Виды, устройство и принцип работы ДВС
С момента установки двигателя внутреннего сгорания на первый автомобиль прошло уже более ста лет. С тех пор он непрерывно усовершенствовался и сейчас является основным двигателем для автотранспортных средств. В данной статье рассмотрим, как устроен ДВС, узнаем принцип его работы и возможные разновидности.
Что такое ДВС
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это вид теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает внутри него, а выделяющаяся при этом теплота преобразуется в механическую работу. Поэтому он и носит название «внутреннего сгорания». Существуют также двигатели внешнего сгорания (паровые машины, двигатель Стирлинга), которые вырабатывают механическую энергию за счет теплоты, подводящейся извне. На сегодняшний день сложно себе представить движение какого-либо транспорта без ДВС. Исключение составляет набирающий все большую популярность электрический мотор.
Устройство двигателя
Первые ДВС имели один небольшой по объему цилиндр. Позже их число и размер увеличивался. Сейчас классической компоновкой считается четыре цилиндра, расположенные в ряд.
Двигатель состоит из следующих основных систем и компонентов:
- Блок цилиндров и головка блока цилиндров. Внутри блока находятся цилиндры с поршнями, которые соединены через шатуны с кривошипом. В камерах сгорания воспламеняется топливовоздушная смесь.
- Кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал. Движение поршней приводит в движение кривошип и коленчатый вал.
- Механизм газораспределения. Через ременное или цепное соединение обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов для правильной работы тактов двигателя.
- Система подачи топлива. В карбюраторных ДВС за подачу отвечает карбюратор, в инжекторных – форсунки, непосредственный впрыск.
- Впускная система. Многие современные моторы форсированные, оснащены нагнетателями и турбинами, чтобы добиться большей мощности, не увеличивая объем ДВС.
- Система зажигания.
- Система смазки.
- Система охлаждения. Без должного отвода тепла двигатель быстро перегреется. Для этого в блоке предусмотрена специальная рубашка с циркулирующей охлаждающей жидкостью.
- Выпускная система.
- Электронная система управления ДВС. Обеспечивает согласованную и оптимальную работу мотора, в соответствии с текущими условиями и командами водителя.
Принцип работы
Работа ДВС основана на эффекте расширения газов, которое возникает при сгорании топлива. Таким образом, создается давление, которое приводит в движение поршни. Этот процесс происходит циклически, снова и снова и называется тактом работы двигателя. Различают двухтактный и четырехтактный двигатель. Рассмотрим работу каждого подробнее.
Четырехтактный
Коленчатый вал четырехтактного двигателя за один рабочий цикл совершает два оборота, за время которых проходит четыре такта:
- Впуск топливовоздушной смеси.
- Сжатие и воспламенение.
- Рабочий ход поршня.
- Выпуск отработавших газов.
На первом такте поршень опускается вниз, при этом открывается впускной клапан и подается топливо с воздухом, без которого не было бы возможно воспламенение. Следующим тактом поршень поднимается вверх и начинается сжатие. Молекулы сжимаются, создается давление, на верхней точке свеча зажигания создает искру, и смесь воспламеняется в камере сгорания. Происходит интенсивное горение, выделяется тепло, давление, которое заставляет поршень двигаться обратно вниз, совершая полезную работу. Вращение передается на коленвал. На четвертом такте поршень вновь идет вверх под действием сил инерции, при этом открывается выпускной клапан. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Затем процесс повторяется. За секунду происходит в среднем 60 таких тактов только в одном цилиндре.
Немаловажную роль играет газораспределительный механизм, который отвечает за открытие и закрытие клапанов в нужный момент. Коленчатый вал связан с распределительным валом цепью или ремнем ГРМ.
Двухтактный
Такой двигатель работает в два такта. Вместо клапанов в цилиндре выполнены впускной и выпускной каналы. Также имеются продувочные каналы для нормализации давления. Через впускной канал в цилиндр поступает топливовоздушная смесь. При движении поршня вверх, продувочные каналы перекрываются, и под поршнем образуется вакуум. При проходе до верхней точки открывается впускной клапан и в вакуум засасывается новая порция топливной смеси. Тем временем срабатывает зажигание, и под давлением поршень опускается вниз. По пути открываются каналы, и топливная смесь проходит через них в камеры наверх. Отработавшие газы при этом выходят наружу. Цикл повторяется. Более наглядно этот процесс можно рассмотреть в анимации или на видео.
Также топливо для двухтактных моторов принято разбавлять маслом, так как в процессе работы происходит смазывание. Большим минусом таких двигателей является то, что в момент выпуска часть топлива может выходить через выхлоп, при этом теряется компрессия и мощность. Они широко применяются для газонокосилок, мопедов, бензопил и другой маломощной техники.
Виды двигателей
Двигатели делятся по устройству, назначению, виду используемого топлива и другим критериям. Одни созданы для наземного транспорта, другие для авиации, а есть и такие, которые могут работать вне атмосферы.
Поршневые ДВС
Если рассматривать автомобильный поршневой ДВС, то его можно классифицировать по следующим основным признакам:
- по рабочему циклу (двухтактные, четырехтактные);
- по количеству цилиндров (может быть от 2 до 16 цилиндров);
- по расположению цилиндров (компоновке), могут располагаться в разных плоскостях и под разными углами;
- по типу применяемого топлива (бензин, дизельное топливо, сжиженный газ);
- по принципу работы ГРМ. Могут быть с одним или двумя распределительными валами, также различают нижнее (уже не применяется) и верхнее положение распредвала;
- по принципу подачи воздуха (атмосферный двигатель или турбированный);
- по способу смесеобразования. С внешним – карбюраторные ДВС, где топливная смесь смешивается в карбюраторе и затем подается в цилиндры. С внутренним смесеобразованием – инжекторные ДВС, которые после 80-х годов начали вытеснять карбюраторные. Под контролем ЭБУ топливо подается через специальные форсунки в каждый цилиндр или может быть единый впрыск. Также может быть выполнен непосредственный впрыск топлива в цилиндр;
- по способу воспламенения топливовоздушной смеси (с искровым зажиганием или с воспламенением от сжатия (дизельные двигатели));
- по способу охлаждения (жидкостное или воздушное).
Роторно-поршневые
Этот тип двигателя в автомобилестроении практически не применялся из-за относительно малого ресурса и быстрого износа. Но есть известные экземпляры, например, Mazda RX8. В роторно-поршневом моторе нет ГРМ и КШМ, вместо них используется эксцентриковый вал и роторы треугольной формы, которые выполняют роль поршней. Принцип работы схож с обычным поршневым мотором. Роторы перемещаются по планетарной траектории, есть цикл впуска, сжатия, сгорания и выпуска.
Газотурбинные
В таких силовых агрегатах синхронизирована работа компрессора для сжатия воздуха, камеры сгорания и турбины, которая передает усилия на силовой вал. Он, в свою очередь, вращает ротор, который передает усилие на винт. Такие агрегаты применяются в авиации и промышленности.
КПД ДВС
Эффективный КПД (коэффициент полезного действия) двигателя – это отношение эффективной работы, регистрируемой на сцеплении автомобиля (We) к работе, эквивалентной израсходованному топливу (Wb).
КПД бензинового двигателя снижается за счет многочисленных потерь. Примерно 25% теряется от неполного сгорания топлива. Около 35% уходит на тепловые потери: прогрев мотора, жидкости и т.д. Ещё 20% уходит на механические потери. Это движение поршней, шатунов, преодоление трения. В конечном итоге мы получаем КПД всего 20%, а в лучшем случае 25%. Это та часть энергии, которая остается на полезное действие, то есть, вращение вала и колес.
Самым эффективным двигателем по КПД считается электрический. Значение достигает 90-95%.
Сравнение КПД бензинового и дизельного мотора
КПД дизеля будет на порядок выше – 40-45%. Почему значение выше, хотя оба вида мотора работают по одному принципу? Все дело в эффективности. Коэффициент сжатия намного больше и топливо воспламеняется за счет сжатия. Нагревается дизель также меньше бензинового, энергия не расходуется на свечи и катушки зажигания.
Большое значение играет степень сжатия дизеля, что отражается на топливной эффективности. При небольшом объеме он выдает большую мощность. Также это отражается и на небольших габаритах агрегата. Все это повышает КПД дизеля в сравнении с бензиновым агрегатом, но и у него есть свои существенные недостатки.
Мощность и крутящий момент
Мы привыкли измерять мощность в лошадиных силах, хотя это не совсем верно и устарело. Мощность следует измерять в кВт. Это физическая величина, которая показывает работу двигателя за единицу времени. Проще говоря, чем больше мощность, тем большую скорость сможет развить автомобиль.
Мощность и крутящий момент связаны друг с другом. Передаваемая мощность преобразуется в крутящий момент, а он, в свою очередь, влияет на динамику автомобиля. Значение имеет объем двигателя, степень сжатия, сила давления газов.
Бензиновые и дизельные моторы достигают максимальной мощности и максимального крутящего момента при разных оборотах коленчатого вала. Дизель уже на 3000-4000 об/мин достигает максимальной мощности, а бензиновый на 5000-6500 об/мин.
https://techautoport.ru/dvigatel/teoriya/dvs.html
