Двигатель внутреннего сгорания: как устроен и зачем нужен

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.

Что такое ДВС

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:

1. Независимо от модификации ДВС работает на топливовоздушной смеси.
2. Принцип функционирования основан на эффекте теплового расширения газов.
3. Возникающее избыточное давление приводит в действие цилиндры.

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.

История появления двигателя

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:

1. 1807 г. – зарегистрирован патент, касающийся применения взрывающихся материалов как источников энергии в двигателях. Разработчик Франсуа Исаак де Риваз даже собрал на базе своего изобретения самодвижущийся экипаж.
2. 1860 г. – создан первый в мире агрегат, работающий на топливовоздушной смеси, которая состояла из светильного газа/воздуха. Механизм запускался от искры, образуемой внешним источником питания.
3. 1861 г. – разработана теория четырехтактного движка, в частности, определена важность процесса сжатия топливовоздушной смеси перед воспламенением. Работы Альфонса Бо Де Роша стали основополагающими для дальнейших экспериментов других ученых.
4. 1877 г. – собран первый 4-тактный двигатель мощностью 12 л. с.

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.

Устройство двигателя

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»:

1. Топливная система. Обеспечивает непрерывную подачу топлива после запуска двигателя. В режиме «стоянка», без нажатия педали газ, его количество позволяет работать на холостых оборотах. При движении, в зависимости от «команд» водителя.
2. Система впуска. Организует подготовку и подачу топливовоздушной смеси внутрь рабочей камеры. От нее зависит эффективность сгорания, мощность двигателя, токсичность выхлопа и целый ряд других характеристик.
3. Выпускная система. Обеспечивает отвод отработанных газов с сохранением внутри блока ДВС требуемого для качественной работы давления. На современных автомобилях доводит выхлопы до условно-безопасного состава путем нейтрализации части элементов.
4. Система зажигания. Имеет отношение только к бензиновым/газовым агрегатам, где топливо воспламеняется за счет периодически генерируемой искры. Создает условия синхронного срабатывания попарно соединенных рабочих камер.
5. Смазка двигателя. Включает поддон картера, наполненный моторным маслом, масляный фильтр для очистки и насос для подачи в систему. По специальным магистралям и каналам смазка подается в рабочую камеру и непрерывно смазывает трущиеся детали.
6. Охлаждение двигателя. Система аналогична предыдущей, но задача у нее иная: охлаждать блок ДВС до установленной температуры (порядка 90°C). Попутно разогретую жидкость используют для отопления салона, обогрева стекол со стороны водителя.

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.

Виды двигателей внутреннего сгорания

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:

1. Рядные. Расположение в один ряд. Может быть 4, 8, 16 цилиндров.
2. V-образные. Компактные 6, 8-цилиндровые движки
3. Оппозитные. Модели с горизонтальным размещением, с 4, 6, 8 или 12 цилиндрами.
4. VR-образные. Наиболее известны 4, 5, 6-цилиндровые модели.
5. W-образные. Типовое количество цилиндров – 12.

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.

Принцип работы ДВС

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.

Такты 4-тактного двигателя

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.

Двухтактные двигатели

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.

Вспомогательные системы двигателя

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.

Система охлаждения

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.

Топливная система

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.

Система зажигания

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.

Впускная и выпускная система

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.

Преимущества и недостатки ДВС

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».