Что такое двигатель внутреннего сгорания принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания: принцип работы и устройство

Сердцем любого автомобиля является двигатель внутреннего сгорания. Он отличается тем, что топливная смесь у него воспламеняется и горит внутри цилиндра. Принцип его работы основывается на том, что газы расширяются, когда происходит горение. Давайте немного рассмотрим работу бензинового и дизельного агрегатов и некоторые их циклы.

Рабочий цикл мотора – это несколько процессов, которые выполняются друг за другом с соблюдением строгого временного периода. Этот цикл протекает во всех цилиндрах, которые имеются в агрегате, и обеспечивает процесс, когда энергия тепла превращается в механическое движение. Когда цикл проходит за два движения рабочего поршня, то это равняется одному обороту коленчатого вала. Тогда можно с уверенностью утверждать, что агрегат является двухтактным.

Автомобильные моторы выполняют свою работу, следуя строго своим циклам. Каждый из них — это четыре отдельных такта. Последние укладывается за два полноценных валовых оборота, что равно четырем поршневым ходам. Другими словами, двигатель является четырехтактным.

Каждый из четырех тактов имеет свое название. Первым идет впуск. Вторым — сжатие. Третьим — расширение. Четвертым — выпуск. Самые предельные положения поршня, то есть когда он максимально либо отдален от вала, либо приближен к нему, именуются как верхняя и нижняя точки предела.

Пока вал выполняет первую половину одного оборота, поршень смещается в самую нижнюю часть. В этот момент полностью открывается впускной клапан. Клапан для выпуска пока остается плотно закупоренным. Это приводит к образованию разряжения внутри цилиндра. Из-за этого энергетическая воздушно-бензиновая смесь попадает внутрь цилиндра через тот же впуск. Там она смешивается с теми газовыми остатками, которые уже отработаны. Получается смесь, подходящая для работы.

Когда полость цилиндра до отказа заполнен воспламеняющейся смесью, поршень, вращаясь, смещается вверх до максимума. Все клапаны остаются плотно закрытыми. Объем смеси постепенно уменьшается, а вот ее температурное значение и давление наоборот становятся выше.

Когда такт подходит к своему завершению, происходит возгорание смеси. Для этого используется электрическая искра от свечей зажигания. Итак, смесь загорается и быстро выгорает. Это приводит к тому, что температурное значение и давление из-за образования газов значительно увеличиваются. Поршень же при этом сдвигается в самый низ до минимума. Когда происходит расширение, шатун, который соединен с поршнем шарнирами, выполняет довольно сложное движение.

Когда газы расширяются, он выполняют полезное действие. Поэтому вращение поршня на третьем валовом полуобороте именуется рабочим ходом. В конце данного процесса, когда поршень уходит в низ до самого минимума. Из-за этого значительно падают температурные показатели и, конечно, давление.

На четвертом валовом полуобороте поршень смещается до самого верхнего максимума. Именно через выпускной клапан все продукты горения вытесняются из цилиндровой внутренности. Для этого имеется специальный газоотвод.

Если говорить о дизельных агрегатах, то у них на в цилиндр запускается не смесь, а чистый кислород. Когда начинается сжатие, воздух нагревается до шестисот градусов по Цельсию. На конечном тактовом этапе в цилиндр поступает совсем немного дизеля. Именно он и воспламеняется.

Когда же поршень опускается до самой нижней точки из-за образовавшегося разряжения, то из фильтра для воздуха внутрь цилиндра подается кислород. При этом впуск должен быть отрытым.

Теперь поршень начинает двигаться вверх до самого максимума. При этом все клапаны плотно закупориваются. Это приводит к тому, что воздушная масса начинает сильно сжиматься. Чтобы произошло возгорание топлива, нужно чтобы температура воздуха была выше, чем та, при которой может само воспламеняться. Используются форсунки и топливный насос.

На конечном этапе сжимания запускается дизель. Он перемешивается с кислородом, который нагрет до предела, и загорается. Начинает процесс активного горения, что становится причиной значительного увеличения температуры и давления в цилиндре. Газы заставляют поршень смещаться в низ, то есть выполнять свою прямую обязанность — рабочий ход. И как раз теперь давление и температура смеси в цилиндре идут на спад.

На следующем этапе поршень снова подымается к верхней точке. Давление и температура снижаются до стабильной нормы. Когда процесс выпуска будет закончен, весь процесс вращения вала снова повторяется. Рабочая последовательность остается той же.

Один из самых технологичных двигателей: W16, 1500л.с. для Bugatti Chiron

Все современные машины обычно оборудуют многоцилиндровыми агрегатами. Чтобы такой мотор совершал свой рабочий процесс равномерно, расширяющие такты должны проходить через одинаковые поворотные углы вала.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром. Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя. Аппарат Ленуара имел несовершенную конструкцию, низкий КПД (около 3 %) и через несколько лет был вытеснен более совершенными двигателями.

Наибольшее распространение среди них получил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 г. немецким изобретателем Н. Отто. Каждый рабочий цикл этого двигателя включал в себя четыре такта: впуск горючей смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск продуктов сгорания. Отсюда и название двигателя — четырехтактный.

Двигатели Ленуара и Отто работали на смеси воздуха со светильным газом. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1885 г. немецким изобретателем Г. Даймлером. Примерно в это же время бензиновый двигатель был разработан и О. С. Костовичем в России. Горючая смесь (смесь бензина с воздухом) приготовлялась в этом двигателе с помощью специального устройства, называемого карбюратором.

Современный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания изображен на рисунке 88. Поршни, находящиеся внутри цилиндров двигателя, соединены с коленчатым валом 1. На этом валу укреплен тяжелый маховик 2. В верхней части каждого цилиндра имеется два клапана: один из них называется впускным, другой — выпускным. Через первый из них горючая смесь попадает в цилиндр, а через второй продукты сгорания топлива уходят наружу.

Принцип действия одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания иллюстрирует рисунок 89.

1-й такт — впуск. Открывается клапан 1. Клапан 2 закрыт. Движущийся вниз поршень 3 засасывает в цилиндр горючую смесь.
2-й такт — сжатие. Оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
3-й такт — рабочий ход. Оба клапана закрыты. Когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи 4. В результате сгорания смеси образуются раскаленные газы, давление которых составляет 3—6 МПа, а температура достигает 1600—2200 °С. Сила давления этих газов толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик будет вращаться дальше по инерции, обеспечивая тем самым перемещение поршня и при последующих тактах.
4-й такт — выпуск. Открывается клапан 2. Клапан 1 закрыт. Поршень движется вверх. Продукты сгорания топлива уходят из цилиндра и через глушитель (на рисунке не показан) выбрасываются в атмосферу.

Мы видим, что в одноцилиндровом двигателе полезная работа совершается лишь во время третьего такта. В четырехцилиндровом двигателе (см. рис. 88) поршни укреплены таким образом, что во время каждого из четырех тактов один из них находится в стадии рабочего хода. Благодаря этому коленчатый вал получает энергию в 4 раза чаще. При этом увеличивается мощность двигателя и в лучшей степени обеспечивается равномерность вращения вала.

Частота вращения вала у большинства двигателей внутреннего сгорания лежит в пределах от 3000 до 7000 оборотов в минуту, а в некоторых случаях достигает 15 000 оборотов в минуту и более.

В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания, в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. В процессе этого сжатия температура воздуха поднималась настолько, что при попадании в него топлива оно самовозгоралось. Специального устройства для воспламенения топлива в этом двигателе уже не требовалось; не нужен был и карбюратор. Новые двигатели стали называть дизелями.

Двигатели Дизеля являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешевых видах топлива и имеют КПД 31—44 % (в то время как КПД карбюраторных двигателей составляет обычно 25-30 %). В настоящее время они применяются на тракторах, тепловозах, теплоходах, танках, грузовиках, передвижных электростанциях.

Судьба самого изобретателя нового двигателя оказалась трагической. 29 сентября 1913 г. он сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Талантливый инженер бесследно исчез. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г. Даймлером. Одновременно с этим Даймлер запатентовал установку своего двигателя на моторной лодке и мотоцикле. В том же году, но чуть позже появился трехколесный автомобиль К- Бенца. Громоздкие и трудноуправляемые паровые автомобили стали вытесняться новыми машинами. Последующие годы явились началом промышленного производства автомобилей.
В 1892 г. свой первый автомобиль построил Г. Форд (США). Через 11 лет его автомобили (рис. 90) были запущены в массовое производство.

В 1908 г. автомобили начали производить на Русско-Балтийском заводе в Риге. Один из первых русских автомобилей «Руссо-Балт» показан на рисунке 91.

Важную роль в развитии и распространении нового вида транспорта сыграли автомобильные гонки, которые стали устраиваться с 1894 г. В первой из них средняя скорость автомобилей составляла лишь 24 км/ч. Однако уже через пять лет она достигла 70 км/ч, а еще через пять лет— 100 км/ч.

После 1900 г. началось производство специальных гоночных автомобилей. С каждым годом их скорость возрастала. В 60-х гг. скорость автомобилей с поршневым двигателем превысила 600 км/ч, а после установки на автомобиле газотурбинного двигателя она перевалила за 900 км/ч. Наконец, в 1997 г. Э. Грин (Великобритания) на своем ракетном автомобиле «Траст SSC» достиг скорости 1227,985 км/ч, что превысило скорость звука в воздухе!

1. Опишите принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Из каких тактов состоит каждый его рабочий цикл? 2. Какую роль в двигателе играет маховик? 3. Чем отличается дизельный двигатель внутреннего сгорания от карбюраторного? 4. Кто создал первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания: виды, принцип действия, преимущества и недостатки

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – автомобильный механизм, работа которого зависит от преобразования одного вида энергии (в частности, химической реакции от сгорания топлива) в другой вид (механическую энергию для запуска автомобиля).

В качестве достоинств двигателя внутреннего сгорания, которые определяют его широчайшее использование, отмечают: автономность, относительно невысокая стоимость, возможность использования на различных потребителях, многотопливность (двс могут работать на бензине, дизельном топливе, газе и даже на спирте и рапсовом масле). Так же к достоинствам можно отнести достаточно высокую надежность ДВС и неприхотливость в работе, простоту обслуживания.

При этом двигатели внутреннего сгорания обладают рядом недостатков: низкий коэффициент полезного действия, токсичность, шумность.

Однако по сочетанию своих достоинств и недостатков на сегодняшний день в транспортной сфере (в качестве автомобильных двигателей) серьезных конкурентов у двигателей внутреннего сгорания нет, и в ближайшее время не предвидится.

ДВС могут разделяться по нескольким категориям

По типу преобразования энергии:

• турбинные;
• поршневые;
• реактивные;
• комбинированные

По типу рабочего цикла:

• с 2-мя тактами цикла;
• с 4-мя тактами цикла

По типу топлива, которое используется:

• на бензине;
• на дизеле;
• на газе

Устройство ДВС

ДВС имеет достаточно сложное устройство, которое может быть оснащено:

• корпусом (блоком и головкой цилиндров);
• рабочими механизмами (кривошипно-шатунным и газораспределительным);
• различными системами (топливной, впускной, выпускной, смазки, зажигания, охлаждения и управления).

КШМ (кривошипно-шатунный механизм) обеспечивает движение возвратно-поступательного характера поршня и обратное вращательное движение вала.

Газораспределительный механизм предназначен для подачи топлива и воздуха в цилиндры, для вывода отработанной газовой смеси.

Топливная система предназначена для обеспечения автомобильного двигателя топливом.

Система впуска отвечает за своевременную подачу воздуха в ДВС, а система выпуска – за вывод отработанных газов, уменьшения уровня шума от работы цилиндров, а также снижения их токсичности.

Система впрыска обеспечивает доставку ТПС в двигатель ВС.

Система розжига (зажигания) выполняет функцию розжига смеси воздуха и топлива, которая поступает в ДВС.

Система смазки обеспечивает своевременную смазку всех внутренних частей и деталей двигателя.

Система охлаждения обеспечивает интенсивное охлаждение рабочей системы ДВС во время работы.

Система управления отвечает за контроль над слаженной работой всех важных систем ДВС.

Принцип работы ДВС

Двигатель работает на тепловой энергии газов, образующихся при сгорании используемого топлива, что в свою очередь запускает поршневое движение в цилиндре. ДВС работает циклически. Для того чтобы повторялся каждый последующий цикл, отработанная смесь удаляется, а в поршень поступает новая часть топлива и воздуха.

В современных моделях автомобилей используются двигатели, работающие на 4-х тактах. Работа такого двигателя основана на четырех равных по времени частях. Такт – это процесс, который осуществляется в цилиндре автомобильного двигателя за один рабочий ход (поднятие/опускание) поршня.

Поршень в цилиндре осуществляет четыре тактовых движения – два вверх и два вниз. Тактовое движение начинается с крайней точки (нижней или верхней) и проходит следующие этапы: впуск, сжатие, движение и выпуск.

Более детально рассмотрим особенности работы ДВС на каждом из тактов.

Впуск начинается в крайней точке (МТ – мертвая точка). Не имеет значения, с какой точки начинается движение, с верхней МТ или нижней МТ. Начиная свое движение в цилиндре, поршень захватывает поступившую топливно-воздушную смесь при открытом клапане впуска. При этом ТВС может образовываться как во впускном коллекторе, так и в камере сгорания.

При сжатии клапаны впуска полностью закрыты, ТВС начинает сжиматься непосредственно в цилиндрах. Это происходит за счет обратного поршневого движения от одной МТ к другой. При этом ТВС сжимается до размера самой камеры сгорания. Сильное сжатие обеспечивает более продуктивную работу ВДС.

Такт движения (рабочий ход)

На данном такте осуществляется розжиг воздушно-топливной смеси. Это может быть как путем самовоспламенения (для дизельных двигателей), так и принудительным воспламенением (для бензиновых двигателей). Вследствие возгорания ВТС происходит быстрое образование газов, энергия которых воздействует на поршень, приводя его в движение. КШМ трансформирует поступательные поршневые движения во вращательные вала. Клапаны системы на такте движения, как и на такте сжатия должны быть полностью закрытыми.

На последнем такте выпуска происходит открытие всех выпускных клапанов, после чего газораспределительный механизм удаляет отработанные газы из ДВС в выпускную систему, где происходит очистка, охлаждение и снижение уровня шума. В конце происходит полный выброс газов в атмосферу.

После завершения такта выпуска, циклы повторяются, начиная с такта впуска.

Видео, в котором наглядно показывается устройство и работа двигателя внутреннего сгорания:

Принцип работы ДВС: Виды двигателей, Устройство двигателя, Рабочий цикл ДВС

Двигатель внутреннего сгорания — один из ключевых элементов конструкции транспортного средства. Он представляет собой внушительный агрегат, принцип работы двигателя внутреннего сгорания основывается на изменении энергии для действия определенных частей агрегата.

Виды моторов

Существует три вида двигателей, встречаемых в транспортных средствах:

• поршневой
• роторно-поршневой
• газотурбинный

Большой популярностью пользуется первый вариант моторов. На некоторые модели автомобилей устанавливают так поршневые двигатели с четырьмя тактами. Вызвана такая популярность тем, что подобные агрегаты стоят дешевле, имеют небольшой вес и подходят для использования практически во всех машинах вне зависимости от производства.

Если говорить простыми словами, то двигатель автомобиля — это особый механизм, способный изменить энергию тепла, превратив ее в механическую энергию, благодаря чему удается обеспечить работу множества элементов конструкции автомобиля, а также его систем.

Изучить принцип действия мотора не составит труда. Например, поршневые ДВС делятся на двух- и четырехтактные агрегаты. Четырехтактными двигатели называют потому, что в одном рабочем цикле элемента поршень двигается четыре раза (такта). Подробнее о том, что представляют собой такты, написано далее.

Устройство мотора

Прежде, чем разбираться с принципом работы, стоит сначала понять, как устроен силовой агрегат и что входит в его конструкцию. Так как поршневые считаются наиболее востребованными, рассматриваться будет именно такое устройство. К основным деталям следует отнести:

1. Цилиндры, образующие отдельный блок
2. Головку блока с ГРМ
3. Кривошипно-шатунный механизм

Последний приводит в движение коленчатый вал, заставляя его вращаться. Механизм передает валу энергию, получаемую от двигающегося поршня, который в несколько тактов меняет свое положение. Движение поршня регулирует энергия тепла, возникающая в результате горения топлива.

Невозможно представить и организовать движение силового агрегата без установленных в нем механизмов. Так, например, ГРМ меняет положение клапанов, за счет чего удается обеспечить регулярную подачу топлива, впуская и выпуская определенные составы. Система поступления новых газов и выхода отработавших налажена.

Работа двигателя возможна только при одновременной работе всех включенных в конструкцию деталей, механизмов и других элементов. Также вместе с ними должны бесперебойно действовать следующие системы:

• зажигания, основная роль которой заключается в воспламенении топлива,
• содержащего также воздух;
• впускная, регулирующая своевременную подачу воздуха внутрь цилиндра;
• топливная, благодаря которой удается обеспечить подачу топлива для сгорания и дальнейшей работы транспорта;
• система смазки, снижающая износ трущихся деталей конструкции во время их работы;
• выхлопная, посредством действия которой удается удалить отработавшие газы, в результате чего снижается их токсичность.

Также работает система охлаждения, регулирующая температуру внутри агрегата и следящая за тем, чтобы она была оптимальной.

Рабочий цикл ДВС

Основной цикл мотора подразумевает выполнение четырех основных тактов. Именно о них и пойдет речь дальше по тексту.

Первый такт: впуск

Начальный — движение кулачков, которые являются частью конструкции распределительного вала. Они меняют воздействуют на клапан впуска, заставляя его открыться.

Далее, вслед за открывшимся клапаном, с места двигается поршень. Деталь постепенно перемещается из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. Воздух внутри цилиндра в связи с уменьшением пространства поршнем становится более разреженным, благодаря чему становится возможным поступление подготовленной рабочей смеси.

После этого поршень начинает действовать на коленвал через шатун, вследствие чего вал поворачивается на 180 градусов. Сам поршень уже достигает своего критического нижнего положения, и на этом моменте начинается второй такт.

Второй такт: сжатие

Он подразумевает дальнейшее сжатие смеси, находящейся внутри цилиндра. Клапан впуска закрывается, и поршень меняет свое направление, двигаясь вверх. Воздух в связи с уменьшением пространства начинает сжиматься, а рабочая смесь — нагреваться. Когда второй такт подходит к концу, в действие приходит система зажигания. Ее основное назначение — подача на свечу заряда электричества для образования искры. Именно эта искра поджигает сжатую смесь из топлива и воздуха, приводя к ее воспламенению.

Отдельно стоит рассмотреть, как зажигается топливо у дизельного ДВС. Как только завершается сжатие, начинает поступать мелкораспыленное дизельное топливо через форсунку внутрь камеры. Впоследствии горючее вещество перемешивается с воздухом внутри, благодаря чему происходит воспламенение.

Что касается карбюраторного двигателя со стандартным топливом, то на втором такте коленчатый вал успевает сделать полный оборот.

Третий такт: рабочий ход

Третий такт называется рабочим ходом. Газы, оставшиеся после сгорания смеси, начинают толкать поршень, перемещая его вниз. Полученная деталью энергия передается коленвалу, и тот снова поворачивается, но уже на половину оборота.

Четвертый такт: выпуск

Четвертый такт — выпуск оставшихся газов. Когда такт только начинается, кулачок меняет положение на этот раз выпускного клапана, открывая его. Это способствует началу движения поршня наверх, вследствие чего из цилиндра начинают выходить отработавшие газы.

Интересно, что на современных моделях транспортных средств ДВС оборудованы не одним цилиндром, а несколькими. Благодаря их слаженной работе обеспечивается более качественная работа мотора и систем машины. При этом в каждом цилиндре единовременно выполняются разные такты. Так, например, в одном цилиндре вовсю идет рабочий ход, а во втором — коленчатый вал еще только совершает оборот. Подобная конструкция также:

• избавляет от ненужных вибраций;
• уравновешивает силы, которые действуют на работу коленвала;
• организует ровную работу мотора.

Ввиду компактности двигатели с несколькими цилиндрами изготавливают не рядными, а V-образными. Также существует форма оппозитных двигателей, которые часто можно встретить на автомобилях производства Subaru. Такое решение позволяет сэкономить много места под капотом.

Как работает двухтактный мотор

Выше было упомянуто, что поршневые двигатели делятся как на 4-тактные, так и на 2-тактные. Принцип работы вторых немного отличается от того, что был описан ранее. Да и само устройство такого агрегата значительно проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате всего два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второе расположено чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего это.

Поршень при начале первого такта, до этого перекрывавший впускное окно, начинает двигаться наверх, в результате чего перекрывает собой окно впуска топлива. Поршень в это же время продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече образуется первая искра, и созданная смесь тут же поджигается, воспламеняясь. Впускное окно к этому моменту уже открывается. Оно пропускает очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.

Начало второго такта характеризуется сменой направления движения поршня — он начинает перемещаться вниз. На него действуют газы, стремящиеся расширить имеющееся пространство. Поршень перемещается, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы уходят, пропуская внутрь новую порцию топлива.

Какая-то часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому становится понятным, почему двухтактные двигатели требуют такого количества топлива.

Преимущества и недостатки

Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение большой мощности при небольшом рабочем объеме, если сравнивать их с четырехтактными. Однако владелец авто будет страдать от внушительных расходов топлива, из-за чего в скором времени в его голове возникнет идея поменять агрегат.

Также плюсами двухтактных ДВС можно назвать простую конструкцию, понятную и равномерную работу, маленький вес и компактный размер. К минусам следует отнести грязный выхлоп, нехватку различных систем, а также быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы машин с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его поломку.