Как классифицируются автомобильные двигатели по циклу работы
Конструкция автомобильного двигателя, виды
Автомобильный двигатель внутреннего сгорания – агрегат, состоящий из ряда узлов и деталей. Работает он за счет того, что топливно-воздушная смесь функционирует в закрытой от внешней среды камере сгорания. Попадая туда, смесь воспламеняется.
Вследствие расширения газов (они, в свою очередь, появляются за счет воспламенения смеси), образуется тепловая энергия. Согласно законам физики, она трансформируется в механическую, начиная передавать крутящий момент через трансмиссию на ведущие колеса. На основе всех этих процессов и работает автомобильный двигатель внутреннего сгорания.
Классификация двигателей ВС
Со времен первой разработки и до наших дней производятся поршневые и роторно-поршневые ДВС (Ванкеля).
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Рабочая камера сгорания в поршневых моторах располагается внутри цилиндра, между поверхностью плоскости ГБЦ (головки блока цилиндров) и днищем поршня, когда тот находится в верхней мертвой точке (максимальный подъем поршня).
Тепловая энергия образуется при помощи КШМ (кривошипно-шатунного механизма), обеспечивающий возвратно-поступательные движения. Полученная энергия в результате воспламенения смеси давит на поршень, передавая энергию на коленчатый вал.
Поршневые моторы существуют в трех вариациях:
Бензиновый карбюраторный автомобильный двигатель. Посредством карбюрации, топливно-воздушная смесь образуется вне камеры сгорания (внешнее смесеобразование), а готовится в карбюраторе. Смесь воспламеняется от свечи зажигания.
Бензиновый инжектор. смесеобразование происходит внутри камеры сгорания. Топливо подается электронно-управляемыми форсунками, которые могут быть установлены на конце впускного коллектора, либо вмонтированы в ГБЦ. Управляет и корректирует работу всего мотора ЭБУ (электронный блок управления двигателем).
Дизельный двигатель. Воспламенение дизельного топлива происходит без участия свечи зажигания, а посредством сжатия воздуха, в результате чего температура воздуха превышает температуру горения. Впрыск топлива осуществляется форсунками, а за впрыск под давлением отвечает ТНВД (топливный насос высокого давления).
Роторный двигатель внутреннего сгорания
Роторно-поршневой автомобильный двигатель работает следующим образом: рабочая камера двигателя овальной формы, внутри которой движется треугольный ротор, двигающиеся по планетарной траектории вокруг своей оси.
Ротор берет на себя функцию поршня, КШМ и ГРМ (газораспределительного механизма). В камере есть 4 отсека, в каждом их которых происходит такт:
Роторно-поршневые двигатели имеет высокий КПД относительно поршневого, так как потери на трения у первого значительно меньше, но максимальный ресурс ротора не превышает 100 000 км.
Устройство поршневого двигателя автомобиля
Наиболее простой двигатель внутреннего сгорания имеет рядное расположение цилиндров. В современных моторах их от 3 до 6. Более компактный автомобильный двигатель имеет V-образную форму, то есть поршни расположены под углом напротив друг друга.
Цилиндров у V-образного двигателя может быть 4, 6, 8, 10 и 12. Также существуют рядно разнесенные моторы VR и W, их конструкция сложна, поэтому устройство мотора лучше изучить на рядной «четверке».
Основа двигателя – блок цилиндров. В этих цилиндрах двигаются поршни. Внизу блока крепится коленвал на подшипниках трения (вкладышах), к нему присоединен шатун, а к шатуну – поршень.
Такой узел называется кривошипно-шатунным. Поскольку коленчатый вал имеет, соответственно названию, форму колена, без шатуна невозможно было бы обеспечить возвратно-поступательные движения поршня.
Конструкция шатуна выполнена так, что его нижняя часть делает колебательные движения, а верхняя часть, соединенная с поршнем, не движется в боковом направлении.
Поршень двигателя имеет три кольца: два компрессионных и одно маслосъемное. О предназначении колец говорит само название: компрессионные обеспечивают давление в цилиндре, не допустив прорыва газов в картер, а маслосъемные кольца снимают масло со стенок цилиндра и сбрасывают его в масляный картер.
К коленчатому валу с передней стороны соединен шкив для обеспечения работы навесного оборудования через ремень, а также работы ГРМ, если тип привода ременной. Если ГРМ цепного типа, то на коленвале установлена звезда. Дополнительная звезда на коленчатом валу может быть установлена, если привод маслонасоса цепной.
С задней стороны к коленвалу устанавливается маховик. Маховик аккумулирует механическую энергию, и через трансмиссию передает ее на ведущие колеса. На маховике установлены зубцы для соединения со стартером.
Сверху цилиндры герметично накрыты головкой блока цилиндров, между которыми установлена металлическая прокладка. Камера сгорания находится как раз в ГБЦ, и может быть сферической или полусферической формы, а в дизельных моторах камера сгорания находится в выемке поршня.
В конструкции классической ГБЦ есть:
За возврат клапана в исходное место отвечает пружина, которая накрывается тарелкой, и фиксируется «сухарями».
Привод ГРМ, чаще всего цепной или ременной. Для цепного привода требуются пластиковые успокоители и натяжитель механического или гидравлического типа. Ременной привод ГРМ простой конструкции включает в себя ремень, обводной ролик и натяжитель.
Как работает 4-тактный автомобильный двигатель
Четырехтактный автомобильный двигатель внутреннего сгорания имеет, соответственно, 4 такта:
По базовому принципу работают все двигатели внутреннего сгорания. Их разница с дизельными в том, что вместо свечи высокое давление образует воспламенение, а точнее – детонация.
Классификация двигателей автомобиля и их маркировка
Двигатели классифицируется по ряду характеристик:
Четырех-, пяти- и шестицилиндровые двигатели, как правило, по конструкции — рядные двигатели.
У V образных двигателей, например V-6 или V-8, цилиндры попарно установлены под углом друг к другу в два ряда, напоминая букву V.
Рис. Варианты расположения цилиндров в автомобильном двигателе
Рис. Типичная схема компоновки ходовой части заднеприводного автомобиля с передним расположением двигателя
Рис. Два варианта расположения двигателя в переднеприводном автомобиле
Рис. V-образный шестицилиндровый двигатель, установленный в моторном отсеке переднеприводного автомобиля с продольным расположением двигателя
Хотя, может быть, и можно смонтировать один и тот же двигатель в разных моделях автомобилей, как с продольным, так и с поперечным расположением, однако комплектующие в обоих случаях могут оказаться не взаимозаменяемыми. Разными могут быть не только блоки цилиндров и коленчатые валы, но и водяные насосы.
Рис. Разрез двигателя с верхним расположением клапанов и нижним расположением распределительного вала, на котором видны поршень, клапан, пружина клапана, клапанное коромысло и штанга толкателя клапана
Рис. Варианты размещения распределительного вала
Рис. Внешний вид V образного шестицилиндрового двигателя, оснащенного клапанным механизмом с двумя верхними распределительными валами, со снятыми крышками головок блока цилиндров и зубчатым ремнем привода распределительных валов
В V-образном двигателе цилиндры расположены в два ряда. Таким образом, в двигателе схемы SOHC (с одним верхним распределительным валом) используется два распределительных вала — по одному в каждом ряду цилиндров. В двигателе схемы DOHC (с двумя верхними распределительными валами) используется четыре распределительных вала — по два в каждом ряду цилиндров.
Точно установить год выпуска автомобиля бывает непросто. Выпуск новой модели, объявленной в продажу на будущий год, может начаться уже в январе предшествующего ему года. Обычно, но не всегда, выпуск моделей нового года начинается в сентябре-октябре текущего года. Вот почему идентификационный номер (VIN), которым маркируются автомобили, столь важен. Пример идентификационного номера показан на рисунке.
Рис. Фотография внешнего вида идентификационного номера автомобиля (VIN), который виден через ветровое стекло автомобиля
Начиная с 1981 г. все производители автомобилей маркируют автомобили этим 17-значным номером. Хотя часть из семнадцати позиций номера кодируется каждым производителем по собственному усмотрению, но есть позиции, правила кодирования которых жестко регламентированы. Например:
Таблица кодировки года выпуска
Что такое Юлианское представление даты?
Изменения в конструкцию и комплектацию двигателя вносятся постоянно. Для технических специалистов информация о том, с какого момента вступило в силу то или иное изменение, сообщается в сервисных бюллетенях, руководствах по техническому обслуживанию и каталогах комплектующих — как правило, либо в виде граничного номера автомобиля, либо в виде Юлианской даты. Юлианская дата представляет собой просто порядковый номер дня года. Например, первое января в Юлианском представлении — это день 001, а 31 декабря, обычно, — день 365. Юлианское представление даты широко используется в промышленности. Само название связано с Юлием Цезарем, который впервые ввел календарь, в котором продолжительность года составляла 365 дней, а раз в четыре года — 366 дней. Выпускаются календари, в которых указаны Юлианские даты всех дней в году, что упрощает использование этой формы представления даты.
Классификация двигателей
В зависимости от способа приготовления топливовоздушной (горючей) смеси различают двигатели:
Горючей смесью называют смесь паров топлива или горючего газа с воздухом в отношении, обеспечивающем сгорание ее в рабочем цилиндре двигателя. Образуется горючая смесь в двигателях в процессе смесеобразования. Она перемешивается в камере сгорания с остаточными продуктами сгорания и образует рабочую смесь.
Смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси. В двигателях внутреннего сгорания различают смесеобразование внешнее и внутреннее.
Внешнее смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси вне цилиндра двигателя — в карбюраторе (у двигателей, работающих на жидком легкоиепаряющемся топливе) или в смесителе — у двигателей, работающих на газе.
Внутреннее смесеобразование — процесс приготовления рабочей смеси внутри цилиндра. Топливо подается в камеру сгорания форсункой при помощи насоса высокого давления.
В быстроходных дизелях применяют два способа образования смеси: объемное и пленочное.
Объемным смесеобразованием называется такой способ образования горючей смеси, при котором топливо из жидкого состояния превращается в парообразное под действием вихревых потоков воздуха в камере сгорания.
Пленочный способ смесеобразования заключается в превращении топлива из жидкого состояния в парообразное в процессе перемещения тонкого слоя (пленки) топлива по поверхности камеры сгорания под действием потока воздуха. Для полного сгорания топлива при объемном смесеобразовании требуется, чтобы форсунки хорошо распыливали и равномерно распределяли топливо по объему камеры сгорания. В дизелях, работающих с пленочным смесеобразованием, топливо впрыскивается форсункой на поверхность камеры сгорания под малым углом к поверхности. Затем оно вихревыми потоками воздуха перемещается по нагретой поверхности камеры и испаряется. При таком способе смесеобразования к форсунке предъявляются менее высокие требования, чем при объемном.
Для полного сгорания топлива в двигателе требуется минимальное, так называемое теоретически необходимое, количество воздуха. Так, для сгорания 1 кг дизельного топлива требуется 0,496 кмоль воздуха, а для сгорания 1 кг бензина 0,516 кмоль воздуха. Однако вследствие несовершенства процесса смесеобразования количество воздуха, содержащегося в горючей смеси работающего двигателя, может быть больше или меньше, чем указано.
Отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха а. Он зависит от типа двигателя, конструкции, вида и качества топлива, режима и условий работы двигателя. У автомобильных двигателей, работающих на бензине, а = 0,85… 1,3. Наиболее благоприятные условия для сгорания топлива создаются при а = 0,85…0,9. Двигатель при этом развивает максимальную мощность. Наиболее экономичный режим работы — при а = 1,1…1,3. Это режим нагрузок, близких к полной.
Образование рабочей смеси в карбюраторных двигателях начинается в карбюраторе, продолжается во впускных трубопроводах и заканчивается в камере сжатия. В дизелях рабочая смесь образуется в камере сжатия при впрыске топлива в нее форсункой. Поэтому времени на приготовление рабочей смеси в дизелях будет меньше, чем в карбюраторных двигателях, и качество приготовления рабочей смеси хуже.
Для обеспечения полного сгорания единицы поступившего в цилиндр топлива дизелям нужно больше воздуха, чем карбюраторным двигателям. В связи с этим коэффициент избытка воздуха у дизелей колеблется на режимах полной и близкой к полной нагрузке в пределах 1,4…1,25, а на холостом ходу равен 5 и более единицам.
Если в составе рабочей смеси воздуха меньше, чем теоретически необходимо для полного сгорания содержащегося в смеси топлива, то такая смесь называется «богатой». Если а>1, т. е. в смеси воздуха больше, чем теоретически необходимо для сгорания топлива, то такая смесь называется «бедной».
Чем выше качество смесеобразования, тем ближе величина а к единице. Для каждого типа двигателя коэффициент а имеет свои значения. В процессе эксплуатации нарушается регулировка топливоподающей аппаратуры, загрязняются воздушные фильтры, а это приводит к повышению гидравлического сопротивления и снижению количества воздуха, поступающего в цилиндры. При этом рабочая смесь часто переобогащается. В результате топливо сгорает не полностью. Вместе с отработавшими газами в атмосферу выбрасываются токсичные их составляющие, такие, как окись углерода (СО), окись и двуокись азота (NO, N02). Они загрязняют окружающую среду. Наряду с этим ухудшается экономичность работы двигателя. Особенно много выделяется окиси углерода при работе бензиновых двигателей на обогащенной смеси. В небольших количествах СО выделяется при работе дизелей на холостом ходу. Это вызывается местными переобогащениями смеси вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры.
Для уменьшения загрязнения окружающей среды необходимо своевременно и высококачественно регулировать топливоподающую аппаратуру и обслуживать систему фильтрации воздуха и механизм газораспределения.
По способу воспламенения рабочей смеси различают двигатели с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия.
В двигателях с принудительным воспламенением рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, которая образуется тогда, когда поршень приближается к верхней мертвой точке (в.м.т.) в такте сжатия. К этому моменту в камере сжатия находится топливовоздушная смесь, сжатая до 0,9… 1,5 МПа и нагретая до 280…480°С.
Жидкое топливо может сгорать только в газообразном состоянии. Поэтому необходимо, чтобы карбюратор обеспечивал возможно более тонкое распыливание топлива. Чем тоньше распыливание, тем больше общая поверхность частичек топлива, тем за более короткий промежуток времени оно испаряется. При возникновении искры воспламеняется только та часть смеси, которая находится у электродов искровой свечи зажигания. В этой зоне температура достигает 10 000° С, и образовавшееся пламя распространяется со скоростью 30…50 м/с по всему объему камеры сгорания. Продолжительность процесса сгорания составляет 30…40° угла поворота коленчатого вала. Угол в градусах поворота коленчатого вала от момента образования искры в свече до в.м.т. называется углом опережения зажигания ф3. Оптимальное значение величины угла ф3 зависит от конструкции двигателя, режима работы, условий эксплуатации двигателя и качества топлива.
Классификация, устройство и принцип работы двигателей внутреннего сгорания
Классификация двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания могут быть классифицированы по следующим признакам:
где S — ход поршня, м; п — частота вращения коленчатого вала, об/мин.
За один оборот поршень совершает 2п ходов, г.е.
При Ст 6,5 м/с — б ыстрохо д н ы м и;
Поршень в тронковых двигателях (рис. 16.2, а) непосредственно соединен с шатуном, и его нижняя тронковая часть служит ползуном, передающим давление поршня на стенки цилиндра. В крейцкопфных двигателях (рис. 16.2, 6) поршень посажен на шток 1, соединенный со специальным ползуном (крейцкопфом) 2. Последний перемещается по направляющим 3, которые воспринимают боковое давление.
Рис. 16.1. Схемы двигателей:
а — однорядные; б — V-образные; в — сдвоенные, с параллельным расположением рядов; г — звездообразные; д — с противоположно движущимися поршнями; е — Д-образные
Рис. 16.2. Схемы ДВС:
а — тронкового; б — крейцкопфного: 1 — шток; 2 — ползун (крейцкопф); 3 — направляющие
К преимуществам тронкового двигателя относятся меньшая высота и меньший вес подвижных деталей, что особенно важно для быстроходных двигателей. Недостатком двигателей такого типа является сильный эллиптический износ цилиндра;
По ГОСТ Р 53638—2009 каждому типу двигателя присваивается условное обозначение Входящие в него буквы означают: Ч — четырехтактный; Д — двухтактный; Р — реверсивный (отсутствие буквы Р указывает на то, что двигатель нереверсивный); С — судовой с реверсивной муфтой; II — с редукторной передачей; Н — с наддувом.
Цифры, стоящие перед буквами, указывают число цилиндров, а после них — диаметр цилиндра (в числителе) и ход поршня (в знаменателе) в сантиметрах. Например, марка двигателя 6ЧРП 25/34 расшифровывается так: шестицилиндровый четырехтактный реверсивный с редукторной передачей с диаметром цилиндра 25 см и ходом поршня 34 см.
Классификация и назначение ДВС
Как известно, на сегодняшний день существует большое количество различных типов двигателей внутреннего сгорания. Указанные типы силовых агрегатов являются источником энергии для транспортных средств, механизмов и агрегатов, а также отличаются по производительности, конструкции, по назначению и т.д.
В наших предыдущих статьях мы уже рассматривали всевозможные виды двигателей, которые устанавливаются на автомобили. Далее мы намерены поговорить о том, какая существует классификация двигателей внутреннего сгорания.
Общая классификация двигателей
Начнем с того, что двигатели внутреннего сгорания классифицируют по ряду признаков и особенностей. Прежде всего, силовые установки отличаются по своему назначению. ДВС бывают:
Также силовые установки отличаются по типу используемого топлива. Двигатели могут работать на:
Также двигатели внутреннего сгорания можно разделить по тому, как реализовано преобразование тепловой энергии в результате сжигания топлива в механическую полезную работу. Двигатели бывают:
Еще двигатели внутреннего сгорания отличаются по способу смесеобразования. Силовые агрегаты бывают:
Также двигатели классифицируют и по способу воспламенения рабочей топливно-воздушной смеси. Смесь может воспламеняться:
Что касается наддува, двигатели бывают компрессорными и турбированными, а также могут сразу иметь оба решения. Моторы с турбокомпрессором получают газовую турбину, которая работает благодаря воздействию отработавших газов.
Агрегаты с механическим компрессором конструктивно оснащены устройством, которое приводится в действие от двигателя, забирая у него часть энергии. Комбинированный тип предполагает, что двигатель одновременно имеет и турбокомпрессор, и механический нагнетатель.
Еще следует упомянуть различия по способу регулирования подачи топлива в цилиндры при изменении нагрузки. Существуют двигатели с регулированием смеси по:
В первом случае речь идет об изменении состава смеси с учетом нагрузок и режимов работы ДВС. Во втором случае состав не меняется, при этом подается только большее или меньшее количество. В двигателях со смешанным регулированием меняется как состав смеси, так и количество, что зависит от нагрузок на агрегат.
Напоследок отметим, что классификация автомобильных двигателей затрагивает поршневые ДВС (бензиновые, дизельные и газовые), карбюраторные и инжекторные, с внешним смесеобразованием или прямым впрыском топлива, с воспламенением от искры или с воспламенением от сжатия.
Также на некоторых авто можно встретить газотурбинные, форкамерные или роторно-поршневые двигатели, однако сегодня такие агрегаты нельзя назвать массовыми применительно к автоиндустрии.
Основные конструктивные отличия ДВС
Если говорить о главных отличиях в конструкции поршневых двигателей, различные силовые агрегаты делятся на рядные горизонтальные и вертикальны по расположению цилиндров. Также двигатели бывают V-образными, оппозитными и т.д.
Еще агрегаты бывают однопоршневыми двигателями, когда в одном цилиндре имеется один поршень и рабочая полость. При этом также встречаются ДВС, в которых поршни движутся противоположно в одном цилиндре, а рабочая полость находится между двумя поршнями. Также бывают моторы двойного действия, в которых по обеим сторонам от поршня имеются рабочие полости.
При этом существуют варианты роторного двигателя, где поршень-ротор не движется, а планетарное движение совершает корпус ДВС. Еще одной разновидностью можно считать агрегаты, в которых движется как корпус, так и сам ротор.
Что в итоге
Итак, выше были рассмотрены назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания. При этом данная информация наглядно демонстрирует широчайшую сферу применения поршневых ДВС.
С учетом тех или иных особенностей конкретного типа ДВС такие агрегаты используются как на транспортных средствах, так и в качестве генераторов, устройств привода всевозможных агрегатов и механизмов.
Разновидности ДВС и принцип действия теплового двигателя. Рабочий цикл и такты, преимущества и недостатки. Основные и альтернативные виды топлива.
Виды двигателей внутреннего сгорания, отличия различных типов ДВС. Особенности компоновки, объем двигателя, мощность, крутящий момент и другие параметры.
Список самых надежных бензиновых и дизельных моторов: 4-х цилиндровые силовые агрегаты, рядные 6-ти цилиндровые ДВС и V-образные силовые установки. Рейтинг.
Устройство и схема работы инжектора. Плюсы и минусы инжектора по сравнению с карбюратором. Часты неисправности инжекторных систем питания. Полезные советы.
Какие существуют самые маленькие двигатели внутреннего сгорания. Для чего используются миниатюрные ДВС. Самый маленький дизель в мире: особенности.
Особенности и отличия оппозитного двигателя от других поршневых ДВС. Преимущества оппозитного мотора, минусы данной конструкции, нюансы обслуживания.