Главная / Энциклопедия /  Устройство автомобиля /  Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

11 апреля 2011

Двигатель внутреннего сгорания (сокращенно ДВС) – это устройство автомобиля, без которого он сам просто не сдвинулся бы с места. Механическая работа, заставляющая автомобиль двигаться, возникает в результате химических реакций сжатия и расширения газа. В данном случае газом является смесь, состоящая из воздуха (т. к. для горения необходим кислород) и топлива (например, бензин).

Прежде чем изучать механизм работы двигателя внутреннего сгорания, разберем наиболее часто встречающиеся понятия:

Рабочий цикл ДВС – периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в цилиндре двигателя и обуславливающих превращение тепловой (химической) энергии в механическую работу.

Такт (ход поршня) – часть рабочего цикла, осуществляемая в интервале перемещения поршня между двумя смежными мертвыми точками.

Верхняя мертвая точка (ВМТ) – крайнее верхнее положение поршня. При этом скорость перемещения поршня равна нулю.

Нижняя мертвая точка (НМТ) – крайнее нижнее положение поршня.

Кривошипно-шатунный механизм – механизм, преобразующий движение поршня во вращательное движение коленчатого вала, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

Камера сгорания – пространство над днищем поршня при его нахождении в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра – пространство цилиндра между ВМТ и НМТ перемещения поршня.

Полный объем цилиндра – сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Является важным параметром ДВС, т. к. сильно влияет на его экономичность и мощность.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу (4 хода поршня соответствуют 2 оборотам коленчатого вала). В работе четырехтактного цикла различают 4 фазы: впуск (горючей смеси), сжатие (горючей смеси), расширение (рабочий ход) и выпуск (отработавших газов).

Четырехтактные двигатели могут быть карбюраторными, т. к. рабочая смесь образуется в специальном устройстве вне цилиндра – карбюраторе (внешнее смесеобразование) и инжекторные, когда рабочая смесь образуется внутри цилиндров путем впрыскивания топлива непосредственно в цилиндр через распыляющие форсунки (инжектор).

Цикл работы карбюраторного ДВС

1. Впуск

Коленчатый вал делает первый полуоборот, при этом поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). Через открытый впускной клапан поступает рабочая смесь (воздух + пары бензина). Выпускной клапан закрыт.

2. Сжатие

Идет дальнейшее вращение коленчатого вала (второй полуоборот). Оба клапана закрыты. При этом поршень перемещается от НМТ к ВМТ, сжимая рабочую смесь. Когда поршень почти подошел к ВМТ, свеча подает искру.

3. Расширение (рабочий ход)

Рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает. Температура газа повышается, давление увеличивается, толкая при этом поршень от ВМТ к НМТ. Таким образом, газы совершают полезную работу, называемую рабочим ходом.

4. Выпуск

Далее коленчатый вал по инерции толкает поршень от НМТ к ВМТ, при этом открывается выпускной клапан, через который выходит образовавшаяся горючая смесь. Далее она поступает в выпускной газопровод и атмосферу.

Цикл работы дизельного ДВС

1. Впуск

Поршень начинает двигаться от ВМТ к НМТ. Впускной клапан открыт. Через него опускающийся поршень засасывает в полость цилиндра атмосферный воздух.

2. Сжатие

Оба клапана закрыты. Поршень, двигаясь уже от НМТ к ВМТ, сжимает воздух, тем временем в цилиндр впрыскивается дизельное топливо. Впрыск происходит через специальное устройство – инжектор (распыляющие форсунки).

3. Расширение (рабочий ход)

Температура сжимаемого воздуха, с которым смешивается топливо, становится выше температуры самовоспламенения топлива, поэтому оно воспламеняется. В процессе горения давление в цилиндре повышается и толкает поршень к НМТ. Происходит рабочий ход.

4. Выпуск

Коленчатый вал толкает поршень от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открыт, и через него из цилиндра выходят отработавшие газы.

Далее выпускной клапан закрывается, и цикл повторяется заново.

Двухтактные двигатели

Двухтактные двигатели обладают меньшим КПД, несмотря на то, что их мощность (на единицу объема) больше. Поэтому двухтактные двигатели применяются в устройстве мотоциклов небольших моторных лодок и бензопил.

Рабочий цикл у таких двигателей совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала.

Процессы впуска и выпуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общим для всех типов двухтактного двигателя является процесс продувки (удаление отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха). Роль клапанов выполняет сам поршень. Перемещаясь, он закрывает впускные и продувочные окна.

а - впуск в кривошипную камеру, сжатие в цилиндре; б – воспламенение (до ВМТ) и последующее сгорание в цилиндре; в – выпуск отработавших газов из цилиндра и продувка рабочей смесью из картера; г – схема лепесткового клапана (впускает рабочую смесь, но не дает ей проникнуть обратно); д – внешний вид лепесткового клапана. 1 – продувочный канал; 2 - выпускной канал; 3 – свеча зажигания; 4 – лепестковый клапан; 5 – впускной канал; 6 – кривошипная камера; 7 – корпус лепесткового клапана; 8 – ограничитель; 9 – упругая пластина.

Цикл работы двухтактного двигателя

1. Впуск

Поршень начинает двигаться от НМТ к ВМТ, закрывая продувочное, а затем выпускное окно. При закрытых окнах поршень продолжает перемещаться к ВМТ и сжимает поступившую из продувочных окон рабочую смесь (продувочное окно соединяет пространство, находящееся над головкой поршня, и пространство, находящееся под ним). В это время в пространство под поршнем – кривошипную камеру – поступает новая горючая смесь через открытое впускное окно.

2. Рабочий ход

При подходе поршня к ВМТ подается искра, чтобы воспламенилась сжатая рабочая смесь. При повышении температуры газы расширяются и тем самым повышают давление в камере сгорания. Под давлением поршень начинает движение к НМТ – совершается рабочий ход. Двигаясь вниз, поршень сверху открывает выпускное окно (через него начинает выходить горючая смесь), затем открывается продувочное окно и закрывается впускное (через которое поступала рабочая смесь в кривошипную камеру). Продувочный канал, соединяющий кривошипную камеру и камеру сгорания, позволяет рабочей смеси под давлением опускающегося поршня поступать в камеру сгорания, тем самым вытесняя из нее отработавшие газы в уже открытое выпускное окно. Получается, что камера сгорания вновь наполняется свежей рабочей смесью.

Механизм своевременного распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания осуществляется газораспределительным механизмом (ГРМ) путём перекрытия и открытия поршнями продувочных окон цилиндров в двухтактных двигателях, либо открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (в четырехтактных двигателях), имеющих привод от распределительного вала (распредвала) и кулачкового механизма. Распредвал вращается синхронно с коленчатым валом, это обеспечивается шестерёнчатым, зубчато-ремённым или цепным механизмом передачи движения.

Процессы, связанные с подготовкой рабочей смеси к сжиганию ее в цилиндре, а также освобождением цилиндра от продуктов сгора­ния, в одноцилиндровых двигателях осуществляются движением поршня за счет энергии маховика, которую он накапливает в про­цессе рабочего хода.

В многоцилиндровых двигателях вспомогательные ходы каждого из цилиндров выполняются за счет работы других (соседних) цилиндров. Поэтому эти двигатели могут работать без маховика.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания.

В рассмотренных выше типах ДВС поршень совершает возвратно-поступательные движения (вверх-вниз), но существует также еще один тип двигателей – роторно-поршневой двигатель (РПД). От цилиндровых он отличается своим строением: камера РПД в разрезе имеет форму эпитрохоиды. Это плоская кривая, образуемая точкой, жёстко связанной с окружностью, катящейся по другой окружности (см.рисунок внизу слева). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три закрытых объема газа. Отверстия для впуска и выпуска находятся в стенках камеры, и на них отсутствуют клапаны. Выхлопное отверстие соединено непосредственно с выхлопной трубой, а впускное напрямую подключено к газу.

Coolant Passageways – охладительная рубашка; Intake Port – впускное окно; Exhaust Port – выпускное окно; Spark Plugs – электрические свечи зажигания.

В роли поршня в РПД выступает трехгранный ротор (рисунок справа). Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых действует как поршень. Каждая сторона ротора имеет углубление, что повышает скорость вращения ротора в целом, предоставляя больше пространства для топливно-воздушной смеси. На вершине каждой грани находится по металлической пластине (Apex Seal), которые и формируют камеры, где и происходят такты двигателя. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер (Face Seals). В середине ротора находится круг, в котором имеется множество зубьев. Они соединены с приводом, который крепится к выходному валу (выходной вал имеет полукруглые выступы-кулачки, размещенные несимметрично относительно центра, что означает, что они смещены от осевой линии вала). Каждый ротор надевается на один из выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. Каждый ротор движется внутри камеры и толкает свой кулачок.

Характеристика роторно-поршневого двигателя