2 — сливная пробка картера; 3 — маслоприемник; 4 — регулятор давления; 5 — отверстие для смазки шестерни распределительного вала; 6 — световой датчик аварийной сигнализации давления масла; 7 — манометр давления масла; 8 — кран масляного радиатора; 9 — масляный радиатор; 10 — масляный фильтр.

6. Система зажигания — необходима для воспламенения топливной смеси в камере сгорания. Он используется только в бензиновых двигателях, так как дизель воспламеняется сам при сжатии. Он включает свечи зажигания, провода зажигания, катушки зажигания и распределитель (коммутатор распределителя) в старых двигателях. Современные двигатели не требуют распределителя и даже не имеют проводов — система зажигания представляет собой конструкцию «катушка на штекере».

   

   

   Система зажигания двигателя: 1 — генератор; 2 — выключатель зажигания; 3 — распределитель; 4 — кулачок прерывателя; 5 — свечи зажигания; 6 — катушка зажигания; 7 — аккумулятор.

7. Система охлаждения — заботится о поддержании определенной рабочей температуры двигателя. Система жидкостного охлаждения состоит из охлаждающей жидкости (хладагент, антифриз), рубашки охлаждения (сеть камер и каналов внутри блока цилиндров), теплообменника (радиатор охлаждения), водяного насоса и термостата.

   

   

   Система охлаждения

8. Электрическая система является источником энергии, необходимой для запуска двигателя и поддержания его работы. Электрическая система включает в себя аккумулятор, генератор, стартер, проводку и датчики двигателя.
9. Выхлопная система — отводит продукты сгорания от двигателя, действует как система доочистки выхлопных газов и регулирует звук двигателя. Он состоит из выпускного коллектора, каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра (опция), резонатора и глушителя.

Выхлопная система

Каждая из этих частей подвергается постоянному развитию и совершенствованию в зависимости от текущих потребностей. От стремления к большей мощности до поиска более долговечных и надежных решений, от экономии топлива до современных экологических проблем.

Принцип работы двигателя

Все двигатели внутреннего сгорания, независимо от их конструкции, используют один и тот же принцип работы. Это преобразование энергии теплового расширения от сгорания топлива сначала в прямолинейное движение, а затем во вращательное.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Внедорожники с четырехтактным двигателем

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупных транспортных средствах и самолетах. Это так называемый классический двигатель типа ДВС, которому конструкторы уделяют все свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в процессоре можно разделить на четыре этапа (такта). К ним относятся: впуск, сжатие, сгорание, выхлоп. Приведенное ниже видео наглядно демонстрирует работу 4-тактного двигателя в 3D-анимации.

1. При такте впуска поршень в цилиндре движется вниз от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, впускной клапан открывается, и топливно-воздушная смесь (или просто воздух, если двигатель имеет прямой впрыск) поступает в цилиндр. Сам поршень при своем движении «закачивает» нужное количество воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под давлением, если установлен турбокомпрессор.
2. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, он начинает подниматься. Впускной клапан закрывается, и, двигаясь, поршень сжимает воздух с распыленным в нем топливом до критического давления.
3. Как только поршень условно достигает верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо взрывается (дизель воспламеняется сам во время сжатия, без искры). Микровзрыв от вспышки снова толкает поршень вниз, к НТМ.
4. На четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выталкивая отработавшие газы из камеры сгорания в выпускной коллектор.

Эксплуатация четырехтактного двигателя

Двигатель фактически имеет только один из четырех тактов, когда сгорание создает положительное давление, толкающее поршень. Остальные три хода нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но потребляют энергию.

В этих условиях двигатель остановится, когда кривошипно-шатунный механизм (CVT) достигнет энергетического баланса. Для предотвращения этого, однако, используется большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленчатом валу для уравновешивания сил, действующих на поршни.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Цикл двигателя — это последовательный процесс, повторяющийся в каждом цилиндре двигателя, в результате которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл занимает два хода поршня или один оборот коленчатого вала, двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели обычно работают по четырехтактному циклу, который занимает два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из такта всасывания, сжатия, расширения (рабочего хода) и выхлопа.

Конечные положения поршня, при которых он находится дальше всего от оси коленчатого вала или ближе к ней, называются верхней и нижней мертвыми точками (TDC и NTM). Для получения дополнительной информации см. раздел «Как работают бензиновые и дизельные двигатели».

Поступление. Когда коленчатый вал двигателя делает первые пол-оборота, поршень перемещается из TDC в NFT, впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается вакуум, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, всасывается через впускной газопровод в цилиндр и смешивается с оставшимися выхлопными газами, образуя рабочую смесь.

Сжатие. Как только цилиндр заполняется горючей смесью, очередной поворот коленчатого вала (второй полуоборот) перемещает поршень из НМТ в ТДЦ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление смеси увеличиваются.

Расширение или инсульт. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вызывая быстрый рост температуры и давления образующихся газов, при этом поршень перемещается от TDC к NTMT. Сложное движение шатуна, который шарнирно сидит на поршне, вращает коленчатый вал через шатун во время такта расширения.

Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня на третьем полуобороте коленчатого вала называется рабочим ходом. В конце хода, когда поршень приближается к отверстию, открывается выпускной клапан, давление в цилиндре падает до 0,3-0,75 МПа, а температура — до 950-1200oC.

Выхлопные газы. Во время четвертого полуоборота коленчатого вала поршень перемещается из НТМТ в ТМТ. В этот момент открывается выпускной клапан, и выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выхлопную трубу.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, чистый воздух поступает в цилиндры дизельного двигателя во время цикла «впуска». Во время такта «сжатия» воздух нагревается до температуры 600oC. В конце цикла определенное количество топлива впрыскивается в цилиндр и самопроизвольно воспламеняется.

Поступление. Когда поршень движется от TDC к NTM благодаря разрежению, создаваемому воздушным фильтром, атмосферный воздух поступает в цилиндр через открытый впускной клапан. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08 — 0,095 МПа, а температура — 40 — 60°C.

Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ТДК; впускные и выпускные клапаны закрыты, поэтому движущийся вверх поршень сжимает поступающий воздух. Чтобы произошло воспламенение топлива, температура сжатого воздуха должна быть выше температуры самовоспламенения топлива. Когда поршень движется к TDC, дизельное топливо впрыскивается в цилиндр топливным насосом через форсунку.

Расширяющийся или рабочий ход. Топливо, впрыскиваемое в конце такта сжатия, смешивается с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Давление продуктов сгорания достигает максимума 6 — 9 МПа, а температура — 1800 — 2000 °C. Давление газа перемещает поршень от ТДЦ до НТМТ, т.е. происходит ход поршня. Около нуля давление снижается до 0,3 — 0,5 МПа, а температура до 700 — 900oC.

Релиз. Поршень перемещается из НТМТ в ТДК, и отработавшие газы выходят из цилиндра через открытый выпускной клапан. Давление газа снижают до 0,11 — 0,12 МПа, а температуру — до 500-700oC. После завершения цикла выхлопа дальнейшие обороты коленчатого вала повторяют рабочий цикл в том же порядке.

Принцип работы двухтактного двигателя

Ходы двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели используются не часто. В основном это двигатели для скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на две основные фазы:

1. В начале восходящего движения поршня (от нижней мертвой точки до верхней) топливно-воздушная смесь попадает в камеру сгорания. Когда поршень поднимается, он сжимается до критической компрессии, и когда он достигает верхней мертвой точки, происходит воспламенение.
2. При сгорании топлива оно толкает поршень вниз, одновременно открывая выпускной коллектор и позволяя продуктам сгорания выйти из цилиндра. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), первый ход повторяется — впуск и сжатие происходят одновременно.

Эксплуатация двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель вдвое эффективнее четырехтактного, потому что на его работу затрачивается в два раза меньше усилий. В реальности выходная мощность двухтактного двигателя гораздо ниже желаемой, и это связано с неисправностью газораспределительного механизма.

Когда топливо сгорает, часть энергии уходит в выпускной коллектор, не совершая никакой работы, кроме нагревания. Следовательно, двухтактные двигатели используются только в автомобилях с низкими эксплуатационными характеристиками и требуют специальных моторных масел.

Как работает двухтактный мотор

Как уже упоминалось выше, поршневые двигатели делятся на четырехтактные и двухтактные. Принцип работы последнего несколько отличается от описанного выше. Конструкция этого устройства также намного проще. Двухтактный агрегат имеет только два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второй расположен чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего он используется.

В начале первого такта поршень, который ранее блокировал впускное окно, начинает двигаться вверх, тем самым блокируя окно для впуска топлива. В то же время поршень продолжает опускаться, вызывая сжатие смеси. Как только деталь достигает правильного положения, на свече зажигания возникает первая искра, и созданная смесь немедленно воспламеняется. Приемное окно уже открылось. Он пропускает очередную порцию топлива и воздуха и поддерживает работу двигателя.

Начало второго хода характеризуется изменением направления движения поршня — он начинает двигаться вниз. Поршень движется вниз, и газы расширяют свободное пространство. Поршень перемещается, открывая впускное отверстие, и оставшиеся продукты сгорания выходят, позволяя новому топливу поступать.

Часть смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому понятно, почему двухтактные двигатели требуют так много топлива.

Преимущества и недостатки

Двухтактные поршневые двигатели имеют преимущество в достижении большей мощности при меньшем рабочем объеме, чем четырехтактные двигатели. Однако владелец будет страдать от высоких расходов на топливо, что заставит его быстро задуматься о переходе на другой двигатель.

Среди других плюсов двухтактных двигателей внутреннего сгорания — простота конструкции, плавность и чистота хода, малый вес и компактные размеры. К недостаткам относятся грязные выхлопы, отсутствие различных систем и быстрый износ компонентов двигателя. Довольно часто владельцы машин с этим двигателем жалуются на перегрев агрегата и его выход из строя.

Современные разработки

Основной задачей для производителей является снижение расхода топлива и выбросов выхлопных газов. Поэтому они постоянно совершенствуют систему питания, и самым последним примером являются системы непосредственного впрыска.

Ведется поиск альтернативных видов топлива, последним из которых на сегодняшний день является использование в качестве топлива спирта, а также растительных масел.

Ученые также пытаются создать двигатели с совершенно другим принципом работы. Одним из них является двигатель Ванкеля, но он пока не очень успешен.

Устройство роторного двигателя

Отличие дизельного двигателя от бензинового

Устройство кривошипно-шатунного механизма

Системы пассивной безопасности

Катушка зажигания автомобиля

Устройство кондиционера автомобиля

Тюнинг двухтактного двигателя

В каждом двухтактном двигателе есть место для овердрайва. Увеличение мощности при том же рабочем объеме оправдано в спорте, а в повседневной эксплуатации двигатель становится более гибким и экономичным. Основные способы оздоровления:

1. Увеличьте диаметр выхлопного отверстия и обеспечьте ему максимально возможное время открытия. Это позволяет выходить максимальному количеству газа. Это увеличивает тягу и крутящий момент двигателя.
2. Обеспечьте эффективную вентиляцию. Этого можно достичь путем увеличения диаметра впускного отверстия, чтобы выхлопная смесь не задерживалась в картере и обеспечивался своевременный впрыск в камеру сгорания.
3. Использование вихревого диффузора на карбюраторе, который подает больше топливной смеси за то же время. Наряду с этим стоит использовать воздушный фильтр нулевого сопротивления.
4. Установка выхлопного резонатора, который рассчитывается для конкретного объема двигателя. Это устройство подает часть топливной смеси обратно в цилиндр через выпускное отверстие.
5. Доработка шатунно-поршневой группы, ее осветление и тщательная балансировка. Клапаны и проходы должны быть притерты и не иметь заусенцев, затяжек и турбулентности. Это приводит к уменьшению наполнения цилиндров и снижению мощности.
6. Использование систем впрыска и регулируемых фаз газораспределения. Это позволяет более точно дозировать топливо и снижает потери топливной смеси при продувке цилиндров.
7. Установка систем наддува. Обычно это компрессорные нагнетатели, но на двухтактный дизельный двигатель может быть установлен обычный турбокомпрессор. Это увеличивает количество воздуха, поступающего в цилиндры, и количество топлива может быть соответственно увеличено.

Эксплуатация и причины поломки двигателей

Наиболее распространенные двухтактные двигатели используются в мотоциклах, лодочных моторах, газонокосилках, бензопилах и других устройствах, где требуется легкий и надежный двигатель. Однако даже двигатель с такой простой конструкцией может быть подвержен риску выхода из строя при неправильной эксплуатации.

• Некачественный бензин. Плохое топливо часто вызывает детонацию. Чаще всего это заметно на низких оборотах, при ускорении. Детонация может привести к повреждению поршневых вкладышей и чрезмерной нагрузке на подшипники коленчатого вала. Детонация может быть вызвана перегревом двигателя, засорением поршня и бедной смесью.
• Низкое качество деталей, используемых для сборки двигателя. Это особенно актуально для китайских производителей, которые часто выпускают бракованные компоненты. Это приводит к раннему выходу из строя поршня, коленчатого вала, цилиндра и других деталей с последующим капитальным ремонтом. Простое измерение компрессии обычно помогает оценить состояние поршня.
• Плохое качество моторного масла. Топливно-масляная смесь для двухтактных двигателей очень важна. От его качества будет зависеть плавность работы двигателя, чистота выхлопа, отсутствие перегрева и лишнего шума. Неправильное масло приводит к нагару на поршне, коренных подшипниках и шатуне, появлению полос на стенках цилиндра и юбке поршня, сечение глушителя уменьшается из-за нагара. Масла для двухтактных двигателей должны быть несинтетическими или полусинтетическими — минеральные масла не рекомендуются.
• Перегрев двухтактного двигателя с воздушным охлаждением — не редкость. Перегрев может быть вызван длительной работой при полностью открытой дроссельной заслонке или неисправной системой охлаждения. Перегрев может быть переходным, т.е. потеря мощности и высокие обороты двигателя, которые возвращаются к норме, когда двигатель остывает и нагрузка снижается. Клин возникает при сильном перегреве, когда зазор между поршнем и цилиндром уменьшается настолько, что силы трения слипаются. Это приводит к необходимости ремонта головки блока цилиндров.
• Карбюратор не отрегулирован. Топливная смесь либо слишком обедненная, либо слишком богатая. Езда с чрезмерно богатой смесью связана с высоким расходом топлива, потерей мощности и нагарообразованием. Обедненная смесь может вызвать детонацию и снизить максимальную мощность двигателя.

Для продления срока службы и отсрочки капитального ремонта необходимо проводить правильную обкатку двухтактного лодочного или мотоциклетного двигателя. Для этого пропорция масла, смешанного с бензином, должна быть немного выше, чем указано для нормальной работы. С этой смесью дайте двигателю поработать в режиме неполной мощности в течение нескольких часов, что соответствует пробегу 500-1000 км для скутера и мотоцикла.

Тем не менее, двухтактные двигатели постепенно вытесняются современными четырехтактными двигателями из-за их токсичности выхлопа. Они по-прежнему используются только там, где требуется высокая удельная мощность при минимальном весе и простоте — мотоциклы, бензопилы и триммеры, модели самолетов и др.

Источники

• https://motoran.ru/dvigatel/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya
• https://dvigatels.ru/uhod/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya.html
• https://autobibikka.ru/dvs/
• https://dvsoff.ru/tip/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya
• https://VazNeTaz.ru/dvigatel-dvs
• https://principraboty.ru/princip-raboty-dvs/
• https://promercedes.ru/dvigateli/printsip-raboty-dvs
• http://autoleek.ru/dvigatel/dvs/ustrojstvo-dvs.html
• https://auto-gl.ru/princip-raboty-dvs/

[collapse]