Что обеспечивает работу двигателя автомобиля

21 июля 2011

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Открывая крышку капота, Вы когда-нибудь задумывались о том, как работает двигатель? Для непосвященного человека двигатель выглядит как кусок металла с трубками и проводами.

Возможно, Вам просто из любопытства интересно узнать, как же работает двигатель. Или, может быть, Вы собираетесь купить новый автомобиль и слышите фразы «3.0 л V-6», «двухраспредвальный вид головки» или «отрегулированный тракт впрыска топлива». Что все это такое?

В данной статье мы расскажем об устройстве двигателя, его компонентах, о том, как они работают вместе, какие могут возникнуть неполадки и как увеличить производительность.

 
Содержание статьи

1. Введение
2. Внутреннее сгорание
3. Устройство двигателя
4. Неполадки двигателя
5. Клапанный механизм и система зажигания двигателя
6. Системы охлаждения, воздухозабора и запуска двигателя
7. Читайте также » Системы смазки, подачи топлива, выхлопа и электросистема двигателя
8. Увеличение мощности двигателя
9. Часто задаваемые вопросы по двигателям
10. Чем 4-цилиндровый двигатель отличается от V-образного шестицилиндрового двигателя?
11. Узнать больше
12. Читайте также Статьи про все типы двигателей

 

 
Бензиновый автомобильный двигатель предназначен для преобразования энергии бензинового топлива для движения автомобиля. В настоящий момент самым простым способом привести автомобиль в движение является сгорание бензина в двигателе. В связи с тем, что двигатель автомобиля является двигателем внутреннего сгорания, сгорание топлива происходит внутри двигателя.

 
На заметку:

• Существуют различные типы двигателей внутреннего сгорания. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
• Также существуют и двигатели внешнего сгорания. Паровые двигатели в поездах старого образца и пароходах являются наглядным примером двигателей внешнего сгорания. В паровых двигателях топливо (уголь, дрова, масло и т.д.) сгорает вне двигателя для получения пара, который уже приводит двигатель в движение. Внутреннее сгорание является более эффективным (расход топлива на 1км значительно ниже) чем внешнее сгорание, помимо этого размеры двигателей внутреннего сгорания намного меньше двигателей внешнего сгорания. Именно поэтому нам не встречаются автомобили Ford или GM на паровых двигателях.

 
Внутреннее сгорание

 
Принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания: Если поместить небольшой объем высокоэнергетического топлива (например, бензина) в небольшой закрытый сосуд и воспламенить, то в результате высвободится огромное количество энергии в виде расширяющегося газа. Этой энергии хватит для запуска картофелины на 1510м. В данном случае энергия используется для движения картофелины. Данную энергию можно использовать в более интересных целях. Например, если у Вас получится создать цикл, который позволит производить взрывы с частотой несколько сотен раз в минуту, и если Вам удастся эффективно использовать данную энергию, то Вы получите основную часть автомобильного двигателя!

Рисунок 1

 
На сегодняшний день практически во всех автомобилях используется так называемый четырехтактный цикл сгорания для преобразования энергии топлива в механическую энергию. Четырехтактный принцип работы также называют Цикл Отто, в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867г. Все четыре такта представлены на рисунке 1. Эти такты:

• Такт впуска
• Такт сжатия
• Рабочий такт
• Такт выпуска

 
На рисунке видно, что в картофельной пушке картофелина заменена устройством, которое называется поршень. При помощи шатуна поршень соединяется с коленчатым валом. При вращении коленвала создается эффект «перезарядки пушки». Во время цикла в двигателе происходят следующие процессы:

1. Поршень начинает движение сверху, впускной клапан открывается, поршень движется вниз для наполнения цилиндра воздухом и бензином. Это такт впуска. На данном этапе для смеси топлива и воздуха требуется лишь небольшое количество бензина. (Часть 1 рисунка)
2. Затем поршень движется вверх, сжимая топливно-воздушную смесь. Сжатие способствует более мощному взрыву. (Часть 2 рисунка)
3. Как только поршень достигает верхней точки, срабатывает свеча зажигания, которая воспламеняет топливо. Происходит взрыв бензина, при этом поршень движется вниз. (Часть 3 рисунка)
4. Как только поршень достигает нижней точки хода, открывается выпускной клапан для вывода продуктов сгорания по выхлопной трубе. (Часть 4 рисунка)

 
Теперь двигатель готов к началу следующего цикла, происходит впуск топлива и воздуха.
Обратите внимание, что движение, получаемое в результате работы двигателя внутреннего сгорания, является вращательным, в то время как движение, производимое картофельной пушкой — линейное (прямая линия). В двигателе линейное движение поршней переводится во вращательное движение при помощи коленвала. Вращательное движение идеально подходит для вращения колес автомобиля.

 
В следующем разделе мы предлагаем рассмотреть детали, которые обеспечивают работу двигателя, начиная с цилиндров.

 
 
Устройство двигателя

 
Цилиндр является самой важной частью двигателя, поршень совершает поступательные движения в цилиндре. Вышеописанный двигатель имеет один цилиндр. Такой двигатель типичен для газонокосилок, однако в автомобильные двигатели имеют более одного цилиндра (обычно четыре, шесть или восемь). В многоцилиндровых двигателях цилиндры расположены в одном из трех порядков: линейно, V-образно или оппозитно (т.н. двигатель с горизонтальными противолежащими цилиндрами или оппозитный двигатель).

 

Рисунок 2. Линейное расположение — Цилиндры расположены линейно в один ряд.

 

Рисунок 3. V-образное — Цилиндры расположены линейно в два ряда под углом друг к другу.

 

Рисунок 4. Оппозитное — Цилиндры расположены линейно в два ряда с противоположных сторон двигателя.

 
Говоря об управляемости, затратах на производство и характеристиках формы, необходимо отметить, что различные конфигурации имеют свои преимущества и недостатки. Благодаря этим преимуществам и недостаткам определенные типы двигателей подходят для определенных автомобилей.

 
Давайте более подробно рассмотрим основные детали двигателя.

 
Свеча зажигания
Свеча зажигания подает искру для воспламенения топливно-воздушной смеси, что обеспечивает процесс сгорания. Для правильной работы двигателя искра должна подаваться в строго определенный момент.

 
Клапаны
Впускной и выпускной клапаны открываются в определенный момент для впуска топлива и воздуха и выпуска выхлопа. Обратите внимание, что оба клапана закрыты во время тактов сжатия и сгорания для обеспечения герметичности камеры сгорания.

 
Поршень
Поршень — это металлическая деталь цилиндрической формы, которая движется вверх и вниз внутри цилиндра.

 
Поршневые кольца
Поршневые кольца обеспечивают скользящее уплотнение между внешней кромкой поршня и внутренней кромкой цилиндра. Кольца используются для двух целей:

• Они препятствуют попаданию топливно-воздушной смеси в картер из камеры сгорания в процессе такта сжатия и рабочего такта.
• Они препятствуют попаданию масла из картера в камеру сгорания, где оно может сгореть.

 
Большинство автомобилей, которые «жгут масло» и требуют его добавления каждые 1000 км, имеют старые двигатели, поршневые кольца которых уже не могут обеспечивать надлежащее уплотнение.

 
Шатун
Шатун соединяет поршень и коленвал. Он может вращаться с обеих сторон для изменения угла во время движения поршня и вращения коленвала.

 
Коленвал
Коленвал преобразует поступательное движение поршней во вращательное как рычаг «чертика из табакерки».

 
Картер
Картер окружает коленвал. В нем находится некоторое количество масла, которое собирается в нижней части картера (поддоне картера).

 
Далее мы узнаем о неполадках двигателя.

 

 
Неполадки двигателя

 
Итак, одним прекрасным утром Вы садитесь в машину, а двигатель не заводится… Что же случилось? Теперь, когда Вы знакомы с принципом работы двигателя, Вы сможете разобраться с основными проблемами, которые мешают запуску двигателя. Три наиболее частые неполадки: плохая топливная смесь, недостаточная компрессия, отсутствие искры. Помимо вышеперечисленных, могут возникнуть тысячи других проблем, но мы остановимся на «большой тройке». Основываясь на простом двигателе, который мы описывали, мы расскажем о том, как эти проблемы могут повлиять на Ваш двигатель:

 
Плохая топливная смесь — Данная проблема может возникнуть по нескольким причинам:

• У Вас закончился бензин, поэтому в двигатель поступает только воздух без топлива.
• У Вас забилось впускное отверстие воздуха, поэтому поступает только топливо.
• Топливная система подает слишком много или мало топлива, в результате чего сгорание не происходит надлежащим образом.
• Возможно, в топливе присутствуют примеси (например, в бензобак попала вода), которые препятствуют сгоранию.

 
Недостаточная компрессия — Если топливно-воздушная смесь не будет сжата надлежащим образом, процесс сгорания будет проходить неправильно. Недостаточная компрессия может быть вызвана рядом причин:

• Износ поршневых колец (топливно-воздушная смесь вытекает за пределы поршня в процессе сжатия).
• Недостаточное уплотнение клапана впуска или выпуска, что опять же вызывает протечку.
• В цилиндре имеются повреждения.

 
Наиболее часто повреждение цилиндра происходит в его верхней части (на которой установлены клапаны, свеча зажигания и которая называется головка цилиндра) крепится к самому цилиндру. Обычно головка цилиндра крепится к самому цилиндру при помощи болтового соединения с использованием тонкой прокладки, которая обеспечивает качественное уплотнение.. При повреждении прокладки, между цилиндром и его головкой образуются небольшие отверстия, в результате чего происходят протечки.

 
Регулярное техническое обслуживание может помочь избежать ремонта

 
Отсутствие искры — Искра может быть слишком слабой или отсутствовать вообще по следующим причинам:

• При износе свечи зажигания или ее провода может наблюдаться слабая искра.
• При повреждении или обрыве провода или система, передающая искру, не функционирует надлежащим образом, искра может отсутствовать.
• Если искра подается слишком рано или поздно во время цикла (т.е. если регулировка зажигания отключена), воспламенение топлива не произойдет в нужный момент, что может повлечь к различным проблемам.

 
Могут возникнуть и другие неполадки. Например:

• Если аккумулятор разряжен, Вы также не сможете завести двигатель.
• Если подшипники, которые обеспечивают свободное вращение коленвала, изношены, коленвал не сможет вращаться, в результате чего двигатель не заведется.
• Если открытие/закрытие клапанов не происходит в нужный момент и не происходит вообще, воздух не сможет поступать и выходить, что будет препятствовать работе двигателя.
• Если кто-то засунет картофелину Вам в выхлопную трубу, выхлоп не будет выпущен из цилиндра, поэтому двигатель не заведется.
• Если у Вас закончилось масло, поршень не сможет свободно двигаться в цилиндре, в результате чего двигатель заклинит.
• В исправно работающем двигателе все эти факторы находятся в допустимых пределах.

 
Как Вы видите, в двигателе имеется несколько систем, которые обеспечивают преобразование энергии топлива в механическую энергию. В следующих разделах мы рассмотрим различные подсистемы, которые используются в двигателях.

 
 
Клапанный механизм и система зажигания двигателя

 
Большинство подсистем двигателя может быть установлено с использованием различных технологий, а новые технологии могут улучшить показатели двигателя. Далее мы рассмотрим различные подсистемы, которые используются в современных двигателях, начиная с клапанного механизма.

 
Клапанный механизм состоит из клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Открывающая и закрывающая система называется распредвал. Распредвал имеет кулачки, которые перемещают клапаны вверх-вниз ,как показано на Рисунке 5.

 

Рисунок 5. Распредвал

 
В большинстве современных автомобилей используются так называемые верхнерасположенные распредвалы. Распредвал имеет кулачки, которые перемещают клапаны вверх-вниз, как показано на Рисунке 5. Кулачки воздействуют на клапаны напрямую или посредством очень короткой тяги. В старых моделях двигателей распредвал расположен в картере рядом с коленвалом. Штифты соединяют нижнюю часть кулачков с толкателями клапанов, расположенными над клапанами. В таком устройстве имеется больше движущихся частей, в результате чего возникает отставание между временем активации кулачка и последующим перемещением клапана. Ремень ГРМ или цепь ГРМ соединяет коленвал с распредвалом таким образом, чтобы клапаны двигались синхронно с поршнями. Скорость вращения распредвала в два раза ниже, чем у коленвала. Во многих мощных двигателях на каждый цилиндр установлено по четыре клапана (два впускных и два выпускных), такая конструкция требует наличия двух распредвалов на блок цилиндров, отсюда и название «двухраспредвальный вид головки». Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает распредвал».

 
Система зажигания (Рисунок 6) генерирует электрический разряд высокого напряжения и передает его от свечи зажигания по проводам зажигания. Вначале заряд поступает на распределитель, который Вы легко можете найти под капотом большинства автомобилей. Распределитель имеет один провод, входящий в центре и четыре, шесть или восемь проводов (в зависимости от количества цилиндров), выходящие их него. Эти провода зажигания передают заряд на каждую свечу зажигания. Зажигание двигателя отрегулировано таким образом, что за один раз искру от распределителя получает только один цилиндр. Такая конструкция обеспечивает максимальную равномерность работы. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает автомобильная система зажигания».

Рисунок 6. Система зажигания

 
В следующем разделе мы рассмотрим, как происходит запуск, охлаждение и циркуляция воздуха в двигателе.

 
 
Системы охлаждения, воздухозабора и запуска двигателя

 
В большинстве автомобилей система охлаждения состоит из радиатора и водяного насоса. Охлаждающая жидкость циркулирует по охлаждающей рубашке цилиндров, затем попадает в радиатор для охлаждения. В некоторых автомобилях (преимущественно в Volkswagen Жук) и в большинстве мотоциклов и газонокосилок используется воздушное охлаждение двигателей (двигатель с воздушным охлаждением легко узнать по ребрам на внешней стороне цилиндров, которые рассевают тепло). Двигатели с воздушным охлаждением намного легче, но охлаждаются хуже, что снижает их срок эксплуатации и производительность. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система охлаждения».

На схеме представлено соединение патрубков системы охлаждения

 
Итак, теперь Вы знаете, что и как охлаждает двигатель Вашего автомобиля. Но почему так важна циркуляция воздуха? Большинство двигателей является безнаддувными, т.е. воздух поступает через воздушные фильтры непосредственно в цилиндры. Более мощные двигатели либо имеют турбонаддув, либо наддув, т.е. воздух поступает в двигатель под давлением (для подачи в цилиндр большего объема топливно-воздушной смечи) для увеличения мощности двигателя. Уровень сжатия воздуха называется наддув. При турбонаддуве используется небольшая турбина, установленная на выхлопную трубу для вращения нагнетающей турбины входящим потоком воздуха. Турбокомпрессор устанавливается непосредственно на двигатель для вращения компрессора.

 
Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает турбокомпрессор».

 
Увеличение мощности двигателя — это, конечно, хорошо, но что же происходит когда Вы поворачиваете ключ? Система запуска состоит из электростартера и соленоида стартера. При повороте ключа зажигания, стартер несколько раз проворачивает двигатель для начала процесса сгорания. Для запуска холодного двигателя требуется мощный стартер. Стартер должен преодолеть:

• Любое собственное трение, вызванное поршневыми кольцами
• Давление сжатия любого из цилиндров во время такта сжатия
• Энергию, необходимую для открытия и закрытия клапанов распредвалом
• А также действие всех остальных деталей, установленных непосредственно на двигателе, например водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.

 
В связи с тем, что требуется большое количество энергии и в автомобилях используется 12-вольтная электросистема, на стартер должен поступать ток в несколько сотен ампер. Соленоид стартера — это большой электронный переключатель, который может выдержать ток такой силы. При повороте ключа зажигания, он запускает соленоид для подачи питания на стартер.

 
В следующем разделе мы расскажем о подсистемах двигателя, которые отвечают за то, что в него поступает (масло и топливо) и что выходит (выхлоп и выбросы).

 
Системы смазки, подачи топлива, выхлопа и электросистема двигателя

 
Когда дело касается повседневного обслуживания, скорее всего Вас, прежде всего, заинтересует количество бензина в бензобаке Вашего автомобиля. Каким же образом бензин, которым Вы заправляетесь, заставляет работать цилиндры? Топливная система при помощи насоса подает топливо из бензобака и смешивает его с воздухом в определенных пропорциях для того, чтобы топливно-воздушная смесь затем поступала в цилиндры. Существует три способа подачи топлива: карбюрация, впрыск во впускные каналы и непосредственный впрыск.

• При карбюрации устройство, которое называется карбюратор, смешивает бензин с воздухом при подаче воздуха в двигатель.
• В двигателях с впрыском топлива необходимое количество топлива впрыскивается в каждый цилиндр отдельно либо над впускным клапаном (впрыск во впускные каналы), либо в сам цилиндр (непосредственный впрыск).

 
Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система впрыска топлива».

 
Масло также играет очень важную роль. Система смазки обеспечивает подачу масла для каждой движущейся детали для того, чтобы они свободно двигались. Прежде всего, смазка требуется поршням (для их плавного движения в цилиндрах) и подшипникам, которые обеспечивают вращение таких деталей, как коленвал и распредвал. В большинстве автомобилей масла из поддона картера подается при помощи масляного насоса, проходит через масляный фильтр для удаления абразивных частиц, после чего под давлением поступает на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает обратно в картер, где оно собирается, после чего цикл повторяется.

 

Выхлопная система автомобиля Porsche 911

 
Теперь, когда Вы уже кое-что знаете о том, что заливается в автомобиль, давайте рассмотрим, что же из него выходит. Выхлопная система состоит из выхлопной трубы и глушителя. Если глушитель не установлен, то Вы сможете услышать звуки тысяч небольших взрывов, доносящихся из выхлопной трубы. Глушитель заглушает эти звуки. Выхлопная система также включает в себя и каталитический дожигатель выхлопных газов. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает каталитический дожигатель выхлопных газов».

 
В большинстве современных автомобилей система понижения токсичности выхлопа состоит из каталитического дожигателя выхлопных газов, и набора датчиков и приводов и компьютера, который отслеживает и регулирует происходящие процессы. Например, каталитический дожигатель использует катализатор и кислород для сжигания неотработанного топлива и некоторых других химических веществ, содержащихся в выхлопе. Датчик кислорода отвечает за количество кислорода в выхлопе, достаточное для работы катализатора, при необходимости датчик производит дополнительную регулировку.

 
Что еще помимо бензина питает Ваш автомобиль? Электросистема состоит из аккумулятора и генератора. Генератор соединяется с двигателем при помощи ремня и генерирует ток для зарядки аккумулятора. Аккумулятор подает 12 вольт на все системы, которым требуется электропитание (система зажигания, радио, фары, стеклоочистители, электрические стеклоподъёмники и сиденья с электрическим приводом регулировки, компьютеры и т.д.).

 
Теперь, когда Вы все узнали про подсистемы двигателя, мы расскажем о том, как увеличить мощность двигателя.

 
 
Увеличение мощности двигателя

 
Прочитав данную статью, Вы увидите, что существует множество способов увеличения показателей Вашего двигателя. Производители автомобилей постоянно экспериментируют со следующими параметрами для увеличения мощности двигателя или снижения расхода топлива.

 
Увеличение рабочего объема — Большой рабочий объем способствует увеличению мощности, т.к. при каждом обороте двигателя сгорает больше топлива. Увеличить рабочий объем можно, установив большие или дополнительные цилиндры. Практика показывает, что не имеет смысла устанавливать более 12 цилиндров.

 
Увеличение степени сжатия — Увеличение степени сжатия способствует увеличению мощности. Однако, чем сильнее происходит сжатие топливно-воздушной смеси, тем выше вероятность ее самовозгорания (еще до срабатывания свечи зажигания). Высокооктановый бензин предотвращает раннее сгорание топлива. Именно по этой причине мощные автомобили необходимо заправлять высокооктановым бензином — в их двигателях используется более высокая степень сжатия для увеличения мощности.
Увеличение объема подаваемой смеси — При увеличении подачи воздуха (и, соответственно, топлива), не изменяя размер цилиндра, можно увеличить мощность (точно также, как при увеличении размера цилиндра). Турбокомпрессоры и компрессоры наддува повышают давление поступающего воздуха, благодаря чему в цилиндр можно подать больше воздуха. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает турбокомпрессор».

 
Охлаждение поступающего воздуха — При сжатии воздуха, его температура повышается. Поэтому лучше обеспечивать подачу более холодного воздуха в цилиндр, т.к. чем выше температура воздуха, тем меньше его расширение при сгорании. По этой причине во многих двигателях с наддувом и турбонаддувом используются охладители воздуха. Охладитель воздуха — это специальный радиатор, по которому сжатый воздух проходит для охлаждения перед подачей в цилиндр. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система охлаждения».

 
Облегчение подачи воздуха  — При движении поршня вниз во время такта впуска, сопротивление воздуха может снизить мощность двигателя. Сопротивление воздуха может быть снижено благодаря установке двух впускных клапанов на каждый цилиндр. В некоторых современных автомобилях используются полированные впускные коллекторы для снижения сопротивления воздуха. Установка больших воздушных фильтров также может улучшить подачу воздуха.

 
Облегчение выпуска выхлопа — При выпуске выхлопа из цилиндра, сопротивление воздуха может снизить мощность двигателя. Сопротивление воздуха может быть снижено благодаря установке двух выпускных клапанов на каждый цилиндр (автомобиль с двумя впускными и двумя выпускными клапанами имеет по четыре клапана на каждый цилиндр, что увеличивает мощность двигателя — когда Вы слышите рекламу автомобиля, в которой говорится, что у него 4 цилиндра и 16 клапанов, это означает, что в двигателе установлено по четыре клапана на каждый цилиндр). Если выхлопная труба слишком узкая или сопротивление воздуха в глушителе слишком высокое, то это может создать противодавление, что также снизит мощность. В высокоэффективных выхлопных системах используются выпускные коллекторы, широкие выхлопные трубы и глушители для предотвращения образования противодавления в выхлопной системе. Поэтому, когда Вы слышите, что в автомобиле установлена «раздельная система выпуска», это значит, что для улучшения выпуска отработанных газов используется две выхлопных трубы вместо одной.

 
Снижение массы — Чем легче детали, тем эффективнее работает двигатель. Каждый раз, когда поршень меняет направления движения, он затрачивает энергию на то, чтобы прекратить движение в одну сторону и начать в другую. Чем легче поршень, тем меньше энергии ему требуется.

 
Впрыск топлива — Система впрыска топлива обеспечивает очень точное дозирование топлива для каждого цилиндра. Благодаря этому увеличивается мощность и снижается расход топлива. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система впрыска топлива».

 
  
Часто задаваемые вопросы по двигателям

 
Ниже приведены наиболее часто задаваемые вопросы наших читателей, а также ответы на них:

• Чем отличаются бензиновые и дизельные двигатели? В дизельных двигателях отсутствует свеча зажигания. Дизельное топливо подается в цилиндр, возгорание происходит под действием тепла и давления во время такта сжатия. Энергетическая плотность дизеля значительно выше, чем у бензина, поэтому дизельный двигатель рассчитан на больший пробег. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает дизельный двигатель».

 

• Чем отличаются двухтактные и четырехтактные двигатели? В большинстве бензопил и лодочных моторов используются двухтактные двигатели. В двухтактном двигателе отсутствуют клапаны, а свеча зажигания дает искру каждый раз, когда поршень находится в верхней точке хода. Через отверстие в нижней части стенки цилиндра происходит впуск топлива и воздуха. Когда поршень движется вверх, сжимая смесь, свеча зажигания дает искру для начала процесса сгорания, отработанные газы выходят через другое отверстие в стенке цилиндра. В двухтактных двигателях необходимо смешивать масло с бензином, т.к. отверстия в стенках цилиндров не допускают использование уплотнительных колец для герметизации камеры сгорания. В общем, двухтактные двигатели являются достаточно мощными для своих размеров, т.к. в них на один поворот двигателя происходит в два раза больше циклов сгорания. Однако, двухтактный двигатель расходует больше бензина и сжигает большое количество масла, соответственно, он наносит больший вред экологии. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает двухтактный двигатель».

 

• В этой статье Вы упоминали паровые двигатели — существуют ли какие-либо преимущества паровых двигателей или других двигателей внешнего сгорания? Единственное преимущество паровых двигателей заключается в том, что в качестве топлива можно использовать все, что горит. Например, в паровом двигателе в качестве топлива можно использовать уголь, газеты, дрова, в то время как для работы двигателя внутреннего сгорания требуется очищенное высококачественное жидкое или газообразное топливо. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает паровой двигатель».

 

• Используются ли в автомобильных двигателях какие-либо другие циклы помимо цикла Отто? Как говорилось ранее, в двухтактных и дизельных двигателях используются другие циклы работы. В двигателе автомобиля Mazda Millenia используется модифицированный цикл Отто, который называется цикл Миллера. В газотурбинных двигателях используется цикл Брайтона. В дизельных ротационных двигателях Ванкеля используется цикл Отто, однако он происходит совершенно по-другому в отличие от четырехтактных поршневых двигателей.

 

• Зачем нужно устанавливать восемь цилиндров? Почему нельзя установить один большой цилиндр с таким же рабочим объемом, как у восьми цилиндров? По ряду причин в 4.0л двигателе используется восемь цилиндров объемом пол-литра каждый, а не один большой 4-литровый цилиндр. Основная причина — это равномерность работы. V-образный восьмицилиндровый двигатель работает более равномерно, т.к. в нем происходит восемь взрывов с равными интервалами вместо одного сильного взрыва. Другая причина — это начальный крутящий момент. Когда Вы заводите V-образный восьмицилиндровый двигатель, Вам необходимы только два цилиндра (1л) во время их тактов сжатия, если использовать один большой цилиндр, то придется производить сжатие 4 литров.

 
Чем 4-цилиндровый двигатель отличается от V-образного шестицилиндрового двигателя?

 
Количество цилиндров в двигателе играет важную роль в его мощности. Каждый цилиндр имеет поршень, который движется внутри него, эти поршни соединены с коленвалом и вращают его. Чем больше используется поршней, тем больше происходит сгораний топлива в определенный момент времени. Это означает, что за меньшее время может быть выработано больше мощности.

 
4-цилиндровые двигатели обычно имеют «прямое» или «линейное» расположение цилиндров, в то время как в 6-цилиндровых двигателях используется более компактное V-образное расположение, поэтому они и называются V-образные 6-цилиндровые двигатели. Американские производители автомобилей остановили свой выбор на V-образных 6-цилиндровых двигателях, т.к. являются более мощными и тихими, оставаясь при этом достаточно легкими и компактными для установки в автомобили.

 

4-цилиндровый двигатель с линейным расположением цилиндров автомобиля Lotus Elise

 
Исторически сложилось так, что американские автовладельцы отвернулись от 4-цилиндровых двигателей, считая их медленными, слабыми, работающими неравномерно и дающими слабое ускорение. Однако, когда такие японские производители автомобилей, как Honda и Toyota стали устанавливать мощные 4-цилиндровые двигатели в 1980-х и 90-х, американцы по достоинству оценили эти компактные двигатели. Даже, несмотря на то, что такие японские автомобили, как Toyota Camry имели огромный успех по сравнению с  аналогичными моделями американских производителей, в США продолжался выпуск автомобилей с 6-цилиндровыми двигателями, т.к. считалось, что американцам необходимы мощные автомобили. На сегодняшний день, в связи с ростом цен на бензин и обострившейся экологической ситуацией, Детройт переходит на 4-цилиндровые двигатели благодаря их низкому расходу топлива и меньшим выбросам в атмосферу.

 

3,8л V-образный 6-цилиндровый двигатель с турбонаддувом автомобиля Nissan GT-R.

 
Что касается будущего 6-цилиндровых двигателей, то за последние годы были максимально устранены различия между 4-цилиндровыми и 6-цилиндровыми двигателями. Для того, чтобы соответствовать требованиям низкого расхода бензина и уровня выхлопных газов, производители приложили много усилий по улучшению работы 6-цилиндровых двигателей. Большинство современных автомобилей с 6-цилиндровыми двигателями соответствуют стандартам расхода топлива уровня выхлопов, установленных для компактных 4-цилиндровых двигателей. Таким образом, различия в эффективности и мощности этих двух типов двигателей ослабевают, и принятие решения о покупке 4-цилиндрового или 6-цилиндрового двигателя сводится к их стоимости. Что касается моделей автомобильных, доступных с обоими типами двигателей, конфигурация с 4-цилиндровым двигателем стоит дешевле до $1000 по сравнению с 6-цилиндровым. Таким образом, независимо от мощности автомобиля, 4-цилиндровый двигатель поможет Вам сэкономить.

 
И, напоследок: Не стоит пытаться установить 6-цилиндровый двигатель на автомобиль, в котором изначально стоял 4-цилиндровый. Переоборудование автомобиля с 4-цилиндровым двигателем для установки 6-цилиндрового может обойтись Вам дороже, чем покупка нового автомобиля.

 
 
Источник:  https://auto.howstuffworks.com/

Основные механизмы и системы двигателя

10 июня 2011г.

• Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
• Рабочий цикл четырехтактного дизеля
• Мощность двигателя

Internal combustion engines come in a wide variety of types, but have certain family resemblances, and thus share many common types of components.

Combustion chambers[edit]

Internal combustion engines can contain any number of combustion chambers (cylinders), with numbers between one and twelve being common, though as many as 36 (Lycoming R-7755) have been used. Having more cylinders in an engine yields two potential benefits: first, the engine can have a larger displacement with smaller individual reciprocating masses, that is, the mass of each piston can be less thus making a smoother-running engine since the engine tends to vibrate as a result of the pistons moving up and down. Doubling the number of the same size cylinders will double the torque and power. The downside to having more pistons is that the engine will tend to weigh more and generate more internal friction as the greater number of pistons rub against the inside of their cylinders. This tends to decrease fuel efficiency and robs the engine of some of its power. For high-performance gasoline engines using current materials and technology, such as the engines found in modern automobiles, there seems to be a point around 10 or 12 cylinders after which the addition of cylinders becomes an overall detriment to performance and efficiency. Although, exceptions such as the W16 engine from Volkswagen exist.

• Most car engines have four to eight cylinders, with some high-performance cars having ten, 12 — or even 16, and some very small cars and trucks having two or three. In previous years, some quite large cars such as the DKW and Saab 92, had two-cylinder or two-stroke engines.
• Radial aircraft engines had from three to 28 cylinders; examples include the small Kinner B-5 and the large Pratt & Whitney R-4360. Larger examples were built as multiple rows. As each row contains an odd number of cylinders, to give an even firing sequence for a four-stroke engine, an even number indicates a two- or four-row engine. The largest of these was the Lycoming R-7755 with 36 cylinders (four rows of nine cylinders), but it did not enter production.
• Motorcycles commonly have from one to four cylinders, with a few high-performance models having six; although, some ‘novelties’ exist with 8, 10, or 12.
• Snowmobiles Usually have one to four cylinders and can be both 2-stroke or 4-stroke, normally in the in-line configuration; however, there are again some novelties that exist with V-4 engines
• Small portable appliances such as chainsaws, generators, and domestic lawn mowers most commonly have one cylinder, but two-cylinder chainsaws exist.
• Large reversible two-cycle marine diesels have a minimum of three to over ten cylinders. Freight diesel locomotives usually have around 12 to 20 cylinders due to space limitations, as larger cylinders take more space (volume) per kwh, due to the limit on average piston speed of less than 30 ft/sec on engines lasting more than 40,000 hours under full power.

Ignition system[edit]

The ignition system of an internal combustion engines depends on the type of engine and the fuel used. Petrol engines are typically ignited by a precisely timed spark, and diesel engines by compression heating. Historically, outside flame and hot-tube systems were used, see hot bulb engine.

Spark[edit]

In a spark ignition engine, a mixture is ignited by an electric spark from a spark plug — the timing of which is very precisely controlled. Almost all gasoline engines are of this type. Diesel engines timing is precisely controlled by the pressure pump and injector.
The normal plug distance between the spark plug is 1mm apart, and the voltage is 3000v at normal atmospheric conditions.

Compression[edit]

Ignition occurs as the temperature of the fuel/air mixture is taken over its autoignition temperature, due to heat generated by the compression of the air during the compression stroke. The vast majority of compression ignition engines are diesels in which the fuel is mixed with the air after the air has reached ignition temperature. In this case, the timing comes from the fuel injection system. Very small model engines for which simplicity and light weight is more important than fuel costs use easily ignited fuels (a mixture of kerosene, ether, and lubricant) and adjustable compression to control ignition timing for starting and running.

Ignition timing[edit]

For reciprocating engines, the point in the cycle at which the fuel-oxidizer mixture is ignited has a direct effect on the efficiency and output of the ICE. The thermodynamics of the idealized Carnot heat engine tells us that an ICE is most efficient if most of the burning takes place at a high temperature, resulting from compression — near top dead center. The speed of the flame front is directly affected by the compression ratio, fuel mixture temperature, and octane rating or cetane number of the fuel. Leaner mixtures and lower mixture pressures burn more slowly requiring more advanced ignition timing. It is important to have combustion spread by a thermal flame front (deflagration), not by a shock wave. Combustion propagation by a shock wave is called detonation and, in engines, is also known as pinging or Engine knocking.

So at least in gasoline-burning engines, ignition timing is largely a compromise between a later «retarded» spark — which gives greater efficiency with high octane fuel — and an earlier «advanced» spark that avoids detonation with the fuel used. For this reason, high-performance diesel automobile proponents, such as Gale Banks, believe that

There’s only so far you can go with an air-throttled engine on 91-octane gasoline. In other words, it is the fuel, gasoline, that has become the limiting factor. … While turbocharging has been applied to both gasoline and diesel engines, only limited boost can be added to a gasoline engine before the fuel octane level again becomes a problem. With a diesel, boost pressure is essentially unlimited. It is literally possible to run as much boost as the engine will physically stand before breaking apart. Consequently, engine designers have come to realize that diesels are capable of substantially more power and torque than any comparably sized gasoline engine.^[1]

Fuel systems[edit]

Fuels burn faster and more efficiently when they present a large surface area to the oxygen in air. Liquid fuels must be atomized to create a fuel-air mixture, traditionally this was done with a carburetor in petrol engines and with fuel injection in diesel engines. Most modern petrol engines now use fuel injection too — though the technology is quite different. While diesel must be injected at an exact point in that engine cycle, no such precision is needed in a petrol engine. However, the lack of lubricity in petrol means that the injectors themselves must be more sophisticated.

Carburetor[edit]

Simpler reciprocating engines continue to use a carburetor to supply fuel into the cylinder. Although carburetor technology in automobiles reached a very high degree of sophistication and precision, from the mid-1980s it lost out on cost and flexibility to fuel injection. Simple forms of carburetor remain in widespread use in small engines such as lawn mowers and more sophisticated forms are still used in small motorcycles.

Fuel injection[edit]

Larger gasoline engines used in automobiles have mostly moved to fuel injection systems (see Gasoline Direct Injection). Diesel engines have always used fuel injection system because the timing of the injection initiates and controls the combustion.

Autogas engines use either fuel injection systems or open- or closed-loop carburetors.

Fuel pump[edit]

Most internal combustion engines now require a fuel pump. Diesel engines use an all-mechanical precision pump system that delivers a timed injection direct into the combustion chamber, hence requiring a high delivery pressure to overcome the pressure of the combustion chamber. Petrol fuel injection delivers into the inlet tract at atmospheric pressure (or below) and timing is not involved, these pumps are normally driven electrically. Gas turbine and rocket engines use electrical systems.

Other[edit]

Other internal combustion engines like jet engines and rocket engines employ various methods of fuel delivery including impinging jets, gas/liquid shear, preburners and others.

Oxidiser-Air inlet system[edit]

Some engines such as solid rockets have oxidisers already within the combustion chamber but in most cases for combustion to occur, a continuous supply of oxidiser must be supplied to the combustion chamber.

Naturally aspirated engines[edit]

When air is used with piston engines it can simply suck it in as the piston increases the volume of the chamber. However, this gives a maximum of 1 atmosphere of pressure difference across the inlet valves, and at high engine speeds the resulting airflow can limit potential output.

Superchargers and turbochargers[edit]

A supercharger is a «forced induction» system which uses a compressor powered by the shaft of the engine which forces air through the valves of the engine to achieve higher flow. When these systems are employed the maximum absolute pressure at the inlet valve is typically around 2 times atmospheric pressure or more.

Turbochargers are another type of forced induction system which has its compressor powered by a gas turbine running off the exhaust gases from the engine.

Turbochargers and superchargers are particularly useful at high altitudes and they are frequently used in aircraft engines.

Duct jet engines use the same basic system, but eschew the piston engine, and replace it with a burner instead.

Liquids[edit]

In liquid rocket engines, the oxidiser comes in the form of a liquid and needs to be delivered at high pressure (typically 10-230 bar or 1–23 MPa) to the combustion chamber. This is normally achieved by the use of a centrifugal pump powered by a gas turbine — a configuration known as a turbopump, but it can also be pressure fed.

Parts[edit]

For a four-stroke engine, key parts of the engine include the crankshaft (purple), connecting rod (orange), one or more camshafts (red and blue), and valves. For a two-stroke engine, there may simply be an exhaust outlet and fuel inlet instead of a valve system. In both types of engines there are one or more cylinders (grey and green), and for each cylinder there is a spark plug (darker-grey, gasoline engines only), a piston (yellow), and a crankpin (purple). A single sweep of the cylinder by the piston in an upward or downward motion is known as a stroke. The downward stroke that occurs directly after the air-fuel mix passes from the carburetor or fuel injector to the cylinder (where it is ignited) is also known as a power stroke.

A Wankel engine has a triangular rotor that orbits in an epitrochoidal (figure 8 shape) chamber around an eccentric shaft. The four phases of operation (intake, compression, power, and exhaust) take place in what is effectively a moving, variable-volume chamber.

Valves[edit]

All four-stroke internal combustion engines employ valves to control the admittance of fuel and air into the combustion chamber. Two-stroke engines use ports in the cylinder bore, covered and uncovered by the piston, though there have been variations such as exhaust valves.

Piston engine valves[edit]

In piston engines, the valves are grouped into ‘inlet valves’ which admit the entrance of fuel and air and ‘outlet valves’ which allow the exhaust gases to escape. Each valve opens once per cycle and the ones that are subject to extreme accelerations are held closed by springs that are typically opened by rods running on a camshaft rotating with the engines’ crankshaft.

Control valves[edit]

Continuous combustion engines—as well as piston engines—usually have valves that open and close to admit the fuel and/or air at the startup and shutdown. Some valves feather to adjust the flow to control power or engine speed as well.

Exhaust systems[edit]

Internal combustion engines have to effectively manage the exhaust of the cooled combustion gas from the engine. The exhaust system frequently contains devices to control both chemical and noise pollution. In addition, for cyclic combustion engines the exhaust system is frequently tuned to improve emptying of the combustion chamber. The majority of exhausts also have systems to prevent heat from reaching places which would encounter damage from it such as heat-sensitive components, often referred to as Exhaust Heat Management.

For jet propulsion internal combustion engines, the ‘exhaust system’ takes the form of a high velocity nozzle, which generates thrust for the engine and forms a collimated jet of gas that gives the engine its name.

Cooling systems[edit]

Combustion generates a great deal of heat, and some of this transfers to the walls of the engine. Failure will occur if the body of the engine is allowed to reach too high a temperature; either the engine will physically fail, or any lubricants used will degrade to the point that they no longer protect the engine. The lubricants must be clean as dirty lubricants may lead to over formation of sludge in the engines.

Cooling systems usually employ air (air-cooled) or liquid (usually water) cooling, while some very hot engines using radiative cooling (especially some rocket engines). Some high-altitude rocket engines use ablative cooling, where the walls gradually erode in a controlled fashion. Rockets in particular can use regenerative cooling, which uses the fuel to cool the solid parts of the engine.

Piston[edit]

A piston is a component of reciprocating engines. It is located in a cylinder and is made gas-tight by piston rings. Its purpose is to transfer force from expanding gas in the cylinder to the crankshaft via a piston rod and/or connecting rod. In two-stroke engines the piston also acts as a valve by covering and uncovering ports in the cylinder wall.

Propelling nozzle[edit]

For jet engine forms of internal combustion engines, a propelling nozzle is present. This takes the high temperature, high pressure exhaust and expands and cools it. The exhaust leaves the nozzle going at much higher speed and provides thrust, as well as constricting the flow from the engine and raising the pressure in the rest of the engine, giving greater thrust for the exhaust mass that exits.

Crankshaft[edit]

Most reciprocating internal combustion engines end up turning a shaft. This means that the linear motion of a piston must be converted into rotation. This is typically achieved by a crankshaft.

Flywheels[edit]

The flywheel is a disk or wheel attached to the crank, forming an inertial mass that stores rotational energy. In engines with only a single cylinder the flywheel is essential to carry energy over from the power stroke into a subsequent compression stroke. Flywheels are present in most reciprocating engines to smooth out the power delivery over each rotation of the crank and in most automotive engines also mount a gear ring for a starter. The rotational inertia of the flywheel also allows a much slower minimum unloaded speed and also improves the smoothness at idle. The flywheel may also perform a part of the balancing of the system and so by itself be out of balance, although most engines will use a neutral balance for the flywheel, enabling it to be balanced in a separate operation. The flywheel is also used as a mounting for the clutch or a torque converter in most automotive applications.

Starter systems[edit]

All internal combustion engines require some form of system to get them into operation. Most piston engines use a starter motor powered by the same battery as runs the rest of the electric systems. Large jet engines and gas turbines are started with a compressed air motor that is geared to one of the engine’s driveshafts. Compressed air can be supplied from another engine, a unit on the ground or by the aircraft’s APU. Small internal combustion engines are often started by pull cords. Motorcycles of all sizes were traditionally kick-started, though all but the smallest are now electric-start. Large stationary and marine engines may be started by the timed injection of compressed air into the cylinders — or occasionally with cartridges. Jump starting refers to assistance from another battery (typically when the fitted battery is discharged), while bump starting refers to an alternative method of starting by the application of some external force, e.g. rolling down a hill.

Heat shielding systems[edit]

These systems often work in combination with engine cooling and exhaust systems. Heat shielding is necessary to prevent engine heat from damaging heat-sensitive components. The majority of older cars use simple steel heat shielding to reduce thermal radiation and convection. It is now most common for modern cars are to use aluminium heat shielding which has a lower density, can be easily formed and does not corrode in the same way as steel. Higher performance vehicles are beginning to use ceramic heat shielding as this can withstand far higher temperatures as well as further reductions in heat transfer.

Lubrication systems[edit]

Internal combustions engines require lubrication in operation that moving parts slide smoothly over each other. Insufficient lubrication subjects the parts of the engine to metal-to-metal contact, friction, heat build-up, rapid wear often culminating in parts becoming friction welded together e.g. pistons in their cylinders. Big end bearings seizing up will sometimes lead to a connecting rod breaking and poking out through the crankcase.

Several different types of lubrication systems are used. Simple two-stroke engines are lubricated by oil mixed into the fuel or injected into the induction stream as a spray. Early slow-speed stationary and marine engines were lubricated by gravity from small chambers similar to those used on steam engines at the time — with an engine tender refilling these as needed. As engines were adapted for automotive and aircraft use, the need for a high power-to-weight ratio led to increased speeds, higher temperatures, and greater pressure on bearings which in turn required pressure-lubrication for crank bearings and connecting-rod journals. This was provided either by a direct lubrication from a pump, or indirectly by a jet of oil directed at pickup cups on the connecting rod ends which had the advantage of providing higher pressures as the engine speed increased.

Control systems[edit]

Most engines require one or more systems to start and shut down the engine and to control parameters such as the power, speed, torque, pollution, combustion temperature, and efficiency and to stabilise the engine from modes of operation that may induce self-damage such as pre-ignition. Such systems may be referred to as engine control units.

Many control systems today are digital, and are frequently termed FADEC (Full Authority Digital Electronic Control) systems.

Diagnostic systems[edit]

Engine On Board Diagnostics (also known as OBD) is a computerized system that allows for electronic diagnosis of a vehicles’ powerplant. The first generation, known as OBD1, was introduced 10 years after the U.S. Congress passed the Clean Air Act in 1970 as a way to monitor a vehicles’ fuel injection system. OBD2, the second generation of computerized on-board diagnostics, was codified and recommended by the California Air Resource Board in 1994 and became mandatory equipment aboard all vehicles sold in the United States as of 1996.Also done in all cars.

See also[edit]

• jet engine
• piston engine

References[edit]

External links[edit]

• Components of an internal combustion engine

Двигатель ДВС используется для современных автомобилей чаще всего, несмотря на активное развитие более современных технологий. Его работа основана на довольно простом принципе воспламенения и сгорания топлива внутри рабочей камеры, а не снаружи. При этом происходит расширение нагретого газа, что и становится основой работы основных узлов.

Классификация и устройство ДВС

Современные двигатели этого типа классифицируются на следующие виды:

1.Поршневые с рабочей камерой внутри цилиндров. Образующаяся тепловая энергия переходит в механическое действие на вал посредством специального механизма. Такие моторы дополнительно разделяются на карбюраторные, инжекторные и дизельные. Для карбюраторных моделей воспламенение смеси осуществляется в том же цилиндре, где и происходит ее смешивание. Для инжекторных предусмотрена система непосредственного впрыска смеси в коллектор. Для дизельных двигателей не применяются свечи, так как воспламенение происходит при помощи тепла от трения (топливо впрыскивается через форсунки).

2.Роторно-поршневые моторы оснащаются роторами, которые двигаются по планетарной траектории внутри камеры. Они одновременно выполняют несколько функций – поршня, ГРМ, коленчатого вала.

3.Газотурбинные двигатели оснащаются роторами с клиновидными лопатками. Именно они и приводят вал в движение.

Для автомобилей используются ДВС первого типа. Такие конструкции отличаются надежностью, простотой эксплуатации, оптимальной стоимостью.

Корпус этого типа двигателя включает в себя следующие узлы:

• блок рабочих цилиндров, где происходит сжигание топлива;
• механизм передачи энергии движения на вал;
• газораспределение для обеспечения работы цилиндров;
• системы подачи и воспламенения топлива;
• удаление продуктов сгорания.

Принцип работы ДВС

Двигатель, в зависимости от конструктивного исполнения, может быть 2-хтактным и 4-хтактным, что оказывает влияние на принцип работы. В первом случае при запуске поршни под воздействием вала быстро начинают свое движение, в камеру начинает подаваться нагнетаемая топливная смесь. При движении смесь сжимается, ее давление повышается, искра от свечи становится катализатором воспламенения. Пары расширяются, толкают поршень вниз, цикл повторяется. Система предельно простая, но имеющая некоторые минусы. В частности, выбросы отработанного газа достаточно большие, а расход топлива неэффективный.

Рабочий цикл для 4-хтактного двигателя предусматривает такие шаги:

• впуск, при котором в камере образуется разреженная атмосфера;
• рабочий ход, формирование искры;
• удаление отработанного газа;
• расширение, то есть повторение рабочего хода.
  

  Вспомогательные системы

Работу ДВС обеспечивает также ряд вспомогательных систем, одной из которых является система зажигания. Именно она обеспечивает воспламенение топливной смеси. В состав системы входят:

• аккумулятор и генератор в качестве источника питания;
• замок зажигания, который в современных моделях представляет собой контактное электрическое устройство;
• катушка в качестве накопителя энергии для свечей зажигания;
• трамблер для распределения импульса при срабатывании свечей.

Впускная система используется для подачи атмосферного воздуха и его смешивания с топливом. В состав такой системы входят:

• воздухозаборник;
• воздушный фильтр для защиты двигателя от твердых частиц и пыли;
• заслонка дросселя для регулировки потока;
• впускной коллектор, распределяющий воздушные массы.

Топливная система необходима для правильного распределения и бесперебойной подачи топлива в двигатель. Конструкция узла включает в себя:

• бак для дизельного топлива или бензина;
• шланги для подачи смеси;
• инжектор или карбюратор (зависит от конструктивного исполнения);
• электронный блок, используемый для управления подачи, формирования смеси;
• насос (применяется для нагнетания);
• фильтр, очищающий топливную смесь.

Назначение системы смазки заключается в защите мотора от повреждений, отвода тепла, снижения трения на движущиеся узлы.

Конструкция включает в себя:

• поддон, используемый для хранения технической жидкости, для контроля уровня используется датчик и щупы;
• насос, качающий смазку из поддона;
• фильтр для очистки поступающей смеси от возможных включений и частиц грязи;
• радиатор – используется для охлаждения смазки.

Выхлопная система предназначена для вывода наружу газа. Конструкция включает в себя:

• коллектор для выпуска, для изготовления которого используется чугун, устойчивый к высоким температурам;
• газоотвод из особой огнестойкой стали;
• резонатор для разделения отработанной смеси, снижения скорости выброса;
• катализатор, применяемый для нейтрализации, а также очистки отработанной смеси;
• глушитель с внутренними перегородками для изменения направления потока, снижения уровня шума.

Охладительная система может быть воздушной или жидкостной. Первая используется сегодня достаточно редко, обычно для недорогих авто. Жидкостная обладает большей эффективностью, она снижает тепловые нагрузки и продлевает сроки эксплуатации мотора.

В состав системы включены:

• радиатор для отвода тепла;
• вентилятор, усиливающий эффект охлаждения;
• помпа для прогона охлаждающей жидкости;
• термостат, контролирующий температуру.

Сегодня двигатель ДВС остается основной разновидностью моторов, не имеющих реальной альтернативы для всеобщей замены. Несмотря на то, что объем электромобилей постепенно увеличивается, говорит о всеобщем их распространении пока рано. ДВС на данный момент является основным видом двигателя, который еще длительное время будет использоваться в автопромышленности.

Двигатель
внутреннего сгорания состоит из корпусных
деталей, кривошипно-шатунного и
газораспределительного механизмов,
систем питания, охлаждения, смазки и
пуска (рис.1а). Дополнительно для облегчения
запуска у дизелей предусмотрен
декомпрессионный механизм, а карбюраторных
двигателей имеется система зажигания
для принудительного зажигания смеси
при помощи электрической искры.

Кривошипно-шатунный
механизм
преобразует прямолинейное
возвратно-поступательное движение
поршня во вращательное движение
коленчатого вала, и наоборот. Он состоит
из цилиндра 6, поршня 7 с кольцами,
поршневого пальца 8, шатуна 9, коленчатого
вала 12 и маховика 10. Сверху цилиндр
закрыт головкой 1.

Механизм
газораспределения
предназначен для своевременного
соединения надпоршневого объема с
системой впуска свежего заряда и выпуска
из цилиндра продуктов сгорания
(отработавших газов) в определенные
промежутки времени.

Он
состоит из распределительного вала 14,
зубчатых колес 13 привода распределительного
вала, толкателей и штанг 16, коромысел
2, клапанов 4 и 5, пружин.

Система
питания
служит для приготовления горючей смеси
и подвода ее е цилиндру (в карбюраторном
и газовом двигателе) или наполнения
цилиндра воздухом и подачи в него топлива
под высоким давлением (в дизеле).

Система
охлаждения
необходима для поддержания оптимального
теплового режима двигателя. Вещество,
отводящее от деталей двигателя избыток
теплоты, — теплоноситель, может быть
жидкостью или воздухом.

Смазочная
система
предназначена для подвода смазочного
материала (моторного масла) к поверхностям
трения с целью их разделения, охлаждения,
защиты от коррозии и вымывания продуктов
изнашивания.

Система
пуска
– это комплекс взаимодействующих
механизмов и систем, обеспечивающих
устойчивое начало протекания рабочего
цикла в цилиндрах двигателя.

1.3 Рабочий цикл двигателя

Рассмотрим
рабочий цикл четырехтактного дизеля
и, что происходит в одном из цилиндров
работающего дизеля (рис. 2).

Рисунок
2 – Схема работы четырехтактного
одноцилиндрового двигателя.

Такт
впуска
(рис. 2а). Поршень движется от в.м.т. к
н.м.т., впускной клапан открыт, в цилиндр
поступает воздух. Давление в конце такта
0,08…0,09 МПа, температура воздуха 30…50⁰С.

Такт
сжатия
(рис. 2б). Оба клапана закрыты. Поршень
движется от н.м.т. к в.м.т., сжимая воздух..
Вследствие большой степени сжатия
(порядка 14…18) давление воздуха в конце
этого такта достигает 3,5…4,0 МПа, а
температура — (550…750⁰С)
превышая температуру самовоспламенения
топлива. При положении поршня, близком
к  в.м.т., в цилиндр через форсунку
начинается впрыскивание жидкого топлива,
подаваемого насосом высокого давления.

Топливо,
впрыснутое в цилиндр, смешивается с
нагретым воздухом и остаточными газами,
образуя рабочую смесь. Большая часть
топлива воспламеняется и сгорает.
Давление газов достигает 5,5…9,0 МПа, а
температура 2000⁰С.

Такт
расширения.
Оба клапана закрыты. Поршень под давлением
расширяющихся газов движется от  в.м.т.
 к  н.м.т. (рис. 2в). В начале такта
расширения сгорает остальная часть
топлива. К концу такта расширения
давление газов уменьшается до 0,2…0,3
МПа, температура до 300⁰С.

Такт
выпуска.
Выпускной клапан открывается. Поршень
движется от н.м.т. к в.м.т. (рис. 2в) и через
открытый выпускной клапан выталкивает
отработавшие газы из цилиндра в атмосферу.
К концу такта давление газов 0,11…0,12 МПа,
температура 65…90⁰С.

Далее
рабочий цикл повторяется.

Теперь,
рассмотрим рабочий цикл двухтактного
двигателя. Схема устройства и работы
двухтактного карбюраторного двигателя
с кривошипно-камерной продувкой
изображены на рисунке 3.

1
– свеча зажигания; 2 – поршень; 3 –
выпускное окно; 4 – карбюра- 

 тор;
5 – впускное окно; 6 – кривошипная камера;
7 —  продувочный

 канал;
8 – цилиндр; 9 – выхлопная труба; 10 –
картер.

Рисунок
3 – Схема работы двухтактного двигателя.

В
стенке цилиндра 8 двигателей этого типа
выполнены три окна: впускное 5, продувочное
7 и выпускное 3. Картер (кривошипная
камера 6) двигателя непосредственно с
атмосферой не сообщен. Впускное окно 5
соединено с карбюратором 4, продувочное
окно – через канал 7 с кривошипной
камерой 6 двигателя.

Рабочий
цикл двухтактного карбюраторного
двигателя происходит следующим образом.
Поршень 2  движется от н.м.т. к в.м.т.
(рис. 3а), перекрывая в начале хода
продувочное окно 7, а затем выпускное
3. После этого в цилиндре 8 начинается
сжатие находящейся в нем рабочей смеси.
В то же время в кривошипной камере 6
создается разрежение, и как только
нижняя кромка поршня откроет впускное
окно 5, через него из карбюратора 4 в
кривошипную камеру будет засасываться
горючая смесь.

При
положении поршня 2, близком к в.м.т.,
сжатая рабочая смесь воспламеняется
электрической искрой от свечи 1. При
сгорании смеси давление газов резко
возрастает. Под давлением газов поршень
перемещается к н.м.т. (рис. 3б). Как только
он закроет впускное окно 5, в кривошипной
камере 6 начнется сжатие ранее поступившей
сюда горючей смеси.

В
конце хода поршень открывает выпускное
3 (рис. 3в), а затем и продувочное 7 окна.
Через открытое выпускное окно отработавшие
газы с большой скоростью выходят в
атмосферу. Давление газов в цилиндре
быстро понижается. К моменту открытия
продувочного окна давление сжатой
горючей смеси в кривошипной камере
становится выше, чем давление отработавших
газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь
из кривошипной камеры по каналу 7
поступает в цилиндр и, заполняя его,
выталкивает остатки отработавших газов
через выпускное окно наружу.

В
дальнейшем все процессы повторяются в
такой же последовательности.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Расскажем, как работает двигатель внутреннего сгорания, какие неполадки возникают в работе и как продлить его жизненный цикл

Цель работы двигателя — преобразование бензина в движущую силу. Преобразовывается бензин в движущую силу путем сжигания внутри движка. Поэтому он и называется двигателем внутреннего сгорания.

Запомните две вещи:

1. Есть разные виды двигателей внутреннего сгорания:

• бензиновый двигатель;
• дизельный;
• дизель с турбонаддувом;
• газовый двигатель.

Различия у них в принципах работы, плюс у каждого свои преимущества и недостатки.

2. Бывают еще двигатели внешнего сгорания. Лучший пример — паровой двигатель парохода. Топливо (уголь, дерево, масло) сгорает вне двигателя, образовывая пар, который и есть движущая сила. Двигатель внутреннего сгорания более эффективен, так как ему нужно меньше топлива на километр пути. К тому же он намного меньше эквивалентного двигателя внешнего сгорания. Это объясняет, почему на улицах сейчас не ездят автомобили с паровыми движками.

Как работает система внутреннего сгорания двигателя

Принцип, лежащий в основе работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания: если вы поместите небольшое количество высокоэнергетического топлива, например бензина, в небольшое замкнутое пространство, и зажжете его, то при сгорании в виде газа высвобождается большое количество энергии. Если создать непрерывный цикл маленьких взрывов, скорость которых будет, например, сто раз в минуту, и пустить получаемую энергию в правильное русло, то получим основу работы двигателя.

Автомобили используют «четырехтактный цикл сгорания» для преобразования бензина в движущую силу четырех колесного автомобиля. Четырехтактный подход также известен как цикл Отто, в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867 году. К четырем тактам относятся:

• такт впуска;
• такт сжатия;
• такт горения;
• такт выведения продуктов сгорания.

Поршень двигателя в этой истории главный «работяга». Он своеобразно заменяет картофельный снаряд в картофельной пушке. Поршень соединен с коленчатым валом-шатуном. Как только коленчатый вал начинает вращение, происходит эффект «разряда пушки». Рассмотрим цикл сгорания бензина в цилиндре подробнее.

• Поршень находится сверху, затем открывается впускной клапан и поршень опускается, при этом движок набирает полный цилиндр воздуха и бензина. Это такт называется тактом впуска. Для начала работы достаточно смешать воздух с небольшой каплей бензина.
• Затем поршень движется обратно и сжимает смесь воздуха и бензина. Сжатие делает взрыв более мощным.
• Когда поршень достигает верхней точки, свеча испускает искры, чтобы зажечь бензин. В цилиндре происходит взрыв бензинового заряда, что заставляет поршень опуститься вниз.
• Как только поршень достигает дна, открывается выхлопной клапан, и продукты сгорания выводятся из цилиндра через выхлопную трубу.

Теперь двигатель готов к следующему такту и цикл повторяется снова и снова.

Теперь рассмотрим составные части автомобильного мотора, работа которых взаимосвязана. Начнем с цилиндров.

Составные части двигателя

Схема № 1

Основа двигателя – это цилиндр, в котором вверх-вниз двигается поршень. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Это характерно для большинства газонокосилок, но в автомобильных движках цилиндров четыре, шесть и восемь. В многоцилиндровых моторах цилиндры обычно размещаются тремя способами: а) в один ряд; б) однорядно с наклоном от вертикали; в) V-образным способом; г) плоским способом (горизонтально-оппозитный).

У разных способов расположения цилиндров разные преимущества и недостатки с точки зрения гладкости в работе, производственных издержек и характеристик. Эти преимущества и недостатки делают разные способы расположения цилиндров подходящими для разных видов транспорта.

Свечи зажигания

Свечи зажигания дают искру, которая воспламеняет воздушно-топливную смесь. Искра должна вспыхнуть в нужный момент для безотказной работы двигателя. Если движок начинает работать нестабильно, дергается, слышно что «пыхтит» он сильнее чем обычно, вероятно одна из свечей перестала работать, ее нужно заменить.

Клапаны (см. схему №1)

Впускные и выпускные клапаны открываются, чтобы впустить воздух и топливо и выпустить продукты сгорания. Обратите внимание, оба клапана закрыты в момент сжатия и сгорания топливной смеси, обеспечивая герметичность камеры сгорания.

Поршень

Поршень – это цилиндрический кусок металла, который движется вверх-вниз внутри цилиндра двигателя.

Поршневые кольца

Поршневые кольца обеспечивают герметичность между скользящим внешним краем поршня и внутренней поверхностью цилиндра. У кольца два назначения:

• Во время тактов сжатия и сгорания кольца не дают утечь воздушно-топливной смеси и выхлопным газам из камеры сгорания.
• Кольца не дают моторному маслу попасть в зону сгорания, где оно будет уничтожено.

Если автомобиль начинает «подъедать масло» и приходиться подливать его каждые 1000 километров, значит двигатель автомобиля «устал» и поршневые кольца в нем сильно изношены. Такие кольца пропускают масло в цилиндры, где оно сгорает. По всей видимости, такому двигателю требуется капитальный ремонт.

Шатун

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может вращаться в разные стороны и с обоих концов, т.к. и поршень и коленчатый вал находятся в движении.

Коленчатый вал (распределительный вал)

Схема № 2

Круговыми движениями коленчатый вал заставляет поршень двигаться вверх-вниз.

Маслосборник

Маслосборник окружает коленчатый вал и содержит определенное количество масла, которое собирается в нижней его части (в масляном поддоне).

Причины неполадок и перебоев в двигателе

Если автомобиль с утра не заводится

Если машина с утра не заводится, этому есть три основных причины:

• плохая топливная смесь;
• отсутствие сжатия;
• отсутствие искры.

Плохая топливная смесь — недостаток поступающего воздуха или бензина

Плохая топливная смесь поступает в движок в следующих случаях:

• Закончился бензин и в двигатель поступает только воздух. Бензин не воспламеняется, сгорания не происходит.
• Забиты воздухозаборники, и в движок не поступает воздух, который крайне необходим для такта сгорания.
• В топливе содержатся примеси (например, вода в бензобаке), которые препятствуют горению топлива. Меняйте бензоколонку.
• Топливная система подает слишком мало или слишком много топлива в смесь, следовательно, горение не происходит должным образом. Если смеси мало, то слабое воспламенения в цилиндре не может прокрутить цилиндр. Если смеси много, то заливает свечи и они не дают искру.

О «залитых» свечах подробнее: если машина не заводится, а бензонасос не перестает подавать топливо в цилиндры, то бензин не воспламеняется, а наоборот «тушит» свечи зажигания. Свечи с «подмоченной репутацией» нормальной искры для воспламенения смеси не дадут. Если открутив свечу обнаружите, что она «мокрая», сильно пахнет бензином — знайте, свечи «залило». Либо подсушите все 4 свечи, выкрутив их и отнеся в теплое помещение, либо посидите в незаведенной машине с нажатой педалью газа — дроссельная заслонка будет открыта и свечи немного подсохнут от поступающего воздуха.

Отсутствие сжатия

Если топливная смесь не сжимается, так как надо, то и не будет требуемого сгорания для работы машины. Отсутствие сжатия возникает по следующим причинам:

• Поршневые кольца двигателя изношены, поэтому воздушно-топливная смесь просачивается между стенкой цилиндра и поверхностью поршня.
• Один из клапанов неплотно закрывается, из-за чего смесь вытекает.
• В цилиндре есть отверстие.

Часто «дырки» в цилиндре появляются в том месте, где верхушка цилиндра присоединяется к самому цилиндру. Между цилиндром и головкой цилиндра есть тонкая прокладка, которая обеспечивает герметичность конструкции. Если прокладка прохудится, то между головкой цилиндра и самим цилиндром образуются отверстия, через которые образуется утечка смеси.

Отсутствие искры

Искра может быть слабой или вообще отсутствовать в случаях:

• Если свеча зажигания или провод, идущий к ней, изношены, то искра будет слабой.
• Если провод перерезан или отсутствует вообще, если система, посылающая искры вниз по проводу не работает, как нужно, то искры не будет.
• Если искра приходит в цикл слишком рано или слишком поздно, топливо не воспламениться в нужный момент, что повлияет на стабильную работу мотора.

Возможны и другие проблемы с двигателем. Например:

• Если аккумулятор на авто разряжен, то двигатель не сделает ни одного оборота, а автомобиль не заведется.
• Если подшипники, которые позволяют свободно вращаться коленчатому валу, изношены, коленчатый вал не провернется, а двигатель не запустится.
• Если клапаны не будут закрываться или открываться в нужный момент цикла, то работа двигателя будет невозможна.
• Если в автомобиле закончилось масло, поршни не смогут свободно двигаться в цилиндре, и двигатель застопорится.

В исправно — работающем двигателе описанных проблем быть не может. Если они появились, ждите беды.

Если выяснится, что аккумулятор просто разрядился, почитайте, как правильно «прикурить» от другого автомобиля.

Клапанный механизм двигателя и система зажигания

Разберем процессы происходящие в двигателе отдельно. Начнем с клапанного механизма, который состоит из клапанов и механизмов, открывающих и закрывающих проход топливным отходам. Система открытия и закрытия клапанов называется валом. На распределительном валу есть выступы, которые и двигают клапаны вверх и вниз.

Двигатели, в которых вал размещен над клапанами (бывает, что вал размещают внизу), имеют кулачки распредвала, которые регулируют порядок работы цилидров (см. схему №2). Кулачки вала воздействуют на клапаны напрямую или через очень короткие связующие звенья. Эта система настроена так, что клапаны синхронизированы с поршнями. Многие высокоэффективные двигатели имеют по четыре клапана на один цилиндр – два на вход воздуха и два на выход для продуктов сгорания, и такие механизмы требуют два распределительных вала на один блок цилиндров.

Система зажигания создает высоковольтный заряд и передает его на свечи зажигания через провода. Сначала заряд поступает в распределитель, который легко найти под капотом большинства легковых автомобилей. В центр распределителя подключен один провод, а из него выходит четыре, шесть или восемь других бронепроводов, в зависимости от количества цилиндров в двигателе. Эти провода посылают заряд на каждую свечу зажигания. Работа двигателя настроена так, что за один раз только один цилиндр получает заряд от распределителя, что гарантирует максимально плавную работу мотора.

Давайте подумаем, как заводится двигатель, как остывает и как в нем проходит циркуляция воздуха.

Система зажигания двигателя, охлаждения и набора воздуха

Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует вокруг цилиндров по специальным проходам, потом для охлаждения, она поступает в радиатор. В редких случаях двигатели автомобиля оснащены воздушной системой. Это делает двигатели легче, но охлаждение при этом менее эффективное. Двигатели с воздушной системой охлаждения, имеют меньший срок службы и меньшую производительность.

Существуют автомобильные двигателя с наддувом. Это когда воздух проходит через воздушные фильтры и попадает прямо в цилиндры. Наддув ставят в атмосферных движках. Для увеличения производительности некоторые двигатели оснащены турбонаддувом. Через турбонаддув воздух, который поступает в двигатель, уже находится под давлением, следовательно, в цилиндр втискивается больше воздушно-топливной смеси. За счет турбонаддува увеличивается мощь движка.

Повышение производительности автомобиля – это круто, но что же происходит, когда вы проворачиваете ключ в замке зажигания и запускаете автомобиль? Система зажигания состоит из электромотора, или стартера, и соленоида (реле стартера). Когда поворачивается ключ в замке зажигания, стартер вращает двигатель на несколько оборотов, чтобы начался процесс сгорания топлива. Чем мощнее мотор, тем сильнее нужен аккумулятор, чтобы дать ему толчок. Так как запуск двигателя требует много энергии, сотни ампер должны поступить в стартер для его запуска. Соленоид или реле стартера, это тот самый переключатель, который справляется с таким мощным потоком электричества. Когда вы проворачиваете ключ зажигания, соленоид активируется и запускает стартер.

Разберем подсистемы автомобильного мотора, отвечающие за то, что поступает в движок (масло, бензин) и за то, что из него выходит (выхлопные газы).

Смазочные жидкости двигателя, топливная, выхлопная и электрические системы

Каким образом бензин приводит в действие цилиндры? Топливная система двигателя выкачивает бензин из бензобака и смешивает его с воздухом так, чтобы в цилиндр поступила правильная воздушно-бензиновая смесь. Топливо подается тремя распространенными способами: смесеобразованием, впрыском через топливный порт и прямым впрыском.

При смесеобразовании карбюратор добавляет бензин в воздух, как только воздух попадает в двигатель.

В инжекторном движке топливо впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо через впускной клапан (впрыск через топливный порт), либо напрямую в цилиндр. Называется «прямой впрыск».

Масло также играет важную роль в двигателе. Смазочная система не допускает трения жестких стальных частей друг об друга — запчасти не изнашиваются, стальная стружка внутри двигателя не летает. Поршни и подшипники – позволяющие свободно вращаться коленчатому и распределительному валу – основные части, требующие смазки в системе. В большинстве автомобилей, масло засасывается через масляный насос из маслосборника, проходит через фильтр, чтобы очиститься от песка и выработки механизмов мотора, затем, под высоким давлением впрыскивается в подшипники и на стенки цилиндра. Затем масло стекает в маслосборник, и цикл повторяется снова.

Теперь вы знаете больше о том, что поступает в двигатель автомобиля. Но давайте поговорим и том, что выходит из него. Выхлопная система крайне проста и состоит из выхлопной трубы и глушителя. Если бы не было глушителя, в салоне автомобиля были бы слышны все мини-взрывы, происходящие в двигателе. Глушитель гасит звук, а выхлопная труба выводит продукты сгорания из автомобиля.

Электрическая система автомобиля, запускающая машину

Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора переменного тока. Генератор переменного тока подключен проводами к двигателю и вырабатывает электроэнергию, необходимую для подзарядки аккумулятора. В незаведенной машине при повороте ключа зажигания за питание всех систем отвечает аккумулятор. В заведенной — генератор. Аккумулятор нужен только, чтобы запустить электрическую систему машины, дальше в работу вступает генератор, который вырабатывает энергию за счет работы двигателя. Аккумулятор в это время заряжается от генератора и «отдыхает». Подробнее об аккумуляторах здесь.

Как увеличить производительность двигателя и улучшить его работу

Любой двигатель можно заставить работать лучше. Работа автопроизводителей над увеличением мощности движка и одновременным уменьшением расхода топлива, не прекращается ни на секунду.

Увеличение объема двигателя. Чем больше объем двигателя, тем больше его мощность, т.к. за каждый оборот двигатель сжигает больше топлива. Увеличение объема двигателя происходит за счет увеличения либо объема цилиндров, либо их количества. Сейчас 12 цилиндров – это предел.

Увеличение степени сжатия. До определенного момента, увеличение степени сжатия смеси увеличивает получаемую энергию. Однако, чем больше сжимается воздушно-топливная смесь, тем выше вероятность того, что она воспламенится раньше, чем свеча зажигания даст искру. Чем выше октановое число бензина, тем меньше вероятность преждевременного воспламенения. Поэтому высокопроизводительные автомобили нужно заправлять высокооктановым бензином, так как двигатели таких машин используют очень высокий коэффициент сжатия для получения большей мощности.

Большее наполнение цилиндра. Если в цилиндр втиснуть больше воздуха и топлива, то на выходе получается больше энергии. Турбонаддувы и наддувы нагнетают давление воздуха и эффективно втискивают его в цилиндр.

Охлаждение поступающего воздуха. Сжатие воздуха повышает его температуру. Тем не менее, хотелось бы иметь как можно более холодный воздух в цилиндре, т.к. чем выше температура воздуха, тем больше он расширяется при горении. Поэтому многие системы турбонаддува и наддува имеют интеркулер. Интеркулер – это радиатор, через который проходит сжатый воздух и охлаждается, прежде чем попасть в цилиндр.

Сделать меньшим вес деталей. Чем легче запчасти двигателя, тем лучше он работает. Каждый раз, когда поршень меняет направление, он тратит энергию на остановку. Чем легче поршень, тем меньше энергии он потребляет. Двигатель из углеродного волокна еще не придумали, но как делают этот материал, читайте тут на Zap-Online.ru.

Впрыск топлива. Система впрыска очень точно дозирует топливо поступающее в каждый цилиндр, повышая производительность двигателя и экономя топливо.

Теперь вы знаете, как работает двигатель автомобиля, а также причины его основных неполадок и перебоев. Если остались вопросы или есть замечания по изложенному материалу, добро пожаловать в комментарии.