Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания

§ 22. Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания — очень распространённый вид теплового двигателя. Топливо в нём сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

Тепловые двигатели такого типа обычно устанавливают на автомобили.

На рисунке 26 показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.

Рис. 26. Двигатель внутреннего сгорания в разрезе

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3, соединённый при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части цилиндра имеется два клапана 1 и 2, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через клапан 2 выпускаются отработавшие газы.

В цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С. Давление на поршень при этом резко возрастает.

Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом они охлаждаются, так как часть внутренней энергии газов превращается в механическую энергию.

Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя. Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называют ходом поршня.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырёхтактными.

Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

Рис. 27. Циклы работы двигателя внутреннего сгорания

При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень движется вниз (рис. 27, а). Объём над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создаётся разрежение. В это время открывается клапан 2 и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1 закрывается.

При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь (рис. 27, б). В конце второго такта, когда поршень дойдёт до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Двигатель внутреннего сгорания:
а — мотоцикла; б — автомобиля; в — самолета

Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз (рис. 27, в). Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передаётся шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик продолжает вращаться по инерции и перемещает скреплённый с ним поршень при последующих тактах. Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах.

Дизель Рудольф (1858—1913)
Немецкий инженер, создатель двигателя внутреннего сгорания используемого по настоящее время.

В конце третьего такта открывается клапан 2, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу. Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвёртого такта, когда поршень движется вверх (рис. 27, г). В конце четвёртого такта клапан 2 закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырёх процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска.

В автомобилях используют чаще всего четырёхцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочерёдно происходит рабочий ход и коленчатый вал всё время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолёты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Разновидности ДВС: какие существуют двигатели внутреннего сгорания

Поршневой ДВС (двигатель внутреннего сгорания) является тепловой машиной и работает по принципу сжигания смеси топлива и воздуха в камере сгорания. Главной задачей такого устройства выступает преобразование энергии сгорания топливного заряда в механическую полезную работу.

Не смотря на общий принцип действия, сегодня существует большое количество агрегатов, которые существенно отличаются друг от друга благодаря целому ряду индивидуальных конструктивных особенностей. В этой статье мы поговорим о том, какие бывают двигатели внутреннего сгорания, а также в чем состоят их главные особенности и отличия.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Начнем с того, что ДВС может быть двухтактным и четырехтактным. Что касается автомобильных моторов, указанные агрегаты четырехтактные. Такты работы двигателя представляют собой:

  • впуск топливно-воздушной смеси или воздуха (что зависит от типа ДВС);
  • сжатие смеси горючего и воздуха;
  • сгорание топливного заряда и рабочий ход;
  • выпуск из камеры сгорания отработавших газов;

По такому принципу работают как бензиновые, так и дизельные поршневые моторы, которые нашли широкое применение в автомобилях и на другой технике. Также стоит упомянуть и агрегаты на газу, в которых газовое топливо сжигается аналогично дизтопливу или бензину.

Бензиновые силовые агрегаты

Что касается поршневых бензиновых моторов, такие двигатели имеют систему зажигания для воспламенения рабочей смеси от искры. Системы питания в таких агрегатах могут быть карбюраторными или инжекторными (впрысковыми).

Приготовление рабочей смеси в карбюраторных ДВС происходит в карбюраторе, далее смешанный бензин и воздух подаются во впускной коллектор. Сегодня такие системы считаются устаревшими, так как не способны обеспечить двигателю должную экологичность и экономичность.

Впрысковые ДВС по типу конструкции системы питания бывают моноинжекторными (моновпрыск) или системами с распределенным впрыском. В первом случае схема предполагает наличие только одной форсунки, которая впрыскивает горючее во впускной коллектор. Решения с распределенным впрыском имеют отдельную форсунку на каждый цилиндр, которая установлена рядом с впускными клапанами.

Дальнейшее развитие систем топливоподачи привело к появлению моторов с прямым (непосредственным) впрыском. Главным их отличием от предшественников является то, что воздух и топливо подается в камеру сгорания отдельно. Другими словами, форсунка устанавливается не над впускными клапанами, а монтируется прямо в цилиндр.

Подобное решение позволяет подавать топливо напрямую, причем сама подача разделена на несколько этапов (подвпрысков). В результате удается добиться максимально эффективного и полноценного сгорания топливного заряда, двигатель получает возможность работать на бедной смеси (например, моторы семейства GDI), падает расход топлива, снижается токсичность выхлопа и т.д.

Дизельные моторы

Дизельный двигатель работает на дизтопливе, а также в значительной мере отличается от бензинового. Основное отличие заключается в отсутствии искровой системы зажигания. Воспламенение смеси топлива и воздуха в дизеле происходит от сжатия.

Если просто, сначала в цилиндрах сжимается воздух, который сильно нагревается. В последний момент происходит впрыск солярки прямо в камеру сгорания, после чего нагретая и сильно сжатая смесь воспламеняется самостоятельно.

Однако в списке минусов таких агрегатов можно выделить чувствительную топливную систему, а также больший вес и меньшие скорости в режиме максимальных оборотов. Дело в том, что дизель изначально «тихоходный» и имеет меньшую частоту вращения коленчатого вала по сравнению с бензиновыми ДВС.

Дизели также отличаются большей массой, так как особенности воспламенения от сжатия предполагают более серьезные нагрузки на все элементы такого агрегата. Другими словами, детали в дизельном моторе более прочные и тяжелые. Также дизельные моторы более шумные, что обусловлено процессом воспламенения и сгорания дизельного топлива.

Роторный двигатель

Двигатель Ванкеля (роторно-поршневой двигатель) представляет собой принципиально иную силовую установку. В таком ДВС привычные поршни, которые совершают возвратно-поступательные движения в цилиндре, попросту отсутствуют. Главным элементом роторного мотора является ротор.

Указанный ротор вращается по заданной траектории. Роторные ДВС бензиновые, так как подобная конструкция не способна обеспечить высокую степень сжатия рабочей смеси.

Если говорить о минусах, то стоит выделить заметно сниженный ресурс сравнительно с поршневыми агрегатами, а также высокий расход топлива. Также роторный двигатель отличается повышенной токсичностью, то есть не совсем вписывается в современные экологические стандарты.

Гибридный двигатель

Гибридный силовой агрегат фактически является сочетанием поршневого бензинового или дизельного ДВС и электромотора. Также в конструкции присутствует тяговая аккумуляторная батарея, которая питает электродвигатель.

Также во время работы гибридной установки активно используется схема рекуперации энергии. Например, во время торможения двигателем работает генератор, который подзаряжает тяговый аккумулятор. Такое сочетание двух типов силовых установок позволяет получить улучшение разгонной динамики (особенно когда одновременно задействован ДВС и электромотор), наблюдается существенная экономия топлива и малый выброс токсичного выхлопа.

Компоновка и технические характеристики ДВС

Еще стоит добавить, что существуют многочисленные разновидности двигателей внутреннего сгорания, которые отличаются друг от друга по компоновке и расположению цилиндров.

Дело в том, что пространство в моторном отсеке ограничено, при этом на разных автомобилях возникает необходимость уместить в таком пространстве агрегат с тем или иным количеством цилиндров.

Как правило, по компоновке на большинстве машин чаще всего можно встретить:

  • рядный двигатель;
  • V-образный мотор;
  • оппозитный двигатель;

Рядный двигатель означает, что все его цилиндры расположены в одной плоскости. Рядные «четверки» (4-х цилиндровый мотор) являются самым распространенным типом ДВС. Рядные «шестерки» также весьма популярны, они меньше вибрируют, имеют приемлемую мощность, однако такой двигатель получается достаточно длинным.

Читайте также  Что такое локализация производства

Еще одним вариантом является V-образный двигатель. Цилиндры в таком моторе располагаются в двух плоскостях, напоминая литеру «V». Подобный ДВС имеет 6 или 8 цилиндров (V6 или V8), при этом длина двигателя сравнительно с рядным мотором меньше, хотя ширина закономерно увеличивается. Еще добавим, что угол между плоскостями принято называть углом развала.

Добавим, что существуют так называемые двигатели типа VR. Их особенностью является малый угол развала, позволяя уменьшить размеры ДВС в длину и ширину. Также стоит упомянуть мощные W-двигатели. Указанные силовые агрегаты многоцилиндровые (например, W12) Что касается компоновки, конструкция может включать в себя сразу три ряда цилиндров, которые расположены под большим углом развала.

Еще одним вариантом является расположение тех же трех рядов цилиндров, при этом угол развала максимально уменьшен (как и в случае с VR-компоновкой). Как правило, именно последний вариант прижился на мощных легковых авто класса «премиум», спорткарах и солидных внедорожниках. Дело в том, что даже при таком количестве цилиндров двигатель все равно отличается компактностью.

Основные технические параметры ДВС

Двигатели внутреннего сгорания также имеют целый ряд характеристик и параметров, которые закладываются конструктивно. Если просто, речь идет о рабочем объеме, степени сжатия, мощности и крутящем моменте и т.д.

Естественно, чем большим окажется показатель крутящего момента, тем большей будет тяга. Другими словами, от данного показателя зависит разгонная динамика. Что касается мощности двигателя, это величина, которая отображает произведенную работу за единицу времени.

Увеличение крутящего момента и мощности возможно посредством двух способов:

  • больший рабочий объем;
  • сжигание большего количества топливно-воздушной смеси;

Если просто, в первом случае речь идет о физическом увеличении камеры сгорания и объема цилиндров. Во втором подразумевается принудительная подача воздуха в цилиндры под давлением для сжигания большего количества топлива.

Как правило, мощные двигатели с большим объемом атмосферные, то есть «засасывают» наружный воздух в цилиндры самостоятельно благодаря возникающему разрежению от движения поршней. Мощные агрегаты, при этом обладающие меньшим объемом, оснащаются механическими компрессорами или турбонаддувом. В таких ДВС воздух нагнетается принудительно, то есть поступает в камеру сгорания под давлением.

Что в итоге

Как видно, приведенный выше материал дает общее представление о том, какие есть двигатели внутреннего сгорания. При этом даже с учетом общего принципа действия, силовые агрегаты могут значительно отличаться по таким показателям, как компоновка, мощность, крутящий момент, расход горючего и т.д.

Более того, даже двигатели, схожие по конструкции (например, рядный четырехцилиндровый мотор), могут иметь разное количество впускных и выпускных клапанов на один цилиндр (например, 8-и и 16-клапанные моторы).

По этой причине для объективной оценки производительности того или иного двигателя на разных оборотах, причем не на коленвалу, а на колесах, необходимо проводить специальные комплексные замеры на динамометрическом стенде.

Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Моторы линейки TSI. Конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Модификации с одним и двумя нагнетателями. Рекомендации по эксплуатации.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Линейка дизельных двигателей CRDi Hyundai/KIA: сильные и слабые стороны моторов данного типа, особенности эксплуатации, ремонта и обслуживания.

Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания

В зависимости от вида топлива и особенностей конструкции поршневые ДВС делятся на бензиновые и дизельные.

Бензиновый двигатель Дизельный двигатель
На легковых автомобилях наибольшее распространение получил бензиновый ДВС. Он работает только на бензине с различным октановым числом. Предварительно сжатая в цилиндре топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью искры, подаваемой свечой зажигания. Управление мощностью осуществляется дроссельной заслонкой, регулирующей поток воздуха. КПД бензинового мотора составляет около 20-30%, но такой двигатель может работать на высоких оборотах и имеет большую удельную мощность. Показатели давления и температуры в цилиндрах у бензинового ДВС меньше, чем у дизельного, а в выхлопе содержится меньше серы, сажи и токсичных газов, но больше окиси углерода. Дизельные двигатели стали массово использоваться на легковых автомобилях только в конце XX века. КПД у дизельного мотора выше, чем у бензинового (40-45%), при этом в качестве топлива могут выступать низкосортные продукты нефтепереработки или даже растительные масла. Принцип работы дизельного ДВС заключается в самовоспламенении топливной смеси в цилиндре от сжатия, при высоких давлении и температуре. Это требует более прочной конструкции и защиты от высоких температур, зато у дизельного силового агрегата отсутствуют свечи зажигания, а смесеобразование и сгорание проходят быстрее, чем в бензиновом. Мощность регулируется не дроссельной заслонкой, а непосредственно интенсивностью впрыска топлива в цилиндры. К недостаткам дизельного двигателя относятся дорогой ремонт, необходимость использования более мощного стартера, характерный стук при работе и застывание летнего дизельного топлива на морозе.

В зависимости от количества тактов в рабочем цикле различают двухтактные и четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания. Особое место в этой классификации занимает роторно-поршневой двигатель Ванкеля, который не относится к поршневым ДВС, но по сути является четырёхтактным.

При первом такте (сжатия) поршень перемещается от нижней мёртвой точки к верхней, перекрывая нижнее и верхнее продувочные окна и сжимая поступившую ранее топливную смесь. Одновременно в кривошипную камеру, расположенную в нижней части цилиндра, вследствие её герметичности поступает новая топливная смесь. При втором такте (рабочего хода) сжатая горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания, в результате чего поршень под давлением движется к нижней мёртвой точки, вращая коленчатый вал и сжимая смесь в кривошипной камере. Из последней топливная смесь через открытое впускное окно заполняет цилиндр, вытесняя отработавшие газы через выпускное окно (продувка). Далее поршень снова поднимается вверх, и цикл повторяется.

Преимущества двухтактного двигателя заключается в том, что он проще по конструкции, чем четырёхтактный, и даёт примерно в 1,5 раз больше мощности при том же рабочем объёме. Однако в наше время двухтактные ДВС практически не используются из-за низкой экономичности и плохих экологических показателей, связанных с неполным сгоранием топливно-воздушной смеси и попадании части её в выпускное окно при продувке.

Роторно-поршневой мотор обладает рядом преимуществ перед традиционным, так как развивает больше мощности при меньшем объёме, имеет небольшие габариты и относительно простую конструкцию. К недостаткам двигателя Ванкеля относятся быстрый износ уплотнителей между ротором и камерой сгорания, требование высокой точности при сборке деталей, необходимость специальной системы смазки, склонность к перегреву и неэкономичность на низких оборотах.

Газотурбинный двигатель (ГТД) может работать на любом топливе, от керосина до мазута, и всегда имеет бОльшую удельную мощность, чем поршневой ДВС, хотя КПД у него ниже. По компактности, весу, шуму и вибрациям ГТД значительно лучше поршневого ДВС, но из-за таких факторов, как высокая стоимость (объясняется необходимостью использования жаростойких материалов), большая частота оборотов (до 100000 об/мин), высокая температура выхлопа и задержка отклика на управление мощностью (невозможность снижения оборотов при отпущенной педали газа без торможения), он так и не нашёл применения на легковых автомобилях, за исключением нескольких концепт-каров.

По конфигурации, то есть взаимному расположению цилиндров, автомобильные двигатели бывают:

  • Рядные — цилиндры расположены на одной линии, а их поршни вращают один коленчатый вал. Такие двигатели более простые по конструкции, надёжные и удобные в обслуживании, чем V-образные. Могут иметь как чётное (2, 4, 6 или 8), так и нечётное (3 или 5) количество цилиндров. В наше время наиболее распространёнными являются рядные 4-цилиндровые моторы, а 6-цилиндровые постепенно выходят из употребления, подобно тому, как в послевоенные годы перестали использоваться рядные 8-цилиндровые двигатели. Это связано с большой длиной блока цилиндров и коленчатого вала, требующей много места под капотом, а также быстрым износом. Существует и такой вариант конфигурации, как U-образный двигатель, который состоит из двух установленных параллельно рядных блоков с отдельными коленчатыми валами, соединёнными цепью или шестерней.
  • V-образные — цилиндры расположены один напротив другого под углом от 10° до 120°. Мотор состоит из двух блоков цилиндров, немного смещённых относительно друг друга и соединённых общим коленчатым валом. V-образные двигатели имеют только чётное количество цилиндров (2, 4, 6, 8, 10, 12 или 16). Как правило, такие двигатели более компактные и сбалансированные, чем рядные, и обеспечивают больше мощности. Разновидностью V-образной конфигурации являются моторы Volkswagen VR5 и VR6, состоящие из двух блоков цилиндров, установленных близко друг другу под углом 10°-15° и соединённых общей головкой. Такая конфигурация совмещает в себе преимущества рядных и V-образных двигателей.
  • Оппозитные, или плоские, — цилиндры расположены в двух блоках с углом развала 180°, то есть горизонтально один напротив другого. Двигатель имеет плоскую форму и обычно применяется в заднемоторных автомобилях.
  • W-образные — цилиндры расположены в трёх или четырёх параллельных блоках и соединены общим коленчатым валом. В наше время W-образные двигатели, полученные в результате соединения двух моторов конфигурации VR, использует только компания Volkswagen.
  • Радиальные, или звездообразные, — цилиндры расположены радиальными лучами вокруг коленчатого вала через равные углы, обычно в один ряд. Такие двигатели широко применяются в авиации, а на автомобилях встречаются крайне редко.
Читайте также  Как сделать снегоход из бензопилы

Двигатели также различаются по количеству цилиндров:

  • 1-цилиндровый — простейшая разновидность поршневого ДВЗ, состоящая из одного цилиндра. Исторически самый первый, но несбалансированный и наименее эффективный вид силового агрегата. Применялся на ранних мотоколясках и на микроавтомобилях.
  • 2-цилиндровый — как и 1-цилиндровый, встречается чаще в 2-тактном варианте, поскольку 4-тактные моторы такого типа не обеспечивают плавности хода. Бывает трёх конфигураций: рядный, V2 и F2. Устанавливался на микрокары и автомобили конца XIX — начала XX века.
  • 3-цилиндровый — из-за нечётного количества цилиндров также является несбалансированным и бывает только рядным. 3-цилиндровые моторы небольшого объёма (до 1.2 л) ставятся на некоторые из современных малолитражек.
  • 4-цилиндровый — самый распространённый и выгодный в производстве двигатель, подходящий для любого автомобиля относительно небольших размеров. Конструкция рядного 4-цилиндрового мотора несбалансированная, но при небольшом объёме не требует дополнительного балансировочного вала. Объём современных 4-цилиндровых двигателей составляет от 0.7 до 2.3 л, хотя раньше встречались и гораздо большие агрегаты. Относительно редкими являются конфигурации V4 и F4, которые применялись в некоторых заднемоторных автомобилях и отличались повышенной шумностью.
  • 5-цилиндровый — впервые появился на Mercedes-Benz в середине 70-х гг., но до сих пор встречается нечасто. Несбалансированный и дорогой в производстве, поскольку не может быть унифицирован с 4-х или 6-цилиндровыми моторами. Бывает рядный или конфигурации VR.
  • 6-цилиндровый — исторически наиболее распространённый в рядной конфигурации, которая отличается сбалансированностью и плавностью работы, на автомобилях среднего или высшего класса. Однако из-за большой длины и трудностью поперечной установки такие двигатели постепенно уходят в прошлое. Сейчас чаще используются моторы V6, несбалансированные, но более компактные и пригодные для переднеприводной компоновки. Оппозитные 6-цилиндровые двигатели ставятся на Porsche 911.
  • 8-цилиндровый — в рядной конфигурации, несмотря на большую длину блока, является сбалансированным и создаёт минимум вибраций, но, как правило, ограничен в максимальных оборотах из-за риска деформации коленчатого вала. Использовался только в довоенные годы на люксовых автомобилях, в отличие от мотора V8, который применялся на машинах разных ценовых категорий, особенно в США, а сейчас чаще всего встречается на внедорожниках и спортивных моделях. Преимущества двигателя V8 заключаются в относительной компактности и высокой производительности, недостатки — в несбалансированности и высоких показателях расхода топлива при большом объёме.
  • 10-цилиндровый — на автомобилях бывает только V-образным, получается в результате соединения двух рядных 5-цилиндровых моторов или добавления к V8 дополнительной пары цилиндров. Устанавливается на спорткары или полноразмерные пикапы.
  • 12-цилиндровый — в V-образной конфигурации состоит из двух рядных 6-цилиндровых блоков или двух моторов V6, конструкция полностью сбалансированная. Двигатель V12 часто использовался на роскошных довоенных автомобилях, а сегодня встречается на многих суперкарах. Бывает и в варианте W12 из трёх 4-цилиндровых или четырёх 3-цилиндровых блоков, крайне редко — в оппозитной конфигурации.
  • 16-цилиндровый — V-образный встречается на автомобилях в исключительных случаях: на довоенных моделях Cadillac, Marmon и Peerless, а также на некоторых гоночных болидах. Прекрасно сбалансированный и практически бесшумный, но слишком длинный и дорогой в производстве. Двигатель W16, состоящий из двух блоков VR6, имеет только один серийный автомобиль — Bugatti Veyron.
  • 18-цилиндровый — в конфигурации W18 из трёх рядных 6-цилиндровых блоков под углом 60° использовался на нескольких прототипах Bugatti в конце 90-х гг.
Тип двигателя Устройство Пример
Рядный 2-цилиндровый
3-цилиндровый
4-цилиндровый
5-цилиндровый
6-цилиндровый
8-цилиндровый
V-образный 2-цилиндровый
4-цилиндровый
6-цилиндровый
8-цилиндровый
10-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый
Оппозитный 2-цилиндровый
4-цилиндровый
6-цилиндровый
8-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый
W-образный 6-цилиндровый
8-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый
18-цилиндровый
Радиальный 6-цилиндровый
8-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый

В зависимости от типа ГРМ различают нижнеклапанные и верхнеклапанные двигатели внутреннего сгорания.

Разновидностью нижнеклапанного типа ГРМ является схема T-head, когда впускные клапаны расположены с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой, при этом распределительных вала два. Также существовали двигатели со смешанным расположением клапанов (F-head), с верхними впускными, боковыми выпускными клапанами и одним распредвалом в блоке.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это самый распространенный тип двигателя из всех, которые устанавливаются в настоящее время на автомобили. Несмотря на то, что современный двигатель внутреннего сгорания состоит из тысячи частей, принцип его работы весьма прост. В рамках данной статьи мы рассмотрим устройство и принцип работы ДВС.

Внизу страницы смотрите видео, на котором наглядно показано устройство и принцип работы бензинового ДВС.

В каждом двигателе внутреннего сгорания есть цилиндр и поршень. Именно внутри цилиндра ДВС происходит преобразование тепловой энергии, выделяемой при сжигании топлива, в энергию механическую, способную заставить наш автомобиль двигаться. Этот процесс повторяется с частотой несколько сотен раз в минуту, что обеспечивает непрерывное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Принцип работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания

В подавляющем большинстве легковых автомобилей устанавливают четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, поэтому мы и берём его за основу. Чтобы лучше понять принцип устройства бензинового ДВС, предлагаем вам взглянуть на рисунок:


Устройство двигателя внутреннего сгорания

Топливно-воздушная смесь, попадая через впускной клапан в камеру сгорания (такт первый – впуск), сжимается (такт второй – сжатие) и воспламеняется от искры свечи зажигания. При сжигании топлива, под воздействием высокой температуры в цилиндре двигателя образуется избыточное давление, заставляющее поршень двигаться вниз к так называемой нижней мертвой точке (НМТ), совершая при этом такт третий – рабочий ход. Перемещаясь во время рабочего хода вниз, с помощью шатуна, поршень приводит во вращение коленчатый вал. Затем, перемещаясь от НМТ к верхней мертвой точке (ВМТ) поршень выталкивает отработанные газы через выпускной клапан в выхлопную систему автомобиля – это четвертый такт (выпуск) работы двигателя внутреннего сгорания.

Давайте ещё раз повторим определения, а затем посмотрим это видео.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня. Совокупность тактов, повторяющихся в строгой последовательности и с определенной периодичностью, обычно называют рабочим циклом , в данном случае, двигателя внутреннего сгорания.

  1. Такт первый — ВПУСК. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, при этом возникает разряжение и полость цилиндра ДВС заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Смесь, попадая в камеру сгорания, смешивается с остатками отработавших газов. В конце впуска давление в цилиндре составляет 0,07–0,095 МПа, а температура 80-120 ºС.
  2. Такт второй – СЖАТИЕ. Поршень движется к ВМТ, оба клапана закрыты, рабочая смесь в цилиндре сжимается, а сжатие сопровождается повышением давления (1,2–1,7 МПа) и температуры (300-400 ºС).
  3. Такт третий – РАСШИРЕНИЕ. При воспламенении рабочей смеси в цилиндре ДВС выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура (до 2500 градусов по Цельсию). Под давлением поршень перемещается к НМТ. Давление равно 4–6 МПа.
  4. Такт четвертый – ВЫПУСК. Поршень стремится к ВМТ через открытый выпускной клапан, отработавшие газы выталкиваются в выпускной трубопровод, а затем в окружающую среду. Давление в конце цикла: 0,1–0,12 МПа, температура 600-900 ºС.

И так, вы смогли убедиться, что двигатель внутреннего сгорания устроен не очень сложно. Как говорится, все гениальное – просто. А для большей наглядности рекомендуем посмотреть видео, на котором также очень хорошо показан принцип работы ДВС.

Видео: как устроен двигатель внутреннего сгорания

Все о двигателях

Дви́гатель, мотор (от лат. motor приводящий в движение) — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным — преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм — их приводит в действие сила гравитации (падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели — в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электродвигатель (электромотор), пневмодвигатель, гидродвигатель (гидромотор).

Первичные двигатели

Первыми первичными двигателями стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более семи тысяч лет.

Водяное колесо — норию широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяное и ветряное колеса широко использовались в Европе в средних веках как основная энергетическая база мануфактурного производства.

Двигатели внешнего сгорания

Паровые машины

В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр. ). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

Читайте также  Сколько масла в двигателе д 240

В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочередно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне. Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л. с. ).

Паровая турбина

Рисунки, изображающие крыльчатое колесо, вращающееся под воздействием потока пара, известны с древних времен. Однако практические конструкции паровой турбины были созданы лишь во второй половине XIX века, благодаря развитию конструкционных материалов, позволивших достичь высоких скоростей вращения.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, еще в 1884 году англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрел первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала XX века на электростанциях. В 60-х годах XX века их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Двигатель Стирлинга

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объем. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объемах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Двигатели внутреннего сгорания

Возвратно-поступательные

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен еще в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дени Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надежно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем.

В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 70-х годах почти 80% суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр. ). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 70-х годах XX века превысила 600 МВт.

Роторно-поршневой двигатель

Газотурбинные двигатели

В первой половине XX века. создали новые типы первичных двигателей — газовые турбины.

Другие

Также вXX веке появились реактивные двигатели, а в 50-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

Вторичные двигатели

Электродвигатели

В 1834 году русский ученый Борис Семенович Якоби (так писалось его имя в русской транскрипции) создал первый пригодный для практического использования электродвигатель постоянного тока.

В 1888 году сербский студент и будущий великий изобретатель Никола Тесла высказал принцип построения двухфазных двигателей переменного тока, а год спустя русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский создал первый в мире 3-фазный асинхронный электродвигатель, ставший наиболее распространенной электрической машиной.

Пневмодвигатели и гидромашины

Пневмодвигатели и гидромашины, соответственно, работают от сетей (баллонов) высокого давления воздуха или жидкости преобразуя гидравлическую (пневматическую) энергию насосов. Их широко применяют в качестве исполнительных механизмов в различных устройствах и системах. Так, созданы пневмолокомотивы (особенно пригодны для работ во взрывоопасных условиях, например в шахтах, где тепловые двигатели не применимы из-за температурных условий, а электрические — из-за искр при коммутации), с помощью гидромашин осуществляется привод гусениц в некоторых типах тракторов и танков, перемещение рабочих органов бульдозеров и экскаваторов. Все разнообразнее конструкции экологически чистых городских автомобилях на пневмоприводах, предлагаемых инженерами разных стран. Вторичные двигатели играют большую роль в технике, однако их мощность относительно невелика. Их также широко применяют и в миниатюрных и сверхминиатюрных устройствах.

Классификации

По источнику энергии

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);

переменного тока (синхронные и асинхронные);

По типам движения

Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

вращательное движение твердых тел;

поступательное движение твердых тел;

возвратно-поступательное движение твердых тел;

движение реактивной струи;

другие виды движения.

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

Некоторые типы электроракетных двигателей:

стационарные плазменные двигатели;

двигатели с анодным слоем;

электромагнитные двигатели и др.

Тепловые двигатели по устройству

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

поршневые паровые двигатели;

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

двигатели с герметично запираемыми рабочими камерами (поршневые и роторные ДВС);

двигатели с камерами, откуда рабочее тело имеет свободный выход в атмосферу (газовые турбины).

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

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

Реактивные двигатели

Воздушно-реактивные двигатели:

прямоточные реактивные (ПВРД);

пульсирующие реактивные (ПуВРД);

Ракетные двигатели

жидкостные ракетные двигатели;

твердотопливные ракетные двигатели;

ядерные ракетные двигатели;

некоторые типы электроракетных двигателей.

По применению

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

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

Переносные значения

Важность, первичность двигателя в технике привела к тому, что слово «двигатель» употребляется в переносном смысле во всех сферах деятельности человека (например, в экономике общеизвестно выражение «Реклама — двигатель торговли»)

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: