Поршневой ДВС (двигатель внутреннего сгорания) является тепловой машиной и работает по принципу сжигания смеси топлива и воздуха в камере сгорания. Главной задачей такого устройства выступает преобразование энергии сгорания топливного заряда в механическую полезную работу.
Не смотря на общий принцип действия, сегодня существует большое количество агрегатов, которые существенно отличаются друг от друга благодаря целому ряду индивидуальных конструктивных особенностей. В этой статье мы поговорим о том, какие бывают двигатели внутреннего сгорания, а также в чем состоят их главные особенности и отличия.
Типы двигателей внутреннего сгорания
Начнем с того, что ДВС может быть двухтактным и четырехтактным. Что касается автомобильных моторов, указанные агрегаты четырехтактные. Такты работы двигателя представляют собой:
- впуск топливно-воздушной смеси или воздуха (что зависит от типа ДВС);
- сжатие смеси горючего и воздуха;
- сгорание топливного заряда и рабочий ход;
- выпуск из камеры сгорания отработавших газов;
По такому принципу работают как бензиновые, так и дизельные поршневые моторы, которые нашли широкое применение в автомобилях и на другой технике. Также стоит упомянуть и агрегаты на газу, в которых газовое топливо сжигается аналогично дизтопливу или бензину.
[custom_ads_shortcode1]
Бензиновые силовые агрегаты
Что касается поршневых бензиновых моторов, такие двигатели имеют систему зажигания для воспламенения рабочей смеси от искры. Системы питания в таких агрегатах могут быть карбюраторными или инжекторными (впрысковыми).
Приготовление рабочей смеси в карбюраторных ДВС происходит в карбюраторе, далее смешанный бензин и воздух подаются во впускной коллектор. Сегодня такие системы считаются устаревшими, так как не способны обеспечить двигателю должную экологичность и экономичность.
Впрысковые ДВС по типу конструкции системы питания бывают моноинжекторными (моновпрыск) или системами с распределенным впрыском. В первом случае схема предполагает наличие только одной форсунки, которая впрыскивает горючее во впускной коллектор. Решения с распределенным впрыском имеют отдельную форсунку на каждый цилиндр, которая установлена рядом с впускными клапанами.
Такая система питания, особенно распределенный впрыск, позволяет увеличить мощность мотора, при этом достигается топливная экономичность и происходит снижение токсичности отработавших газов. Это стало возможным благодаря точной дозировке подаваемого топлива под управлением ЭСУД (электронная система управления двигателем).
Дальнейшее развитие систем топливоподачи привело к появлению моторов с прямым (непосредственным) впрыском. Главным их отличием от предшественников является то, что воздух и топливо подается в камеру сгорания отдельно. Другими словами, форсунка устанавливается не над впускными клапанами, а монтируется прямо в цилиндр.
Подобное решение позволяет подавать топливо напрямую, причем сама подача разделена на несколько этапов (подвпрысков). В результате удается добиться максимально эффективного и полноценного сгорания топливного заряда, двигатель получает возможность работать на бедной смеси (например, моторы семейства GDI), падает расход топлива, снижается токсичность выхлопа и т.д.
[custom_ads_shortcode2]
Дизельные моторы
None Если просто, сначала в цилиндрах сжимается воздух, который сильно нагревается. В последний момент происходит впрыск солярки прямо в камеру сгорания, после чего нагретая и сильно сжатая смесь воспламеняется самостоятельно.
Если сравнивать дизельные и бензиновые ДВС, дизель отличается более высокой экономичностью, лучшим КПД и максимумом крутящего момента, который доступен на низких оборотах. С учетом того, что дизели развивают больше тяги при меньших оборотах коленвала, на практике такой мотор не нужно «крутить» на старте, а также можно рассчитывать на уверенный подхват с самых «низов».
Однако в списке минусов таких агрегатов можно выделить чувствительную топливную систему, а также больший вес и меньшие скорости в режиме максимальных оборотов. Дело в том, что дизель изначально «тихоходный» и имеет меньшую частоту вращения коленчатого вала по сравнению с бензиновыми ДВС.
Дизели также отличаются большей массой, так как особенности воспламенения от сжатия предполагают более серьезные нагрузки на все элементы такого агрегата. Другими словами, детали в дизельном моторе более прочные и тяжелые. Также дизельные моторы более шумные, что обусловлено процессом воспламенения и сгорания дизельного топлива.
[custom_ads_shortcode3]
Роторный двигатель
Двигатель Ванкеля (роторно-поршневой двигатель) представляет собой принципиально иную силовую установку. В таком ДВС привычные поршни, которые совершают возвратно-поступательные движения в цилиндре, попросту отсутствуют. Главным элементом роторного мотора является ротор.
Указанный ротор вращается по заданной траектории. Роторные ДВС бензиновые, так как подобная конструкция не способна обеспечить высокую степень сжатия рабочей смеси. К плюсам относят компактность, большую мощность при незначительном рабочем объеме, а также способность быстро раскручиваться до высоких оборотов. В результате автомобили с таким ДВС обладают выдающимися разгонными характеристиками.
Если говорить о минусах, то стоит выделить заметно сниженный ресурс сравнительно с поршневыми агрегатами, а также высокий расход топлива. Также роторный двигатель отличается повышенной токсичностью, то есть не совсем вписывается в современные экологические стандарты.
[custom_ads_shortcode1]
Гибридный двигатель
Гибридный силовой агрегат фактически является сочетанием поршневого бензинового или дизельного ДВС и электромотора. Также в конструкции присутствует тяговая аккумуляторная батарея, которая питает электродвигатель.
Гибрид работает по принципу максимальной экономии топлива, то есть двигатель внутреннего сгорания задействуется только в определенных режимах. При спокойной езде колеса вращает электромотор, а ДВС подключается тогда, когда батарея разряжается, необходимо интенсивное ускорение ТС, нагрузки достаточно высокие т.п.
Также во время работы гибридной установки активно используется схема рекуперации энергии. Например, во время торможения двигателем работает генератор, который подзаряжает тяговый аккумулятор. Такое сочетание двух типов силовых установок позволяет получить улучшение разгонной динамики (особенно когда одновременно задействован ДВС и электромотор), наблюдается существенная экономия топлива и малый выброс токсичного выхлопа.
[custom_ads_shortcode2]
Компоновка и технические характеристики ДВС
Еще стоит добавить, что существуют многочисленные разновидности двигателей внутреннего сгорания, которые отличаются друг от друга по компоновке и расположению цилиндров. Дело в том, что пространство в моторном отсеке ограничено, при этом на разных автомобилях возникает необходимость уместить в таком пространстве агрегат с тем или иным количеством цилиндров.
Как правило, по компоновке на большинстве машин чаще всего можно встретить:
- рядный двигатель;
- V-образный мотор;
- оппозитный двигатель;
Рядный двигатель означает, что все его цилиндры расположены в одной плоскости. Рядные «четверки» (4-х цилиндровый мотор) являются самым распространенным типом ДВС. Рядные «шестерки» также весьма популярны, они меньше вибрируют, имеют приемлемую мощность, однако такой двигатель получается достаточно длинным.
Еще одним вариантом является V-образный двигатель. Цилиндры в таком моторе располагаются в двух плоскостях, напоминая литеру «V». Подобный ДВС имеет 6 или 8 цилиндров (V6 или V8), при этом длина двигателя сравнительно с рядным мотором меньше, хотя ширина закономерно увеличивается. Еще добавим, что угол между плоскостями принято называть углом развала.
Также отдельного внимания заслуживает оппозитный двигатель. Примечательно, что такая компоновка предполагает угол развала 180 градусов. Фактически, цилиндры и поршни находятся друг напротив друга, а сам агрегат называется «boxer».
Такое расположение позволило уменьшить высоту оппозитника, снизить уровень вибраций, улучшить развесовку и т. д.
Добавим, что существуют так называемые двигатели типа VR. Их особенностью является малый угол развала, позволяя уменьшить размеры ДВС в длину и ширину. Также стоит упомянуть мощные W-двигатели. Указанные силовые агрегаты многоцилиндровые (например, W12) Что касается компоновки, конструкция может включать в себя сразу три ряда цилиндров, которые расположены под большим углом развала.
Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое оппозитный двигатель. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции, а также об основных преимуществах и недостатках моторов данного типа.
Еще одним вариантом является расположение тех же трех рядов цилиндров, при этом угол развала максимально уменьшен (как и в случае с VR-компоновкой). Как правило, именно последний вариант прижился на мощных легковых авто класса «премиум», спорткарах и солидных внедорожниках. Дело в том, что даже при таком количестве цилиндров двигатель все равно отличается компактностью.
[custom_ads_shortcode3]
Основные технические параметры ДВС
Двигатели внутреннего сгорания также имеют целый ряд характеристик и параметров, которые закладываются конструктивно. Если просто, речь идет о рабочем объеме, степени сжатия, мощности и крутящем моменте и т. д.
Наибольший интерес для рядового обывателя, конечно же, представляет мощность и моментная характеристика. Крутящий момент, который создается на коленчатом валу, фактически указывает на то, какая сила тяги будет передаваться на колеса.
Естественно, чем большим окажется показатель крутящего момента, тем большей будет тяга. Другими словами, от данного показателя зависит разгонная динамика. Что касается мощности двигателя, это величина, которая отображает произведенную работу за единицу времени.
Увеличение крутящего момента и мощности возможно посредством двух способов:
- больший рабочий объем;
- сжигание большего количества топливно-воздушной смеси;
Если просто, в первом случае речь идет о физическом увеличении камеры сгорания и объема цилиндров. Во втором подразумевается принудительная подача воздуха в цилиндры под давлением для сжигания большего количества топлива.
Как правило, мощные двигатели с большим объемом атмосферные, то есть «засасывают» наружный воздух в цилиндры самостоятельно благодаря возникающему разрежению от движения поршней. Мощные агрегаты, при этом обладающие меньшим объемом, оснащаются механическими компрессорами или турбонаддувом. В таких ДВС воздух нагнетается принудительно, то есть поступает в камеру сгорания под давлением.
[custom_ads_shortcode1]
Что в итоге
Как видно, приведенный выше материал дает общее представление о том, какие есть двигатели внутреннего сгорания. При этом даже с учетом общего принципа действия, силовые агрегаты могут значительно отличаться по таким показателям, как компоновка, мощность, крутящий момент, расход горючего и т.д.
None Более того, даже двигатели, схожие по конструкции (например, рядный четырехцилиндровый мотор), могут иметь разное количество впускных и выпускных клапанов на один цилиндр (например, 8-и и 16-клапанные моторы).
None По этой причине для объективной оценки производительности того или иного двигателя на разных оборотах, причем не на коленвалу, а на колесах, необходимо проводить специальные комплексные замеры на динамометрическом стенде.
Первый такт – впуск, при котором впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределённый впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре (вследствие увеличения объёма) создаётся разрежение, под действием которого через открывающийся впускной клапан поступает горючая смесь (паров бензина с воздухом). Давление во впускном клапане в двигателях без наддува может быть близким к атмосферному, а в двигателях с наддувом – выше его (0,13– 0,45 МПа). В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нём от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь. Второй такт – сжатие, при котором впускной и выпускной клапаны закрываются газораспределительным валом, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя. Поршень движется вверх (от НМТ к ВМТ). Т.к. объём в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси до давления 0,8–2 МПа, температура смеси составляет 500–700 К. В конце такта сжатия, рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001– 0,002 с). При этом происходит выделение большого количества теплоты, температура достигает 2000–2600 К, и газы, расширяясь, создают сильное давление (3,5– 6,5 МПа) на поршень, перемещая его вниз. Третий такт – рабочий ход, который сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси. Сила давления газов перемещает поршень вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля. Т.о., во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Четвёртый такт – выпуск, при котором поршень после совершения полезной работы движется вверх, и выталкивает наружу, через открывающийся выпускной клапан газораспределительного механизма, отработавшие газы из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу. Процесс выпуска можно разделить на предварение (давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном клапане, скорость истечения отработавших газов при температурах 800–1200 К составляет 500– 600 м/сек) и основной выпуск (скорость в конце выпуска 60–160 м/сек). Выпуск отработанных газов сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители. За рабочий цикл двигателя полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе и часть её отдаёт на совершение вспомогательных тактов.
Первый такт – впуск, при котором впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределённый впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре (вследствие увеличения объёма) создаётся разрежение, под действием которого через открывающийся впускной клапан поступает горючая смесь (паров бензина с воздухом). Давление во впускном клапане в двигателях без наддува может быть близким к атмосферному, а в двигателях с наддувом – выше его (0,13– 0,45 МПа). В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нём от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь. Второй такт – сжатие, при котором впускной и выпускной клапаны закрываются газораспределительным валом, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя. Поршень движется вверх (от НМТ к ВМТ). Т.к. объём в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси до давления 0,8–2 МПа, температура смеси составляет 500–700 К. В конце такта сжатия, рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001– 0,002 с). При этом происходит выделение большого количества теплоты, температура достигает 2000–2600 К, и газы, расширяясь, создают сильное давление (3,5– 6,5 МПа) на поршень, перемещая его вниз. Третий такт – рабочий ход, который сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси. Сила давления газов перемещает поршень вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля. Т.о., во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Четвёртый такт – выпуск, при котором поршень после совершения полезной работы движется вверх, и выталкивает наружу, через открывающийся выпускной клапан газораспределительного механизма, отработавшие газы из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу. Процесс выпуска можно разделить на предварение (давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном клапане, скорость истечения отработавших газов при температурах 800–1200 К составляет 500– 600 м/сек) и основной выпуск (скорость в конце выпуска 60–160 м/сек). Выпуск отработанных газов сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители. За рабочий цикл двигателя полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе и часть её отдаёт на совершение вспомогательных тактов.
Двигатель внутреннего сгорания – это основной вид автомобильных силовых агрегатов на сегодняшний день. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основывается на эффекте теплового расширения газов, возникающего во время сгорания в цилиндре топливно-воздушной смеси.
[custom_ads_shortcode2]
Самые распространенные виды двигателей
Существует три разновидности ДВС: поршневой, роторно-поршневой силовой агрегат системы Ванкеля и газотурбинный. За редким исключением на современные авто устанавливаются четырехтактные поршневые моторы. Причина кроется в низкой цене, компактности, малом весе, многотопливности и возможности установки практически на любые транспортные средства.
Сам по себе двигатель автомобиля – это механизм, преобразующий тепловую энергию горящего топлива в механическую, работу которого обеспечивает множество систем, узлов и агрегатов. Поршневые ДВС бывают двух- и четырехтактными. Понять принцип работы двигателя автомобиля проще всего на примере четырехтактного одноцилиндрового силового агрегата.
Четырехтактным мотор называется потому, что один рабочий цикл состоит из четырех движений поршня (тактов) или двух оборотов коленчатого вала:
- впуск;
- сжатие;
- рабочий ход;
- выпуск.
[custom_ads_shortcode3]
Общее устройство ДВС
Чтобы понять принцип работы мотора, необходимо в общих чертах представить его устройство. Основными частями являются:
- блок цилиндров (в нашем случае цилиндр один);
- кривошипно-шатунный механизм, состоящий из коленчатого вала, шатунов и поршней;
- головка блока с газораспределительным механизмом (ГРМ).
Кривошипно-шатунный механизм обеспечивает преобразование поступательно-возвратного движения поршней во вращение коленчатого вала. Поршни приходят в движение благодаря энергии сгорающего в цилиндрах топлива.
Работа данного механизма невозможна без работы механизма газораспределения, который обеспечивает своевременное открытие впускных и выпускных клапанов для впуска рабочей смеси и выпуска отработавших газов. Состоит ГРМ из одного или нескольких распределительных валов, имеющих кулачки, толкающие клапаны (не менее двух на каждый цилиндр), клапанов и возвратных пружин.
Двигатель внутреннего сгорания способен работать только при слаженной работе вспомогательных систем, к которым относятся:
- система зажигания, отвечающая за воспламенение горючей смеси в цилиндрах;
- впускная система, обеспечивающая подачу воздуха для образования рабочей смеси;
- топливная система, обеспечивающая непрерывную подачу топлива и получение смеси горючего с воздухом;
- система смазки, предназначенная для смазывания трущихся деталей и удаления продуктов износа;
- выхлопная система, которая обеспечивает удаление отработавших газов из цилиндров ДВС и снижение их токсичности;
- система охлаждения, необходимая для поддержания оптимальной температуры для работы силового агрегата.
[custom_ads_shortcode1]
Рабочий цикл мотора
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.
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.
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.
[custom_ads_shortcode2]
Двухтактные моторы
Помимо четырехтактных поршневых ДВС существуют двухтактные. Принцип их работы несколько отличается от описанного выше. Устройство такого мотора проще.
В цилиндре имеется для окна – впускное и выпускное, расположенное выше. Поршень, находясь в НМТ, перекрывает впускное окно, затем, двигаясь вверх, перекрывает выпускное и сжимает рабочую смесь. По достижении им ВМТ на свече образуется искра и поджигает смесь.
Во время второго такта, двигаясь вниз под воздействием газов, поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы выдуваются из цилиндра новой порцией рабочей смеси, которая попадает в цилиндр через продувочный канал. Частично рабочая смесь при этом также уходит в выпускное окно, что объясняет прожорливость двухтактного ДВС.
Подобный принцип работы позволяет достичь большей мощности двигателя при меньшем рабочем объеме, однако за это приходится расплачиваться большим расходом топлива. К преимуществам таких моторов можно отнести более равномерную работу, простую конструкцию, малый вес и высокую удельную мощность. Из недостатков следует упомянуть более грязный выхлоп, отсутствие систем смазки и охлаждения, что грозит перегревом и выходом агрегата из строя.
Источники:
