Пристрій двигуна внутрішнього згоряння

Протягом століть в мотоциклах, легковому та вантажному автомобільному транспорті використовується двигун внутрішнього згоряння. До сих пір він залишається найекономічнішим видом мотора. Але для багатьох залишається незрозумілим принцип дії і пристрій ДВС. Спробуємо розібратися в основних тонкощах і специфіці будови мотора.

📌Определеніе і загальні особливості

Ключова особливість будь-якого ДВС полягає в запаленні горючої суміші прямо в його робочій камері, а не в зовнішніх носіях. У момент горіння палива отримана теплова енергія стимулює роботу механічних компонентів мотора.

📌Історія створення

До появи ДВС самохідні машини оснащувалися двигунами зовнішнього згоряння. Працювали такі агрегати від тиску пари, що утворюється в результаті нагрівання води в окремому резервуарі.

Конструкція таких двигунів була габаритної і малоефективною - крім великої ваги установки для подолання великих відстаней транспорту потрібно було тягнути за собою ще й пристойний запас палива (вугілля або дрова).

З огляду на такого недоліку інженери і винахідники намагалися вирішити важливе питання: як поєднати паливо з тілом силового агрегату. За рахунок видалення з системи таких елементів, як котел, резервуар для води, конденсатор, випарник, насос і т.д. можна було значно знизити вагу мотора.

Створення двигуна внутрішнього згоряння в звичному для сучасного автомобіліста вигляді відбувалося поступово. Ось основні віхи, що призвели до появи сучасного ДВС:

• 1791р. Джон Барбер винаходить газову турбіну, яка функціонувала на підставі процесу «перегонки» нафти, вугілля і деревини в ретортах. Отриманий газ разом з повітрям нагнітався компресором в камеру згоряння. Утворився гарячий газ під тиском подавався на крильчатку робочого колеса, і обертав його.
• 1794р. Роберт Стріт патентує рідкопаливний двигун.
• 1799р. Філіп Лебон в результаті піролізу нафти отримує світильний газ. У 1801 році пропонує використовувати його в якості палива для газових двигунів.
• 1807.. Франсуа Ісаак де Ріваз - патент про «використання вибухають матеріалів, як джерела енергії в двигунах». На підставі розробки створює «Автомобільний екіпаж».
• 1860р. Етьєн Ленуар вперше втілив у реальність ранні винаходи, створивши працездатний мотор, що працює від суміші светильного газу і повітря. Механізм приводився в рух за допомогою іскри від зовнішнього джерела живлення. Винахід застосовувалося на човнах, але на самохідних машинах не встановлювалося.
• 1861р. Альфонс Бо Де Роша розкриває важливість стиснення палива перед його займанням, що послужило для створення теорії роботи чотиритактного ДВС (всмоктування, стиснення, горіння разом з розширенням і випуск).
• 1877р. Ніколаус Отто створює перший чотиритактний ДВС потужністю в 12 л.с.
• 1879р. Карл Бенц патентує двотактний мотор.
• 1880-і роки. Огнеслав Костровіч, Вільгельм Майбах і Готліб Даймлер паралельно розробляють карбюраторні модифікації ДВС, готуючи їх до серійного виробництва.

Крім моторів, що працюють на бензиновому паливі, в 1899 році з'являється «Трінклер-мотор». Винахід - ще один різновид ДВС (бескомпрессорний нафтової двигун високого тиску), що працює за принципом винаходи Рудольфа Дизеля. З роками силові агрегати, як бензинові, так і дизельні, удосконалювалися, що підвищувало їх ККД.

📌Віди ДВС

За типом конструкції і специфіці роботи ДВС класифікуються за кількома критеріями:

• За типом використовуваного палива - дизельні, бензинові, газові.
• За принципом охолодження - рідинні та повітряні.
• Залежно від розташування циліндрів - рядні і V-подібні.
• За способом приготування паливної суміші - карбюраторні, газові та інжекторні (суміші утворюються в зовнішній частині ДВС) і дизельні (у внутрішній частині).
• За принципом запалювання паливної суміші - з примусовим запалюванням і з самозаймання (властиво дизельним агрегатам).

Двигуни також розрізняють за специфікою конструкції та ефективності роботи:

• Поршневі, у яких робоча камера локалізована в циліндрах. Варто врахувати, що такі ДВС діляться на кілька підвидів:
  • карбюраторні (карбюратор відповідає за створення збагаченої робочої суміші);
  • інжекторні (надходження суміші відбувається безпосередньо у впускний колектор через форсунки);
  • дизельні (загоряння суміші відбувається за рахунок створення високого тиску всередині камери).
  • Роторно-поршневі, які характеризуються перетворенням теплової енергії в механічну завдяки обертанню ротора разом з профілем. Робота ротора, рух якого за формою нагадує 8-ку, повністю замінює собою функції поршнів, ГРМ і коленвала.
  • Газотурбінні, в яких мотор приводиться в роботу тепловою енергією, одержуваної за рахунок обертання ротора з лопатями, що нагадують за формою меч. Він і приводить в рух турбінний вал.

Теорія, на перший погляд, здається зрозумілою. Тепер розглянемо головні складові компоненти силового агрегату.

📌Пристрій ДВС

Конструкція корпусу включає такі компоненти:

• блок циліндрів;
• кривошипно-шатунний механізм;
• механізм газорозподілу;
• системи подачі і займання горючої суміші і відведення відпрацьованих газів встановлювалися (вихлопних газів).

Для розуміння місця розташування кожного компонента, розглянемо схему будови мотора:

Цифра 6 означає місце, де розташований циліндр. Він є одним з ключових компонентів ДВС. Усередині циліндра розташований поршень, позначений цифрою 7. Він скріплений з шатуном і коленвалом (на схемі позначені номерами 9 і 12, відповідно). Переміщення поршня усередині циліндра вгору і вниз провокує утворення обертальних рухів клонували. На кінці колневала передбачено наявність маховика, показаного на схемі під цифрою 10. Він необхідний для рівномірного обертання валу. Верхня частина циліндра оснащена щільною головкою, що має клапани впуску суміші і випуску відпрацьованих газів. Вони показані під цифрою 5.

Відкриття клапанів стає можливим за рахунок кулачків розподільного валу, позначеного номером 14, а точніше – його передавальних елементів (номер 15). Обертання розподільного валу забезпечують шестірні коленвала, позначені цифрою 13. При вільному переміщенні поршня в циліндрі він здатний зайняти два крайні положення.

Забезпечити нормальну роботу ДВС може тільки рівномірна подача паливної суміші в потрібний момент. Щоб зменшити експлуатаційні витрати мотора на відведення тепла і запобігти передчасному зносу рушійних компонентів, їх змащують маслом.

📌Прінціп роботи ДВС

Сучасні ДВС працюють від запалав палива всередині циліндрів і енергії, яка з'явилася в результаті цього. Через впускний клапан (у багатьох двигунах їх по два на циліндр) подається суміш бензину і повітря. Там же вона запалюється за рахунок іскри, яку утворює свічка запалювання. У момент міні вибуху гази в робочій камері розширюються, створюючи тиск. Воно надає руху поршень, прикріплений до КШМ.

Дизелі працюють за схожим принципом, тільки процес горіння ініціюється трохи інакше. Спочатку повітря в циліндрі стискається, що призводить його до нагрівання. Перед тим, як поршень досягне ВМТ в такті стиснення, форсунка розпилює паливо. Через гарячого повітря паливо спалахує самостійно без іскри. Далі процес ідентичний бензинової модифікації ДВС.

КШМ перетворює зворотно-поступальні рухи поршневої групи в обертання колінчастого вала. Крутний момент йде на маховик, потім на механічну або автоматичну КПП і на завершення - на провідні колеса.

Процес під час руху поршня вгору або вниз називається тактом. Все такти до моменту їх повторення називаються циклом.

В один цикл входить процес всмоктування, стиснення, займання разом з розширенням утворилися газів, випуску.

Існує дві модифікації моторів:

1. У двотактному за цикл колінвал обертається один раз, а поршень опуститься вниз і підніметься вгору.
2. У чотиритактному за цикл колінвал провернеться два рази, а поршень зробить чотири повних руху - опуститься, підніметься, опуститься, підніметься.

📌Прінціп роботи двотактного двигуна

Коли водій запускає мотор, стартер приводить в рух маховик, колінвал провертається, КШМ переміщує поршень. Коли він досягає НМТ і починає підніматися, робоча камера вже заповнена горючою сумішшю.

В ВМТ поршня вона запалюється, і переміщує його вниз. Далі відбувається вентиляція - відпрацьовані гази витісняються новою порцією робочої горючої суміші. Залежно від пристрою мотора продування може відбуватися по-різному. Одна з модифікацій передбачає заповнення паливно-повітряною сумішшю підпоршневу простору, коли він піднімається, а коли поршень опускається, вона видавлюється в робочу камеру циліндра, витісняючи продукти горіння.

У таких модифікаціях моторів немає клапанної системи газорозподілу. Сам поршень відкриває / закриває впускний / випускний отвір.

Подібні мотори використовуються в малопотужної техніки, тому що газообмін у них відбувається за рахунок заміщення відпрацьованих газів черговою порцією повітряно-паливної суміші. Так як разом з вихлопом частково видаляється і робоча суміш, дана модифікація відрізняється підвищеною витратою палива і меншою потужністю в порівнянні з четирехтактнимі аналогами.

Одна з переваг таких ДВС - менше тертя за один цикл, але при цьому вони сильніше нагріваються.

📌Прінціп роботи чотиритактного двигуна

Більшість автомобілів та інших механічних транспортних засобів оснащуються чотиритактними моторами. Для подачі робочої суміші і відведення відпрацьованих газів використовується механізм газорозподілу. Він приводиться в рух через привід ГРМ, з'єднаний зі шківом коленвала пасової, ланцюгової або шестеренчатой ​​передачею.

обертається розподільний вал піднімає / опускає впускні / випускні клапани, що знаходяться над циліндром. Даний механізм забезпечує синхронність відкриття відповідних клапанів для подачі горючої суміші і відведення відпрацьованих газів.

У таких двигунах цикл відбувається наступним чином (на прикладі бензинового ДВС):

1. У момент запуску двигуна стартер провертає маховик, який приводить в рух колінвал. Відкривається впускний клапан. Кривошипно-шатунний механізм опускає поршень, створюючи вакуум в циліндрі. Відбувається такт всмоктування повітряно-паливної суміші.
2. Переміщаючись з нижньої мертвої точки вгору, поршень стискає горючу суміш. Це другий такт - стиснення.
3. Коли поршень знаходиться у верхній мертвій точці, свічка створює іскру, яка запалює суміш. Через вибух відбувається розширення газів. Надлишок тиску в циліндрі переміщує поршень вниз. Це третій такт - займання і розширення (або робочий хід).
4. Обертається колінвал переміщує поршень вгору. У цей момент распредвал відкриває випускний клапан, через який піднімається поршень витісняє відпрацьовані гази. Це четвертий такт - випуск.

📌Вспомогательние системи двигуна внутрішнього згоряння

Жоден сучасний двигун внутрішнього згоряння не здатний працювати самостійно. Це так, тому що паливо потрібно доставити від бензобака до мотора, воно повинно в потрібний момент спалахнути, а щоб двигун не «задихнувся» від вихлопних газів, їх потрібно вчасно видалити.

Обертові деталі потребують постійної мастилі. Через підвищених температур, що утворюються в процесі горіння, двигун потрібно охолодити. Ці супутні процеси не забезпечуються самим мотором, тому ДВС працює разом з допоміжними системами.

📌Сістема запалювання

Дана допоміжна система призначена для своєчасного займання горючої суміші при відповідному положенні поршня (ВМТ в такті стиснення). Вона використовується на бензинових двигунах внутрішнього згоряння і складається з таких елементів:

• Джерело живлення. Коли мотор знаходиться в спокійному стані, цю функцію виконує акумуляторна батарея (як завести авто, якщо акумулятор сів, читайте в окремій статті). Після запуску двигуна в якості джерела енергії виступає генератор.
• Замок запалювання. Пристрій, який замикає електричний ланцюг для її запітиванія від джерела живлення.
• Накопичувач. У більшості бензинових автомобілях варто котушка запалювання. Є також моделі, в яких таких елементів декілька - по одній на кожній свічці запалювання. Вони перетворять низьку напругу, що йде від АКБ, в струм високої напруги, яке потрібно для створення якісної іскри.
• Розподільник-переривник запалювання. У карбюраторних автомобілях це трамблер, в більшості інших цей процес контролюється ЕБУ. Такі пристрої розподіляють електричні імпульси на відповідні свічки запалювання.

Інтакетна система

Для створення процесу горіння необхідна сукупність трьох чинників: палива, кисню і джерела запалення. Якщо подати електричний розряд - завдання системи запалювання, то впускная система забезпечує надходження кисню в двигун, щоб пальне змогло спалахнути.

Дана система складається з:

• Повітрозабірника - патрубка, через який відбувається забір чистого повітря. Процес надходження залежить від модифікації двигуна. В атмосферних моторах відбувається всмоктування повітря за рахунок створення вакууму, що утворюється в циліндрі. У турбованих моделях цей процес посилюється за рахунок обертання лопатей нагнітача, що збільшує потужність мотора.
• Фільтр повітря призначений для очищення потоку від пилу і дрібних частинок.
• Дросельної заслінки - клапана, що регулює кількість що надходить в мотор повітря. Регулюється або натисканням на педаль акселератора, або електронікою блоку управління.
• Впускного колектора - системи труб, з'єднаних в одну загальну трубу. В інжекторних ДВС зверху встановлюється дросельна заслінка і для кожного циліндра по паливній форсунці. У карбюраторних модифікаціях на впускному колекторі встановлено карбюратор, в якому відбувається змішування повітря з бензином.

Крім повітря в циліндри потрібно подати і паливо. Для цієї мети розроблена паливна система, що складається з:

• паливного бака;
• паливної магістралі - шланги і трубки, по яких від резервуара до мотора рухається бензин або дизпаливо;
• карбюратора або інжектора (систем форсунок, які розпилюють пальне);
• паливного насоса, Що перекачує пальне з бака в карбюратор або інший пристрій для змішування палива і повітря;
• паливного фільтра, що очищає бензин або ДТ від сміття.

На сьогоднішній день існує багато модифікацій моторів, в яких робоча суміш подається в циліндри різними методами. Серед таких систем існують:

• моновприск (принцип карбюратора, тільки з форсункою);
• розподілений вприк (для кожного циліндра встановлюється окрема форсунка, повітряно-паливна суміш формується в каналі впускного колектора);
• безпосереднє уприскування (форсунка розпилює робочу суміш безпосередньо в циліндр);
• комбінований впорскування (поєднує в собі принцип безпосереднього і розподіленого уприскування)

📌Сістема мастила

Всі труться поверхні металевих деталей необхідно змастити для охолодження і зменшення їх зносу. Щоб забезпечити такий захист, мотор оснащується системою змащення. Вона також забезпечує захист металевих деталей від окислення і видаляє нагар. Система мастила складається з:

• піддону картера - резервуара, в якому знаходиться моторне масло;
• масляного насоса, що створює тиск, завдяки якому мастило надходить в усі вузли мотора;
• масляного фільтра, що затримує будь-які частинки, що утворюються в результаті роботи мотора;
• деякі автомобілі оснащуються масляним радіатором для додаткового охолодження мастила мотора.

📌Вихлопная система

Якісна вихлопна система забезпечує видалення відпрацьованих газів з робочих камер циліндрів. Сучасні автомобілі оснащені системою вихлопу, в яку входять наступні елементи:

• випускний колектор, в якому гасяться вібрації гарячих відпрацьованих газів;
• приймальня труба, в яку відпрацьовані гази надходять з колектора (подібно випускного колектора виготовляється з жаростійкого металу);
• каталізатор, що очищає відпрацьовані гази від шкідливих елементів, що дозволяє транспортному засобу відповідати екологічним нормам;
• резонатор - ємність, трохи менша основного глушника, призначена для зниження швидкості вихлопу;
• основний глушник, всередині якого знаходяться перегородки, що змінюють напрямок відпрацьованих газів для зниження їх швидкості і шуму.

📌Сістема охолодження

Дана додаткова система дозволяє працювати мотору без перегріву. вона підтримує робочу температуру двигуна, Поки він заведений. Щоб цей показник не перевищував критичні межі навіть коли машина стоїть, система складається з таких деталей:

• радіатор охолодження, Що складається з трубок і пластин, призначених для швидкого теплообміну між охолоджувальною рідиною і повітрям навколишнього середовища;
• вентилятор, що забезпечує подачу більшого потоку повітря, наприклад, якщо машина стоїть в пробці і радіатор не обдувається в достатній мірі;
• водяна помпа, завдяки якій забезпечується циркуляція охолоджуючої рідини, що відводить тепло від гарячих стінок блоку циліндрів;
• термостат - клапан, який відкривається після того, як мотор прогріється до робочої температури (до його спрацьовування ОЖ циркулює по малому колу, а коли він відкривається - рідина рухається через радіатор).

Синхронна робота кожної допоміжної системи забезпечує безперебійну роботу двигуна внутрішнього згоряння.

📌Цікли двигуна

Під циклом маються на увазі дії, які повторюються в окремому циліндрі. Чотиритактний мотор оснащується механізмом, який забезпечує спрацьовування кожного з цих циклів.

У ДВС поршень виконує зворотно-поступальні рухи (вгору / вниз) по циліндру. Шатун і кривошип, закріплений на ньому, перетворює цю енергію в обертання. Під час однієї дії - коли поршень доходить від нижньої точки до верхньої і назад - колінчастий вал робить один оборот навколо своєї осі.

Щоб цей процес відбувався постійно, в циліндр повинна надходити повітряно-паливна суміш, вона повинна в ньому стискатися і займатися, а також повинні віддалятися продукти горіння. Кожен з цих процесів відбувається за один оборот коленвала. Ці дії називаються тактами. Всього в четирехтактніков їх чотири:

1. Впуск або всмоктування. На цьому такті в порожнину циліндра всмоктується повітряно-паливна суміш. Вона надходить через відкритий впускний клапан. Залежно від типу паливної системи бензин змішується з повітрям у впускному колекторі або безпосередньо в циліндрі, як, наприклад, у дизелів;
2. Стиснення. У цей момент як впускний, так і випускний клапани закриті. Поршень йде вгору завдяки провороту клонували, а він обертається за рахунок виконання інших тактів в суміжних циліндрах. У бензиновому моторі ВТС стискається до декількох атмосфер (10-11), а в дизелі - більш 20атм .;
3. Робочий хід. У момент, коли поршень зупиниться в самому верху, стиснута суміш запалюється за допомогою іскри від свічки запалювання. У дизельному агрегаті цей процес дещо відрізняється. У ньому повітря так сильно стискається, що його температура підскакує до значення, при якому солярка загоряється самостійно. Як тільки відбувається вибух суміші палива і повітря, вивільнити енергії нікуди діватися, і вона переміщує поршень вниз;
4. Випуск продуктів горіння. Щоб камера наповнилася свіжою порцією горючої суміші, гази, що утворилися в результаті займання, необхідно видалити. Це відбувається в наступному такті, коли поршень йде вгору. У цей момент відкривається випускний клапан. При досягненні поршнем верхньої мертвої точки цикл (або сукупність тактів) в окремому циліндрі замикається, і процес повторюється.

📌Преімущества і недоліки ДВС

На сьогоднішній день оптимальний варіант двигунів для механічних транспортних засобів - ДВС. Серед переваг таких агрегатів можна виділити:

• простота в ремонті;
• економічність для далеких поїздок (залежить від його обсягу);
• великий робочий ресурс;
• доступність для автомобіліста середнього достатку.

Ідеального мотора поки ще не створили, тому дані агрегати мають і деякі недоліки:

• чим складніше агрегат і супутні системи, тим дорожче їх обслуговування (приклад - мотори EcoBoost);
• вимагає тонке налаштування системи подачі палива, розподілу запалювання та інших систем, що вимагає певних навичок, інакше мотор буде працювати неефективно (або взагалі не заведеться);
• більшої ваги (у порівнянні з електричними двигунами);
• знос кривошипно-шатунного механізму.

Незважаючи на оснащення багатьох ТС іншими типами моторів ( «чисті» автомобілі, що працюють від електротяги), ДВС ще довгий час будуть зберігати конкурентні позиції завдяки своїй доступності. Гібридні і електричні версії авто набирають популярність, проте через дорожнечу таких ТЗ і вартості їх обслуговування вони поки не доступні пересічному автомобілісту.

Поширені питання:

Що таке двигун внутрішнього згоряння? Це різновид силових агрегатів, де в конструкції передбачена закрита камера згоряння, в якій утворюється теплова енергія (за рахунок запалення паливно-повітряної суміші) і перетворюється в механічну.

Хто винайшов двигун внутрішнього згоряння? Зразок першого в світі двигуна внутрішнього згоряння був відкритий французьким винахідником Етвеном Ленуаром в 1860 році. Перший чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, за схемою якої працюють абсолютно всі силові агрегати, винайшов Ніколаус Отто.

З чого складається двигун? Найпростіший ДВС складається з блоку циліндрів, в якому встановлена ​​кривошипно-шатунная система, циліндро-поршнева група, зверху блок накритий головкою блоку циліндрів з газорозподільним механізмом (распредвал і клапана), впускная і випускна система, паливна і система запалювання.