Что такое двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Все двигатели преобразуют какую-нибудь энергию в работу. Двигатели бывают разные – электрические, гидравлические, тепловые и т.д., в зависимости от того, какой вид энергии они преобразуют в работу. ДВС - двигатель внутреннего сгорания, это тепловой двигатель, в котором в полезную работу преобразуется теплота сгорающего в рабочей камере топлива, внутри двигателя. Также существуют двигателя с внешним сгоранием - это реактивные двигатели самолётов, ракет и т.д. в этих двигателях сгорание внешнее, поэтому они называются двигателями с внешним сгоранием.

Но простой обыватель чаще сталкивается с двигателем автомобиля и понимают под двигателем именно поршневой двигатель внутреннего сгорания. В поршневом ДВС, сила давления газов, возникающая при сгорании топлива в рабочей камере, воздействует на поршень, который совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре двигателя и передаёт усилие на кривошипно-шатунный механизм, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Но это очень упрощенный взгляд на ДВС. На самом деле, в ДВС сосредоточены сложнейшие физические явления, пониманию которых посвятили себя многие выдающиеся ученые. Чтобы ДВС работал, в его цилиндрах, сменяя друг друга, происходят такие процессы, как подача воздуха, впрыск и распыление топлива, его смешивание с воздухом, воспламенение образовавшейся смеси, распространение пламени, удаление отработавших газов. На каждый процесс отводится несколько тысячных долей секунды. Добавьте к этому процессы, которые протекают в системах ДВС: теплообмен, течение газов и жидкостей, трение и износ, химические процессы нейтрализации отработавших газов, механические и тепловые нагрузки. Это далеко не полный перечень. И каждый из процессов должен быть организован наилучшим образом. Ведь из качества протекающих в ДВС процессов складывается качество двигателя в целом – его мощность, экономичность, шумность, токсичность, надежность, стоимость, вес и размеры.

Читайте также

Двигателя внутреннего сгорания бывают разные: , бензиновые, со смешенным питанием, и т.д. и это далеко не полный список! Как видите, вариантов двигателей внутреннего сгорания очень много, но если стоит затронуть классификацию ДВС, то для подробного рассмотрения всего объёма материала понадобится минимум 20-30 страниц - большой объём, не так ли? И это только классификация...

Принципиальный ДВС автомобиля НИВА

Ни одна область деятельности несравнима с поршневыми ДВС по масштабам, количеству людей занятых в разработке, производстве и эксплуатации. В развитых странах деятельность четверти самодеятельного населения прямо или косвенно связана с поршневым двигателестроением. Двигателестроение, как исключительно наукоемкая область, определяет и стимулирует развитие науки и образования. Общая мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания составляет 80 – 85% мощности всех энергоустановок мировой энергетики. На автомобильном, железнодорожном, водном транспорте, в сельском хозяйстве, строительстве, средствах малой механизации, ряде других областей, поршневой ДВС как источник энергии пока не имеет должной альтернативы. Мировое производство только автомобильных двигателей непрерывно увеличивается, превысив 60 миллионов единиц в год. Количество производимых в мире малоразмерных двигателей также превышает десятки миллионов в год. Даже в авиации поршневые двигатели доминируют по суммарной мощности, количеству моделей и модификаций и количеству установленных на самолеты двигателей. В мире эксплуатируется несколько сотен тысяч самолетов с поршневыми ДВС (бизнес-класса, спортивных, беспилотных и т.д.). В США на долю поршневых двигателей приходится около 70% мощности всех двигателей, установленных на гражданских летательных аппаратах.

Но со временем всё меняется и скоро мы увидим и будем эксплуатировать принципиально другие типы двигателей, которые будет иметь высокие эксплуатационные показатели, высокий КПД, простота конструкции и главное - экологичность. Да, всё верно, главным минусом двигателя внутреннего сгорания является его экологическая характеристика. Как бы не оттачивали работу ДВС, какие бы системы не внедряли, он всё равно оказывается существенное влияние на наше здоровье. Да, теперь можно с уверенностью сказать, что существующая технология моторостроения чувствует "потолок" - это такое состояние, когда та, или иная технология полностью исчерпала свои возможность, полностью выжато, всё что можно было сделать - уже сделано и с точки зрения экологии принципиально НИЧЕГО уже не изменить в существующих типах ДВС. Стоит вопрос: нужно полностью менять принцип работы двигателя, его энергоноситель (нефтяные продукты) на что-то новое, принципиально иное (). Но, к сожалению, это дело не одного дня или даже года, нужны десятилетия...

Пока ещё не одно поколение ученых и конструкторов будут исследовать и совершенствовать старую технологию постепенно подходя всё ближе и ближе к стенке, через которую уже будет невозможно перескочить (физически это не возможно). Еще очень долго ДВС будет давать работу тем, кто его производит, эксплуатирует, обслуживает и продает. Почему? Всё очень просто, но в то же время эту простую истину далеко не все понимают и принимают. Главная причина замедления внедрения принципиально иных технологий - капитализм. Да, как бы это странно не звучало, но именно капитализм, та система, которая как кажется должна быть заинтересована в новых технологиях, тормозит развитие человечества! Всё очень просто - нужно зарабатывать. Как же быть с теми нефтяными вышками, нефтезаводами и доходами?

ДВС «хоронили» неоднократно. В разное время на смену ему приходили электродвигатели на аккумуляторах, топливные элементы на водороде и многое другое. ДВС неизменно побеждал в конкурентной борьбе. И даже проблема исчерпания запасов нефти и газа - это не проблема ДВС. Существует неограниченный источник топлива для ДВС. По последним данным, нефть может восстанавливаться, а что это значит для нас?

Характеристики ДВС

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рисунок слева), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике. Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике выше показаны более оптимальные характеристики двигателя.

На современных тракторах и автомобилях в основном применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания. Внутри этих двигателей сгорает горючая смесь (смесь топлива с воздухом в определенных соотношениях и количествах). Часть выделяющейся при этом теплоты преобразуется в механическую работу.

Классификация двигателей

Поршневые двигатели классифицируют по следующим признакам:

• по способу воспламенения горючей смеси — от сжатия (дизели) и от электрической искры
• по способу смесеобразования — с внешним (карбюраторные и газовые) и внутренним (дизели) смесеобразованием
• по способу осуществления рабочего цикла — четырех- и двухтактные;
• по виду применяемого топлива — работающие на жидком (бензин или дизельное топливо), газообразном (сжатый или сжиженный газ) топливе и мно­готопливные
• по числу цилиндров — одно- и многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шестицилиндровые и т.д.)
• по расположению цилиндров — однорядные, или линейные (цилиндры расположены в один ряд), и двухрядные, или V-образные (один ряд цилиндров размещен под углом к другому)

На тракторах и автомобилях большой грузоподъемности применяют четырехтактные многоцилиндровые дизели, на автомобилях легковых, малой и средней грузоподъемности — четырехтактные многоцилиндровые карбюра­торные и дизельные двигатели, а также двигатели, работающие на сжатом и сжиженном газе.

Основные механизмы и системы двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из:

• корпусных деталей
• кривошипно-шатунного механизма
• газораспределительного механизма
• системы питания
• системы охлаждения
• смазочной системы
• системы зажигания и пуска
• регулятора частоты вращения

Устройство четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя показано на рисунке:

Рисунок. Устройство одноцилиндрового четырехтактного карбюра­торного двигателя:
1 — шестерни приводи распределительного вала; 2 — распределительный вал; 3 — толкатель; 4 — пружина; 5 — выпускная труба; 6 — впускная труба; 7 — карбюратор; 8 — выпускной кла­пан; 9 — провод к свече; 10 — искровая зажигательная свеча; 11 — впускной клапан; 12 — го­ловка цилиндра; 13 — цилиндр: 14 — водяная рубашка; 15 — поршень; 16 — поршневой палец; 17 — шатун; 18 — маховик; 19 — коленчатый вал; 20 — резервуар для масла (поддон картера).

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение ко­ленчатого вала и наоборот.

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

Система питания служит для приготовления горючей смеси и подвода ее к цилиндру (в карбюраторном и газовом двигателях) или наполнения ци­линдра воздухом и подачи в него топлива под высоким давлением (в дизеле). Кроме того, эта система отводит наружу выхлопные газы.

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

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

Система зажигания служит для своевременного зажигания рабочей смеси электрической искрой в цилиндрах карбюраторного и газового двига­телей.

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

Регулятор частоты вращения — это автоматически действующий меха­низм, предназначенный для изменения подачи топлива или горючей смеси в зависимости от нагрузки двигателя.

У дизеля в отличие от карбюраторного и газового двигателей нет сис­темы зажигания и в системе питания вместо карбюратора или смесителя ус­тановлена топливная аппаратура (топливный насос высокого давления, топ­ливопроводы высокого давления и форсунки).

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный. Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков , к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают бензиновые и дизельные двигатели . Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Работа двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы ДВС основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

Прежде, чем рассматривать вопрос, как работает двигатель автомобиля , необходимо хотя бы в общих чертах разбираться в его устройстве. В любом автомобиле установлен двигатель внутреннего сгорания, работа которого основана на преобразовании тепловой энергии в механическую. Заглянем глубже в этот механизм.

Как устроен двигатель автомобиля – изучаем схему устройства

Классическое устройство двигателя включает в себя цилиндр и картер, закрытый в нижней части поддоном. Внутри цилиндра находится с различными кольцами, который перемещается в определенной последовательности. Он имеет форму стакана, в его верхней части располагается днище. Чтобы окончательно понять, как устроен двигатель автомобиля, необходимо знать, что поршень с помощью поршневого пальца и шатуна связывается с коленчатым валом.

Для плавного и мягкого вращения используются коренные и шатунные вкладыши, играющие роль подшипников. В состав коленчатого вала входят щеки, а также коренные и шатунные шейки. Все эти детали, собранные вместе, называются кривошипно-шатунным механизмом, который преобразует возвратно-поступательное перемещение поршня в круговое вращение .

Верхняя часть цилиндра закрывается головкой, где расположены впускной и выпускной клапаны. Они открываются и закрываются в соответствии с перемещением поршня и движением коленчатого вала. Чтобы точно представить, как работает двигатель автомобиля, видео в нашей библиотеке следует изучить также подробно, как и статью. А пока мы попытаемся выразить его действие на словах.

Как работает двигатель автомобиля – кратко о сложных процессах

Итак, граница перемещения поршня имеет два крайних положения – верхнюю и нижнюю мертвые точки. В первом случае поршень находится на максимальном удалении от коленчатого вала, а второй вариант представляет собой наименьшее расстояние между поршнем и коленчатым валом. Для того чтобы обеспечить прохождение поршня через мертвые точки без остановок используется маховик, изготовленный в форме диска.

Важным параметром у двигателей внутреннего сгорания является степень сжатия, напрямую влияющая на его мощность и экономичность.

Чтобы правильно понять принцип работы двигателя автомобиля, необходимо знать, что в его основе лежит использование работы газов, расширенных в процессе нагревания, в результате чего и обеспечивается перемещение поршня между верхней и нижней мертвыми точками. При верхнем положении поршня происходит сгорание топлива, поступившего в цилиндр и смешанного с воздухом. В результате температура газов и их давление значительно возрастает.

Газы совершают полезную работу, благодаря которой поршень перемещается вниз. Далее через кривошипно-шатунный механизм действие передается на трансмиссию, а затем на автомобильные колеса. Отработанные продукты удаляются из цилиндра через систему выхлопа, а на их место поступает новая порция топлива. Весь процесс, от подачи топлива до вывода отработанных газов, называется рабочим циклом двигателя.

Принцип работы двигателя автомобиля – различия в моделях

Существует несколько основных видов двигателей внутреннего сгорания. Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Расположенные в один ряд, они составляют в целом определенный рабочий объем. Но постепенно некоторые производители отошли от такой технологии изготовления к более компактному варианту.

Много моделей используют конструкцию V-образного двигателя. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Во многих конструкциях количество цилиндров составляет от 6 до 12 и более. Это позволяет значительно сократить линейный размер двигателя и уменьшить его длину.

Таким образом, разнообразие двигателей позволяет успешно их использовать в автомобилях самого разного назначения. Это могут быть стандартные легковые и грузовые машины, а также спортивные авто и внедорожники. В зависимости от типа двигателя вытекают и определенные технические характеристики всей машины.

Двигатель внутреннего сгорания - это тепловой двигатель, в котором происходит преобразование части химической энергии сгорающего топлива в механическую энергию. Существенное разделение двигателей на категории это деление по рабочему циклу на 2-х и 4-х тактные; по способу приготовления горючей смеси - с внешним (в частности карбюраторные) и внутренним (например дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии ДВС делятся на поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные.

Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания - 0,4-0,5. Первый двс сконструирован Э. Ленуаром в 1860. Мы рассмотрим в данной статье наиболее часто применяемый в автомобилестроении четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Впервые четырехтактный двигатель был представлен Николаусом Отто в 1876 году и поэтому он также носит название двигателя с циклом Отто. Более грамотное название такого цикла - четырехтактный цикл. В настоящее время это наиболее распространенный вид двигателя для автомобилей.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Таким образом, цикл работы двигателя делится на следующие этапы:

• Такт впуска.
• Такт сжатия.
• Такт расширения, или рабочий ход.
• Такт выпуска.

Усилие от двигающегося поршня цилиндра через коленчатый вал преобразуется во вращательное движение вала двигателя. Часть энергии вращения расходуется на возвращения поршней в исходное состояние, для совершения нового цикла. Конструкция вала определяет различное положение поршней в разных цилиндрах в каждый конкретный момент времени. Таким образом чем больше в двигателе цилиндров, тем, в общем случае, равномернее вращение его вала.

По расположению цилиндров двигатели делятся на несколько типов:

а) Двигатели с вертикльным или наклонным расположением цилиндров в один ряд

Б) V-образные с взаимным расположением цилиндров под углом в форме латинской буквы V:

D) Двигатели с противолежащими цилиндрами. Он носит название "оппозитный", цилиндры в нем расположены под углом 180 градусов:

Механизм газораспределения двигателя на такте выпуска обеспечивает очистку цилиндров от продуктов сгорания (отработавших газов) и наполнение цилиндров новой порцией топливно-воздушной смеси на такте впуска.

Система зажигания производит высоковольтный разряд и передает его свече цилиндра через высоковольтный провод. Управление поджигом осуществляет трамблер, провода от которого подходят к каждой свече. Трамблер устроен таким образом, чтобы разряд возникал именно в том цилиндре, где поршень в данный момент проходит точку наибольшего сжатия топливной смеси. Если смесь воспламенится раньше, то давление газа сработает против его хода, если позже - мощность выделяемая расширением газов будет использована не полностью.

Для запуска двигателя, ему необходимо придать начальное движение. Для этого используется система старта (см. статью "как работает стартер") от электрического двигателя - стартера.

Преимущества бензиновых двигателей

• Более низкий уровень шума и вибраций по сравнению с дизелем;
• Большая мощность при равном объеме двигателя;
• Возможность работы на высоких оборотах, без серьезных последствий для двигателя.

Недостатки бензиновых двигателей

• Больший чем у дизеля расход топлива, и более высокие требования к его качеству;
• Необходимость наличия и постоянной работы системы зажигания топлива;
• Наибольшая мощность бензиновых ДВС достигается в узком диапазоне оборотов.