Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы и классификация

ДВС – что это: такой вопрос интересует многих, ввиду частого употребления указанной аббревиатуры. Двигатель внутреннего сгорания (как сшифровывают такое сокращение) – это установка, преобразующая энергию сжигаемого топлива во вращательное движение исполнительного органа.

Мотор обеспечивает получение на выходе механической работы за счет теплового расширения сгораемого газа в камерах цилиндров.

Двигатели внутреннего сгорания применяют в таких сферах:

• автомобильном транспорте – на тракторах, машинах и пр.;
• железнодорожном транспорте – на локомотивах;
• морском и речном флоте – устанавливают на водных судах;
• легкомоторной авиации;
• строительной и дорожной технике;
• стационарных электрических комплексах;
• компрессорных блоках, насосных и бурильных установках;
• моделях и модельных комплексах;
• технике военного и специального назначения.

ДВС – что это такое в машине: так называют силовую установку, приводящую автомобиль или другой агрегат в движение.

Несмотря на громоздкость конструктивного исполнения, ДВС по-прежнему относятся к самым распространенным типам силовых установок.

Устройство ДВС

Конструктивно двигатели делят, с учетом устройства и компоновки техники, на которой они установлены. Но сохраняются неизменными принципы, одинаковые для конструкции любого ДВС.

Двигатель комплектуется такими конструктивными узлами:

• блоком цилиндров – основной частью корпуса с проемами для рабочих камер, рубашкой охлаждения (для моторов, охлаждаемых жидкостью), крепежными отверстиями для установки головок и картера, посадочными местами для коленчатого вала и прочими конструктивными элементами;
• кривошипно-шатунной группой – с коленчатым валом, к которому крепятся шатуны, приводящие в действие поршни, двигающиеся внутри цилиндров; инерция вращения поддерживается маховиком;
• газораспределительным механизмом – системой, подающей в камеры сгорания топливо-воздушную смесь, с отводом выхлопа; включает распределительный вал, клапана, приводимые в действие коромыслами, ремнем или цепью, соединенными с коленвалом;
• топливной системой – подает горючее в камеры сгорания, после обогащения воздухом; включает бак, систему трубок для подвода питающей жидкости, карбюратора или инжектора (с учетом особенностей конструктивного устройства), форсунок, насоса, фильтрующего элемента;
• смазочной системой – с подачей смазки к трущимся деталям; включает масляный насос, приводящийся коленчатым валом, систему патрубков и полостей, фильтр и поддон; предусмотрено устройство «сухого» или «мокрого» картера;
• системой зажигания – для поджигания топливно-воздушной смеси; используется только на бензиновых двигателях, поскольку на дизельных моторах топливо с воздухом воспламеняется самостоятельно, при определенном давлении;
• системой охлаждения – может быть воздушной или жидкостной, для снижения температуры корпуса мотора, чтобы предупредить износ и выход из строя элементов;
• электросистемой – источником электроэнергии, необходимой для работы мотора; включает аккумуляторную батарею, генераторный блок, стартер и проводку с датчиками;
• системой выхлопа – для удаления продуктов сгорания в атмосферу, с доочисткой этой смеси, снижением шума от работы двигателя, фильтрующим элементом.

Конструкция узлов совершенствуется, по мере появления новых материалов и конструктивных решений.

С учетом особенностей конструктивного устройства различных элементов двигателей, важно учитывать такие моменты:

• цилиндры могут выполняться отдельно, с запрессовкой в корпус блока, или совместно с корпусом; моноблочные системы не предусматривают восстановления, в связи с тем, что нельзя заменить гильзу;
• корпуса двигателей изготавливают из сплавов чугуна или алюминия, устойчивых к перепадам температуры и высокому давлению;
• головка блока цилиндров выполняется с ним совместно или в виде отдельной детали; при раздельном исполнении возможно использование разных материалов для головки и блока цилиндров;
• работа кривошипно-шатунного механизма может уравновешиваться балансирными валами, расположенными по сторонам от коленвала и нивелирующими влияние инерционных сил; в результате снижается вибрация и шум, исключаются перегрузки двигателя;
• негативное влияние пружин при быстрой работе двигателя с механическим газораспределительным механизмом снижается за счет десмодромной системы управления мотором – со сложной конфигурацией кулачков;
• зависание клапанов исключается легкими материалами для изготовления этих деталей и пружинных элементов, пневматическим приводом;
• альтернатива традиционной конструкции ГРМ – гильзовый способ, разработанный Найтом; предусматривает использование взамен клапанов скользящих гильз, работающих бесшумно и долговечно; этот способ перестали использовать по причинам большого расхода смазочной жидкости, с разработкой верхнеклапанной конструкции;
• ранние модели двигателей комплектовались не стартерами, а генераторами переменного тока (магнето), приводимыми в действие коленчатым валом; это требовало прокручивания вала двигателя для запуска;
• вредное воздействие на экологию выхлопных газов частично снижается каталитическим нейтрализатором, окисляющим и химически преобразовывающим выхлоп;
• электронные системы дополнительно улучшают работу двигателя; изменение фаз газораспределения изменяет нагрузку на мотор, с учетом включенной передачи, снижая потребление горючего; дезактивация цилиндров регулирует объем камер сжатия, отключая ненужные цилиндры; регулировка степени сжатия изменяет объем камер сгорания, с учетом режимов работы мотора.

Эти и другие особенности конструктивно улучшили работу двигателей внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя

Вне зависимости от конструктивного исполнения двигателя внутреннего сгорания, сохраняется общий принцип работы, основанный на том, что поршни, под воздействием энергии расширяющегося в камерах цилиндров газа двигаются прямолинейно, с получением на выходе вращения коленчатого вала. От него вращательное движение через трансмиссию передается на ходовые колеса или другие исполнительные механизмы.

Детальнее о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, показано на примере двух- и четырехтактных установок.

Принцип работы двухтактного двигателя

Двухтактный двигатель работает в такой последовательности:

• поршень начинает двигаться снизу вверх, в начале цикла пребывая в нижней мертвой точке – после сжатия воздушно-топливной смеси, она воспламеняется с поджиганием в максимально верхнем положении;
• при сгорании, поршень выталкивается вниз, с открытием выпускного клапана, за счет которого продукты сгорания высвобождают камеру.

Описанный цикл повторяется в таком же порядке, с одновременным впуском и сжатием. По мере передвижения поршня вверх, в подпоршневое пространство втягивается воздух, с его переходом по каналу в надпоршневую часть, после достижения верхней мертвой точки.

Двухтактные двигатели внутреннего сгорания получили ограниченное применение. Такие силовые установки размещают на небольших механизмах – скутерах и мопедах, легких моторных катерах и лодках, газонокосилках.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Полный цикл работы четырехтактного двигателя состоит из таких отдельных этапов:

• впуска – с движением поршня вниз, с нижней мертвой точке; в начале опускания срабатывает впускной клапан, открывая доступ для топливо-воздушной смеси (или исключительно воздуха, при непосредственном впрыске); в камере сгорания создается необходимое давление (возможна дополнительная подача воздуха, при наличии турбонадува);
• сжатия – после достижения крайней нижней точки, поршень двигается вверх; перекрывается впуск воздуха, а камера сжимается до критической отметки давления, с распыленным топливом в объеме над поршнем;
• рабочего хода – при максимальном сокращении объема камеры сгорания, топливо воспламеняется самопроизвольно (для дизельного мотора) или от поданной искры свечи (для бензинового); расширившийся газ двигает поршень вниз, к нижней мертвой точке;
• выпуска – с открытием выпускного клапана и вытеснением поршнем сгоревших газов из камеры, при возвращении в верхнюю мертвую точку.

При общем количестве тактов – четыре, лишь один включает получение полезной работы, когда поршень двигается под воздействием расширяющихся газов в камере сгорания. Три остальных такта несут вспомогательную нагрузку, с новым впрыском топлива, созданием необходимого давления и выпуском отработанных газов.

Учитывая особенности работы, по завершении цикла коленчатый вал остановился бы, поскольку система достигает точки равновесия. Но вращение продолжает маховик, придающий инерцию коленчатому валу, с последующим повторением описанных тактов.

Такой двигатель установлен на большинстве современной техники – автомобилях, тракторах и самоходных машинах, железнодорожных локомотивах, компрессорных и насосных блоках, других агрегатах.

Сравнивая двух- и четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, важно учесть, что первые отличает большая компактность. Но эффективность двухтактных моделей меньше, по сравнению с четырехтактными, поэтому их применение ограничено.

Классификация двигателей

Конструкция ДВС постоянно совершенствуется. Разработчики внедряют новые идеи, а появление более совершенных материалов открывает дополнительные возможности. С учетом этих особенностей, разработано множество разновидностей двигателей, с классификацией их по конструктивному исполнению.

По рабочему циклу

В зависимости от характеристики рабочего цикла, ДВС могут быть:

• двухтактными;
• четырехтактными.

Особенности работы и различия таких моторов рассматривались выше.

По типу конструкции

Исходя из типа конструктивного устройства, моторы делят на две такие группы:

• поршневую – наиболее распространенная разновидность, привычная для большинства автовладельцев, в которой агрегат состоит из коленвала и поршней, двигающихся в цилиндрах;
• роторно-поршневого – принцип работы которого изобретен Ванкелем.

В двигателе Ванкеля, вместо привычных поршней применяется трехгранный ротор, разделяющий цилиндрическую камеру сгорания на три отсека, с цикличными процессами для каждого из них.

Роторно-поршневой агрегат не слишком распространен. Такие моторы устанавливали на некоторых моделях автомобилей. Но недостаточная эффективность конструкции привела к тому, что от этой идеи впоследствии отказались.

По количеству цилиндров

Двигатели делят по количеству цилиндров. Общее их число может изменяться от 1 до 16. Но в наиболее распространенных силовых установках используется от 3 до 8 цилиндров. Чем большее количество цилиндров содержит двигатель, тем выше его мощность. Но одновременно приходится решать дополнительные задачи по охлаждению, распределению топлива и пр.

Чаще применяются моторы с четным числом камер сгорания, чтобы сбалансировать и уравновесить работу агрегата. Однако на некоторых моделях автомобилей Ford установлены уникальные трехцилиндровые двигатели.

По расположению цилиндров

Цилиндры в двигателях компонуются в различном порядке. Рядное расположение – наиболее простое в отношении обслуживания, но не самое выгодное с точки зрения общей компоновки агрегата.

Исходя из порядка расположения цилиндров, выделяют двигатели с таким их размещением:

• • рядным – когда цилиндры установлены в ряд и соединены с общим коленчатым валом;
• V-образным – с размещением цилиндров в двух плоскостях, под взаимным углом от 45 до 90 градусов; коленчатый вал остается единым;
• VR-образным – разновидность предыдущего устройства, при небольшом угле группы цилиндров (в пределах от 10 до 20 градусов);
• W-образным – когда количество плоскостей цилиндров может быть 3 или четыре, при одном коленчатом вале;
• U-образным – компоновка единого силового агрегата из двух рядных блоков, объединенных общей системой охлаждения и подачи топлива, с двумя отдельными коленчатыми валами;
• оппозитным – когда от одного коленвала работает две группы поршней, направленных противоположно;
• встречным – особый тип конструкции, когда в каждом из цилиндров работает по паре поршней, двигающихся в противоположных направлениях; конструктивно такой мотор представляет собой единую цилиндро-поршневую группу при двух коленчатых валах;
• радиальным – если группа поршней приводится из одной точки общего коленвала, с шатунами, расходящимися по направлениям радиуса.

В автомобильной технике наибольшее распространение получили различные разновидности V-образной конструкции, включая сходные с ней типы устройства. Радиальные моторы используются на самолетах. Остальные виды силовых установок применяются ограниченно.

По типу топлива

С учетом типа топлива, различают двигатели внутреннего сгорания:

• бензиновые – с применением бензина, воспламеняемого искрой от свечей и катушек зажигания, синхронизированных с вращением коленчатого вала; такие моторы развивают наибольшую скорость;
• дизельные – в таких моторах топливо-воздушная смесь воспламеняется самопроизвольно, при достижении показателя давления критической отметки; свечи зажигания здесь отсутствуют, но используют прямой впрыск, при подаче горючего под большим давлением, учитывая характеристики среды в камере сжатия; отличаются большой мощностью, при ограниченной скорости; преимущественно устанавливают на тяжелую технику;
• газовые – работают на сжиженном газе, что обходится дешевле бензина; предполагают более высокие температуры, что требует определенных конструктивных решений и особых сортов смазочной жидкости;
• гибридные – совмещают применение двигателя внутреннего сгорания с электрической установкой; в обычных условиях задействован электродвигатель, ДВС используется для подзарядки аккумуляторных батарей или при возрастающей нагрузке на силовую установку;
• водородные – применяют относительно недавно, по причине повышенной опасности, требующей соответствующих конструктивных решений; при разложении воды на водород и кислород методом электролиза, высок риск нестабильного состояния среды, с опасностью взрыва; не так давно изобрели новый способ – с раздельным поступлением этих газов; кислород забирается из воздуха, а водородом наполняют баки, помещенные на машине; в итоге процесс работы обратен электролизу, с выработкой электроэнергии и образованием воды от соединения элементов при работе.

Наибольшее распространение получили бензиновые двигатели. Но за новыми гибридными и водородными установками, по мнению большинства ученых и конструкторов, будущее развития техники. Эти двигатели все более совершенствуются, но насколько их использование окажется эффективным – покажет время.

По принципу работы ГРМ

Газораспределительный механизм управляет работой двигателя, открывая и закрывая клапаны для впрыска топливо-воздушной смеси. Клапаны работают от распределительного вала, приводимого в движение коленвалом за счет цепи или ремня.

Компоновка мотора может предусматривать один распредвал при рядном размещении цилиндров, или несколько (от двух до четырех) – при V-образном.

По мере развития техники, традиционную механическую систему впрыска сменила электронная, где момент открытия клапана определяет компьютерный блок. В связи с этим используются адаптивные и пневматические модули, прибавляющие до 30 процентов эффективности в мощностных показателях двигателей.

По принципу подачи воздуха

Моторы делят по принципу подачи воздуха в камеры сгорания. Различают такие силовые установки:

• атмосферные – традиционный ДВС, где воздух закачивается в камеру цилиндров поршнем;
• турбинные – при использовании дополнительной подкачки.

Турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов, с вращением турбины, дополнительно нагнетающей воздух, принудительным способом.

Преимущества моторов с турбонаддувом в возрастании мощности за счет увеличения притока воздуха. Недостатки – в излишнем усложнении конструктивного устройства.

Преимущества и недостатки

Преимущества двигателей внутреннего сгорания в таких качествах:

• удобстве использования – излишняя конструктивная сложность не препятствует работе в пределах нормативного срока; сеть заправочных станций обеспечивает повсеместную эксплуатацию машин с такими силовыми установками; при выходе из строя возможна замена отдельных элементов, с продлением ресурса силовой установки;
• простоте обслуживания – достаточно залить бак горючим, и мотор готов к работе; это намного проще, чем заряжать электродвигатель;
• длительном сроке службы – если владелец выполняет технические условия изготовителя, двигатель проработает не один десяток лет, при проведении периодического обслуживания и должного ухода;
• эстетических соображениях – звук работающего мотора вдохновляет и вызывает позитивное настроение.

Но не следует забывать о недостатках:

• загрязнении окружающей среды – выхлопы представляют серьезную опасность для экологии, а повсеместное использование ДВС усложняет ситуацию;
• низкой эффективности – КПД большинства моторов не превышает 30 процентов, что намного уступает электродвигателям; наибольший КПД, достигнутый разработчиками Toyota, достигает 38 процентов, что также не впечатляет;
• излишней сложности конструктивного устройства – с повышением требований к моторам, конструкция все более усложняется, что не идет на пользу долговечности и техническому обслуживанию, с необходимостью привлечения специализированного сервиса, использования смазочных материалов по высокой цене и пр.

Несмотря на перечисленные недостатки, достойной альтернативы двигателям внутреннего сгорания нет. Эти моторы остаются самыми распространенными, и будущее современной техники пока непредставимо без применения этих силовых установок.

Заключение

Постоянно возрастающие запросы потребителей требуют создания все более сложных моделей двигателей, для достижения поставленных задач и целей. Число разновидностей силовых установок все более возрастает, появляются моторы с электронным регулированием и системой зажигания, разрабатываются новые виды горючего.

Но эра двигателей внутреннего сгорания рано или поздно пойдет. А предвестники новых образцов уже начинают завоевывать популярность, при большей экологической чистоте, меньшему уровню шума, с возрастанием эффективности. Гибридные установки – вершина современного двигателестроения, предусматривающая одновременную работу мотора ДВС в комплексе с электродвигателем. И это лишь начало, а что последует дальше – сложно представить.