Классификация, механизмы и системы двигателя, основные конструктивные параметры

Общее устройство ДВС

Устройство двигателя внутреннего сгорания достаточно простое, тем, кто уже сталкивался с их ремонтом, и достаточно тяжелое тому, кто еще не имеет представление об этом агрегате. Силовой агрегат включает в свое строение несколько немаловажных систем. Рассмотрим, общее устройство двигателя:

1. Систему впрыска.
2. Блок цилиндров.
3. Головку блока.
4. Газораспределительный механизм.
5. Систему смазки.
6. Систему охлаждения.
7. Механизм выхлопа отработанных газов.
8. Электронную часть двигателя.

Все эти элементы определяют устройство и принцип работы ДВС. Далее стоит рассмотреть, из чего состоит двигатель автомобиля, а именно сам силовой агрегат в сборе:

1. Коленчатый вал — вращается в самом сердце блока цилиндров. Приводит в работу поршневую систему. Он купается в масле, поэтому расположен ближе к поддону картера.
2. Поршневая система (поршни, шатуны, пальцы, втулки, вкладыши, бугеля и маслосъемные кольца).
3. Головка блока цилиндров (клапаны, сальники, распределительный вал и другие элементы ГРМ).
4. Масляный насос — циркулирует смазочную жидкость по системе.
5. Водяной насос (помпа) — обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости.
6. Комплект газораспределительного механизма (ремень, ролики, шкивы) — обеспечивает правильность тактности. Ни один двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на тактах, не может без этого элемента.
7. Свечи зажигания обеспечивают воспламенение смеси в камере сгорания.
8. Впускной и выпускной коллектор — принцип действия их основан на впуске топливной смеси и выпуску отработанных газов.

Дизельный двигатель и его принцип действия

Камера сгорания мотора — это замкнутое место, полость для сжигания газообразного, либо водянистого горючего в движках внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит изготовление и сжигание топливовоздушной консистенции.

Вместе с обеспечением рационального смесеобразования камеры сгорания изготавливаются содействовать получению больших экономических характеристик и не плохих пусковых свойств движков. Отталкиваясь от конструкции и применяемого метода смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:

Неразделенные камеры сгорания представляют из себя единый объем и имеют обычно ординарную форму, которая, обычно, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры малогабаритны, имеют относительно малую поверхность остывания, поэтому понижаются утраты теплоты. Движки с такими камерами сгорания имеют солидные экономические характеристики и отличные пусковые свойства.

Неразделенные камеры сгорания отличаются огромным многообразием форм. В большинстве случаев они производятся в днище поршней, время от времени отчасти в днище поршня и отчасти в головке блока цилиндров, пореже — в головке.

На рисунке показаны некие конструкции камер сгорания неразделенного типа.

Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — округлая в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенами цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном

Реальная съемка в камере сгорания работающего двигателя

В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается только методом распыления горючего и согласования формы камер с формой факелов впрыска горючего. В данных камерах чаше всего используются форсунки с многодырчатыми распылителями и употребляются высочайшие давления впрыска. Такие камеры имеют малые поверхности остывания. Им свойственна низкая степень сжатия.

Рекомендуем: Зачем нужны загустители масла в двигатель?

Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько усугубляет пусковые характеристики мотора. Но методом вытеснения воздуха из надпоршневого места в объем камеры в ходе сжатия удается сделать насыщенные вихревые потоки заряда, способствующими отличному смешиванию горючего с воздухом. При всем этом обеспечивается качество высшего уровня смесеобразования.

Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных движках. Им типично наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение горючего и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего цикла в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) употребляется высочайшая температура выпускного клапана, являющийся одной из стен камеры.

Разбитые камеры сгорания состоят из 2-ух отдельных объемов, соединяющихся друг с другом одним либо несколькими каналами. Поверхность остывания таких камер существенно не просто, чем у камер неразделенного типа. Потому по причине с большенными теплопотерями движки с разбитыми камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые свойства и, обычно, более высочайшие степени сжатия.

Но при разбитых камерах сгорания путем использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить высококачественное изготовление топливно-воздушной консистенции, по причине этого достигается довольно полное сгорание горючего и устраняется дымление на выпуске.

17. Степень сжатия

Рис. Камеры сгорания дизелей разбитого типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке

Уже сегодня, дросселирующее действие соединительных каналов разбитых камер позволяет существенно уменьшить «жесткость» работы мотора и понизить критические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некое понижение «жесткости» работы движков с разбитыми камерами сгорания может также обеспечиваться методом увеличения температуры отдельных частей камер сгорания.

Принцип работы двигателя

Изучив устройство, перейдём к рассмотрению принципа работы ДВС. Как работает двигатель внутреннего сгорания разберём на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается поршень, соединённый с коленчатым валом через шатун. Положение, в котором остаётся поршень после перемещения вверх, называется верхней мёртвой точкой ВМТ. А положение после перемещения вниз — нижней мёртвой точкой НМТ. Ход поршня между двумя крайними точками называется тактом. Рабочий цикл включает 4 последовательных такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Посмотрим поэтапно, как работает 4-тактный двигатель внутреннего сгорания:

1. В начале такта впуска открывается впускной клапан, а поршень перемещается от ВМТ. В это время в цилиндр всасывается горючая смесь.
2. После прохода НМТ поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь и остаточные газы. Все клапана закрыты. Растёт давление и температура сжатых газов. В это время свеча зажигания даёт искру для воспламенения смеси.
3. Рабочая смесь горит, толкая поршень от ВМТ вниз. Клапана ещё закрыты.
4. На такте выпуска открывается выпускной клапан, и поршень поднимается вверх, выталкивая отработавшие газы из цилиндра.

Принцип работы двухтактного двигателя

Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя с двумя рабочими тактами отличаются от 4-тактного. Здесь вместо клапанов в определённых местах цилиндра предусмотрены отверстия — продувочные окна. Свечи зажигания установлены в головке цилиндра.

Во время первого такта поршень двигается от НМТ к ВМТ. Через впускное окно под давлением насоса поступает рабочая смесь, заполняя цилиндр. Выпускное окно открыто и выпускает остатки отработавших газов. Перемещаясь, поршень перекрывает окна. Горючая смесь сжимается. Вблизи ВМТ подаётся искра зажигания, после чего начинается второй такт.

Поршень перемещается вниз под действием давления газов. Открываются окна. Сначала выпускное, через которое выходят отработанные газы, а затем впускное, через которое снова подаётся смесь.

Примечания

1. ↑ . bigenc.ru. Дата обращения: 15 июля 2019.
2. . lektsii.org. Дата обращения: 22 июля 2019.
3. . bigenc.ru. Дата обращения: 25 июля 2019.
4. . azbukadvs.ru. Дата обращения: 25 июля 2019.
5. . carsweek.ru. Дата обращения: 22 июля 2019.
6. .
7. . Autonews. Дата обращения: 10 июня 2020.
8. . wiki.zr.ru. Дата обращения: 18 апреля 2020.
9. . vdvizhke.ru. Дата обращения: 15 июля 2019.
10. . Дата обращения: 25 июля 2019.
11. . Studref. Дата обращения: 25 июля 2019.
12. . wiki.zr.ru. Дата обращения: 11 февраля 2020.
13. . stroy-technics.ru. Дата обращения: 11 февраля 2020.
14. ↑ . www.science-education.ru. Дата обращения: 11 февраля 2020.
15. . www.korabel.ru. Дата обращения: 11 февраля 2020.
16. . mash-xxl.info. Дата обращения: 11 февраля 2020.
17. . mash-xxl.info. Дата обращения: 11 февраля 2020.
18. . StudFiles. Дата обращения: 11 января 2020.
19. . Дата обращения: 25 июля 2019.
20. . Портал «Европульс». Дата обращения: 28 декабря 2019.
21. . www.barque.ru. Дата обращения: 18 июля 2019.

Классификации

По источнику энергии

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

• электрические;
  • постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);
  • переменного тока (синхронные и асинхронные);
• электростатические;
• химические;
• ядерные;
• гравитационные;
• пневматические;
• гидравлические;
• лазерные.

По типам движения

Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

• вращательное движение твёрдых тел;
• поступательное движение твёрдых тел;
• возвратно-поступательное движение твёрдых тел;
• движение реактивной струи;
• другие виды движения.

Электродвигатели, обеспечивающие поступательное и/или возвратно-поступательное движение твёрдого тела;

• линейные;
• индукционные;
• пьезоэлектрические.

Некоторые типы электроракетных двигателей:

• ионные двигатели;
• стационарные плазменные двигатели;
• двигатели с анодным слоем;
• радиоионизационные двигатели;
• коллоидные двигатели;
• электромагнитные двигатели и др.

По устройству

Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела:

• поршневые паровые двигатели;
• паровые турбины;
• двигатели Стирлинга;
• паровой двигатель.

Двигатели внутреннего сгорания — класс двигателей, у которых образование рабочего тела и подвод к нему тепла объединены в одном процессе и происходят в одном технологическом объеме:

• двигатели с герметично запираемыми рабочими камерами (поршневые и роторные ДВС);
• двигатели с камерами, откуда рабочее тело имеет свободный выход в атмосферу (газовые турбины).

По типу движения главного рабочего органа ДВС с запираемыми рабочими камерами делятся на ДВС с возвратно-поступательным движением (поршневые) (делятся на тронковые и крецкопфные) и ДВС с вращательным движением (роторные), которые по видам вращательного движения делятся на 7 различных типов конструкций. По типу поджига рабочей смеси ДВС с герметично запираемыми камерами делятся на двигатели с принудительным электрическим поджиганием (калильным или искровым) и двигатели с зажиганием рабочей смеси от сжатия (дизель).

По типу смесеобразования ДВС делятся на: с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с непосредственным впрыском топлива в цилиндры или впускной коллектор (инжекторные). По типу применяемого топлива различают ДВС работающие на бензине, сжиженном или сжатом природном газе, на спирте (метаноле) и пр.

Реактивные двигатели

Воздушно-реактивные двигатели:

• прямоточные реактивные (ПВРД);
• пульсирующие реактивные (ПуВРД);
• газотурбинные двигатели:
  • турбореактивные (ТРД);
  • двухконтурные (ТРДД);
  • турбовинтовые (ТВД);
  • турбовинтовентиляторные ТВВД;

Ракетные двигатели

• жидкостные ракетные двигатели;
• твердотопливные ракетные двигатели;
• ядерные ракетные двигатели;
• некоторые типы электроракетных двигателей.

По применению

В связи с принципиально различными требованиями к двигателю в зависимости от его назначения, двигатели идентичные по принципу действия, могут называться «корабельными», «авиационными», «автомобильными» и тому подобными.

Категория «Двигатели» в патентоведении одна из наиболее активно пополняемых. В год по всему миру подаётся от 20 до 50 заявок в этом классе. Часть из них отличаются принципиальной новизной, часть — новым соотношением известных элементов. Новые же по конструкции двигатели появляются очень редко.

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.). При большем диаметре цилиндра/поршня сложнее обеспечить должный теплоотвод от донышка поршня ввиду его больших линейных размеров, но при высоких рабочих оборотах скорость поршня в цилиндре не превышает скорости поршня более длинноходного на его рабочих оборотах.

Поршневой ДВС с искровым зажиганием (двигатель Отто)

Является наиболее распространённым по количеству, поскольку число автомобилей в мире на 2014 год составляло более 1,2 млрд., и большая их часть приводится в движение двигателем Отто.

Бензиновый двигатель

Основная статья: Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

Является наиболее распространённым вариантом, установлен на значительной части транспортных машин (ввиду меньшей массы, стоимости, хорошей экономичности и малошумности). Имеет два варианта системы подачи топлива: инжектор и карбюратор. В обоих случаях в цилиндре сжимается топливо-воздушная смесь, подверженная детонации, поэтому степень сжатия и уровень форсирования такого двигателя ограничены детонацией.

Карбюраторный двигатель

Основная статья: Карбюраторный двигатель

Особенностью является получение топливо-бензиновой смеси в специальном смесителе, карбюраторе. Ранее такие бензиновые двигатели преобладали; теперь, с развитием микропроцессоров, их область применения стремительно сокращается (применяются на маломощных ДВС, с низкими требованиями к расходу топлива).

Инжекторный двигатель

Особенностью является получение топливной смеси в коллекторе или открытых цилиндрах двигателя путём подачи инжекторной системой подачи топлива. В настоящий момент является преобладающим вариантом ДВС Отто, поскольку позволяет резко упростить электронное управление двигателем. Нужная степень однородности смеси достигается за счет увеличения давления форсуночного распыливания топлива.

Роторно-поршневой

Основная статья: Роторно-поршневой двигатель

Дополнительные сведения: Роторно-цилиндро-клапанный двигатель

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, и потому — с выполнением экологических требований.

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

Обычно роторно-поршневые ДВС используют в качестве топлива бензин, но возможно и применение газа. Роторно-поршневой двигатель является ярким представителем бесшатунных ДВС, наряду с двигателем Баландина.

Газовые двигатели

Основная статья: Газовый двигатель

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: уголь, торф, древесина.

Эти двигатели имеют широкое применение, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно господствуют газотурбинные энергоблоки).

Принцип работы двигателя

Как работает двигатель автомобиля? — Этим вопросом задаются многие автомобилисты. Постараемся дать максимально полный и сжатый ответ на этот вопрос. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на двух факторах: впрыске и моменте сжатия. Именно основываясь на этих действиях мотор, приводит все в действие.

Если рассматривать, как работает двигатель внутреннего сгорания, то стоит понимать, что существуют такты, которые разделяют агрегаты на однотактный, двухтактный и четырехтактный. В зависимости от того, куда устанавливается ДВС, так и различают такты.

Современные автомобильные двигатели оснащаются четырехтактными «сердцами», которые идеально сбалансированные и отлично работают. А вот однотактные и двухтактные моторы обычно устанавливаются на мопеды, мотоциклы и прочую технику.

Итак, рассмотрим ДВС и его принцип работы, на примере бензинового двигателя:

1. Топливо попадает в камеру сгорания, через систему впрыска.
2. Свечи зажигания дают искру и топливно-воздушная смесь воспламеняется.
3. Поршень, который находится в цилиндре, уходит вниз под давлением, чем приводит в движение коленчатый вал.
4. Коленвал передает движение через сцепление и коробку передач на ведущие валы, которые в свою очередь, приводят в действия колеса.

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.

Виды бензиновых двигателей

Современные бензиновые двигатели можно классифицировать по нескольким категориям.

1. По количеству цилиндров – с одним цилиндром, двумя цилиндрами и несколькими цилиндрами.
2. По расположению цилиндров:
   • рядные двигатели (цилиндры расположены строго в ряд наклонным или вертикальным способом);
   • V-образные двигатели (цилиндры расположены под углом);
   • W-образные двигатели (цилиндры располагаются в четыре ряда под углом с коленвалом)
   • оппозитные двигатели (цилиндры расположены под углом 180 градусов)
3. По способу получения топливной смеси – инжекторные, карбюраторные.
4. По типу смазки — раздельные (масло находится только в картере), смешанные (масло смешивается с топливом).
5. По методу охлаждения — охлаждение жидкостью, охлаждение воздухом.
6. По типу циклов – двухтактные, четырехтактные.
7. По типу подачи воздушной смеси в цилиндры — с наддувом, без наддува.