Не будет преувеличением сказать, что большинство самодвижущихся устройств сегодня оснащены двигателями внутреннего сгорания разнообразных конструкций, использующими различные принципиальные схемы работы. Во всяком случае, если говорить об автомобильном транспорте. В данной статье мы рассмотрим более подробно ДВС. Что это такое, как работает данный агрегат, в чем его плюсы и минусы, вы узнаете, прочитав ее.
Принцип работы двигателей внутреннего сгорания
Главный принцип работы ДВС основан на том, что топливо (твердое, жидкое или газообразное) сгорает в специально выделенном рабочем объеме внутри самого агрегата, преобразуя тепловую энергию в механическую.
Рабочая смесь, поступающая в цилиндры такого двигателя, подвергается сжатию. После ее воспламенения при помощи специальных устройств возникает избыточное давление газов, заставляющих поршни цилиндров возвращаться в исходное положение. Так создается постоянный рабочий цикл, преобразующий при помощи специальных механизмов кинетическую энергию в крутящий момент.
На сегодняшний день устройство ДВС может иметь три основных вида:
- часто называемый легким;
- четырехтактный силовой агрегат, позволяющий добиться более высоких показателей мощности и значений КПД;
- обладающие повышенными мощностными характеристиками.
Помимо этого существуют и другие модификации основных схем, позволяющие улучшить те или иные свойства силовых установок данного вида.
Преимущества двигателей внутреннего сгорания
В отличие от силовых агрегатов, предусматривающих наличие внешних камер, ДВС обладает значительными преимуществами. Главными из них являются:
- гораздо более компактные размеры;
- более высокие показатели мощности;
- оптимальные значения КПД.
Необходимо заметить, говоря о ДВС, что это такое устройство, которое в подавляющем большинстве случаев позволяет использовать различные виды топлива. Это может быть бензин, дизельное топливо, природный или керосин и даже обычная древесина.
Такой универсализм принес данной принципиальной схеме двигателя заслуженную популярность, повсеместное распространение и поистине мировое лидерство.
Краткий исторический экскурс
Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания ведет отсчет своей истории с момента создания французом де Ривасом в 1807 году поршневого агрегата, использовавшего в качестве топлива водород в газообразном агрегатном состоянии. И хотя с тех пор устройство ДВС подверглось значительным изменениям и модификациям, основные идеи этого изобретения продолжают использоваться и в наши дни.
Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания увидел свет в 1876 году в Германии. В середине 80-х годов XIX столетия в России был разработан карбюратор, позволявший дозировать подачу бензина в цилиндры мотора.
А в самом конце позапрошлого века знаменитый немецкий инженер предложил идею воспламенения горючей смеси под давлением, что существенно повышало мощностные характеристики ДВС и показатели КПД агрегатов подобного вида, которые до этого оставляли желать много лучшего. С тех пор развитие двигателей внутреннего сгорания шло в основном по пути улучшения, модернизации и внедрения разнообразных улучшений.
Основные виды и типы ДВС
Тем не менее более чем 100-летняя история агрегатов данного вида позволила разработать несколько основных видов силовых установок с внутренним сгоранием топлива. Они отличаются между собой не только составом используемой рабочей смеси, но и конструктивными особенностями.
Бензиновые двигатели
Как явствует из названия, агрегаты данной группы используют в качестве топлива различные виды бензина.
В свою очередь, такие силовые установки принято подразделять на две большие группы:
- Карбюраторные. В таких устройствах топливная смесь перед поступлением в цилиндры обогащается воздушными массами в специальном устройстве (карбюраторе). После чего происходит ее воспламенение при помощи электрической искры. Среди наиболее ярких представителей данного типа можно назвать модели ВАЗ, ДВС которых очень долгое время был исключительно карбюраторного типа.
- Инжекторные. Это более сложная система, в которой впрыск топлива в цилиндры осуществляется посредством специального коллектора и форсунок. Он может происходить как механическим способом, так и посредством специального электронного устройства. Наиболее продуктивными считаются системы прямого непосредственного впрыска "Коммон Рейл". Устанавливаются почти на все современные автомобили.
Инжекторные бензиновые двигатели принято считать более экономичными и обеспечивающими более высокий КПД. Однако стоимость таких агрегатов намного выше, а обслуживание и эксплуатация - заметно сложнее.
Дизельные двигатели
На заре существования агрегатов подобного вида очень часто можно было слышать шутку о ДВС, что это такое устройство, которое ест бензин, как лошадь, а движется намного медленнее. С изобретением дизельного двигателя эта шутка частично потеряла свою актуальность. Главным образом потому, что дизель способен работать на топливе гораздо более низкого качества. А значит, и на гораздо более дешевом, нежели бензин.
Главным принципиальным отличием внутреннего сгорания является отсутствие принудительного воспламенения топливной смеси. Солярка впрыскивается в цилиндры специальными форсунками, а отдельные капли топлива воспламеняются из-за силы давления поршня. Наряду с преимуществами дизельный двигатель обладает и целым рядом недостатков. Среди них можно выделить следующие:
- гораздо меньшая мощность по сравнению с бензиновыми силовыми установками;
- большими габаритами и весовыми характеристиками;
- сложностями с запуском при экстремальных погодных и климатических условиях;
- недостаточной тяговитостью и склонностью к неоправданным потерям мощности, особенно на сравнительно высоких оборотах.
Кроме того, ремонт ДВС дизельного типа, как правило, гораздо более сложен и затратен, нежели регулировка или восстановление работоспособности бензинового агрегата.
Газовые двигатели
Несмотря на дешевизну природного газа, используемого в качестве топлива, устройство ДВС, работающих на газе, несоизмеримо сложнее, что ведет к существенному удорожанию агрегата в целом, его монтажа и эксплуатации в частности.
На силовых установках подобного типа сжиженный или природный газ поступает в цилиндры через систему специальных редукторов, коллекторов и форсунок. Воспламенение топливной смеси происходит так же, как и в карбюраторных бензиновых установках, - при помощи электрической искры, исходящей от свечи зажигания.
Комбинированные типы двигателей внутреннего сгорания
Мало кто знает о комбинированных системах ДВС. Что это такое и где применяется?
Речь идет, конечно же, не о современных гибридных автомобилях, способных работать как на горючем, так и от электрического мотора. Комбинированными двигателями внутреннего сгорания принято называть такие агрегаты, которые объединяют в себе элементы различных принципов топливных систем. Наиболее ярким представителем семейства таких двигателей являются газодизельные установки. В них топливная смесь поступает в блок ДВС практически так же, как и в газовых агрегатах. Но поджиг горючего производится не при помощи электроразряда от свечи, а запальной порцией солярки, как это происходит в обычном дизельном моторе.
Обслуживание и ремонт двигателей внутреннего сгорания
Несмотря на достаточно широкое разнообразие модификаций, все двигатели внутреннего сгорания имеют аналогичные принципиальные конструкции и схемы. Тем не менее, для того чтобы качественно осуществлять обслуживание и ремонт ДВС, необходимо досконально знать его устройство, понимать принципы работы и уметь определять неполадки. Для этого, безусловно, необходимо тщательно изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания различных типов, уяснить для себя назначение тех или иных деталей, узлов, механизмов и систем. Дело это непростое, но очень увлекательное! А главное, нужное.
Специально для пытливых умов, которые желают самостоятельно постичь все таинства и секреты практически любого транспортного средства, примерная принципиальная схема ДВС представлена на фото выше.
Итак, мы выяснили, что собой представляет данный силовой агрегат.
Двигатель состоит из цилиндра 5 и картера 6, который снизу закрыт поддоном 9 (рис. а). Внутри цилиндра перемещается поршень 4 с компрессионными (уплотнительными) кольцами 2, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец 3 и шатун 14 связан с коленчатым валом 8, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек 13, щек 10 и шатунной шейки 11. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (см. рис. 6).
Сверху цилиндр 5 накрыт головкой 1 с клапанами 15 и 17, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.
а - продольный вид, б - поперечный вид; 1 - головка цилиндра, 2 - кольцо,
3 - палец, 4 - поршень, 5 - цилиндр, 6 - картер, 7 - маховик, 8 - коленчатый вал,
9 - поддон, 10 - щека, 11 - шатунная шейка, 12 - коренной подшипник, 13 - коренная шейка,
14 - шатун, 15, 17- клапаны, 16 - форсунка
Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю: верхней мертвой точкой (ВМТ), соответствующей наибольшему удалению поршня от вала (см. рис. 6), и нижней мертвой точкой (НМТ), соответствующей наименьшему удалению его от вала.
Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком 7, имеющим форму диска с массивным ободом.
Расстояние, проходимое поршнем, между мертвыми точками называется ходом поршня S , а расстояние между осями коренных и шатунных шеек - радиусом кривошипа R (рис. б). Ход поршня равен двум радиусам кривошипа: S = 2R . Объем, который описывает поршень за один ход, называется рабочим объемом цилиндра (литражом) V h :
V h = (¶ / 4)D 2 S .
Объем над поршнем V c в положении ВМТ (см. рис. а) и называется объемом камеры сгорания (сжатия). Сумма рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания составляет полный объем цилиндра V a :
V a =V h + V c .
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия е:
е = V a / V c .
Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность.
Принцип работы.
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ.
Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и их давление. Так как давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы расширятся, совершая полезную работу. Работа, производимая расширяющимися газами, посредством кривошипно-шатунного механизма передается коленчатому валу, а от него на трансмиссию и колеса автомобиля.
Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан 15 и топлива через форсунку 16 или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через выпускной клапан 17. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.
- Такт впуска - Впускается топливо-воздушная смесь
- Такт сжатия - Смесь сжимается и поджигается
- Такт расширения - Смесь сгорает и толкает поршень вниз
- Такт выпуска - Продукты горения выпускаются
Принцип действия. Сгорание топлива происходит в камере сгорания, которая расположена внутри цилиндра двигателя, куда жидкое топливо вводится в смеси с воздухом или раздельно. Тепловая энергия, полученная при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. Продукты сгорания удаляются из цилиндра, а на их место всасывается новая порция топлива. Совокупность процессов, происходящих в цилиндре от впуска заряда (рабочей смеси или воздуха) до выпуска отработанных газов, составляет действительный или рабочий цикл двигателя.
Системы и механизмы двигателя, и их назначение.
ВВЕДЕНИЕ
В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных. Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.
История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Хотя и двигатель внутреннего сгорания – очень сложный механизм. И функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов.
Цель работы:
Рассмотреть двигатель внутреннего сгорания.
Задачи:
1. Изучить теорию двигателей внешнего и внутреннего сгорания.
2. Сконструировать модель на основе теории ДВС.
3. Рассмотреть влияние ДВС на окружающую среду.
4. Создать буклет на тему: “Двигатель внутреннего сгорания ”.
Гипотеза:
В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.
Актуальность:
Физика и физические законы являются неотъемлемой частью нашей жизни.
Техника, здания, различные процессы, протекающие в нашем мире – все это физика. Мы не можем жить и не знать, хотя бы элементарных законов этой науки. А, следовательно, физика – это актуальная, не стареющая наука.
Тема нашей работы поможет ученикам понять и усвоить на первый взгляд самые обычные процессы в окружающем нас мире, но сложные по своему устройству.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Двигатель внутреннего сгорания
Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность, проходимость и приспособленность для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров. На долю автомобильного транспорта приходится свыше 80% грузов, перевозимых всеми видами транспорта вместе взятыми, и более 70% пассажирских перевозок. За последние годы заводами автомобильной промышленности освоены многие образцы модернизированной и новой автомобильной техники, в том числе для сельского хозяйства, строительства, торговли, нефтегазовой и лесной промышленности. В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т. д.
Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
1. Двигатели с внешним сгоранием.
2. Двигатели внутреннего сгорания.
Изучая тему урока “Двигатели внутреннего сгорания” в 8 классе мы заинтересовались этой темой. Мы живем в современном мире, в котором техника играет важную роль. Не только та техника, которую мы используем у себя дома, но и на которой ездим – автомобиль. Рассматривая машину, я убедился, что двигатели это необходимая часть автомобиля. Неважно будь это старая или новая машина. Поэтому мы решили затронуть тему двигателя внутреннего сгорания, который использовали и раньше и сейчас.
Для того, чтобы понять устройство ДВС, мы решили создать его сами и вот, что у нас получилось.
Изготовление ДВС
Материал: картон, клей, проволока, моторчик, шестерни, батарейка 9V.
Ход изготовления
1. Изготовили из картона коленвал (вырезали круг)
2. Изготовили шатун (сложили прямоугольный лист картона 15*8 пополам и ещё на 90градусов), на концах которого сделали отверстия
3. Из картона изготовили поршень, в котором сделали отверстия (под поршневые пальцы)
4. Поршневые пальцы сделали по размеру отверстия в поршне, свернув небольшой лист картона
5. С помощью поршневого пальца закрепили поршень на шатуне, а с помощью проволоки шатун прикрепили к коленвалу
6. По размеру поршня свернули цилиндр, а по размеру коленвала картер (Картер – коробочка под коленвал)
7. Собрали механизм вращения коленвала (с помощью шестерёнок и моторчика), так чтобы при больших оборотах моторчика вращающий механизм развивал меньшие обороты (чтобы он мог провернуть коленвал с шатуном и поршнем)
8. К коленвалу прикрепили вращающийся механизм и поместили его в картер (закрепив вр. механизм к стенке картера)
9. Поршень поместили в цилиндр и склеили цилиндр с картером.
10. Идущие два провода + и – от моторчика присоединяем к батарейке и наблюдаем движение поршня.
Вид модели снаружи
Вид модели внутри
Применение ДВС
Тепловое расширение нашло свое применение в различных современных технологиях. В частности можно сказать о применении теплового расширения газа в теплотехники. Так, например, это явление применяется в различных тепловых двигателях, т. е. в двигателях внутреннего и внешнего сгорания:
* Роторных двигателях;
* Реактивных двигателях;
* Турбореактивных двигателях;
* Газотурбинные установки;
* Двигателях Ванкеля;
* Двигателях Стирлинга;
* Ядерные силовые установки.
Тепловое расширение воды используется в паровых турбинах и т. д. Все это в свою очередь нашло широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Например, двигатели внутреннего сгорания наиболее широко используются:
* Транспортные установки;
* Сельскохозяйственные машины.
В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания широко используются:
* На небольших электростанциях;
* Энергопоезда;
* Аварийные энергоустановки.
ДВС получили большое распространение также в качестве привода компрессоров и насосов для подачи газа, нефти, жидкого топлива и т. п. по трубопроводам, при производстве разведочных работ, для привода бурильных установок при бурении скважин на газовых и нефтяных промыслах.
Турбореактивные двигатели широко распространены в авиации. Паровые турбины – основной двигатель для привода электрогенераторов на ТЭС. Применяют паровые турбины также для привода центробежных воздуходувок, компрессоров и насосов.
Существуют даже паровые автомобили, но они не получили распространения из–за конструктивной сложности.
Тепловое расширение применяется также в различных тепловых реле, принцип действия, которых основан на линейном расширении трубки и стержня, изготовленных из материалов с различным температурным коэффициентом линейного расширения.
Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.
Во–первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Во–вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.
В–третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2–3 тонны свинца.
Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственная сторона воздействия тепловых двигателей на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле.
Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду
Один из способов уменьшения путей загрязнения окружающей среды связан с использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.
Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.
Другой способ заключается в увеличении КПД тепловых двигателей. В Институте нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН разработаны новейшие технологии превращения углекислого газа в метанол (метиловый спирт) и диметиловый эфир, увеличивающие в 2–3 раза производительность аппаратов при значительном уменьшении электроэнергии. Здесь был создан реактор нового типа, в котором производительность увеличена в 2–3 раза.
Введение этих технологий снизит накопление углекислого газа в атмосфере и поможет не только создать альтернативное сырьё для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить упомянутые выше экологические проблемы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Благодаря нашей работе можно сделать следующие выводы:
Не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов. И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы – вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС – это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности.
И пускай проходит эра двигателя внутреннего сгорания, пусть у них есть много недостатков, пусть появляются новые двигатели, не загрязняющие внутреннюю среду и не использующие функцию теплового расширения, но первые еще долго будут приносить пользу людям, и люди через многие сотни лет будут по доброму отзываться о них, ибо они вывели человечество на новый уровень развития, а пройдя его, человечество поднялось еще выше.
Литература
1. Хрестоматия по физике: А. С. Енохович – М.: Просвещение, 1999
2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: – М., Высшая школа., 1989.
3. Кабардин О. Ф. Физика: Справочные материалы: Просвещение 1991.
4. Интернет–ресурсы.
Руководители работы:
Шаврова Т. Г. учитель физики,
Бачурин Д. Н. учитель информатики.
Муниципальное общеобразовательное учреждение
“Первомайская средняя общеобразовательная школа №2”
Бийского района Алтайского края
| Вы можете задать интересующие вас вопросы по теме представленной статьи, оставив свой комментарий внизу страницы. Вам ответит заместитель генерального директора автошколы «Мустанг» по учебной работе Преподаватель высшей школы, кандидат технических наук Кузнецов Юрий Александрович |
Часть 1. ДВИГАТЕЛЬ И ЕГО МЕХАНИЗМЫ
Двигатель является источником механической энергии.
На подавляющем большинстве автомобилей применяется двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.
Автомобильные двигатели внутреннего сгорания классифицируются:
По роду применяемого топлива:
Легкие жидкие (газ, бензин),
Тяжелые жидкие (дизельное топливо).
Бензиновые двигатели
Бензиновые карбюраторные. Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи .
Бензиновые инжекторные Смесеобразование происходит путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок ( инжектор ов). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных же системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ) впрыском, управляющим электрическими бензиновыми вентилями.
Газовые двигатели
Двигатель сжигает в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии. Чаще всего газовые двигатели работаю на пропане, но есть и другие, работающие на попутных (нефтяных), сжиженном, доменных, генераторных и других видах газообразного топлива.
Принципиальное отличие газовых двигателей от бензиновых и дизельных в более высокой степени сжатия. Применение газа позволяет избежать излишнего износа деталей, так как процессы сгорания топливовоздушной смеси происходят более правильно, благодаря исходному (газообразному) состоянию топлива. Также газовые двигатели более экономичны, так как газ стоит дешевле нефти и легче добывается.
К несомненным преимуществам двигателей на газе стоит отнести безопасность и бездымность выхлопа.
Сами по себе газовые двигатели редко выпускаются серийно, чаще всего они появляются после переделки традиционных ДВС, путем оборудования их специальным газовым оборудованием.
Дизельные двигатели
Специальное дизельное топливо впрыскивается в определенный момент (не доходя до верхней мертвой точки) в цилиндр под высоким давлением через форсунку. Горючая смесь образуется непосредственно в цилиндре по мере впрыска топлива. Движение поршня внутрь цилиндра вызывает нагрев и последующее воспламенение топливовоздушной смеси. Дизельные двигатели являются низкооборотными и характеризуются высоким вращающим моментом на валу двигателя. Дополнительным преимуществом дизельного двигателя является то, что, в отличие от двигателей с принудительным зажиганием, он не нуждается в электричестве для работы (в автомобильных дизельных двигателях электрическая система используется только для запуска), и, как следствие, менее боится воды.
По способу воспламенения:
От искры (бензиновые),
От сжатия (дизельные).
По числу и расположению цилиндров:
Рядные,
Оппозитные,
V - образные,
VR - образные,
W - образные.
Этот двигатель известен с самого начала автомобильного двигателестроения. Цилиндры расположены в один ряд перпендикулярно коленчатому валу.
Достоинство: простота конструкции
Недостаток: при большом количестве цилиндров получается очень длинный агрегат, который невозможно расположить поперечно относительно продольной оси автомобиля.
Горизонтально-оппозитные двигатели отличаются меньшей габаритной высотой, чем двигатели с рядным или V-образным расположением цилиндров, что позволяет снизить центр тяжести всего автомобиля. Легкий вес, компактность конструкции и симметричность компоновки уменьшает момент рыскания автомобиля.
V-образный двигатель
Чтобы уменьшить длину двигателей, в этом двигателе цилиндры расположены под углом от 60 до 120 градусов, при этом продольные оси цилиндров проходят через продольную ось коленчатого вала.
Достоинство: относительно короткий двигатель
Недостатки: двигатель относительно широк, имеет две раздельные головки блока, повышенная стоимость изготовления, слишком большой рабочий объем.
VR-двигатели
В поисках компромиссного решения исполнения двигателей для легковых автомобилях среднего класса пришли к созданию VR-двигателей. Шесть цилиндров под углом 150 градусов образуют относительно узкий и в целом короткий двигатель. Кроме того, такой двигатель имеет только одну головку блока.
W-двигатели
В двигателях W-семейства в одном двигателе соединены два ряда цилиндров в VR-исполнеии.
Цилиндры каждого ряда размещены под углом 150 один к другому, а сами ряды цилиндров расположены под углом 720.
Стандартный автомобильный двигатель состоит из двух механизмов и пяти систем.
Механизмы двигателя
Кривошипно-шатунный механизм,
Газораспределительный механизм.
Системы двигателя
Система выпуска отработавших газов.
Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя.
Кривошипно-шатунный механизм состоит:
Блока цилиндров с картером,
Головки блока цилиндров,
Поддона картера двигателя,
Поршней с кольцами и пальцами,
Шатунов,
Коленчатого вала,
Маховика.
Блок цилиндров
Является цельнолитой деталью, объединяющей собой цилиндры двигателя. На блоке цилиндров имеются опорные поверхности для установки коленчатого вала, к верхней части блока, как правило, крепится головка блока цилиндров, нижняя часть является частью картера. Таким образом, блок цилиндров является основой двигателя, на которую навешиваются остальные детали.
Отливается как правило — из чугуна, реже — алюминия.
Блоки, изготовленные из этих материалов, отнюдь не равноценны по своим свойствам.
Так, чугунный блок наиболее жёсткий, а значит — при прочих равных выдерживает наиболее высокую степень форсировки и наименее чувствителен к перегреву. Теплоёмкость чугуна примерно вдвое ниже, чем алюминия, а значит двигатель с чугунным блоком быстрее прогревается до рабочей температуры. Однако, чугун весьма тяжёл (в 2,7 раза тяжелее алюминия), склонен к коррозии, а его теплопроводность примерно в 4 раза ниже, чем у алюминия, поэтому у двигателя с чугунным картером система охлаждения работает в более напряжённом режиме.
Алюминиевые блоки цилиндров лёгкие и лучше охлаждаются, однако в этом случае возникает проблема с материалом, из которого выполнены непосредственно стенки цилиндров. Если поршни двигателя с таким блоком сделать из чугуна или стали, то они очень быстро износят алюминиевые стенки цилиндров. Если же сделать поршни из мягкого алюминия, то они просто «схватятся» со стенками, и двигатель мгновенно заклинит.
Цилиндры в блоке цилиндров могут являться как частью отливки блока цилиндров, так и быть отдельными сменными втулками, которые могут быть «мокрыми» или «сухими». Помимо образующей части двигателя, блок цилиндров несет дополнительные функции, такие как основа системы смазки — по отверстиям в блоке цилиндров масло под давлением подается к местам смазки, а в двигателях жидкостного охлаждения основа системы охлаждения — по аналогичным отверстиям жидкость циркулирует по блоку цилиндров.
Стенки внутренней полости цилиндра служат также направляющими для поршня при его перемещениях между крайними поло-жениями. Поэтому длина образующих цилиндра предопределяется величиной хода поршня.
Цилиндр работает в условиях переменных давлений в надпорш-невой полости. Внутренние стенки его соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500—2500°С. К тому же средняя скорость скольжения поршневого комплекта по стенкам цилиндра в автомобильных двигателях достигает 12— 15 м/сек при недостаточной смазке. Поэтому материал, употребляемый для изготовления цилиндров, должен обладать большой механической прочностью, а сама конструкция стенок повышенной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов износа
В соответствии с этими требованиями в качестве основного материала для цилиндров применяют перлитный серый чугун с не-большими добавками легирующих элементов (никель, хром и др.). Применяют также высоколегированный чугун, сталь, магниевые и алюминие-вые сплавы.
Головка блока цилиндров
Является второй по значимости и по величине составной частью двигателя. В головке расположены камеры сгорания, клапаны и свечи цилиндров, в ней же на подшипниках вращается распределительный вал с кулачками. Так же, как и в блоке цилиндров, в его головке имеются водяные и масляные каналы и полости. Головка крепится к блоку цилиндров и, при работе двигателя, составляет с блоком единое целое.
Поддон картера двигателя
Закрывает снизу картер двигателя (отливается как единое целое с блоком цилиндров) и используется как резервуар для масла и защищает детали двигателя от загрязнения. В нижней части поддона имеется пробка для слива моторного масла. Поддон крепится к картеру болтами. Для предотвращения утечки масла между ними устанавливается прокладка.
Поршень
Поршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления.
Поршень подразделяется на три части, выполняющие различные функции:
Днище,
Уплотняющая часть,
Направляющая часть (юбка).
Форма днища зависит от выполняемой поршнем функции. К примеру, в двигателях внутреннего сгорания форма зависит от расположения свечей, форсунок, клапанов, конструкции двигателя и других факторов. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложение нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания.
Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня. В уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца.
Расстояние от днища поршня до канавки первого компрессионного кольца называют огневым поясом поршня. В зависимости от материала, из которого сделан поршень, огневой пояс имеет минимально допустимую высоту, уменьшение которой может привести к прогару поршня вдоль наружной стенки, а также разрушению посадочного места верхнего компрессионного кольца.
Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива.
Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Для снижения температурных напряжений поршня с двух сторон, где расположены бобышки, с поверхности юбки, удаляют металл на глубину 0,5-1,5 мм. Эти углубления, улучшающие смазывание поршня в цилиндре и препятствующие образованию задиров от температурных деформаций, называются «холодильниками». В нижней части юбки также может располагаться маслосъемное кольцо.
Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы.
Чугун
Достоинства: Поршни из чугуна прочны и износостойки.
Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра.
Недостатки: Чугун имеет довольно большой удельный вес. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня.
Чугун имеет низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350—400 °C. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения калильного зажигания.
Алюминий
Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют алюминиевые поршни.
Достоинства:
Малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
Высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;
Хорошие антифрикционные свойства.
Шатун
Шатун — деталь, соединяющая поршень (посредством поршневого пальца ) и шатунную шейку коленчатого вала . Служит для передачи возвратно-поступательных движений от поршня на коленчатый вал. Для меньшего износа шатунных шеек коленчатого вала между ними и шатунами помещают специальные вкладыши, которые имеют антифрикционное покрытие .
Коленчатый вал
Коленчатый вал — детальсложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов , от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент .
Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов.
Основные элементы коленчатого вала
Коренная шейка — опора вала, лежащая в коренном подшипнике , размещённом в картере двигателя.
Шатунная шейка — опора, при помощи которой вал связывается с шатунами (для смазки шатунных подшипников имеются масляные каналы).
Щёки — связывают коренные и шатунные шейки.
Передняя выходная часть вала (носок) — часть вала, на которой крепится зубчатое колесо или шкив отбора мощности для привода газораспределительного механизма (ГРМ) и различных вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
Задняя выходная часть вала (хвостовик) — часть вала, соединяющаяся с маховиком или массивной шестернёй отбора основной части мощности.
Противовесы — обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.
Маховик
Массивный диск с зубчатым венцом. Зубчатый венец необходим для запуска двигателя (шестерня стартера входит в зацепление с шестерней маховика и раскручивает вал двигателя). Также маховик служит для уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала.
Газораспределительный механизм
Предназначен для своевременного впуска в цилиндры горючей смеси и выпуска отработавших газов.
Основными деталями газораспределительного механизма являются:
Распределительный вал,
Впускные и выпускные клапана.
Распределительный вал
По расположению распределительного вала выделяют двигатели:
С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (Cam-in-Block);
С распредвалом, расположенным в головке блока цилиндров (Cam-in-Head).
В современных автомобильных двигателях, как правило, расположен в верхней части головки блока цилиндров и соединён со шкивом или зубчатой звёздочкой коленвала ремнём или цепью ГРМ соответственно и вращается с вдвое меньшей частотой, чем последний (на 4-тактных двигателях).
Составной частью распредвала являются его кулачки , количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Таким образом, каждому клапану соответствует индивидуальный кулачок, который и открывает клапан, набегая на рычаг толкателя клапана. Когда кулачок «сбегает» с рычага, клапан закрывается под действием мощной возвратной пружины.
Двигатели с рядной конфигурацией цилиндров и одной парой клапанов на цилиндр обычно имеют один распределительный вал (в случае четырёх клапанов на каждый цилиндр, два), а V-образные и оппозитные — либо один в развале блока, либо два, по одному на каждый полублок (в каждой головке блока). Двигатели, имеющие 3 клапана на цилиндр (чаще всего два впускных и один выпускной), обычно имеют один распредвал на головку блока, а имеющие 4 клапана на цилиндр (два впускных и 2 выпускных) имеют 2 распредвала в каждой головке блока.
Современные двигатели иногда имеют системы регулировки фаз газораспределения, то есть механизмы, которые позволяют проворачивать распредвал относительно приводной звездочки, тем самым изменяя момент открытия и закрытия (фазу) клапанов, что позволяет более эффективно наполнять рабочей смесью цилиндры на разных оборотах.
Клапана
Клапан состоит из плоской головки и стержня, соединенных между собой плавным переходом. Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью диаметр головки впускного клапаны делают значительно больше, чем диаметр выпускного. Так как клапаны работают в условиях высоких температур, их изготавливают из высококачественных сталей. Впускные клапаны делают из хромистой стали, выпускные из жаростойкой, так как последние соприкасаются с горючими отработавшими газами и нагреваются до 600 - 800 0 С. Высокая температура нагрева клапанов вызывает необходимость установки в головке цилиндров специальных вставок из жаростойкого чугуна, которые называются седлами.
Принцип работы двигателя
Основные понятия
Верхняя мертвая точка - крайнее верхнее положение поршня в цилиндре.
Нижняя мертвая точка - крайнее нижнее положение поршня в цилиндре.
Ход поршня - расстояние, которое поршень проходит от одной мертвой точки до другой.
Камера сгорания - пространствомежду головкой блока цилиндров и поршнем при его нахождении в верхней мертвой точке.
Рабочий объем цилиндра - пространство, освобождаемое поршнем при его перемещении из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку.
Рабочий объем двигателя - сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя. Выражается в литрах, поэтому часто называется литражом двигателя.
Полный объем цилиндра - сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.
Степень сжатия - показывает во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания.
Компрессия -давление в цилиндре в конце такта сжатия.
Такт - процесс (часть рабочего цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня.
Рабочий цикл двигателя
1-ый такт - впуск . При движении поршня вниз в цилиндре образуется разрежение, под действием которого через открытый впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь (смесь топлива с воздухом).
2-ой такт - сжатие . Поршень под действием коленчатого вала и шатуна перемещается вверх. Оба клапана закрыты и горючая смесь сжимается.
3-ий такт - рабочий ход . В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется (от сжатия в дизельном двигателе, от искры свечи в бензиновом двигателе). Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал.
4-ый такт - выпуск . Поршень перемещается вверх, и через открывшийся выпускной клапан выходят наружу отработавшие газы.
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.