Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

Автосалоны

История создания

В 1807 г. французско-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз построил первый поршневой двигатель, называемый часто двигателем де Риваза[en]. Двигатель работал на газообразном водороде, имея элементы конструкции, с тех пор вошедшие в последующие прототипы ДВС: поршневую группу и искровое зажигание. Кривошипно-шатунного механизма в конструкции двигателя ещё не было.

Первый практически пригодный двухтактный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Этьеном Ленуаром в 1860 году. Мощность составляла 8,8 кВт (11,97 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. В конструкции двигателя появился кривошипно-шатунный механизм.

КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.

Познакомившись с двигателем Ленуара, осенью 1860 года выдающийся немецкий конструктор Николаус Аугуст Отто с братом построили копию газового двигателя Ленуара и в январе 1861 года подали заявку на патент на двигатель с жидким топливом на основе газового двигателя Ленуара в Министерство коммерции Пруссии, но заявка была отклонена.

В 1876 г. Николаус Август Отто построил более совершенный четырёхтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.

В 1880-х годах Огнеслав Степанович Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.

В 1885 году немецкие инженеры Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах разработали лёгкий бензиновый карбюраторный двигатель. Даймлер и Майбах использовали его для создания первого мотоцикла в 1885, а в 1886 году — на первом автомобиле.

Немецкий инженер Рудольф Дизель стремился повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания и в 1897 предложил двигатель с воспламенением от сжатия. На заводе «Людвиг Нобель» Эммануила Людвиговича Нобеля в Петербурге в 1898—1899 Густав Васильевич Тринклер усовершенствовал этот двигатель, использовав бескомпрессорное распыливание топлива, что позволило применить в качестве топлива нефть.

В результате бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания высокого сжатия с самовоспламенением стал наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1899 на заводе «Людвиг Нобель» построили первый дизель в России и развернули массовое производство дизелей. Этот первый дизель имел мощность 20 л. с.

, один цилиндр диаметром 260 мм, ход поршня 410 мм и частоту вращения 180 об/мин. В Европе дизельный двигатель, усовершенствованный Густавом Васильевичем Тринклером, получил название «русский дизель» или «Тринклер-мотор». На всемирной выставке в Париже в 1900 двигатель Дизеля получил главный приз. В 1902 Коломенский завод купил у Эммануила Людвиговича Нобеля лицензию на производство дизелей и вскоре наладил массовое производство.

В 1908 году главный инженер Коломенского завода Р. А. Корейво строит и патентует во Франции двухтактный дизель с противоположно-движущимися поршнями и двумя коленвалами. Дизели Корейво стали широко использоваться на теплоходах Коломенского завода. Выпускались они и на заводах Нобелей.

В 1896 году Чарльз В. Харт и Чарльз Парр разработали двухцилиндровый бензиновый двигатель. В 1903 году их фирма построила 15 тракторов. Их шеститонный #3 является старейшим трактором с двигателем внутреннего сгорания в Соединенных Штатах и хранится в Смитсоновском Национальном музее американской истории в Вашингтоне, округ Колумбия. Бензиновый двухцилиндровый двигатель имел совершенно ненадёжную систему зажигания и мощность 30 л. с. на холостом ходу и 18 л. с. под нагрузкой[1].

Первым практически пригодным трактором с двигателем внутреннего сгорания был американский трёхколёсный трактор lvel Дэна Элборна 1902 года. Было построено около 500 таких лёгких и мощных машин.

В 1903 году состоялся полёт первого самолёта братьев Орвила и Уилбура Райт. Двигатель самолёта изготовил механик Чарли Тэйлор. Основные части двигателя сделали из алюминия. Двигатель Райт-Тэйлора был примитивным вариантом бензинового инжекторного двигателя.

На первом в мире теплоходе — нефтеналивной барже «Вандал», построенной в 1903 году в России на Сормовском заводе для «Товарищества Братьев Нобель», были установлены три четырёхтактных двигателя Дизеля мощностью по 120 л. с. каждый. В 1904 году был построен теплоход «Сармат».

В 1924 по проекту Якова Модестовича Гаккеля на Балтийском судостроительном заводе в Ленинграде был создан тепловоз ЮЭ2 (ЩЭЛ1).

Практически одновременно в Германии по заказу СССР и по проекту профессора Ю. В. Ломоносова по личному указанию В. И. Ленина в 1924 году на немецком заводе Эсслинген (бывш. Кесслер) близ Штутгарта построен тепловоз Ээл2 (первоначально Юэ001).

Как устроен ДВС

Первые поршневые моторы имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В процессе развития для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. Мотор современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Современный ДВС состоит из нескольких механизмов и вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

  1. КШМ – кривошипно-шатунный механизм.
  2. ГРМ   – механизм регулировки фаз газораспределения.
  3. Система смазки.
  4. Система охлаждения.
  5. Система подачи топлива.
  6. Выхлопная система.

Также к системам ДВС относятся электрические системы пуска и управления двигателем.

КШМ – основной механизм поршневого мотора. Он выполняет главную работу – преобразует тепловую энергию в механическую. Состоит механизм из следующих частей:

  • Блок цилиндров.
  • Головка блока цилиндров.
  • Поршни с пальцами, кольцами и шатунами.
  • Коленчатый вал с маховиком.

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

  • Распределительный вал.
  • Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками.
  • Детали привода клапанов.
  • Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

В зависимости от конструкции и количества клапанов на двигатель может быть установлен один или два распределительных вала на каждый ряд цилиндров. При двухвальной системе каждый вал отвечает за работу своего ряда клапанов — впускных или выпускных. Одновальная конструкция имеет английское название SOHC (Single OverHead Camshaft). Систему с двумя валами называют DOHC (Double Overhead Camshaft).

Подача топлива и органы управления

Энергия передаётся на коленчатый вал двигателя от расширяющихся газов во время рабочего хода. Сжатие топливо-воздушной смеси до объёма камеры сгорания повышает эффективность работы двигателя и увеличивает его КПД, но увеличение степени сжатия также увеличивает вызываемое сжатием нагревание рабочей смеси согласно закону Шарля.

Если топливо легковоспламеняемое, вспышка происходит до достижения поршнем ВМТ. Это, в свою очередь, заставит поршень провернуть коленвал в обратном направлении — такое явление называют обратной вспышкой.

Октановое число является мерой процентного содержания изооктана в гептан-октановой смеси и отражает способность топлива противостоять самовоспламенению под воздействием температуры. Топливо с более высокими октановыми числами позволяют двигателю с высокой степенью сжатия работать без склонности к самовоспламенению и детонации и, стало быть, иметь более высокую степень сжатия и более высокий КПД.

Работа дизельных двигателей обеспечивается самовоспламенением от сжатия в цилиндре чистого воздуха или бедной газовоздушной смеси, неспособной к самостоятельному горению (газодизель) и отсутствия в заряде топлива до последнего момента.

Топливная система бензинового двигателя включает в себя следующие компоненты:

  • топливный бак,
  • топливный фильтр,
  • топливные магистрали,
  • топливный насос,
  • форсунки.

Система впрыска бензинового двигателя дозирует топливо с высочайшей точностью. Для защиты прецизионных деталей от повреждений необходимо обеспечить эффективную очистку топлива.

Загрязнения улавливаются фильтром в контуре циркуляции топлива. Используемые топливные фильтры:

  • фильтр в топливной магистрали: сменный фильтр (устанавливается в разрез топливной магистрали),
  • фильтр в топливном баке: не требующий замены фильтр (устанавливается в топливном баке).

Топливный насос

В современных системах впрыска топлива для создания давления и подачи топлива используются исключительно электрические топливные насосы. По месту установки различают насосы, устанавливаемые в разрыв топливной магистрали: они могут быть установлены в произвольном месте в разрыве топливной магистрали и насосы устанавливаемые в баке, в большинстве случаев являются частью установленного в баке модуля подачи топлива.

Форсунки

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

Электроуправляемые форсунки впрыскивают находящееся в рампе (аккумуляторе давления) топливо во впускной коллектор или непосредственно в камеру сгорания. Топливо в рампе находится под надлежащим давлением. Форсунки открываются на такой период времени, чтобы подать в двигатель необходимое количество топлива.

Топливная система дизельного двигателя включает в себя следующие компоненты:

  • топливный бак,
  • топливный фильтр,
  • топливные магистрали
  • ,

  • топливный насос высокого давления аккумуляторной системы (Common Rail) или топливный насос высокого давления распределительного типа,
  • топливную рампу (аккумулятор давления, система Common Rail),
  • электроуправляемые форсунки аккумуляторной системы (Common Rail) или механические форсунки (топливный насос высокого давления распределительного типа).

В зависимости от конструкции могут устанавливаться также нагревательный элемент предварительного подогрева топлива и подкачивающий насос.

Топливный фильтр

Топливный фильтр служит для улавливания частиц, загрязняющих дизельное топливо, он устанавливается перед компонентами, которые могут быть повреждены этими частицами, и тем самым гарантирует безупречную работу этих компонентов.

Исполнения топливного фильтра дизельного двигателя:

  • фильтр предварительной очистки — Фильтр предварительной очистки, в большинстве случаев сетчатый, устанавливается в дополнение к основному.
  • основной фильтр — oсновной фильтр конструктивно может быть выполнен в виде корпуса с фильтрующим элементом или в виде простого сменного фильтра.

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

Топливоподкачивающий насос интегрируют в топливный насос высокого давления (ТНВД). Топливо попадает в ТНВД, проходя через топливный фильтр.

ТНВД дизельного двигателя предназначен для создания необходимого для впрыска давления топлива. Форсунки должны впрыскивать топливо в камеру сгорания таким образом, чтобы обеспечить надлежащее соответствующее геометрии камеры сгорания смесеобразование.

Различают следующие виды систем впрыска топлива бензиновых двигателей:

  • системы одноточечного (центрального) впрыска,
  • системы распределенного (многоточечного) впрыска,
  • системы непосредственного впрыска.

Система охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания предназначена для обеспечения быстрого прогрева двигателя до оптимальной температуры и отвода от него избыточного тепла во время работы.

Примерно треть тепловой энергии сгоревшего топлива расходуется на нагрев компонентов двигателя (поршней, цилиндров, ГБЦ, турбокомпрессоров (турбонаддува) и моторного масла). Вследствие ограниченной термической стойкости необходим теплоотвод.

Еще по теме  Кованые поршни двигателя автомобиля - что такое и для чего применяют

Самые экономичные бензиновые и дизельные двигатели с непосредственным впрыском преобразуют в полезную работу только примерно 46% энергии в топливе, остальная часть энергии теряется (уходит с отработавшими газами, рассеивается системой охлаждения, расходуется на трение).

Непрогретая охлаждающая жидкость (ОЖ) под действием насоса циркулирует в системе охлаждения, кроме того, в зависимости от конструкции и настроек отопителя, охлаждающая жидкость проходит через теплообменник отопителя, такой контур циркуляции называют «малым».

После прогрева охлаждающей жидкости, термостат открывает проход ОЖ в радиатор. ОЖ начинает циркулировать по так называемому «большому контуру», если температура ОЖ продолжает расти, то термовыключатель или блок управления двигателя по данным с датчика ECT включает электрический вентилятор радиатора охлаждения.

Другой метод — привод вентилятора ремнем через терморегулируемую муфту. Расширительный бачок служит для компенсации теплового расширения охлаждающей жидкости. Температура ОЖ в зависимости от режима работы и созданной производителем конструкции двигателя, находится в диапазоне температур:

  • примерно 100 — 120C для легковых автомобилей,
  • примерно 90 — 95C для грузовых автомобилей.

Максимально допустимое избыточное давление в системах охлаждения современных автомобилей находится в диапазоне температур:

  • примерно 1,3 — 2 бар для легковых автомобилей,
  • примерно 0,5 — 1,1 бар для грузовых автомобилей.

Охлаждающая жидкость, как правило, является смесью не содержащей извести воды и антифриза с антикоррозийными присадками. Они должны быть совместимы с агрегатами данного автомобиля. Объем системы охлаждения примерно в 4-6 раз больше рабочего объема двигателя. Интенсивность циркуляции ОЖ примерно 10-50 раз в минуту.

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

  • Рубашка охлаждения двигателя
  • Насос (помпа)
  • Термостат
  • Радиатор
  • Вентилятор
  • Расширительный бачок

Рубашку охлаждения двигателей внутреннего сгорания образуют полости внутри БЦ и ГБЦ, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Она отбирает избыточное тепло у деталей двигателя и относит его к радиатору. Циркуляцию обеспечивает насос, привод которого осуществляется с помощью ремня от коленчатого вала.

Термостат обеспечивает необходимый температурный режим двигателя автомобиля, перенаправляя поток жидкости в радиатор либо в обход него. Радиатор, в свою очередь, призван охлаждать нагретую жидкость. Вентилятор усиливает набегающий поток воздуха, тем самым увеличивая эффективность охлаждения. Расширительный бачок необходим современным моторам, так как применяемые охлаждающие жидкости сильно расширяются при нагреве и требуют дополнительного объема.

Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня

Одним из основополагающих конструктивных параметров ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1, на дизельных моторах ход поршня, как правило, тем больше диаметра цилиндра, чем больше двигатель. Оптимальным с точки зрения газодинамики и охлаждения поршня является соотношение 1 : 1.

Чем больше ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель и тем ниже его рабочий диапазон оборотов. Наоборот, чем больше диаметр цилиндра, тем выше рабочие обороты двигателя и тем ниже его крутящий момент на низких оборотах. Как правило, короткоходные ДВС (особенно гоночные) имеют больший крутящий момент на единицу рабочего объема, но на относительно высоких оборотах (больше 5000 об/мин.).

Контур системы смазки

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

На рисунке изображен контур принудительной системы смазки с мокрым картером. Запас масла находится в поддоне под блоком цилиндров.

Насос откачивает масло через заборник с сетчатым фильтром и подает его в фильтр. Очищенное масло из фильтра поступает к точкам смазки в головке и блоке цилиндров.

Масляные насосы

Масляный насос должен обеспечивать надлежащее давление масла в двигателе внутреннего сгорания и подачу (примерно 250 — 350 л/ч). Масло переносится, например, во впадинах между зубьями, от полости всасывания к полости нагнетания. Распространение получили следующие типы насосов:

  • шестеренный насос с наружным зацеплением,
  • шестеренный насос с внутренним зацеплением и серповидным разделительным элементом,
  • роторный насос.

В данном насосе масло захватывается зубьями и переносится во впадинах между ними вдоль стенок корпуса к полости нагнетания.

Зацепление зубьев обеих шестерен препятствует возвращению масла в полость всасывания. В полости всасывания образуется разрежение, а в полости нагнетания возникает давление.

Этот насос представляет собой одну из разновидностей шестеренных насосов. В большинстве случаев его внутреннее зубчатое колесо установлено непосредственно на коленчатом вале двигателя.Наружное зубчатое колесо установлено по отношению к внутреннему со смещением (эксцентриситетом).

Таким образом внутри насоса образуются полости всасывания и нагнетания, отделенные друг от друга серповидным элементом. Масло транспортируется во впадинах между зубьями и поступает в нагнетающую полость как вдоль наружной, так и вдоль внутренней части разделительного элемента.

Преимущество насоса с серповидным элементом по сравнению с обычным шестеренным насосом (упомянутым выше) состоит в большей производительности, особенно на низких частотах вращения двигателя.

Роторный насос

Основными элементами роторного насоса являются наружный ротор с внутренними зубьями и внутренний ротор с наружными зубьями. Насос приводится внутренним ротором, который расположен со смещением (эксцентриситетом). Он имеет на один зуб меньше, чем наружный.

Зубья внутреннего ротора выполнены таким образом, что они касаются каждого зуба наружного ротора и одновременно уплотняют образовавшиеся полости. При вращении роторов полости всасывания постоянно увеличиваются. Насос захватывает жидкость. Полости нагнетания уменьшаются.

Масло поступает под давлением в напорный трубопровод. Насос работает равномерно, т.к. порции масла поступают из нескольких следующих друг за другом полостей ротора. Такой насос может обеспечить высокое давление подачи при высокой производительности.

Масляный фильтр

Для очистки масла и предотвращения загрязнения инородными металлическими частицами, появляющимися из-за износа деталей двигателя, используют масляный фильтр. Масляный фильтр не может очищать масло от жидких или растворившихся загрязнений.

По месту установки в масляном контуре различают полнопоточные фильтры (фильтры грубой очистки) и устанавливаемые параллельно главной масляной магистрали фильтры тонкой очистки.

Полнопоточные фильтры гарантируют фильтрацию всего масла, поступающего к трущимся частям двигателя. Надлежащая пропускная способность обеспечивается с помощью малого гидравлического сопротивления напрямую зависящее от тонкости отсева. Это уменьшает их фильтрующий эффект и мелкие частицы не отфильтровываются.

Фильтр тонкой очистки устанавливается параллельно основной масляной магистрали, поэтому через него проходит только часть подаваемого масла (5-10%). Таким образом к точкам смазки подается только частично очищенное масло.

Размеры пор фильтрующего элемента можно уменьшать до такой степени, чтобы отфильтровывать также мельчайшие частицы загрязнений из параллельного главной магистрали потока масла. Совместное применение полнопоточного фильтра (фильтра грубой очистки) и фильтра тонкой очистки.

Такая комбинация обеспечивает наилучшее очищающее действие. Такие системы нашли применение, например, в строительных машинах. По финансовым соображениям в большинстве двигателей легковых автомобилей используется система смазки с полнопоточным фильтром.

В двигателях внутреннего сгорания с повышенной термической нагрузкой устанавливают масляные форсунки охлаждения поршней, которые подают масло на днища поршней и это обеспечивает их лучшее охлаждение.

Маслоохладитель

При перегреве масла ухудшаются его смазывающие свойства, т.к. оно становится слишком жидким, поэтому для уменьшения температуры и предотвращения перегрева устанавливают маслоохладители. Маслоохладитель передает тепловую энергию масла окружающему воздуху или охлаждающей жидкости.

В некоторых системах смазки используется дополнительный термостат контура охлаждения маслоохладителя, который перекрывает подачу ОЖ в контур до достижения им определенной температуры, поэтому масло быстрее прогревается, что положительно сказывается на его смазывающих свойствах.

При увеличении межсервисных интервалов в отношении используемого масла предъявляются особенно высокие требования. Основные задачи моторного масла — смазывать и охлаждать, т.е. предотвращать износ и отводить тепло от нагруженных деталей,кроме того, моторные масла должны:

  • абсорбировать загрязнения, т.е. удерживать их в себе и тем самым предотвращать образование отложений,
  • удалять высокотемпературные отложения,
  • выдерживать высокие температуры (термическая стойкость),
  • нейтрализовывать образующиеся при сгорании кислоты,
  • не терять своих свойств в течении всего межсервисного интервала (стойкость к старению, специально для тяжелых условий эксплуатации),
  • обеспечивать защиту от коррозии,
  • практически не менять свою вязкость,
  • иметь низкую испаряемость легких фракций при высоких температурах,
  • быть неагрессивным по отношению к уплотнениям,
  • иметь малую вязкость при низких температурах.

Вязкость

Вязкость масла никак не связана с его качеством. Чем выше вязкость масла, тем ниже его текучесть. Масла разделяют по классам вязкости SAE. Они были определены Обществом автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers (SAE)). Таким образом, масла различают по их вязкости в зависимости от температуры.

Число перед буквой «W» (Winter — зима) указывает на вязкость при отрицательных температурах (параметр, важный при холодном пуске). Число после буквы «W» обозначает вязкостные свойства масла при 100°C, т.е. при высоких нагрузках. Сегодня применяются преимущественно универсальные масла, например SAE 15 W 40, отвечающие разным классам вязкости.

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

  • Масляный картер (поддон).
  • Насос подачи масла.
  • Масляный фильтр с редукционным клапаном.
  • Маслопроводы.
  • Масляный щуп (индикатор уровня масла).
  • Указатель давления в системе.
  • Маслоналивная горловина.

Насос забирает масло из масляного картера и подает его в маслопроводы и каналы, расположенные в БЦ и ГБЦ. По ним масло поступает в места соприкосновения трущихся поверхностей.

Бензиновые

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного (моновпрыск), и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно-рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси.

Система питания

Система подачи для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

  • Топливный бак.
  • Датчик уровня топлива.
  • Фильтры очистки топлива – грубой и тонкой.
  • Топливные трубопроводы.
  • Впускной коллектор.
  • Воздушные патрубки.
  • Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, но в силу различных физических свойств бензина и дизельного топлива конструкция их имеет существенные различия. Сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки.

Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом. Детали, обеспечивающие очистку воздуха и поступление его цилиндры – воздушный фильтр и патрубки – тоже относятся к топливной системе.

Еще по теме  Шины Runflat: отличия от обычных шин, плюсы и минусы

Дизельные, с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый в цилиндре воздух от адиабатического сжатия (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыление, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела.

Так как дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что, в сочетании с длительным горением, обеспечивающим постоянное давление рабочего тела, благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50 % в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжёлых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счёт пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с дизель-генераторными установками, от присоединённого электрического генератора, который при запуске выполняет роль стартера.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера — Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряжённостью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов.

Система выпуска отработавших газов

Система выпуска предназначена для отвода отработавших газов к задней части автомобиля, глушения звуковых колебаний и уменьшения токсичности отработавших газов (с помощью каталитических нейтрализаторов).

Система выпуска включает в себя выпускной коллектор, трубы с глушителями и, в зависимости от исполнения, катализатор. Характеристики системы выпуска специально согласовывают с двигателем. Это необходимо для надлежащего глушения шума и оптимизации мощности двигателя.

В систему выпуска также могут входить турбокомпрессор (турбонаддув) и система рециркуляции отработавших газов. Выпускной коллектор является наиболее подверженной тепловым нагрузкам деталью выпускной системы, поэтому он изготавливается из чугуна.

Трубы и глушители изготавливаются из листовой стали. Вся система выпуска подвергается внутренней (агрессивные отработавшие газы) и наружной коррозии (вода, антигололедные реагенты), воздействию высоких температур и колебаний.

При повреждении или негерметичности системы выпуска необходимо выполнить ее ремонт или замену деталей, в противном случае возможно попадание в салон токсичных отработавших газов. Кроме того, из-за подсоса наружного воздуха в систему выпуска нарушается работа системы управления двигателем.

Сильфоны предназначены для компенсации взаимного смещения элементов системы выпуска. Тепловое расширение и вибрации в этом случае не приводят к возникновению внутренних напряжений в материалах, из которых сделаны компоненты системы, таким образом удается избежать возникновения трещин и поломки деталей.

В отработавших газах содержатся токсичные вещества, количество которых можно уменьшить, используя:

  • соответствующее топливо (с низким содержанием серы, неэтилированное),
  • каталитические нейтрализаторы,
  • специальные системы в двигателе (например, систему рециркуляции отработавших газов).

Законодательством установлены предельные величины токсичности выбрасываемых автомобилем отработавших газов. Для того чтобы уровень токсичности оставался в надлежащих пределах, необходима каталитическая доочистка отработавших газов. Поток отработавших газов проходит через установленный в системе каталитический нейтрализатор.

Размещенный в нем послойно катализатор действует таким образом, что находящиеся в отработавших газах токсичные вещества вступают в химическую реакцию, в ходе которой они преобразуются в относительно безвредные для человека и окружающей среды соединения.

Система рециркуляции отработавших газов необходима для снижения выброса вредных веществ. При обедненной смеси и высоких температурах горения, происходит образование оксидов азота (NOx).

Для уменьшения температуры горения, часть выхлопных газов из выпускного коллектора. с помощью клапана системы рециркуляции отработанных газов, возвращается во впускной коллектор для уменьшения концентрации кислорода в топливно-воздушной смеси, который влияет на температуру горения. Таким образом можно снизить количество оксидов азота в отработавших газах.

Турбонаддув

Из существующих видов наддува двигателей внутреннего сгорания широчайшее распространение получил турбонаддув. Турбонаддув позволяет двигателям малого рабочего объема выдавать большие мощность и крутящий момент при высоких значениях КПД.

Если раньше турбокомпрессоры (турбонаддув) применялись прежде всего для увеличения удельной мощности, то сейчас они все больше используются для увеличения крутящего момента на малых и средних оборотах.

Система выпуска предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

  • Выпускной коллектор.
  • Приемная труба глушителя.
  • Резонатор.
  • Глушитель.
  • Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

В заключение необходимо упомянуть системы пуска и управления двигателем автомобиля. Они являются важной частью двигателя, но их необходимо рассматривать вместе с электрической системой автомобиля, что выходит за рамки этой статьи, рассматривающей внутреннее устройство двигателя.

Газовые двигатели

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

  • смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
  • сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
  • генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

  •  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внёс советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Турбонагнетание

Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет нагнетать воздух в цилиндры ДВС.

Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем воздуха (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема).

Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.

На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.

Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, поскольку тому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.

Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры или при использованием турбины с изменяемой геометрией, в автоспорте также применяется принудительный разгон турбины с помощью системы рекуперации энергии[2]).

Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя.

Роторно-поршневой

Предложен изобретателем Ванкелем в начале XX века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения.

За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), Маздой в Японии (Mazda RX-7, Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70-х годов XX века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

  • RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Двухтактный цикл

Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто1. впуск2. сжатие3. рабочий ход4. выпуск

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа или 720 градусов поворота коленчатого вала (ПКВ), состоящий из четырёх отдельных тактов:

  1. впуска,
  2. сжатия заряда,
  3. рабочего хода и
  4. выпуска (выхлопа).
Еще по теме  Химчистка мебели, виды, подходящие средства, пошаговый алгоритм

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна.

Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения.

Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ.

Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД.

В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров.

Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором.

Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Корейво, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100 и танковыми дизелями ХЗТМ. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом.

Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20—30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты.

В 30х — 40х годах XX века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами;

верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки,, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа).

Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания
Схема работы двигателя.

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

  1. Впуск топлива;
  2. Сжатие топлива;
  3. Сгорание;
  4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси.

Системы двигателя

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

  1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
  2. Система смазки;
  3. Система охлаждения;
  4. Система подачи топлива;
  5. Выхлопная система.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

  • Распределительный вал;
  • Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
  • Детали привода клапанов;
  • Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

Система смазки

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

  • Масляный картер (поддон);
  • Насос подачи масла;
  • Масляный фильтр с редукционным клапаном;
  • Маслопроводы;
  • Масляный щуп (индикатор уровня масла);
  • Указатель давления в системе;
  • Маслоналивная горловина.

Система охлаждения

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

  • Рубашка охлаждения двигателя;
  • Насос (помпа);
  • Термостат;
  • Радиатор;
  • Вентилятор;
  • Расширительный бачок.

Система подачи топлива

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

  • Топливный бак;
  • Датчик уровня топлива;
  • Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
  • Топливные трубопроводы;
  • Впускной коллектор;
  • Воздушные патрубки;
  • Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Выхлопная система

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

  • Выпускной коллектор;
  • Приемная труба глушителя;
  • Резонатор;
  • Глушитель;
  • Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Оцените статью
Авторейтинг
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.