Принцип работы и устройство двигателя. Для чего нужен двигатель

Содержание

Поршень сжимает его во время движения вверх. Как только поршень достигает верхней мертвой точки (TDC), искра от свечи зажигания поджигает топливную смесь. Когда пары накаленного топлива мгновенно расширяются, плунжер быстро возвращается в нижнюю мертвую точку.

#читайдома: 8 нестыдных вопросов про то, как работает двигатель внутреннего сгорания

Конечно, тот факт, что большинство автомобилей на наших дорогах имеют под капотом двигатель внутреннего сгорания, является всеобщим секретом. Но что вообще означает фраза «двигатель внутреннего сгорания»? Как он сделан, зачем нужны клапаны, цилиндры и что такое распределительный вал? Мы ответим на восемь простых и утомительных вопросов об устройстве двигателя внутреннего сгорания.

Начните с некоторых типичных деталей. Двигатель внутреннего сгорания преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу. Слово «внутренний» означает, что сгорание происходит в камере сгорания (цилиндре) внутри двигателя. Как иначе, спросите вы? Легко: локомотивы, например, используют тепло от сгорания топлива для нагрева жидкости, которая затем преобразуется в пар перед началом работы. Такие двигатели называются «двигателями внешнего сгорания». В этом есть смысл, не так ли?

Как именно ДВС использует энергию топлива?

Она горит — вот почему ICE не любит экологов. Сгорание происходит в самом сердце двигателя. Он представляет собой полый цилиндр, объем которого изменяется при движении поршня внутри. Топливо (точнее, топливно-воздушная смесь) сгорает очень быстро и почти взрывается. В результате сгорания образуется много газа, который скапливается в цилиндре. Под действием давления поршень перемещается из положения, в котором объем цилиндра минимален («верхняя мертвая точка», называемая TDC), в положение максимального объема, достигаемого в «нижней мертвой точке». Центр» (BMT).

И чтобы продолжить этот процесс без перерыва, необходимо выполнить четыре последовательных шага в одном цикле. Так называемые «ходы»: 1) заполнение цилиндра смесью (впуск), 2) сжатие смеси, 3) отвод (сгорание) и 4) отвод расширенного газа. В течение четырехлетнего цикла плунжер дважды перемещается из точки TDC в точку NTMT и обратно.

Автомобильные двигатели обычно имеют более одного цилиндра. Обычно их бывает четыре, шесть или восемь в ряд или на противоположных сторонах. Конечно, вы также можете увидеть 10, 12 или 16, но это особые случаи. Количество цилиндров, их объем и степень сжатия (отношение максимального объема к минимальному) определяют такие характеристики двигателя, как выходная мощность, тяга и максимально возможная скорость.

Циклические импульсы непрерывно поступают в каждый цилиндр: в четырехцилиндровом двигателе один из поршней приводит в движение коленчатый вал каждые пол-оборота коленчатого вала, а остальные поршни в это время занимаются другими делами.

Но ведь поршень ходит вверх-вниз — как при этом ДВС вращает колёса?

Чтобы вращать поршни вперед (вверх и вниз), в двигатель встроен коленчатый вал. Поршни с помощью рычагов (называемых шатунами) заставляют вращаться вал (секцию) коленчатого вала. Он смещен относительно вала коленчатого вала так же, как человек толкает педали велосипеда, чтобы сделать передачу. Цепь, соединенная с ведущим колесом.

Огромный диск (маховик) вкручивается в коленчатый вал, чтобы поддерживать его плавное вращение. В некоторых двигателях специальный балансировочный вал также вращается вместе с коленчатым валом, чтобы уменьшить вибрации, которые неизбежно возникают при взрыве топлива в двигателе.

Другими словами, двигатель, по сути, предназначен для преобразования некоторой формы энергии в механическую энергию вращения вала, которая затем передается на колеса через систему механических связей для перемещения транспортного средства.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Схема двигателя.

Первые поршневые двигатели имели только один цилиндр небольшого диаметра. Позже, для увеличения мощности, сначала увеличили диаметр цилиндра, а затем и количество цилиндров. Постепенно двигатель внутреннего сгорания приобрел привычные очертания. В сердце современного автомобиля может быть до 12 цилиндров.

Самый простой двигатель — это рядный двигатель. Однако с увеличением числа цилиндров увеличивается и линеаризация двигателя. В результате появилось более компактное V-образное расположение. При таком расположении валики располагаются под углом друг к другу (в пределах 180 градусов). Обычно он используется для двигателей с шестью цилиндрами и более.

Одним из основных компонентов двигателя является цилиндр (6), который содержит поршень (7), соединенный с коленчатым валом (12) через шатун (9). Линейное движение поршня вверх-вниз по цилиндру преобразуется шатуном и коленчатым валом во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала установлен маховик (10), назначение которого — обеспечить равномерное вращение вала во время работы двигателя. Верхняя часть цилиндра плотно закрыта головкой цилиндра (CGB) с впускными клапанами (5) и выпускными клапанами (4), закрывающими соответствующие каналы.

Клапаны открываются от кулачка распределительного вала (14) с помощью шестерен (15). Распределительный вал приводится в движение шестерней (13) от коленчатого вала. Для снижения потерь на трение, отвода тепла и во избежание износа и быстрого изнашивания детали трения смазываются маслом. Для создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель необходимо охлаждать.

Однако главная задача — поддерживать работу поршней, поскольку именно они являются основной движущей силой. Для этого заданное (для бензиновых двигателей) или дозированное количество топлива должно подаваться в цилиндры в нужное время под высоким давлением (для дизельных двигателей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, и поршень опускается вниз с большим усилием для перемещения поршня.

Принцип работы двигателя

Поскольку двухтактные двигатели менее эффективны и потребляют больше топлива, почти все современные двигатели построены на четырехтактном цикле.

Впуск топлива;
Сжатие топлива;
Сгорание;
Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точкой отсчета является положение верхнего поршня (TDC — верхняя мертвая точка). В этот момент впускной коллектор открывается клапаном, и поршень начинает двигаться вниз, всасывая топливную смесь в цилиндр. Это первый штрих круга.

Во время второго хода поршень достигает своей нижней точки (ВМТ — нижней мертвой точки), впускная дверь закрывается, и поршень начинает двигаться вверх, сжимая топливную смесь. Когда плунжер достигает своего максимального пика, топливная смесь сжимается до максимума.

Третий этап — воспламенение сжатой топливной смеси с помощью искры, которая выпускает искру. Это приводит к взрыву топливной смеси, и плунжер с большой силой толкается вниз.

На последнем этапе поршень достигает дна и по инерции возвращается наверх. В этот момент открывается выпускной клапан, и смесь отработанных газов выходит из камеры сгорания в виде газа и вытекает через выхлопную систему. Цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Приведенный выше метод является универсальным. Почти все бензиновые двигатели основаны на этом принципе. Дизельные двигатели отличаются тем, что в них нет свечи зажигания — элемента, который воспламеняет топливо. Взрыв в дизельных двигателях достигается путем применения высокого сжатия топливной смеси. Во время цикла «впуск» в цилиндры дизельного двигателя поступает свежий воздух. Во время цикла «сжатия» воздух нагревается до 600°C. В конце цикла сжатия цилиндры могут быть нагреты до 60°C. В конце цикла в цилиндр впрыскивается определенное количество топлива, и цилиндр самопроизвольно воспламеняется.

Системы двигателя

Он представлен БЦ (блоком цилиндров) и КЦМ (коленчатым валом). Кроме того, современные двигатели внутреннего сгорания включают в себя другие вспомогательные системы, сгруппированные следующим образом

ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
Система смазки;
Система охлаждения;
Система подачи топлива;
Выхлопная система.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы обеспечить поступление в цилиндры нужного количества топлива и воздуха и своевременное удаление продуктов сгорания из рабочей камеры, в МЭК предусмотрен механизм, называемый механизмом подачи газа. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, позволяя топливно-воздушной смеси поступать в цилиндры, а отработавшим газам удаляться. Аксессуары для ремня ГРМ включают

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

Ремни ГРМ приводятся в движение коленчатым валом двигателя автомобиля. Привод передается на распределительный вал через цепь или ремень. Распределительный вал или рычаг распредвала толкает впускные или выпускные клапаны, которые, в свою очередь, открывают и закрывают клапаны.

Система смазки

Двигатели имеют множество движущихся частей, которые требуют постоянной смазки для снижения потерь на трение и предотвращения повышенного износа. Для этого существуют системы смазки. Они также служат многим другим целям, например, предотвращают коррозию компонентов двигателя внутреннего сгорания, обеспечивают дополнительное охлаждение двигателя и устраняют износ подвижных контактов. Системы смазки в двигателях автомобилей включают в себя следующее

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

При работе двигателя его компоненты контактируют с горячими газами, образующимися при сгорании воздушной смеси. Компоненты двигателя внутреннего сгорания необходимо охлаждать, чтобы предотвратить повреждения от чрезмерного теплового расширения. Двигатели автомобилей могут охлаждаться воздухом или жидкостью. Современные двигатели обычно охлаждаются жидкостной системой охлаждения, содержащей следующие компоненты

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

Система подачи топлива

Системы питания двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия отличаются друг от друга, хотя есть и некоторые общие черты. Общие элементы включают.

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

Обе системы имеют топливные насосы, топливные рейки и распылительные форсунки, а принцип подачи топлива одинаков. Топливо из бака перекачивается через фильтр в топливную рейку, откуда попадает в форсунку. Однако в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки впрыскивают топливо во впускной коллектор, в то время как в дизельных двигателях топливо подается непосредственно в цилиндр, где оно смешивается с воздухом.

Во время второго хода поршень достигает своей нижней точки (ВМТ — нижней мертвой точки), впускная дверь закрывается, и поршень начинает двигаться вверх, сжимая топливную смесь. Когда плунжер достигает своего максимального пика, топливная смесь сжимается до максимума.

Электро-двигатель

Некоторые машины используют электричество в качестве энергоносителя. Наиболее популярным и близким видом транспорта, использующим электричество в транспортном средстве, является всем известный троллейбус.

Однако это не тот автомобиль, который можно назвать идеальным. Это потому, что он может перемещаться только по кабелям, питаемым электричеством.

Однако вы, возможно, слышали об автомобилях, называемых электромобилями. Электромобили — это транспортные средства, в которых в качестве силовой установки используется электродвигатель.

Как вы уже догадались, электродвигатель приводится в действие электричеством, обычно от аккумулятора.

Электромобили имеют ряд преимуществ перед автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.

Они экологичны, существенно тише (это не обязательно преимущество), быстрее, не требуют коробки передач и могут обходиться без нее, если двигатель расположен у каждого колеса. Это означает, что если такие автомобили начнут выпускаться серийно, они могут стать намного дешевле, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Однако есть две ключевые проблемы, которые существенно ограничивают использование электродвигателей в современных автомобилях Аккумуляторы, способные накапливать достаточное количество энергии, еще не изобретены.

Это означает, что запас хода современных электромобилей ограничен несколькими десятками километров. Без включенных фар, радио и кондиционера они могут проехать до 100 км, но даже этого недостаточно. Это примерно одна пятая — одна шестая часть бензина. Однако разработчики постоянно работают над этим, и, пока вы читаете эти строки, уже могут появиться электромобили с запасом хода более 500 км.

Однако, если у вас нет времени на подзарядку аккумулятора, даже короткие расстояния не так уж плохи. Заправка бензином, маслом или газом занимает 5-10 минут, а подзарядка аккумулятора может занять 12 или 24 часа.

Поэтому в настоящее время электромобили можно использовать только для коротких поездок по городу, после чего они подзаряжаются на ночь.

Гибридные силовые агрегаты

Однако преимущества электродвигателей перед двигателями внутреннего сгорания настолько велики, что желание использовать их хотя бы частично привело к появлению гибридных силовых установок, которые сейчас очень активно используются в автомобилях.

Гибридные силовые агрегаты сочетают в одном автомобиле двигатель внутреннего сгорания и электромотор (обычно четыре, по одному на каждое колесо). Такие автомобили называются гибридами.

Существует три типа гибридных установок.

Во-первых, энергия двигателя внутреннего сгорания используется только для выработки электроэнергии с помощью генератора. Энергия передается от генератора к зарядному устройству и к электродвигателю, который обеспечивает вращение колес.

Однако более популярной является другая система. Во второй системе привод колес осуществляется как двигателем внутреннего сгорания, так и электромотором. Двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель могут использоваться независимо или вместе.

Двигатель автомобиля — это единица электрической энергии, используемая для выработки механической энергии, необходимой для движения автомобиля. Наиболее распространенным типом является поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине или дизельном топливе.

Гибридные силовые агрегаты

Существует три типа гибридных установок.

Третий вариант представляет собой комбинацию первого и второго вариантов.

Как таковой, это разнообразный и неоднозначный автомобильный двигатель. Свойства, принципы работы и детали будут более подробно рассмотрены в следующих постах.