Рассказываем про двигатель внутреннего сгорания, в том числе раскрываем его устройство и принцип работы, перечисляем такты 4х тактного двигателя
Двигатель внутреннего сгорания используется на автомобилях, мотоциклах, моторных лодках уже более 100 лет. Они претерпевают изменения, но остаются наиболее экономически эффективными для любого вида транспорта. Схожий принцип работы у ДВС на кораблях, самолетах, вертолетах, тракторах, даже на танках и прочей военной технике. Конструктивные отличия от паровых движков, где генерировали пар во внешних блоках, сыграл свою роль – он стал массовым.
Технически ДВС – это разновидность теплового двигателя. В отличие от «паровика» здесь топливо сгорает непосредственно внутри рабочей камеры. Все двигатели внутреннего сгорания преобразуют тепловую энергию в механическое движение без «посредников». Различия касаются технологии передачи мощности, типа горючего, управления его подачей, добавления в смесь воздуха, отвода продуктов сгорания и т.д.
Читайте также: Что такое электронная система «Платон»?
Особенности:
В конце каждого цикла отработанные газы выводятся из камеры в выхлопную трубу. Внутри блока ДВС поддерживается высокая герметичность – не допускается попадание воды, воздуха помимо штатной системы подачи, утечка моторного масла и охлаждающей жидкости. Только за счет более-менее стабильной атмосферы в двигателе удается получить заданные характеристики, в том числе в динамике, при увеличении/уменьшении подачи топлива.
Посылом для разработки нового типа двигателей стала погоня за компактностью. Паровые модели были слишком большими для автомобилей, а об оснащении летающих аппаратов речи вообще не шло. Крупным был как корпус движка, так и хранилище для топлива. Старт новой технологии был заложен в 1791-1794 годах, когда англичане Джон Барбер и Роберт Стрит сначала изобрели газовую турбину, а следом запатентовали жидкостный двигатель.
Последующие события:
В 1879-1880 и последующие года стали эрой популяризации технологии. Был разработан «более простой» 2-тактный движок, начались работы над карбюраторными моделями, активная подготовка к серийному производству. Начали экспериментировать с жидким топливом, в 1899 году, помимо бензинового ДВС появился дизельный. Осталось одно – работать над компактностью, весом, а еще над повышением КПД и мощности агрегатов.
Теперь рассмотрим, как устроен двигатель внутреннего сгорания. Типовая конструкция включает три основных блока и почти десяток дополнительных, «обслуживающих» систем. Основа – корпус или блок ДВС. В нем расположен газораспределительный и кривошипно-шатунный механизм, за счет которых тепловая энергия преобразуется в поступательное движение. Это самые нагруженные узлы, постоянно работающие фактически в экстремальном режиме.
Читайте также: Рассказываем про цилиндропоршневую группу двигателя, как она работает и из чего состоит, а также раскрываем маркировку поршней.
Системы «обеспечения»:
Отдельно выделим систему управления. Ее обычно представляет бортовой компьютер или ЭБУ, электронный блок управления. Программа, записанная в его память, анализирует данные с датчиков, размещенных практически в каждом узле, от топливного бака до выхлопной трубы. И отдает команды каждому «активному» элементу на работу согласно выбранного режима – стоянка, движение, разгон, торможение и т.д.
Разобрались, что такое двигатель. Можно обсудить их типы. Возьмем только те, которые ставят на легковые/грузовые автомобили. Основа деления на категории – топливо: бензин, газ или дизель (она же солярка). Бензиновые ДВС бывают карбюраторные и инжекторные, они отличаются принципом создания топливовоздушной смеси. В дизельных агрегатах может отличаться только топливо, его делят на «летнее» и «зимнее». Газовые классифицируются по виду газа – пропан и т.д.
Интересно деление по количеству и расположению цилиндров:
Производители постоянно ищут компромисс между мощностью и стоимостью агрегатов. Любое изменение конструкции влечет за собой необходимость переделки систем смазки, охлаждения и других смежных узлов. Это влияет на цену автомобиля, стоимость его обслуживания.
Владельцу машины важно понимать, из чего состоит двигатель, как он функционирует. Тогда будет проще разбираться в инцидентах, когда авто вдруг теряет в мощности, начинает «вести себя не так» как обычно. Например, глохнет на холостых оборотах или перегревается на скоростях 40-60°C.
Принцип работы четырехтактного двигателя включает четыре основных этапа, по замкнутому кругу сменяющих друг друга. Первый такт – впуск. Поршень опускается из верхней точки в нижнюю, во время перемещения внутрь рабочей камеры засасывается топливовоздушная смесь. Второй такт – сжатие. Клапана перекрывают доступ горючему по сигналу ЭБУ, и система начинает этап сжатия порции с одновременным ростом давления и температуры.
На крайней точке, когда смесь готова к воспламенению, срабатывает зажигание и свеча «выдает» искру. Третий такт – расширение. Возросшее давление приводит к обратному движению поршня вниз и к раскручиванию коленвала. Четвертый такт – выпуск. Открываются выпускные клапана и из рабочей камеры удаляются продукты горения. По итогу система готова к новому впуску и так по кругу, пока включено зажигание.
Отдельно остановимся на том, как работает двухтактный двигатель. Здесь рабочий цикл состоит из двух тактов: сжатия и расширения. Впуск топливной смеси/выпуск отработанных газов происходит одновременно с ними. Такие движки обычно ставят на маломощную технику вроде мотороллеров, бензопил, триммеров, иных садовых агрегатов. Они имеют особенность – масло добавляют прямо в горючее.
Так называемые «вспомогательные системы» поршневого двигателя представляют собой единое целое с ним. Без дополнительных элементов ничего работать не будет. Ведь нужно подать топливо, отвести выхлопы, сделать все вовремя.
Бензиновые и дизельные двигатели охлаждаются по одинаковой схеме. Внутри блока цилиндров есть специальные полости, по которым циркулирует антифриз (охлаждающая жидкость). Есть два контура, короткий и длинный. Первый используется пока температура внутри не достигнет 90°C, а второй все остальное время. После переключения система охлаждения начинает работать в качестве отопительной, а больший цикл циркуляции помогает поддерживать температуру.
Читайте также: Рассказываем, что такое кардан, называем назначение карданной передачи, а также перечисляем виды карданных валов для автомобилей.
При движении автомобиля дополнительное охлаждение дает радиатор, расположенный в передней части капота. Встречный воздух через радиаторную решетку обтекает ребра конструкции, снижает температуру соразмерно скорости ветра, перемещения авто, текущей погоде. Если нагрев все равно продолжается, включается вентилятор, который эффективен даже на стоянке. Скорость вращения регулируется исходя из текущей температуры.
Подача горючего к узлу, где образуется топливовоздушная смесь, осуществляется при помощи насоса, прогоняющего «жидкость» через топливный фильтр. Далее уже начинаются различия исходя из классификации двигателя. Бензиновые делятся на карбюраторные и инжекторные, а дизельные на Common Rail и насос-форсунки. Остальное зависит от производителя. Например, у инжекторных есть 3 модификации: непосредственного впрыска, с одной, несколькими форсунками.
Независимо от того, какие бывают двигатели по топливу или конструкции, применяют три варианта зажигания: контактное, бесконтактное и электронное. Задача всегда одна – своевременно подавать «сигнал» на воспламенение топлива в рабочей камере. В современных автомобилях управлением занимается бортовой компьютер, обеспечивающий синхронность срабатывания соответствующих пар поршней, работающих в антифазе со второй группой.
Если посмотреть двигатель внутреннего сгорания в разрезе, можно увидеть довольно сложную на вид конструкцию. Даже «обычный» впуск состоит почти из десятка деталей – это воздухозаборник, воздушный фильтр, дроссельная заслонка, впускной коллектор. Также там есть впускные заслонки, соединительные патрубки, датчики, элементы управления. На турбированных авто добавляется турбина.
Выпускная система тоже включает несколько блоков (в зависимости от типа двигателя): коллектор, виброизолирующую муфту, каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр, резонатор, основной глушитель, выхлопную трубу. Отдельные элементы соединены между собой при помощи разных хомутов, патрубков. Конструкция зависит от производителя, каждый стремится создать наиболее эффективные впуск/выпуск.
Жидкостный мотор – это обобщенное название, объединяющее целую группу агрегатов. Все они выделяются относительно низкой стоимостью, компактностью, способностью работать почти на любом топливе. В зависимости от системы впуска/выпуска, зажигания ДВС способны «принять» бензин, керосин, солярку, газ, спирт, рапсовое масло и т.д. Общее строение двигателя внутреннего сгорания будет примерно одинаковым.
К недостаткам ДВС относят слабый КПД и относительно высокую токсичность. На движение авто затрачивается примерно 20% полученной энергии, остальная уходит на нагрев и прочие процессы. В выхлопе содержатся вредные вещества – оксиды азота, угарный газ, альдегиды и пр. Их отчасти нейтрализуют катализаторами, но все равно влияние на окружающую среду остается. Плюс нужно бороться с довольно сильным шумом, который без глушителя намного сильнее, чем у «паровиков».