ДВС — что это такое в машине, как работает, из чего состоит, классификация двигателей внутреннего сгорания

Люди постоянно пытаются построить экономичный и надёжный мотор. До сих пор идея об изобретении вечного двигателя не даёт покоя многим изобретателям. Неудачные разработки исчезли в веках. Но в результате проб и ошибок появилось несколько типов двигательных установок. Эти механизмы успешно нами эксплуатируются.

Все известные двигатели используют разные виды энергии, которую затем преобразуют в движение. В качестве приводной тяги может служить электроэнергия, вода и тепло. Поэтому они разделяются на следующие типы:

• электродвигатели;
• гидравлические машины;
• тепловые агрегаты.

Тепловые моторы основаны на преобразовании тепловой энергии в работу. В таких машинах применён один из двух способов сгорания топлива: внешний и внутренний.

В школе наверняка всем рассказывали о машинах, работающих на пару. Они как раз и представляют вид тепловых двигателей с внешней камерой сгорания. Первые паровые механизмы были построены ещё в середине XIX века . Сейчас паровые машины практически исчезли из нашей жизни. Они уступили место двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Принципиально ДВС отличаются от паровых машин местом размещения камеры сгорания. В механизмах с внутренним сгоранием эти камеры расположены в самих агрегатах. Такие моторы работают практически во всех транспортных средствах.

В этой статье приведена основная информация о принципе работы различных видов ДВС: газотурбинного, роторного, поршневого. Рассказано, как работает двигательный агрегат с внешней камерой сгорания — двигатель Стирлинга. Описана классификация и устройство двигателей внутреннего сгорания поршневого типа. Объяснено отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного.

Принцип работы ДВС

Самым главным механизмом, установленным в каждом автомобиле, является двигатель внутреннего сгорания. Механики любят называть его сердцем автомобиля. Именно он отвечает за преобразование энергии сгорания углеводородного топлива в механическое движение. Работают ДВС на жидком или газообразном топливе.

Все остальные узлы автомобиля предназначены либо для повышения производительности силового агрегата, либо для контроля и управления. Вспомогательные системы создают также комфорт пассажирам и водителям, при этом обеспечивая им безопасную езду.

Более чем за полуторавековую историю своего развития появились ДВС, различающиеся конструкцией, мощностью и используемым топливом.

Видео: Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Главная классификация ДВС

Все существующие ДВС разделены на 3 вида:

• поршневые;
• роторные;
• газотурбинные.

В поршневых агрегатах рабочим органом является поршень. В роторных моторах используется движение ротора. В газотурбинных двигателях движение осуществляется турбиной.

В каждом из видов этих силовых установок конструктивно реализованы разные схемы преобразования тепловой энергии в полезную работу. Это принципиально отличает их друг от друга. Максимальная производительность силовых агрегатов зависит от того, каким образом преобразуется тепловая энергия. Каждый вид силовых агрегатов создан для эффективной работы в своей области применения.

Ниже подробно описаны конструкции этих агрегатов и физические процессы, происходящие в них. Отдельный раздел статьи посвящён двигателю Стирлинга. Он относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого мотора по нескольким признакам похож на ДВС. Это часто вызывает путаницу.

Газотурбинный двигатель

При воспламенении топлива образуются газы, которые при нагреве расширяются. Этот факт всем известен из школьного курса физики. Указанный принцип положен в основу газотурбинной установки. Топливная смесь сгорает, и нагретый газ моментально расширяется, заставляя лопасти турбины вращаться. Чем больше температура газа, тем быстрее он увеличивается в объёмах. Эта зависимость определяет коэффициент полезного действия этого вида ДВС: чем выше температура газов, тем больше КПД.

Разработано два типа газотурбинных установок, отличающихся количеством рабочих валов. Агрегаты с двумя валами мощнее по сравнению с одновальными механизмами.

Газотурбинные двигатели устанавливают на машины, где необходима большая мощность силовой установки. Например, грузовые автомобили, корабли, самолёты и железнодорожные локомотивы.

Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя

Роторный ДВС

В моторах этого вида реализован принцип вращения вала от кругового движения ротора. Ротором является треугольный поршень, который вращается в овальной камере – статоре. Ротор закреплён на валу с эксцентриситетом. При таком расположении во время вращения ротора в цилиндре создаются полости для тактов зажигания, сгорания и выпуска. За один оборот ротора происходит 3 такта работы.

Достоинством роторного ДВС является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих узлов. Инженеры подсчитали, что деталей в агрегате роторного типа намного меньше, чем в моторах других типов. Поэтому роторные моторы гораздо меньше других. Это является ещё одним их преимуществом.

В Японии, известной своими передовыми разработками в автомобилестроении, были сконструированы двигатели, имеющие несколько роторов. Например, японцы сконструировали агрегат, имеющий такую же мощность, что и шестипоршневой двигатель гоночного автомобиля. Но размеры многороторного движка при этом гораздо меньше.

На ранних моделях вазовских автомобилей в своё время устанавливались роторные моторы.

Роторные двигатели гораздо проще и эффективнее поршневых. Но по непонятной причине роторные агрегаты используются очень редко.

Видео: Принцип работы роторного двигателя

Поршневой двигатель

Это – самый распространённый тип двигателя. Рассмотрим его принципиальную схему работы.

В конструкции мотора этого вида имеется несколько цилиндров, внутри каждого из них поршни совершают возвратно-поступательные движения. В обоих концах цилиндров расположены клапаны. Открываясь, клапан пропускает порцию топливной смеси в камеру сгорания, образующуюся в цилиндре перед поршнем. В это время поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. В расчётный момент происходит её воспламенение. Образующиеся газы расширяются и толкают поршень в другую сторону. Несколько таких поршней закреплены на валу П-образной конструкции. Обычно такой вал называют коленчатым. За каждое движение поршня вал проворачивается на определённую величину. Цикл движения поршня от одной стороны цилиндра до другой называется тактом. Скоординированная работа поршней заставляет коленчатый вал проворачиваться на полный оборот. Такие циклы постоянно повторяются, заставляя вращаться вал с большой скоростью.

Автомобилестроители постоянно совершенствуют поршневые двигатели. Каждое усовершенствование приводит к повышению мощности двигателя. Поршневые агрегаты являются самыми надёжными из всех видов силовых установок.

Видео: Принцип работы дизельного двигателя

Двигатель Стирлинга

В качестве примера разновидности двигательного агрегата с внешней камерой сгорания можно привести так называемый двигатель Стирлинга. Своё название он получил по фамилии изобретателя – шотландского священника Роберта Стирлинга. Этот оригинальный мотор работает на основе неоднократного нагрева рабочего тела – порции воздуха.

Принцип работы внешне похож на схему ДВС. В моторе Стирлинга тоже имеется цилиндр с поршнем, который двигается по возвратно-поступательной траектории и приводит в движение кривошипно-шатунный механизм. Мало того, цилиндр имеет радиатор охлаждения как в двигателе внутреннего сгорания.

Но главным отличием двигателя Стирлинга от ДВС является отсутствие топливной смеси. Её роль в данном случае выполняет воздух, который нагревается внешним источником тепла.

Дело в том, что уже находящийся в цилиндре воздух, нагреваясь, расширяется и толкает вытеснитель, который в свою очередь двигает рабочий поршень вверх. Поршень проворачивает кривошип. Проходя через зону охлаждения, воздух сжимается, давление в цилиндре уменьшается, образуя разрежение. В это время кривошип, двигаясь дальше, возвращает поршень в нижнее положение. Так периодически чередуя циклы нагрева и остывания рабочего тела (воздуха), извлекают энергию из процесса изменения давления.

Двигатель Стирлинга может работать практически на любом топливе, от дров до ядерной энергии. При этом конструкция этого агрегата очень проста и надёжна. Инженеры разработали 3 типа моторов подобного рода и назвали их буквами греческого алфавита. Выше описан принцип самого простого из них: бета-типа.

Двигатель конструкции Стирлинга незаменим в тех случаях, когда появляется необходимость преобразования очень маленького перепада температур. В таких условиях ни одна газовая турбина функционировать не может. Проще говоря, установки Стирлинга могут эффективно работать от обычной переносной газовой горелки или даже спиртовки. Туристы уже оценили такие устройства. Учёные предсказывают, что двигатели Стирлинга сделают революцию в солнечной энергетике.

Видео: Принцип работы двигателя Стирлинга

Виды поршневых ДВС

Поршневые моторы классифицируются по типу используемого топлива:

• бензиновые;
• газовые;
• дизельные.

Кроме того, двигатели отличаются системой зажигания. В установках, использующих принудительное зажигание, воспламенение топливной смеси производится устройствами, генерирующими искру. Их ещё называют свечами зажигания. В них периодически образуется электрическая дуга, которая и поджигает топливо в камере сгорания цилиндра. Работают свечи от электрического аккумулятора. Сложность представляет регулировка свечей. Необходимо отрегулировать свечи так, чтобы искра образовывалась точно в тот момент, когда смесь достигнет расчётного уровня сжатия.

Принудительное зажигание характерно только для бензиновых двигателей. Реже такая система применяется в двигателях, работающих на газе.

Топливная смесь может подаваться в цилиндры двумя способами: с помощью карбюратора или инжектора.

Поршневые агрегаты, использующие в качестве топлива солярку, называются дизельными и имеют другую систему воспламенения топлива в цилиндре. В дизельных установках смесь самопроизвольно воспламеняется в результате её сжатия поршнем. Отличительной особенностью дизельных двигателей является их «всеядность». Они способны работать на нескольких видах топлива. Дизели прекрасно функционируют, будучи заправлены другими горючими веществами. Например, керосином, мазутом или даже растительным маслом.

В зависимости от количества тактов рабочего цикла, различают двухтактные и четырёхтактные ДВС. Двухтактные двигатели обычно ставят на мотоциклы, мопеды или газонокосилки. Четырёхтактные моторы устанавливаются в современных автомобилях.

По пространственному расположению цилиндров ДВС тоже имеют свою классификацию.

Если цилиндры расположены на одной оси, то такие двигатели называются рядными. Обозначаются рядные моторы английским символом «R» с цифрой, указывающей на количество цилиндров.

Если цилиндры размещены под углом друг к другу, то такие агрегаты называют V-образными. Они гораздо компактнее других типов двигателей. Обычно угол между осями цилиндров составляет 120 градусов . Имеются модели V-образных моторов с другим углом между осями цилиндров.

Агрегаты, обозначаемые символом «Vr», имеют переходную конструкцию. Они обладают признаками и рядных, и V-образных двигателей.

При расположении цилиндров напротив друг друга, то есть под углом 180 градусов , двигатели называются оппозитными.

Устройство двигателя внутреннего сгорания: описание основных узлов ДВС

В этом разделе рассмотрено назначение и конструктивное исполнение отдельных узлов поршневых двигателей.

Кривошипно-шатунный механизм

Поршни в цилиндрах движутся возвратно-поступательно. Кривошип вместе с шатунами преобразуют это движение во вращение вала. Механизм называется кривошипно-шатунным (КШМ). Состоит из П-образного вала, называемого коленчатым, узла цилиндров, головки блока цилиндров (ГБЦ) и креплений.

Газораспределительная система

ГБЦ регулирует подачу обогащённой смеси в цилиндры. Процесс происходит за счёт скоординированных во времени циклов открытия и закрытия группы клапанов, осуществляющих подачу смеси и выпуск отработанных газов. Кроме этого, газораспределительная система отводит наружу выхлопные газы. Управляет клапанами распределительный вал, который связан с коленвалом зубчатой или ремённой передачей. Вращаясь, распределительный вал заставляет открываться и закрываться нужные клапана в строго определённое время.

Вся система состоит из распредвала и клапанных групп. Ремонт головки часто вызывает затруднения, так как требует тщательной установки уплотнений. При неправильно установленных прокладках произойдёт подсос воздуха, возможна также утечка топлива. Это нарушает баланс топливной смеси.

Система питания

Внутрь цилиндров подаётся не чистое горючее, а порция смеси, состоящей из обогащённого воздухом топлива. Карбюратор смешивает бензин с воздухом, то есть обогащает топливо. Затем приготовленная смесь через коллектор, называющийся впускным, попадает в камеру.

Если ДВС оборудован инжектором, то бензин под высоким давлением подается сразу во впускной коллектор. Впрыск происходит через форсунки. Бензин и воздух смешиваются не в карбюраторе, а непосредственно во впускном коллекторе.

Топливо циркулирует в системе питания за счёт работы насоса. В карбюраторных двигателях установлены механические насосы. В инжекторных — электрические.

Инжекторные двигатели обычно оснащаются электронным зажиганием. Такое зажигание эффективнее свечного, так как воспламенением топливно-воздушной смеси управляет бортовой компьютер. Для его эффективной работы в автомобиле установлены специальные датчики, собирающие все необходимые данные для компьютера.

Зажигание

В двигателях с карбюратором всегда имеются так называемые свечи зажигания. Они генерируют вольтову дугу, поджигающую топливную смесь. В народе такую дугу обычно называют искрой. В таких автомобилях система зажигания состоит из свечей и аккумулятора.

В двигателях на дизельном топливе процесс возгорания смеси принципиально отличается. Она самовоспламеняется. Это стало возможным благодаря уникальным свойствам дизельного топлива. Дизтопливо через форсунки под высоким давлением подаётся в цилиндр. Предварительно воздух в камере цилиндра тоже сжимается и нагревается до 700 градусов . В таких условиях солярка мгновенно самовоспламеняется.

Выхлопная система

Вывод газов наружу осуществляется системой выпуска продуктов сгорания — выхлопной системой. Токсичные газы направляются сначала в выпускной коллектор, в котором осуществляется сбор выхлопных газов от всех цилиндров. Из коллектора газ, содержащий большое количество вредных веществ, выбрасывается наружу через глушитель.

Последние модели всех автомобилей теперь выпускаются только с каталитическими нейтрализаторами. Они сильно снижают токсичность выхлопных газов, приводя их в соответствие с экологическими нормами.

Система смазки

В автомобиле есть много деталей вращения. Во время работы двигателя трущиеся между собой детали активно изнашиваются. Чтобы уменьшить износ и увеличить КПД двигателя, в каждом автомобиле предусмотрена замкнутая система, созданная для циркуляции смазки. Подача масла в систему осуществляет масляный насос. Перед тем, как попасть в двигатель, масло проходит через фильтр, где очищается от накопившихся загрязнений. Через систему распределения масло подаётся в подшипники коленчатого вала и в газораспределительный механизм для смазки деталей распределительного вала. Затем отработанное масло поступает в картер — специально сконструированную ёмкость в виде поддона. Из картера масло опять забирается насосом и направляется на следующий цикл смазки.

В результате работы системы смазки фильтры засоряются, что снижает степень очистки. Недостаточный уровень очистки ухудшает характеристики масла. По мере засорения фильтров давление масла начинает повышаться. Для сброса давления и безопасной работы узлов автомобиля устанавливают предохранительные, или так называемые редукционные клапаны, срабатывающие при превышении давления масла. Эти клапаны срабатывают вследствие засорения фильтров. Своевременная замена масла и фильтров является непременным условием эффективной работы ДВС.

Во время работы мотора масло нагревается, что тоже плохо отражается на работе мотора. Все мощные двигатели работают со своей системой охлаждения масла. Обычно их называют масляными радиаторами.

Системы охлаждения

Во время продолжительной работы двигатели могут нагреться до достаточно высоких температур. Температура внешней поверхности цилиндров достигает нескольких сотен градусов. Никакие механизмы не могут эффективно работать при таких высоких температурах. Поэтому конструкторы разработали системы для охлаждения узлов автомобиля. Принцип работы таких систем заключается в передаче тепла от нагретых частей к охлаждающей жидкости. Заметим, что состав таких жидкостей и их свойства постоянно улучшаются производителями.

Самым узнаваемым элементом системы охлаждения стал радиатор, который обычно находится в начале моторного отсека, непосредственно перед двигателем. Такое расположение позволяет радиатору дополнительно охлаждаться встречным потоком воздуха. Для повышения эффективности работы радиатора впереди него установлен мощный вентилятор.

Радиатор понижает температуру самого охлаждающего агента после того, как тот отберёт тепло от цилиндров. Вся система охлаждения состоит из термостата, помпы, небольшой расширительной ёмкости и устройства обогрева салона.

Работа системы охлаждения регулируется термостатом. Если двигатель ещё не нагрелся до критических величин, то помпа прогоняет охлаждающую жидкость по так называемому «малому» кругу, то есть только в пределах самого двигателя. Когда термостат включается, то жидкость пропускается через радиатор, охлаждаясь при этом гораздо эффективнее.

Порог срабатывания термостата обычно составляет 90 градусов . В некоторых моделях автомобилей температура срабатывания термостата может быть установлена больше или меньше этой величины.

Долговременная работа любого автомобиля невозможна без эффективной системы охлаждения.

Четырехтактный ДВС

Число тактов работы — одна из важнейших характеристик любого ДВС. Далее приведено описание взаимодействия поршня с клапанами поочерёдно в каждом такте. Напомним, 1 цикл — это 4 такта .

В первом такте выполняется впуск смеси. Топливо смешивается с воздухом. Поршень двигается к наивысшей точке. В камере сгорания создаётся область низкого давления — разрежение. Впускной клапан открывает отверстие в камере для подачи смеси. Коленвал начинает первый оборот.

Во втором такте смесь сжимается. Впускной клапан закрывается. Поршень, достигнув наивысшей точки, сжимает обогащённую топливную смесь. Коленвал завершает первый оборот.

Рабочий ход выполняется в третьем такте. Обогащённая смесь поджигается. В бензиновых двигателях поджигание производится электрической дугой от свечи. В дизельных — топливо воспламеняется самостоятельно в процессе сжатия. Облако расширяющихся газов заставляет поршень двигаться вниз. Начало второго оборота коленвала.

В четвёртом такте происходит выпуск. Открывается выпускной клапан. Газы выводятся в коллектор, а затем выбрасываются наружу. Поршень начинает двигаться вверх. Вал завершает второй оборот.

Таким образом, за 1 рабочий цикл этот двигатель совершает 4 такта , во время которых вал проворачивается дважды .

Видео: Принцип работы четырёхтактного двигателя

Двухтактный мотор

В этих двигателях сжатие и рабочий ход совершаются также как в четырёхтактных. Но очистка и заполнение цилиндров топливной смесью происходит за очень короткое время в момент нахождения поршня в самом нижнем положении. Если в четырёхтактном двигателе смесь попадает в камеру сгорания через открытые отверстия клапанов, то в этом моторе очередная порция смеси поступает в цилиндр через специальные отверстия, называемыми окнами. Они открываются и закрываются телом поршня. Процессы наполнения полостей цилиндра новой смесью и удаления продуктов сгорания называются продувкой.

Для осуществления продувки внутренняя полость цилиндра напрямую связана с КШМ. По сути, поршень двигается в одном пространстве с кривошипом. Под ним образуется полость, которую называют кривошипной камерой или картером. Эта камера тоже участвует в процессах газообмена. В ней периодически создаётся разрежение. Это позволяет поступать новой порции смеси через впускное отверстие.

Такая конструкция позволяет двигателю развивать в 1,5 раза большую мощность по сравнению с другими моторами аналогичного объёма при тех же оборотах двигателя. Но есть и ряд недостатков.

• Детали в таком двигателе работают с большей интенсивностью, то есть быстрее изнашиваются.
• Особое значение придаётся герметизации всех механизмов, работающих практически в одном пространстве: поршня, цилиндра и кривошипа.
• Так как в картере нельзя устроить масляную ванну, то смазку поршня и других деталей осуществляют добавлением масла в топливо.
• Перепады давления смеси в цилиндре не так велики, поэтому для повышения производительности двигателя часто используют принудительную продувку.

Рабочий цикл осуществляется в течение одного оборота коленвала.

Видео: Принцип работы двухтактного двигателя

Одно сообщение на “ ДВС — что это такое в машине, как работает, из чего состоит, классификация двигателей внутреннего сгорания ”

Поршневые двигатели — камерой сгорания служит цилиндр, возвратно-поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращение вала.

Источник https://autobibikka.ru/dvs/

Источник

Источник

Источник