Чаще всего при создании автомобилей используются бензиновые двигатели. Устройство получило применение во многих отраслях: им оборудованы быстроходные суда, авиатранспорт, автомобили, рабочая техника. Оно принадлежит к классу двигателей внутреннего сгорания, его принцип работы состоит в трансформировании энергии, высвобождающейся в момент горения топлива, в энергию вращения. В гильзе цилиндра уплотненная топливная смесь зажигается от искры. Дроссельной заслонкой контролируется воздушный поток, от силы которого зависит частота хода поршня и мощность.
Хотя работа любой разновидности бензинового ДВС основана на одних и тех же законах и во всех моделях есть неизменные детали, конструктивные особенности могут отличаться.
Содержание статьи
История
Работа над созданием двигателя внутреннего сгорания велась с 18 столетия.
Рабочая модель появилась в 1858 г. Ее изобрел инженер из Бельгии Ж.Ж. Этьен Ленуар. Для работы применялся угольный газ.
Устройство не отличала надежность – детали перегревались, нерационально использовалось масло и топливо. Но с его помощью передвигались трехколесные машины.
В 1876 г. изобретатель Николаус Отто разработал прототип, в основе которого находился довольно непростой принцип действия. Этот двухтактный двигатель был рассчитан на жидкие типы горючего, оборудован карбюраторным устройством для впрыска и искровым зажиганием. Приспособление успешно справлялось с задачей получения механического вращения.
Классификация
Разделяют такие типы двигателей внутреннего сгорания:
- поршневые модели (автомобильные);
- агрегаты роторно-поршневого вида;
- турбинные устройства;
Наибольшее применение получили автомобильные ДВС поршневого типа, поэтому устройство и принцип функционирования логично рассмотреть на их примере.
Среди них бывают такие виды, как:
- четырехтактный двигатель;
- двухтактный.
По методу смешивания воздуха с бензином моторы бывают:
- карбюраторными;
- инжекторными.
Принцип действия
Принцип функционирования двигателя внутреннего сгорания прост. В процессе сжигания порций бензина в резервуаре ограниченной емкости высвобождается большой объем расширяющихся нагретых газов. После каждого впрыска из форсунок поршень оказывается в предельной верхней позиции, и в это время создается искра, от которой воспламеняется сжатое горючее.
Чтобы бензиновый двигатель непрерывно генерировал энергию вращения, поступления порций смеси бензина и воздуха (а также сжатия этих доз) должны производиться регулярно. Также должен вовремя осуществляться вывод выхлопных газов. От доли воздуха в смеси зависит частота хода поршня, которая влияет на то, с какой скоростью коленвал совершает обороты.
Чтобы перегрев каждой детали не превысил допустимую степень, используются оптимальные системы внутреннего охлаждения.
Бывают разные виды ДВС. В легковых автомобилях устанавливается четырехтактный. Зависимо от разновидности, различаются главные элементы и детали.
Устройство ДВС
Принцип, которым обусловлена работа двигателя внутреннего сгорания, достаточно прост.
Устройство включает следующие детали:
- сложный корпус;
- аппарат газового распределения;
- кривошипно-шатунный механизм;
- дополняющие системы (впускная и выпускная, топливная, зажигания и т. д.).
Кривошипно-шатунный механизм нужен для того, чтобы получать обороты коленвала из линейных движений поршней. Частота хода, обуславливающая скорость вращения, регулируется пропорциональным отношением воздуха и топлива.
Аппарат внутреннего распределения газов отвечает за своевременное выполнение впрыска в гильзы цилиндров и выброс продуктов горения.
Двухтактный двигатель составляют те же детали, которые, однако, несколько отличаются. На некоторые из них влияет температура, степень которой гораздо более высокая, что обуславливает особенности их конструкции и материалов.
Конструкция цилиндров
Цилиндры двигателей внутреннего сгорания являются рабочими камерами объемного вытеснения.
На внутренние и внешние детали действует высокая температура. Во избежание неравномерного расширения и сжатия они создаются из разных частей:
- внутренняя — функциональный элемент, гильза;
- наружная — рубашка (у двигателей с воздушным охлаждением дополнена теплоотводящими ребрами).
Зазоры между ними называют зарубашечным пространством. Автомобильные бензиновые двигатели с водяным типом охлаждения вместо ребер оборудованы каналами для циркуляции жидкости.
Рубашки создаются в форме единой отливки на весь ряд гильз и называются «блок цилиндров». Так обеспечивается надежность конструкции и стабильная температура.
Внутри гильзы поршень выполняет линейные движения, затем преобразующиеся в обороты коленвала.
Сверху в цилиндре (если мотор четырехтактный) сделаны три отверстия. В них помещаются клапаны (для вывода выхлопных газов и подачи топлива), которые последовательно активируют кулачки распределительного вала. Также здесь устанавливается свеча зажигания. Существуют моторы с 4 или 5 клапанами на каждом цилиндре. Размещение на одной и той же плоскости большего количества открывающихся распредвалом отверстий позволяет улучшить наполнение камеры сгорания топливом и удаление из него продуктов горения.
Для новых моделей автомобилей применяется принцип составления топливной смеси при помощи форсунок. Они могут быть закреплены возле основания впускного трубопровода или внутри последнего, перед дроссельной заслонкой. При использовании непосредственного типа впрыска топлива форсунка устанавливается в самой стенке цилиндра, и доставляет бензин сразу в рабочую камеру.
Двухтактный двигатель лишен клапанов и вала, которыми оборудован четырехтактный вариант, поэтому конструкция отличается системой продувки.
Как работает четырехтактный двигатель
В большинстве автомоделей используется четырехтактный двигатель. Энергия, получаемая после сгорания топлива, почти полностью преобразуется в полезную. Если ДВС двухтактный, бензин расходуется не так экономно.
Четырехтактный агрегат повторяет тот же принцип работы, но цикл вращения коленвала выполняется за большее количество фаз, среди которых:
- такт впрыска;
- фаза сжатия;
- рабочая фаза;
- такт выпуска.
Первостепенную роль в устройстве играет поршень, соединенный с коленвалом шатуном. Частота его хода обуславливает скорость вращения, в которую кривошипно-шатунный механизм превращает линейные движения.
1.Такт впуска.
Поршень устремляется в обратном от свечи направлении и выступами распредвала открываются клапаны впрыска в резервуары цилиндров горючей смеси. Она составляется внутри карбюратора (или с помощью форсунок). Когда достигнута нижняя крайняя степень, клапан закрывается.
2.Фаза сжатия.
Поршень снова поднимается, уплотняя свежую порцию смеси. Температура последней возрастает. Когда достигается верхняя точка, свеча зажигает сжатое топливо.
Отношение рабочего объема цилиндра в нижней позиции поршня и камеры сгорания при максимальном приближении поршня к свече называется степень сжатия. Чем она существеннее, тем более высокое октановое значение должно быть у бензина, чтобы не произошла детонация. Степень определяется измерением. Расчеты затрудняются сложностью формы камеры сгорания.
Степень сжатия – важнейший параметр: от его значения зависит экономичность двигателя. Чем оно выше, тем меньший объем занимает уплотненная смесь, тем быстрее и полнее она сгорает, а через выпускной клапан выбрасывается меньшее количество неотработанного топлива.
3.Рабочий такт.
Смесь горит, поршень толкается вниз возрастающим объемом газов. Форсунка и отверстие выпуска заблокированы клапанами.
4.Такт выпуска.
Коленвал не прекращает вращения, поршень по инерции направляется в верхнюю позицию. Открывается клапан выпуска. Поршень осуществляет вытеснение выхлопных газов. Когда он подходит к верхнему положению, выпускной клапан закрывается.
Распределительный вал и клапаны имеет в своей конструкции лишь четырехтактный двигатель.
Как работает двигатель двухтактный
Такой бензиновый двигатель, выполняя обороты коленвала, совершает полноценный цикл во время каждого из них. Остаются лишь фазы сжатия и расширения из тактов, которые производит четырехтактный тип. Этапы впрыска топлива и выпуска выхлопных газов уступают место продувке камеры возле нижней крайней позиции поршня, когда новая рабочая смесь заменяет собой остаток отработанных газов. Она выполняется через проемы в стенке цилиндра. Отпадает необходимость устройства клапанов и пружин, ограничивающих максимальные скорости вращения.
Двухтактный двигатель и принцип его работы следует рассмотреть подробнее.
При сжимании топлива в гильзе поршень направляется к свече, чем обуславливает понижение давления в кривошипном резервуаре. Там активируется клапан, впуская бензин. Когда поршень движется в обратную сторону, степень давления в кривошипном резервуаре увеличивается, и вход блокируется. Почти достигнув нижнего положения, поршень прекращает заслонять проем для выпуска. Продукты горения выходят в коллектор. Температура агрегата повышается, поэтому двухтактные устройства должны хорошо охлаждаться. Поршень перестает заслонять собой проем, который находится ближе к впускному коллектору. Смесь, вытесняемая из кривошипной камеры поршнем, проникает в рабочую емкость цилиндра и устраняет лишние газы. Некоторое количество неиспользованного топлива может попадать в выпускной коллектор. При такте сжатия новая порция смеси входит в кривошипную камеру.
Так как весь поршневой механизм омывается топливовоздушной смесью, к ней примешивается некоторое количество масла. Для его очищения от частиц металла с изношенных деталей устанавливается фильтр. По необходимости, систему дополняет охлаждающий радиатор, так как во время работы температура масла может принимать максимальные значения.
Степень сжатия высчитывается так же, как для моторов автомобилей.
ДВС отличает то, что линейный ход поршней в них превращается в поворотные движения при помощи коленвала.
Как устроен коленчатый вал
Впервые принцип работы коленвала изложил средневековый ученый Аль-Джазари. Описание датируется 13 веком.
Это сложный конструктивный элемент (или объединенные воедино детали), имеющий шейки для фиксации шатунов двигателя внутреннего сгорания, усилия которых устройство преобразует в обороты и передает для вращения колес автомобилей.
Коленвал объединяет несколько коренных и шатунных шеек так называемыми «щеками». Эти массивные детали похожи на диски неправильной формы, расширяющиеся с одной стороны для выполнения функции противовеса. Шатунные шейки смещены к узким сторонам щек относительно общей оси вала. Противовесы, расположенные с обратной от них стороны, уравновешивают вес поршней, обеспечивая надежность и плавность вращения.
Шатун, прикрепленный к шейке с помощью подшипника скольжения (который также называют «вкладышем»), вынужден вести ее по кругу, через центр которого проходит ось вала, вращающегося в опорах.
На расположение колен влияет предполагаемое число цилиндров, порядок их действия и частота хода поршней (которой соответствуют обороты двигателя).
Коленвал является неизменно присутствующим элементом ДВС, не зависимо от того, четырехтактный он, или нет. Это общая деталь для всех автомоделей.
Карбюраторные и инжекторные разновидности
Разница состоит в способе смешивания топлива до впрыска в камеру сгорания.
В двигателях внутреннего сгорания устаревших автомоделей приготовление горючей смеси до сжатия поршнем осуществлялось в карбюраторе. Так называется устройство, с помощью которого определенные объемы топлива смешиваются с воздухом, засасываемым в процессе работы поршня. Самые простые виды карбюраторов представляют собой конструкцию из двух элементов: поплавковой и смесительной камер. Клапан в первом из отделов регулирует уровень топлива, а во втором его нужное количество смешивается с порцией воздуха, для дозировки которого в смесительной камере установлен диффузор.
Во время впуска давление и температура в гильзе понижаются. Воздух втягивается в нее, проходя сквозь смесительный отдел карбюратора и трубопровод впрыска. В новых автомобилях данная система не применяется.
В инжекторном двигателе осуществление впрыска является задачей детали, которая носит название «форсунка». К ней топливо поступает под давлением. Дозирование с помощью форсунок выполняется электронным блоком управления. С определяемой компьютером периодичностью подается импульс тока. Эти сигналы активируют работу форсунок. Инжекторным может быть не только четырехтактный двигатель, хотя для таких конструкций электронное управление более актуально.
Переход от карбюраторных двигателей к моделям с использованием форсунок произошел из-за возрастания требований к экологичности выхлопных газов. Возникла необходимость устанавливать нейтрализаторы вредных веществ в бензиновые машины.
Форсунка для впрыска топлива, регулируемая программой блока управления, обеспечивает оптимальные показатели стабильности состава продуктов сгорания, поступающих в катализатор. Такое постоянство необходимо для нормальной работы последнего. Принцип действия катализатора позволяет ему работать в узком диапазоне этого состава, требуется определенная степень содержания кислорода.
Загрузка...
