Использование двигателя внутреннего сгорания в технике
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:
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:
Конструкция узлов совершенствуется, по мере появления новых материалов и конструктивных решений.
С учетом особенностей конструктивного устройства различных элементов двигателей, важно учитывать такие моменты:
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:
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:
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:
Особенности работы и различия таких моторов рассматривались выше.
По типу конструкции
Исходя из типа конструктивного устройства, моторы делят на две такие группы:
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:
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:
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:
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:
Но не следует забывать о недостатках:
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.
Для определения мощности двигателей и агрегатов используются ватты и киловатты. Но на практике и в…
Хорошая машина – вложения на долгосрочную перспективу. Поэтому ее выбирать надо придирчиво. Статистика неумолима, лучшие…
Механическая коробка передач существует около столетия. В последнее время она стала активно уступать свои позиции…
Типы автомобильных двигателей
Среди двигателей, применяющихся в настоящее время, а также перспективных для использования на автомобильном транспорте, следует отметить следующие типы:
1. Двигатели внутреннего сгорания, которые подразделяют на поршневые и роторно-поршневые.
2. Газотурбинные двигатели (ГТД).
3. Двигатели внешнего сгорания (паровые, двигатели Стирлинга).
4. Электрические двигатели.
5. Криогенные двигатели.
6. Инерционные двигатели.
Высокая (по сравнению с другими типами тепловых двигателей) экономичность ДВС, возможность построения их в большом диапазоне мощностей, достаточно быстрый пуск, небольшие масса и размеры, сравнительно невысокая стоимость, большой ресурс обусловили их широчайшее распространение в различных сферах деятельности. ДВС в настоящее время являются практически единственным типом двигателей в силовых агрегатах не только автомобилей, но и тракторов, сельскохозяйственной техники, дорожных, строительных машин. Судовые, локомотивные и авиационные силовые установки малой мощности обычно также представлены двигателями внутреннего сгорания различных типов.
Области применения ДВС
Поршневые и комбинированные двигатели в зависимости от их назначения изготовляются с мощностью от нескольких сот ватт до 40000кВт. Основные области их применения:
1. Автомобильный транспорт, тракторы, сельхозмашины и др.
2. Железнодорожный транспорт, в т.ч. энергопоезда.
3. Морской и речной флот, катера.
4. Легкомоторная авиация.
5. Строительная, дорожная техника (экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры, самоходные краны, компрессоры, передвижные электростанции и др.).
6. Стационарная электроэнергетика.
7. Привод компрессоров, насосов на трубопроводах, в бурильных установках.
8. Модели и модельные установки.
9. Военная и специальная техника.
Классификация ДВС.
Признаки классификации ДВС могут быть различными и определяются как назначением, особенностями практического применения, так и принципами построения, элементами конструкции и др. Поэтому при некоторой условности все же следует отметить следующие общепринятые принципы и признаки классификации поршневых двигателей.
1. По назначению: стационарные, переносные, транспортные (автомобильные, тракторные, судовые, авиационные и др.).
2. По роду применяемого топлива: двигатели легкого топлива, тяжелого, газообразного, многотопливные.
3. По способу осуществления зарядки цилиндров: четырехтактные и двухтактные двигатели.
4. По способу смесеобразования: двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.
5. По способу воспламенения смеси: двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.
6. По конструктивному расположению цилиндров и схеме: рядные и звездообразные, вертикальные и горизонтальные схемы. Кроме того, рядные двигатели подразделяют на V-, W-, H-, Y- и X-образные и др. Некоторые варианты компоновки представлены на рис.1.1.
7. По способу охлаждения двигатели разделяют на двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением.
Помимо перечисленных признаков иногда двигатели классифицируют по способам регулирования, скорости вращения, признакам цикла, наличию систем наддува и т.д.
В современных автомобилях применяются преимущественно четырехтактные поршневые двигатели с рядным, V-образным и оппозитным расположением цилиндров.
Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.
Использование двигателя внутреннего сгорания в технике
Ещё одним элементом КШМ является маховик двигателя, состоящий из одного или двух соединённых дисков. Маховик устанавливается на конце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника и служит для устранения неравномерности вращения коленчатого вала и гашения крутильных колебаний. Через маховик также осуществляется передача крутящего момента от двигателя к коробке передач и запуск двигателя стартером. Иногда в состав КШМ также входят балансирные валы, расположенные по обе стороны от коленвала. Они необходимы для уравновешивания сил инерции в несбалансированных двигателях и способствуют снижению перегрузок, шума и вибраций.
Клапаны нужны для того, чтобы в нужные моменты открывать или закрывать впускные и выпускные отверстия в цилиндре. Клапан представляет собой тарелку, которая удерживается в закрытом состоянии пружиной и открывается при нажатии на стержень. Передача усилия от кулачков распределительного вала к клапанам осуществляется при помощи толкателей, роликовых рычагов или коромысел.
Другими способами предотвращения зависания клапанов являются использование лёгких материалов для изготовления клапанов и пружин, установка нескольких вложенных друг в друга пружин на одном клапане и пневматический привод клапанов. На современных двигателях также применяется электронная система изменения фаз газораспределения (CVVT), в которой открывание и закрывание клапанов регулируется принудительно в соответствии с параметрами работы двигателя. Она обеспечивает повышение мощности, снижение расхода топлива и сокращение вредных выбросов.
В бензиновом ДВС бывает два вида систем впрыска:
Более простая воздушная система охлаждения применялась на некоторых автомобилях с небольшими двигателями. В такой системе отсутствовал радиатор, а по каналам охлаждения циркулировал воздух. Несмотря на простоту в обслуживании и отсутствие риска замерзания воды зимой, двигатели с воздушным охлаждением вышли из употребления из-за проблемы перегрева в жаркую погоду и чрезмерного шума.
Назначение выхлопной системы заключается в отводе отработавших газов из цилиндров двигателя, а также их охлаждения, снижения шума и токсичности. После сгорания газы выводятся через выпускной коллектор и проходят в выхлопную трубу, расположенную под днищем автомобиля. На современных машинах используются системы экологической обработки выхлопных газов: каталитический нейтрализатор (осуществляет окисление и химическое преобразование вредных веществ), лямбда-зонд (датчик контроля за количеством кислорода в отработавших газах, корректирующий работу инжектора), система рециркуляции выхлопных газов (обеспечивающая повторное сгорание выхлопа) и система улавливания паров бензина. Перед выпуском в атмосферу отработавшие газы проходят через глушитель, предназначенный для снижения шума за счёт наложения звуковых волн и многократного изменения направления потока газов.Современные ДВС также оснащаются всевозможной электроникой:
Работа поршневого ДВС характеризуется такими параметрами:
Показатель мощности напрямую влияет на скорость автомобиля: чем мощнее двигатель, тем быстрее автомобиль движется. Однако максимальная мощность достигается только на высоких оборотах, а для раскрутки двигателя до этих оборотов нужно время. На более низких оборотах мощность всегда будет меньше, и здесь большое значение имеет крутящий момент. Если крутящий момент достаточно высокий и достигается на низких оборотах, автомобиль будет лучше разгонятся на каждой передаче и быстрее наберёт максимальную скорость. Таким образом, мощность автомобиля пропорциональна его максимальной скорости, а крутящий момент обратно пропорционален времени разгона. Оптимальное соотношение между мощностью и крутящим моментом зависит от предназначения автомобиля. Например, на высокоскоростных гоночных трассах решающую роль будет играть мощность, а на соревнованиях по драг-рейсингу разгон автомобиля будет определяться его крутящим моментом. В наше время автопроизводители всё чаще отдают предпочтение моделям с турбодизельными двигателями, так как они развивают больше крутящего момента, чем бензиновые, и это целиком компенсирует недостаток мощности.
В разных странах существовали разные способы измерения мощности в лошадиных силах. Так, в США действовала система стандартов SAE (Society of Automotive Engineers). До 1972 г. мощность двигателей измерялась в валовых лошадиных силах (bhp) по упрощённому методу: замер делался на маховике силового агрегата без учёта дополнительного оборудования (генератора, выхлопной системы, системы охлаждения и т.д.) и атмосферных условий. Это давало в среднем на 20% больше мощности, чем было на самом деле, и позволяло американским автопроизводителям завышать показатели в сравнении с мощностью импортных машин. В 1972 г. в соответствии с экологическим законодательством рейтинги мощности были в обязательном порядке пересчитаны по методу SAE net, соответствующему международным стандартам (с учётом дополнительного оборудования, но без учёта потерь на трансмиссию). После 1972 г. официальные показатели мощности американских автомобилей заметно снизились, но стали сравнимы с европейскими.
Что такое двигатель и какой его принцип работы?
Называть двигатель сердцем автомобиля – сравнение банальное, но точное. Можно сколько угодно перебирать подвеску, настраивать рулевое управление или совершенствовать тормоза – если мотор не в порядке, всё это превращается в пустую трату времени.
Сегодня на дорогах можно встретить автомобили разных поколений: и со старенькими карбюраторными ДВС, и с мощными дизельными моторами, управляемыми электроникой, и даже новейшие водородные двигатели, которые еще только начинают совершенствоваться. И во всём этом разнообразии довольно сложно сориентироваться, если не знать основ и принципов работы двигателя внутреннего сгорания.
Что такое ДВС и для чего он нужен?
Чтобы транспорт ехал, что-то должно приводить его в движение. В разные времена это были запряженные животные, затем на смену пришли паровые и электродвигатели (да, прародители современных автомобилей появились даже раньше, чем традиционные ДВС), затем моторы, работающие на горючем топливе.
Современный двигатель внутреннего сгорания – это механизм, преобразующий энергию вспышки топлива (тепла) в механическую работу. Несмотря на достаточно громоздкую конструкцию, на сегодняшний день ДВС остается самым удобным источником энергии.
Электротранспорт, конечно, всё больше входит в обиход, но время его «заправки» сводит на нет все преимущества – канистру с электричеством в багажник не положишь.
Свое применение ДВС нашел во многих сферах: по одинаковому принципу работают автомобили, мотоциклы и скутеры, сельскохозяйственная и строительная техника, водный транспорт, двигатели самолетов, военная техника, газонокосилки… То есть, практически всё, что ездит или летает.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Несмотря на разнообразие типов и конструкций ДВС, принцип его устройства остается практически неизменным на любой технике. Конечно, отдельные элементы конструкции могут сильно отличаться на разных двигателях, но основные узлы и компоненты очень похожи между собой.
Итак, двигатель внутреннего сгорания состоит из таких конструктивных узлов.
Каждая их этих частей постепенно развивается и совершенствуется в зависимости от запросов времени. Стремление к росту мощности сменилось поиском самых надежных и долговечных решений, затем на первое место вышла экономия топлива, а сегодня – забота о природе.
Принцип работы двигателя
Во всех ДВС, какой бы конструкции они ни были, используется один и тот же принцип работы. Это преобразование энергии теплового расширения при сгорании топлива сначала в прямолинейное, а затем во вращательное движение.
Принцип работы четырехтактного двигателя
Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации. Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта). Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.
По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.
При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.
Принцип работы двухтактного двигателя
Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:
Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.
При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.
Классификация двигателей
Поскольку ДВС растут и совершенствуются уже более 100 лет, набралось довольно много их разновидностей. Классифицируют двигатели по разным признакам и свойствам.
По рабочему циклу
Это уже известное нам деление двигателей на двухтактные и четырехтактные.
По типу конструкции
Есть два основных типа ДВС: поршневой и роторный.
По количеству цилиндров
В ЦПГ двигателя может устанавливаться от 1 до 16 цилиндров, для легковых автомобилей это обычно 3-8. Как правило, конструкторы предпочитают четное количество цилиндров, чтобы уравновесить циклы их работы. Самое известное исключение из правил – двигатель Ecoboost, разработанный концерном Ford, во многих моделях которого ставится как раз три цилиндра.
По расположению цилиндров
Компоновка ЦПГ не всегда рядная (хоть рядный двигатель – самый простой в ремонте и обслуживании). В зависимости от фантазии инженеров, двигатели делятся на несколько типов компоновки:
В легковых автомобилях используются рядные, V-, VR-, W- и U-образные двигатели, а в некоторых моделях и оппозитные. А вот радиальные применяются в авиационной технике.
По типу топлива
Классика жанра здесь – бензиновые и дизельные двигатели. Набирают популярность газовые, постепенно совершенствуются гибридные и водородные.
По принципу работы ГРМ
Ключевой элемент газораспределительного механизма – распредвал, объединенный с коленвалом двигателя с помощью ремня или цепи ГРМ. Распредвал за счет своей конструкции регулирует работу клапанов, и вся система работает синхронно с частотой оборотов двигателя. Обрыв ремня ГРМ – почти всегда путь на капремонт.
В зависимости от компоновки ЦПГ в двигателе может стоять 1 распредвал, если двигатель рядный, или 2-4 распредвала, если это V-образная компоновка.
Однако стандартная система ГРМ перестала отвечать современным требованиям к мощности и экономичности двигателей. И теперь, кроме стандартной механической системы, есть адаптивные системы, такие как Honda i-VTEC, VTEC-E и DOHC, Toyota VVT-i, Mitsubishi MIVEC, разработки компаний Volkswagen и Eco-Motors, а также пневматическая система ГРМ, установленная на Koenigsegg Regera и в перспективе добавляющая 30% мощности двигателю.
По принципу подачи воздуха
Еще одна классификация, которая часто встречается в обиходе: деление двигателей на атмосферные и турбированные.
Турбированные двигатели имеют свои преимущества и недостатки: с одной стороны, чем больше воздуха, тем больше мощности может развить двигатель. С другой – эффект турбоямы способен серьезно попортить нервы любителю спортивной езды. Да и лишний узел – лишнее слабое место, так что турбированные двигатели (или битурбо, как называют мотор с двумя турбинами) нравятся далеко не всем. Иногда хорошо собранный атмосферник может «заткнуть за пояс» любой наддув.
Преимущества и недостатки ДВС
Какой же основной недостаток у ДВС?
Так что, если раньше сосед дядя Вася перебирал двигатель своей «копейки» самостоятельно, но на новеньких современных машинах вряд ли кто-то полезет в тонкую систему ДВС без специального оборудования и инструментов.
И, наконец, нефтяная эра сама по себе отходит в прошлое. Не зря же растут требования к экологической безопасности транспорта, а заодно и эффективность солнечных батарей. Да, бензиновые и дизельные моторы еще не скоро исчезнут с улиц, но уже Европа борется за внедрение электромобилей, благодаря которым человечество когда-нибудь забудет слово «бензиновый смог».
Заключение
Несмотря на любые недостатки, ДВС остается «главным по транспорту». Химики придумывают новые моторные масла, инженеры разрабатывают новые системы ГРМ, а производители бензина не спешат снижать цены. Всё потому, что с удобством и автономностью привычных нам двигателей пока не может сравниться ни один вид транспорта.