Как работает двигатель

Как работает двигатель?

Двигатель автомобиля может выглядеть как большая запутанная мешанина металлических частей, трубок и проводов для непосвященных. В то же время двигатель — это «сердце» почти любого автомобиля — 95% всех машин работают на двигателе внутреннего сгорания.

В этой статье мы обсудим работу двигателя внутреннего сгорания: его общий принцип, изучим конкретные элементы и фазы работы двигателя, узнаем, как именно потенциальная топлива преобразуется во вращательную силу, и постараемся ответить на следующие вопросы: как работает двигатель внутреннего сгорания, какие бывают двигатели и их типы и что означают те или иные параметры и характеристики двигателя? И, как всегда, всё это просто и доступно, как дважды два.

Главная цель бензинового двигателя автомобиля заключается в преобразовании бензина в движение, чтобы Ваш автомобиль мог двигаться. В настоящее время самый простой способ создать движение от бензина — это попросту сжечь его внутри двигателя. Таким образом, автомобильный «движок» является двигателем внутреннего сгорания — т.е. сгорание бензина происходит внутри него.

Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели являются одной из форм, а газотурбинные — совсем другой. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Ну, как Вы заметите, раз существует двигатель внутреннего сгорания, то должен существовать и двигатель внешнего сгорания. Паровой двигатель в старомодных поездах и пароходах как раз таки и является лучшим примером двигателя внешнего сгорания. Топливо (уголь, дерево, масло, любое другое) в паровой машине горит вне двигателя для создания пара, и пар создаёт движение внутри двигателя. Разумеется, двигатель внутреннего сгорания является намного более эффективным (как минимум потребляет гораздо меньше топлива на километр пути автомобиля), чем внешнего сгорания, кроме того, двигатель внутреннего сгорания намного меньше по размерам, чем эквивалентный по мощности двигатель внешнего сгорания. Это объясняет, почему мы не видим ни одного автомобиля, похожего на паровоз.

А теперь давайте посмотрим более подробно, как же работает двигатель внутреннего сгорания.

Давайте рассмотрим принцип, лежащий в любом возвратно-поступательном движении двигателя внутреннего сгорания: если Вы поместите небольшое количество высокоэнергичного топлива (например, бензина) в небольшое закрытое пространство и зажжёте его (это топливо), то выделится невероятное количество энергии в виде расширяющегося газа. Вы можете использовать эту энергию, к примеру, для приведения в движение картофелины. В этом случае энергия преобразуется в движение этой картофелины. Например, если Вы в трубу, у которой один конец плотно закрыт, а другой — открыт, нальёте немного бензина, а затем засунете картофелину и подожжёте бензин, то его взрыв спровоцирует приведение в движение этой картофелины за счёт выдавливания её взрывающимся бензином, таким образом, картофелина подлетит высоко в небо, если Вы направите трубу вверх. Это мы кратко описали принцип действия старинной пушки. Но Вы также можете использовать такую энергию бензина в более интересных целях. Например, если Вы можете создать цикл взрывов бензина в сотни раз в минуту, и если Вы сможете использовать эту энергию в полезных целях, то знайте, что у Вас уже есть ядро для двигателя автомобиля!

Почти все автомобили в настоящее время используют то, что называется четырёхтактным циклом сгорания для преобразования бензина в движение. Четырёхтактный цикл также известен как цикл Отто — в честь Николая Отто, который изобрел его в 1867 году. Итак, вот они, эти 4 такта работы двигателя:

Такт впуска топлива
Такт сжатия топлива
Такт сгорания топлива
Такт выпуска отработавших газов

Вроде бы уже всё понятно из этого, не так ли? Вы можете посмотреть ниже на рисунке, что элемент, который называется поршень, заменяет картошку в описанной нами ранее «картофельной пушке». Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна. Только не пугайтесь новых терминов — их, на самом деле не так много в принципе работы двигателя!

На рисунке буквами обозначены следующие элементы двигателя:

A — Распределительный вал

B — Крышка клапанов

C — Выпускной клапан

D — Выхлопное отверстие

E — Головка цилиндра

F — Полость для охлаждающей жидкости

G — Блок двигателя

H — Маслосборник

I — Поддон двигателя

J — Свеча зажигания

K — Впускной клапан

L — Впускное отверстие

M — Поршень

N — Шатун

O — Подшипник шатуна

P — Коленчатый вал

Вот что происходит, когда двигатель проходит свой полный четырёхтактный цикл:

Начальное положение поршня — в самом верху, в этот момент открывается впускной клапан, и поршень движется вниз, таким образом, засасывая в цилиндр приготовленную смесь бензина и воздуха. Это такт впуска. Всего лишь крошечная капля бензина должна смешаться с воздухом, чтобы всё это работало.

Когда поршень достигает своей нижней точки, то впускной клапан закрывается, а поршень начинает перемещаться обратно вверх (бензин оказывается в «западне»), сжимая эту смесь из топлива и воздуха. Сжатие впоследствии сделает взрыв мощнее.
Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания испускает искру, порождённую напряжением более десятка тысяч Вольт, чтобы зажечь бензин. Происходит детонация, и бензин в цилиндре взрывается, с невероятной силой толкая поршень вниз.
После того, как поршень снова достигает дна своего хода, настаёт очередь открываться выпускному клапану. Затем поршень движется вверх (это происходит уже по инерции) и отработавшая смесь бензина и воздуха выходит через выхлопное отверстие из цилиндра, чтобы отправиться в своё путешествие до выхлопной трубы и далее в верхние слои атмосферы.

Теперь, когда клапан снова в самом верху, двигатель готов к следующему циклу, так что он всасывает следующую порцию смеси воздуха и бензина, чтобы ещё сильнее раскрутить коленчатый вал, который, собственно и передаёт своё кручение далее через трансмиссию к колёсам. Теперь посмотрите ниже, как работает двигатель во всех своих четырёх тактах.

Более наглядно работу двигателя внутреннего сгорания Вы можете увидеть на двух анимациях ниже:

Как работает двигатель — анимация

Обратите внимание, что движение, которое создаётся работой двигателя внутреннего сгорания, является вращением, в то время как движение, создаваемое «картофельной пушкой», является линейным (прямым). В двигателе линейное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Вращательное движение нам нужно, потому что мы планируем повернуть наши колёса автомобиля.

Теперь давайте посмотрим на все части, которые работают вместе в дружной команде, чтобы это произошло, начиная с цилиндров!

Ядром двигателя является цилиндр с поршнем, который двигается вверх и вниз внутри цилиндра. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Казалось бы, что ещё нужно для автомобиля?! А вот и нет, автомобилю для комфортной езды на нём нужны по меньшей мере ещё 3 таких цилиндра с поршнями и всеми необходимыми этой парочке атрибутами (клапанами, шатунами и так далее), а вот один цилиндр подойдёт разве что для большинства газонокосилок. Посмотрите — ниже на анимации Вы увидите работу 4-хцилиндрового двигателя:

Типы двигателей

Автомобили чаще всего имеют четыре, шесть, восемь и даже десять, двенадцать и шестнадцать цилиндров (последние три варианта устанавливают, в основном на спортивные автомобили и болиды). В многоцилиндровом двигателе все цилиндры, как правило, расположены одним из трёх способов:

Рядный
V-образный
Оппозитный

Вот они — все три типа расположения цилиндров в двигателе:

Рядное расположение 4-х цилиндров Оппозитное расположение 4-х цилиндров V-образное расположение 6 цилиндров Различные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения вибрации, стоимости производства и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более подходящими для использования некоторых конкретных транспортных средств. Так, 4-хцилиндровые двигатели редко имеет смысл делать V-образными, таким образом, они обычно рядные; а 8-цилиндровые двигатели делают чаще с V-образным расположением цилиндров.

Теперь давайте наглядно посмотрим, как работает система впрыска топлива, масло и другие узлы в двигателе:

Давайте рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя более подробно:

Свеча зажигания обеспечивает искру, которая зажигает воздушно-топливную смесь, так, чтобы происходило сгорание. Искра должна произойти в нужное время, чтобы двигатель работал должным образом.
Клапаны — впускные и выпускные — также должны открываться в строго нужное время, чтобы впустить воздух и топливо и выпустить отработавшие газы. Обратите внимание, что оба клапана закрыты во время сжатия и сгорания так, что воздушно-топливная смесь плотно «замурована» в цилиндре.
Поршень представляет собой цилиндрический кусок металла, который движется вверх и вниз внутри цилиндра.
Поршневые кольца. Мы их пока ещё не видели на рисунках, но это довольно часто употребляемая вещь, так как от их износа зависит многое в работе двигателя. Поршневые кольца огибают поршень и упираются во внутреннюю поверхность цилиндра, двигаются вверх/вниз вместе с поршнем и обеспечивают уплотнение между наружным краем поршня и внутренней кромкой цилиндра. Кольца служат двум целям: предотвращают утечку топлива в масляный отстойник во время сжатия и горения и удерживают масло в картере от утечки в область горения, где оно может сгореть из-за невероятно высокой температуры. Большинство автомобилей с такими симптомами как повышенный расход топлива и масла, чёрный дым из глушителя, и с пробегом более 100 тысяч километров, попросту имеют изношенные кольца, которые больше не «запечатывают» поршень должным образом.
Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может поворачиваться на обоих концах так, что его угол может меняться в то время как поршень движется и когда коленчатый вал поворачивается.
Коленчатый вал крутится за счёт движения поршня.
Картер окружает коленчатый вал. Он содержит некоторое количество машинного масла, которое собирает на дне отстойника.

А теперь внимание! На основе всего прочитанного посмотрим на полный цикл работы двигателя со всеми его элементами:

Полный цикл работы двигателя

Далее мы узнаем, что может помешать работе двигателя.

Почему двигатель не работает?

Допустим, Вы выходите утром к машине и начинаете её заводить, но она не заводится. Что может быть не так? Теперь, когда Вы знаете, как работает двигатель, можно понять основные вещи, которые могут помешать двигателю завестись. Три фундаментальные вещи могут случиться:

Плохая топливная смесь
Отсутствие сжатия
Отсутствие искры

Да, есть ещё тысячи незначительных вещей, которые могут создать проблемы, но указанная «большая тройка» является чаще всего следствием или причиной одной из них. На основе простого представления о работе двигателя мы можем составить краткий список того, как эти проблемы влияют на двигатель.

Плохая топливная смесь может быть следствием одной из причин:

У Вас попросту закончился в баке бензин, и двигатель пытается завестись от воздуха.
Воздухозаборник может быть забит, поэтому в двигатель поступает топливо, но ему не хватает воздуха, чтобы сдетонировать.
Топливная система может поставлять слишком много или слишком мало топлива в смесь, а это означает, что горение не происходит должным образом.
В топливе могут быть примеси (а для российского качества бензина это особенно актуально), которые мешают топливу полноценно гореть.

Отсутствие сжатия — если заряд воздуха и топлива не могут быть сжаты должным образом, процесс сгорания не будет работать как следует. Отсутствие сжатия может происходить по следующим причинам:

Поршневые кольца изношены (позволяя воздуху и топливу течь мимо поршня при сжатии)
Впускные или выпускные клапаны не герметизируются должным образом, снова открывая течь во время сжатия
Появилось отверстие в цилиндре.

Отсутствие искры может быть по ряду причин:

Если свечи зажигания или провод, идущий к ним, изношены, искра будет слабой.
Если провод повредился или попросту отсутствует или если система, которая посылает искру по проводу, не работает должным образом.
Если искра происходит либо слишком рано или слишком поздно в цикле, топливо не будет зажжено в нужное время, и это может вызвать всевозможные проблемы.

И вот ещё ряд причин, по которым двигатель может не работать, и здесь мы затронем некоторые детали за пределами двигателя:

Если аккумулятор мёртв, Вы не сможете прокрутить двигатель, чтобы запустить его.
Если подшипники, которые позволяют коленчатому валу свободно вращаться, изношены, коленчатый вал не сможет провернуться, поэтому двигатель не сможет работать.
Если клапаны не открываются и не закрываются в нужное время или не работают вообще, воздух не сможет войти, а выхлопы — выйти, поэтому двигатель опять-таки не сможет работать.
Если кто-то из хулиганских побуждений засунул картошку в выхлопную трубу, выпускные газы не смогут выйти из цилиндра, и двигатель снова не будет работать.
Если в двигателе недостаточно масла, то поршень не сможет двигаться вверх и вниз свободно в цилиндре, что затруднит или сделает невозможным нормальную работу двигателя.

В правильно работающем двигателе все эти факторы находятся в пределах допуска. Как Вы можете видеть, двигатель имеет ряд систем, которые помогают ему сделать свою работу преобразования топлива в движение безупречной. Мы же рассмотрим различные подсистемы, используемые в двигателях, в следующих разделах.

Большинство подсистем двигателя может быть реализована с использованием различных технологий, и лучшие технологии могут значительно повысить производительность двигателя. Вот почему развитие автомобилестроения продолжается высочайшими темпами, ведь конкуренция среди автоконцернов достаточно велика, чтобы вкладывать большие деньги в каждую дополнительно выжатую лошадиную силу из двигателя при том же объёме. Давайте посмотрим на различные подсистемы, используемые в современных двигателях, начиная с работы клапанов в двигателе.

Как работают клапаны?

Система клапанов состоит из, собственно, клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Система открытия и закрытия их называется распределительным валом. Распределительный вал имеет специальные детали на своей оси, которые движут клапаны вверх и вниз, как показано на рисунке ниже.

Большинство современных двигателей имеют то, что называют накладными кулачками. Это означает, что вал расположен над клапанами, как Вы видите на рисунке. Старые двигатели используют распределительный вал, расположенный в картере возле коленчатого вала. Распределительный вал, крутясь, двигает кулачок выступом вниз таким образом, чтобы он продавливал клапан вниз, создавая зазор для прохода топлива или выпуска отработавших газов. Ремень ГРМ или цепной привод приводится в движение коленчатым валом и передаёт кручение от него к распределительному валу так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями. Распределительный вал всегда крутится в один-два раза медленнее коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два для приёма топлива внутрь и два для вытяжки отработавшей смеси).

Как работает система зажигания?

Система зажигания производит заряд высокого напряжения и передаёт его к свечам зажигания с помощью проводов зажигания. Заряд сначала проходит к катушке зажигания (эдакому дистрибьютору, который распределяет подачу искры по цилиндрам в определённое время), которую Вы можете легко найти под капотом большинства автомобилей. Катушка зажигания имеет один провод, идущий в центре и четыре, шесть, восемь проводов или больше в зависимости от количества цилиндров, которые выходят из него. Эти провода зажигания отправляют заряд к каждой свече зажигания. Двигатель получает такую искру по времени таким образом, что только один цилиндр получает искру от распределителя в один момент времени. Такой подход обеспечивает максимальную гладкость работы двигателя.

Как работает охлаждение?

Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует через проходы (каналы) вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, чтобы тот её максимально охладил. Однако, существуют такие модели автомобилей (в первую очередь Volkswagen Beetle (Жук)), а также большинство мотоциклов и газонокосилок, которые имеют двигатель с воздушным охлаждением. Вы вероятно, видел такие двигатели с воздушным охлаждением, сбоку которых расположены эдакие плавники — ребристая поверхность, украшающие снаружи каждый цилиндр, чтобы помочь рассеять тепло.

Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но горячее, и как правило, уменьшается срок службы двигателя и общая производительность. Так что теперь Вы знаете, как и почему Ваш двигатель остаётся не перегретым.

Как работает пусковая система?

Повышение производительности Вашего двигателя является большим делом, но важнее то, что именно происходит, когда Вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его! Пусковая система состоит из стартера с электродвигателем. Когда Вы поворачиваете ключ зажигания, стартер крутит двигатель на несколько оборотов, чтобы процесс горения начал свою работу, и остановить его смог только поворот ключа в обратную сторону, когда перестаёт подаваться искра в цилиндры, и двигатель, таким образом, глохнет.

Стартер же имеет мощный электродвигатель, который вращает холодный двигатель внутреннего сгорания. Стартер — это всегда довольно мощный и, следовательно, «кушающий» ресурсы аккумулятора двигатель, ведь должен преодолеть:

Всё внутреннее трение, вызванное поршневыми кольцами и усугубляющееся холодным непрогретым маслом.
Давление сжатия любого цилиндра (цилиндров), которое происходит в процессе такта сжатия.
Сопротивление, оказываемое открытием и закрытием клапанов распределительным валом.
Все иные процессы, непосредственно связанные с двигателем, в том числе сопротивление водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.

Мы видим, что стартеру необходимо очень много энергии. Автомобиль чаще всего использует 12-вольтовую электрическую систему, и сотни ампер электричества должны поступать в стартер.

Как работает впрыск и смазочная система?

Когда дело доходит ежедневного обслуживания автомобиля, Ваша первая забота, вероятно, состоит в проверке количества бензина в Вашем автомобиле. А как бензин попадает из топливного бака в цилиндры? Топливная система двигателя высасывает бензин из бака с помощью топливного насоса, который находится в баке, и смешивает его с воздухом так, чтобы надлежащая смесь воздуха и топлива могла протекать в цилиндры. Топливо поставляется в одном из трёх распространённых способов: карбюратор, впрыск топлива и система непосредственного впрыска топлива.

Карбюраторы на сегодняшний день сильно устарели, и их не помещают в новые модели автомобилей. В инжекторном двигателе нужное количество топлива впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо прямо в впускной клапан (впрыск топлива) или непосредственно в цилиндр (непосредственный впрыск топлива).

Масло также играет важную роль. Идеально и правильно смазанная система гарантирует, что каждая подвижная часть в двигателе получает масло так, что она может легко перемещаться. Две главные части, нуждающиеся в масле — это поршень (а, точнее, его кольца) и любые подшипники, которые позволяют таким элементам, как коленчатый и другие валы, свободно вращаться. В большинстве автомобилей масло всасывается из масляного поддона масляным насосом, проходит через масляный фильтр для удаления частиц грязи, а затем брызгается под высоким давлением на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает в отстойник, где снова собирается, и цикл повторяется.

Система выпуска отработавших газов

Теперь, когда мы знаем о ряде вещей, которые мы положили (налили) в свой автомобиль, давайте посмотрим на другие вещи, которые выходят из него. Система выпуска включает в себя выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя Вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов из своей выхлопной трубы. Глушитель гасит звук. Выхлопная система также включает в себя каталитический нейтрализатор, который использует катализатор и кислород, чтобы сжечь всё неиспользованное топливо и некоторые другие химические веществ в выхлопных газах. Таким образом, Ваш автомобиль соответствует определённым евростандартам по уровню загрязнения воздуха.

Что ещё есть, кроме всего вышеперечисленного в автомобиле? Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора. Генератор подключен к двигателю ремнём и вырабатывает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Аккумулятор выдаёт 12-вольтовый заряд электрической энергии, доступной ко всему в машине, нуждающемуся в электроэнергии (системе зажигания, магнитоле, фарам, стеклоочистителям, электрическим стеклоподъемникам, приводу сидений, бортовому компьютеру и ещё множеству устройств) посредством проводки автомобиля.

Теперь можно сказать, что Вы знаете всё об основах главных подсистем двигателей!

Как работает двигатель? Видео

ДвигательВопросы начинающихРабота двигателя

Ведь друзья тоже любят интересные статьи!

Как работает двигатель автомобиля

Не задумывались ли вы как-нибудь что происходит под капотом автомобиля? Для не разбирающихся в механике двигатель может выглядеть как загадочная мешанина из металлических частей, труб, проводов и еще непонятно чего. Но как все это работает?

Задача двигателя преобразовать энергию топлива в энергию движения. Самый простой способ сегодня - это сжечь топливо внутри двигателя. А двигатели называются двигателями внутреннего сгорания.

Пару вещей, которые хотелось бы отметить:

Существуют разные виды двигателей внутреннего сгорания. Бензиновые, дизельные, газо-турбинные и другие. В этой статье мы остановимся на бензиновых, как самых простых.
Существуют и двигатели внешнего сгорания, например, паровые двигатели в старомодных паровозах или пароходах. Топливо (уголь, древесина, нефть) сжигается снаружи двигателя и нагревает воду для образования пара, который уже создает движение в двигателе. Причина, почему мы не рассматриваем в данной статье двигатели внешнего сгорания в том, что они намного менее эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. И намного более громоздки.

Ну а теперь сосредоточимся на двигателях внутреннего сгорания.

Внутреннее сгорание

Все двигатели внутреннего сгорания используют следующий принцип: если вы поместите немножко топлива с большой энергией сгорания в небольшую закрытую камеру и подожжете его, то энергия топлива высвободится наружу в виде расширяющегося газа. Такой энергии (от взрыва топлива в одном цилиндре) было бы достаточно, чтобы выстрелить картофелиной на 150 метров из картофельной пушки. Но эту энергию лучше использовать для других, более интересных целей. Например, если создать некий замкнутый цикл, который позволит производить сотни похожих взрывов в минуту, и если удастся обуздать энергию этих взрывов, то… то мы получим двигатель автомобиля.

Почти все современные автомобили используют так называемый четырехтактный цикл по превращению топлива в движение. Цикл известен под названием цикла Отто, в честь немецкого инженера Николауса Отто, который построил первый практически используемый двигатель внутреннего сгорания. Четыре шага этого цикла (или такта) отображены на иллюстрации. Это:

Впуск
Сжатие
Сгорание топлива (рабочий ход)
Выпуск

Продолжая аналогию с картофельной пушкой, мы можем заметить, что в двигателе все немного сложнее: цилиндр заменяет картофельную пушку, поршень — картофелину. Поршни посредством шатунов толкают коленчатый вал. Коленвал, вращаясь, приводит к эффекту «перезаряда» пушки. Вот как это происходит (в соответствии с нашим циклом):

Цикл начинается с верхнего положения поршня. Открывается впускной клапан, и поршень двигается вниз, позволяя двигателю набрать полный цилиндр смеси из воздуха и топлива. Это такт впуска.
Начинается обратный ход поршня, при котором сжимается топливная смесь. Такое сжатие позволяет сделать «взрывы» топлива в цилиндре более мощными и эффективными.
После того, как окончится сжатие и поршень достигнет верхнего положения, свеча с помощью разряда поджигает топливную смесь. Смесь вспыхивает, и энергия взрыва толкает поршень вниз. Этот такт работы двигателя называется рабочим ходом, потому, как только в этом такте совершается работа.
Открывается выпускной клапан и выхлопные газы выталкиваются поршнем из цилиндра в выхлопную систему.

После завершения 4 такта мы оказываемся ровно в том же состоянии, что и перед началом первого такта, и мы можем повторять весь цикл и дальше.

Заметим также, что в отличии от картофельной пушки, где энергия превращается в поступательное движение, в двигателе внутреннего сгорания энергия трансформируется во вращательное движение. Это, в принципе, неплохо, так как мы в дальнейшем планируем вращать колеса.

А теперь давайте рассмотрим из каких частей состоит двигатель.

Основные части двигателя

Основа двигателя — это цилиндр и поршень, двигающийся в цилиндре вверх и вниз. На иллюстрации выше был показано мотор, состоящий из одного цилиндра. Такие моторы чаще всего используются для газонокосилок и другой мото-техники. Большинство автомобилей использует двигатель с несколькими цилиндрами (4, 6 и 8 — самые распространенные комбинации). Цилиндры могут располагаться в двигателе тремя способами: рядным, V-образным, или оппозитным, и по расположению цилиндров двигатель называют рядным, V-образным или оппозитным (вообще-то способов больше, но эти три основные). Примеры такого расположения можно посмотреть на иллюстрациях.

Каждое расположение цилиндров имеет свои преимущества и недостатки, такие как плавность работы, стоимость изготовления, размеры и расположение в подкапотном пространстве.

Что касается поршней, то их основная задача — это передавать энергию расширения газа при горении на коленчатый вал, создавать вакуум в цилиндре для всасывания воздушно-топливной смеси на такте впуска, выталкивать выхлопные газы на такте выпуска, а также сжимать топливную смесь на такте сжатия. Все эти задачи накладывают на поршни очень высокие требования: они должны быть легкими, малоизнашивающимися, прочными, терпимыми к высоким температурам, должны хорошо проводить тепло, иметь высокую коррозионную стойкость и антифрикционные свойства.

Помимо цилиндров и поршней есть и другие детали:

Свечи зажигания

Свечи зажигания — по одной на каждый цилиндр. В нужный момент с помощью электрического разряда свеча производит искру, с помощью которой поджигается топливная смесь. В старых двигателях момент зажигания определялся «коммутатором» в зависимости от положения распределительного вала (например, с помощью контактного кулачка или с помощью магнитного датчика). В современных двигателях этот момент определяется электронным блоком управления двигателем, на основании информации от датчиков (детонации, датчика положения распределительного вала, лямбда-зонда и других).

Клапаны

Клапаны впуска и выпуска открываются в нужный момент чтобы впустить топливную смесь в цилиндр или, наоборот, выпустить выхлопные газы. Чтобы двигатель работал исправно, клапаны должны быть герметично закрыты во время тактов сжатия и воспламенения. На каждый цилиндр необходимо как минимум два клапана (один на впуск, другой на выпуск), но для увеличения мощности на современные двигатели ставят и по 3, и по 4 и даже по 5 клапанов (как, например, в Audi A8 с 2003 года) на цилиндр. Увеличение числа клапанов увеличивает скорость, с которой могут происходить такты впуска и выпуска, а значит увеличивает максимальное число оборотов двигателя и его мощность. К сожалению, это не панацея, и конструкции с 6 клапанами на цилиндр встречаются сейчас только в автоспорте из-за сложности и громоздкости конструкции.

Поршневые кольца

Поршневые кольца — незамкнутые кольца, которые с небольшим зазором (до нескольких сотых долей миллиметра) посажены в канавках на внешних поверхностях поршней. Кольца служат двум целям: уплотнение камеры сгорания, препятствуя проникновению газов в промежуток между цилиндром и поршнем и уменьшение расхода масла, препятствуя проникновению масла в камеру сгорания, где оно сгорело бы и вышло с выхлопными газами. На каждом поршне размещается несколько поршневых колец.

Большинство машин, которые «жрут масло» и требуют постоянного долива по 500 мл и больше на каждую 1000 километров скорее всего имеют изношенные поршневые кольца, которые не обеспечивают тщательного удаления масла из камеры сгорания.

Коленчатый вал и шатуны

Коленчатый вал и шатуны. На коленчатый вал с помощью шатунов (по одному шатуну на каждый цилиндр) передается энергия расширяющихся газов от двигателя, превращаясь из поступательной во вращательную. Вал имеет сложную форму, с коленцами и шейками для крепления шатунов. Именно на коленчатый вал приходятся все лошадиные силы вашего мотора, поэтому он должен быть необычайно прочным.

Картер

Картер — основная корпусная часть мотора, изолированное внутреннее пространство картера образует самую большую полость в двигателе, содержащую коленчатый вал. Верхняя часть картера содержит блок цилиндров. Картер предназначен для опоры деталей двигателя, их защиты от пыли и грязи, а также размещения запаса смазочного масла. Масло с помощью насоса распределяется по двигателю, смазывая все детали, и самотеком, обратно возвращается в поддон картера. Вращаясь на больших оборотах в картере, коленвал (а он даже на холостом ходу совершает до 1000 оборотов в минуту), образует взвесь масла в воздухе, что обеспечивает дополнительную смазку для всех деталей.

Газораспределительная система

Распределительный вал (вместе с газораспределительным механизм) обеспечивает слаженную работу всех клапанов. Распределительный и коленчатый вал связаны с помощью специального ремня (Ремень ГРМ) или цепи, которая вращает распределительный вал с половинной угловой скоростью коленчатого. Распределительный вал имеет кулачки особой формы, которые один раз за оборот надавливают на клапан, заставляя его открыться (а обратное закрытие происходит с помощью пружины).

Карбюратор

Карбюратор готовит топливно-воздушную смесь. При впуске давление в цилиндрах двигателя понижается. Наружный воздух засасывается в цилиндр, проходя через смесительную камеру карбюратора, в которой находится диффузор, позволяющий распылять топливо в зависимости от количества поступающего воздуха. В современных автомобилях карбюратор заменен на специальную систему впрыска (инжектор), которая управляется специальным электронным блоком управления (ЭБУ). ЭБУ на основании информации от датчиков дает команду форсункам подать ровно отмеренное количество топлива в нужный момент, а форсунки, соответственно, распыляют это топливо в воздух, поступающий в цилиндры.

Другие системы

В данной статье мы умышленно оставили за кадром другие вспомогательные системы, такие как системы охлаждения, смазки, выхлопа, электрические системы. Все это — тема для отдельной статьи.

Как работает бензиновый двигатель внутреннего сгорания

На наших дорогах чаще всего можно встретить автомобили, потребляющие бензин и дизельной топливо. Время электрокаров пока не настало. Поэтому рассмотрим принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Отличительной чертой его является превращение энергии взрыва в механическую энергию.

При работе с бензиновыми силовыми установками различают несколько способов формирования топливной смеси. В одном случае это происходит в карбюраторе, а потом это все подается в цилиндры двигателя. В другом случае бензин через специальные форсунки (инжекторы) впрыскивается непосредственно в коллектор или камеру сгорания.

Работа двигателя внутреннего сгорания

Для полного понимания работы ДВС необходимо знать, что существует несколько типов современных моторов, доказавших свою эффективность в работе:

бензиновые моторы;
двигатели, потребляющие дизельное топливо;
газовые установки;
газодизельные устройства;
роторные варианты.

Принцип работы ДВС этих типов практически одинаковый.

Такты ДВС

В каждом есть топливо, которое взрываясь в камере сгорания, расширяется и толкает поршень, установленный на коленчатом валу. Далее это вращение посредством дополнительных механизмов и узлов передается на колеса автомобиля.

В качестве примера будем рассматривать бензиновый четырехтактный мотор, так как именно он является самым распространенным вариантом силовой установки в машинах на наших дорогах.

Такты:

открывается впускное отверстие и происходит заполнение камеры сгорания подготовленной топливной смесью
происходит герметизация камеры и уменьшение ее объема в такте сжатия
взрывается смесь и выталкивает поршень, который получает импульс механической энергии
камера сгорания освобождается от продуктов горения

В каждом из этих этапов работы ДВС заложена своя происходит несколько одновременных процессов. В первом случае поршень находится в самой нижней своей позиции, при этом открыты все клапаны, впускающие топливо. Следующий этап начинается с полного закрытия всех отверстий и перемещения поршня в максимальную верхнюю позицию. При этом все сжимается.

Читайте также: Почему двигатель не развивает обороты: возможные причины

Достигнув снова крайней верхней позиции поршня, на свечу поступает напряжение, и она создает искру, зажигая смесь для взрыва. Сила этого взрыва толкает поршень вниз, а в это время открываются выпускные отверстия и камера очищается от остатков газа. Затем все повторяется.

Работа карбюратора

Формирование топливной смеси в машинах первой половины прошлого века происходило с помощью карбюратора. Чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, нужно знать, что автомобильные инженеры сконструировали топливную систему так, что в камеру сгорания подавалась уже подготовленная смесь.

Устройство карбюратора

Ее формированием занимался карбюратор. Он в нужных соотношениях перемешивал бензин и воздух и отправлял это все в цилиндры. Такая относительная простота конструкции системы позволяла ему долгое время оставаться незаменимой частью бензиновых агрегатов. Но позже его недостатки стали преобладать над достоинствами и не обеспечивать повышающихся требований к автомобилям в целом.

Недостатки карбюраторных систем:

нет возможности обеспечивать экономные режимы при внезапных переменах режимов езды;
превышение лимитов вредных веществ в выхлопных газах;
низкая мощность автомобилей из-за несоответствия подготовленной смеси состоянию автомобиля.

Компенсировать эти недостатки попытались прямой подачей бензина через инжекторы.

Работа инжекторных моторов

Принцип работы инжекторного двигателя заключается в непосредственном впрыске бензина во впускной коллектор или камеру сгорания. Визуально все схоже с работой дизельной установки, когда подача выполняется дозировано и только в цилиндр. Разница лишь в том, что у инжекторных агрегатов установлены свечи для поджигания.

Конструкция инжектора

Этапы работы бензиновых моторов с прямым впрыском не отличаются от карбюраторного варианта. Разница лишь в месте формирования смеси.

За счет этого варианта конструкции обеспечиваются достоинства таких двигателей:

увеличение мощности до 10% при схожих технических характеристиках с карбюраторным;
заметная экономия бензина;
улучшение экологических характеристик по выбросам.

Читайте также: Как устранить свист ремня генератора?

Но при таких достоинствах есть и недостатки. Основными являются обслуживание, ремонтопригодность и настройка. В отличие от карбюраторов, которые можно самостоятельно разобрать, собрать и отрегулировать, инжекторы требуют специального дорогостоящего оборудования и установленного большого числа разных датчиков в автомобиле.

Способы впрыска топлива

В ходе эволюции подачи топлива в двигатель происходило постоянное сближение этого процесса с камерой сгорания. В наиболее современных ДВС произошло слияние точки подачи бензина и места сгорания. Теперь смесь формируется уже не в карбюраторе или впускном коллекторе, а впрыскивается в камеру напрямую. Рассмотрим все варианты инжекторных устройств.

Одноточечный вариант впрыска

Наиболее простой вариант конструкции выглядит как впрыск топлива через одну форсунку во впускной коллектор. Разница с карбюратором в том, что последний подает готовую смесь. В инжекторном варианте проходит подача топлива через форсунку. Выгода заключается в получении экономии при расходе.

Моноточечный вариант подачи топлива

Такой способ также формирует смесь вне камеры, но здесь задействованы датчики, которые обеспечивают подачу непосредственно к каждому цилиндру через впускной коллектор. Это более экономичный вариант использования топлива.

Прямой впрыск в камеру

Этот вариант пока наиболее эффективно использует возможности инжекторной конструкции. Топливо напрямую распыляется в камере. За счет этого снижается уровень вредных выхлопов, и автомобиль получает кроме большей экономии бензина увеличенную мощность.

Увеличенная степень надежности системы снижает негативный фактор, касающийся обслуживания. Но такие устройства нуждаются в качественном топливе.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. ДВС: устройство, работа, КПД :

В подавляющем большинстве автомобилей используются в качестве топлива для двигателей производные нефти. При сгорании этих веществ выделяются газы. В замкнутом пространстве они создают давление. Сложный механизм воспринимает эти нагрузки и трансформирует их сначала в поступательное движение, а затем - во вращательное. На этом основан принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Далее вращение уже передается на ведущие колеса.

Поршневой двигатель

В чем преимущество такого механизма? Что дал новый принцип работы двигателя внутреннего сгорания? В настоящее время им оборудуются не только автомобили, но и сельскохозяйственный и погрузочный транспорт, локомотивы поездов, мотоциклы, мопеды, скутера. Двигатели такого типа устанавливаются на военной технике: танках, бронетранспортерах, вертолетах, катерах. Еще можно вспомнить о бензопилах, косилках, мотопомпах, генераторных подстанциях и другом мобильном оборудовании, в котором используется для работы дизельное топливо, бензин или газовая смесь.

До изобретения принципа внутреннего сгорания топливо, чаще твердое (уголь, дрова), сжигалось в отдельной камере. Для этого применялся котел, который грел воду. В качестве первоисточника движущей силы использовался пар. Такие механизмы были массивными и габаритными. Ими оборудовались локомотивы паровозов и теплоходы. Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало возможность в разы уменьшить габариты механизмов.

Система

При работе двигателя постоянно происходит ряд цикличных процессов. Они должны быть стабильными и проходить за строго определенный промежуток времени. Это условие обеспечивает бесперебойную работу всех систем.

У дизельных двигателей топливо предварительно не подготавливается. Система подачи топлива доставляет его из бака, и оно подается под высоким давлением в цилиндры. Бензин же по пути предварительно смешивается с воздухом.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания таков, что система зажигания воспламеняет эту смесь, а кривошипно-шатунный механизм принимает, трансформирует и передает энергию газов на трансмиссию. Газораспределительная система выпускает из цилиндров продукты горения и выводит их за пределы транспортного средства. Попутно снижается звук выхлопа.

Система смазки обеспечивает возможность вращения подвижных узлов. Тем не менее трущиеся поверхности нагреваются. Система охлаждения следит за тем, чтобы температура не выходила за пределы допустимых значений. Хотя все процессы происходят в автоматическом режиме, за ними все же необходимо наблюдать. Это обеспечивает система управления. Она передает данные на пульт в кабину водителя.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Достаточно сложный механизм должен иметь корпус. В нем монтируются основные узлы и агрегаты. Дополнительное оборудование для систем, обеспечивающих нормальную его работу, размещается поблизости и монтируется на съемных креплениях.

В блоке цилиндров располагается кривошипно-шатунный механизм. Основная нагрузка от сгоревших газов топлива передается на поршень. Он шатуном соединен с коленчатым валом, который преобразует поступательное движение во вращательное.

Также в блоке размещается цилиндр. По его внутренней плоскости перемещается поршень. На нем прорезаны канавки, в которых помещаются уплотнительные кольца. Это необходимо для минимизации зазора между плоскостями и создания компрессии.

Сверху к корпусу крепится головка блока цилиндров. В ней монтируется газораспределительный механизм. Он состоит из вала с эксцентриками, коромысел и клапанов. Их поочередное открытие и закрытие обеспечивают впуск топлива внутрь цилиндра и выпуск затем отработанных продуктов горения.

К низу корпуса монтируется поддон блока цилиндров. Туда стекает масло после того, как оно смажет трущиеся соединения деталей узлов и механизмов. Внутри двигателя еще расположены каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

Принцип работы ДВС

Суть процесса заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. Это происходит при сжигании топлива в замкнутом пространстве цилиндра двигателя. Выделяющиеся при этом газы расширяются, и внутри рабочего пространства создается избыточное давление. Его воспринимает поршень. Он может двигаться вверх-вниз. Поршень посредством шатуна соединен с коленчатым валом. По сути это главные детали кривошипно-шатунного механизма – основного узла, отвечающего за преобразование химической энергии топлива во вращательное движение вала.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на поочередной смене циклов. При поступательном движении поршня вниз совершается работа – на определенный угол проворачивается коленчатый вал. На одном его конце закреплен массивный маховик. Получив ускорение, он по инерции продолжает движение, и это еще проворачивает коленчатый вал. Теперь шатун толкает поршень вверх. Он занимает рабочее положение и снова готов принять на себя энергию воспламененного топлива.

Особенности

Принцип работы ДВС легковых автомобилей чаще всего основан на преобразовании энергии сгораемого бензина. Грузовики, трактора и специальная техника оборудуются в основном дизельными двигателями. Еще в качестве топлива может использоваться сжиженный газ. Дизельные двигатели не имеют системы зажигания. Воспламенение топлива происходит от создаваемого давления в рабочей камере цилиндра.

Рабочий цикл может осуществляться за один или два оборота коленчатого вала. В первом случае происходит четыре такта: впуск топлива и его воспламенение, рабочий ход, сжатие, выпуск отработанных газов. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания полный цикл осуществляет за один оборот коленчатого вала. При этом за один такт происходит впуск топлива и его сжатие, а на втором – воспламенение, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Роль газораспределительного механизма в двигателях такого типа играет поршень. Двигаясь вверх-вниз, он поочередно открывает окна впуска топлива и выпуска отработанных газов.

Кроме поршневых ДВС существуют еще турбинные, реактивные и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Преобразование в них энергии топлива в поступательное движение транспортного средства осуществляется по другим принципам. Устройство двигателя и вспомогательных систем также существенно отличается.

Потери

Несмотря на то что ДВС отличается надежностью и стабильностью работы, его эффективность недостаточно высока, как это может показаться на первый взгляд. В математическом измерении КПД двигателя внутреннего сгорания составляет в среднем 30-45 %. Это говорит о том, что большая часть энергии сгораемого топлива расходуется вхолостую.

КПД лучших бензиновых двигателей может составлять лишь 30 %. И только массивные экономные дизели, у которых много дополнительных механизмов и систем, могут эффективно преобразовать до 45 % энергии топлива в пересчете на мощность и полезную работу.

Устройство двигателя внутреннего сгорания не может исключить потери. Часть топлива не успевает сгорать и уходит с отработанными газами. Другая статья потерь – это расход энергии на преодоление различного рода сопротивлений при трении сопряженных поверхностей деталей узлов и механизмов. И еще какая-то часть ее тратится на приведение в действие систем двигателя, обеспечивающих его нормальную и бесперебойную работу.

Смотрите также

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости

Отзывы о Питер-АТ

Спасибо нашим клиентам за отзывы о нас:
repmy.ru
Отзывы на Яндексе
Акция на ремонт вариаторных трансмиссий
Замена масла в двигателе в подарок

При замене масла в АКПП замена масла в двигателе бесплатно!
Клиенту на заметку

Как не попасть на некачественный ремонт АКПП.
Контрактные АКПП в СПб