Принцип работы двс

Компановка двигателя

4-хтактные дизельные двигатели отличаются не только строением камеры сгорания, но и количеством цилиндров и их взаимным расположением. Понятно, что чем больше цилиндров, тем мощнее двигатель и тем он больше по размерам. Разные варианты компоновки позволяют уменьшить его габариты. В зависимости от расположения цилиндров двигатели могут быть:

1. Рядный.

Все цилиндры располагаются в ряд. Такая конструкция двигателей самая простая, детали к ним имеют несложную технологию производства.

2. V- образный двигатель.
Цилиндры в таком двигателе расставлены в форме буквы V, в двух плоскостях, двумя рядами под углом 600 или 900. Образовавшийся между ними угол – это угол развала. Плюсом такого двигателя является мощность. Его габариты могут быть уменьшены за счет смещения в развал других важных компонентов. Его длина меньше, а ширина больше. Но из-за сложности таких конструкций бывает непросто определить центр их тяжести.

3. Оппозитные двигатели (маркировка В).
Они относительно уравновешены, для уменьшения вибрации все элементы располагают симметрично. Их конструктивная особенность – центральное крепление вала на жестком блоке. Это так же влияет на степень вибрации. Угол развала составляет 1800.

4. Рядно-смещенные агрегаты (маркировки VR).
Данную компоновку отличает малый угол развала (150) V-образного двигателя в содружестве с рядным аналогом. Это позволяет уменьшить размеры продольного и поперечного агрегатов. Маркировка VR расшифровывается как V – образный, R — рядный.

5. W (или дубль V) — образный.
Самый сложный двигатель. Известен двумя видами компоновки.
1) Три ряда, угол развала большой.
2) Две компоновки VR. Они компактны, несмотря на большое количество цилиндров.

6. Радиальный (звездообразный) поршневой двигатель.
Имеет небольшой размер длины с плотным размещение нескольких штук цилиндров. Они располагаются вокруг коленчатого вала радиальными лучами с равными углами. Ее отличает от других наличие кривошипно-шатунного механизма. В данной конструкции один цилиндр выступает главным, остальные – прицепные – крепятся к первому по периферии. Недостаток: в состоянии покоя нижние цилиндры могут пострадать от протекания масла. Рекомендуют до начала запуска двигателя проверить, что в нижних цилиндрах масло отсутствует. В противном случае возможны гидроудар и поломка. Чтобы увеличить размер и мощность двигателя, достаточно удлинить коленчатый вал образованием нескольких рядов – звезд.

Принцип работы

Машина с ДВС (двигателем) должна ездить, а для этого ей необходимо совершить механическое усилие. Именно его и производит двигатель, который передает вращательную силу на колеса автомобиля. Те вращаются, и транспортное средство начинает движение. Это очень примитивное объяснение, которое позволит лишь отдаленно понять, что это такое – ДВС в машине. Главная цель двигателя – преобразование бензина (или дизельного топлива) в механическое движение. Сегодня самый простой способ заставить автомобиль двигаться – это сжечь топливо внутри мотора. Именно поэтому двигатель внутреннего сгорания получил соответствующее название. Все они работают по одинаковому общему принципу, хотя есть некоторые разновидности: дизельные, с карбюраторными или инжекторными системами питания и так далее.

Итак, принцип мы поняли: топливо сгорает, высвобождает при этом большие объемы энергии, которые толкают механизмы в двигателе, что приводит к вращению коленчатого вала. Усилия затем передаются на колеса, и машина начинает движение.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты 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.

1. На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
2. Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
3. Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
4. И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного двигателя 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

Такты 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:

1. В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
2. Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.

Работа двухтактного двигателя 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.

Рабочий цикл двигателя

Рабочим циклом называется совокупность периодически повторяющихся в определенной последовательности процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя, в результате которых тепловая энергия переходит в работу.

Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре при перемещении поршня от одной мертвой точки к другой.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, чему соответствует два оборота коленчатого вала, то двигатель с таким циклом называется четырехтактным. Каждый такт такого двигателя имеет свое наименование и свои особенности.

Рис.2. Рабочий цикл четырёхтактного дизеля: 1-топливный насос; 2-поршень; 3-форсунка; 4-воздухоочиститсль; 5-впускной клапан; 6-выпускной клапан; 7-цилиндр

Такт впуска. При перемещении поршня от ВМТ до НМТ над ним освобождается пространство, куда через открывающийся впускной клапан 5 (рис.2) поступает чистый воздух у дизеля или смесь воздуха с мелко распыленным бензином (горючая смесь). Поступивший свежий заряд смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего такта (такая смесь называется рабочей). При подходе к НМТ давление в цилиндре вследствие сопротивления во впускном трубопроводе, ниже атмосферного и составляет 0,07. 0,09. Температура газов в конце этого такта достигается 40. 70°С у дизеля и 70. 13О°С у карбюраторного двигателя.

Такт сжатия. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ впускной клапан закрывается и поступивший в цилиндр воздух или рабочая смесь сжимается, вследствие чего их температура и давление повышаются. Величина повышения давления и температуры определяется степенью сжатия двигателя. У дизеля температура в конце такта сжатия достигает 550. 750°С, а давление 4. 5МПа; у карбюраторного двигателя рабочая смесь нагревается до 300. 430°, а давление составляет 0,8. 1.5МПа.

Такт расширения. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр дизеля через форсунку впрыскивается топливо, которое, перемещаясь с нагретым и сжатым воздухом, сгорает; при этом давление газов в цилиндре возрастает до 6. 9 МПа, а их температура поднимается до 1800. 2000° С. Под действием давления расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. В конце этого такта температура газов понижается до 700. 900° С, а давление до 0,3. 0,5МПа.

В карбюраторном двигателе при подходе поршня к ВМТ сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, ввернутой в цилиндра. От сгорания смеси давление газов возрастает до 3,5. 5 МПа, а температура до 2100. 2400°. К концу такта расширения у карбюраторного двигателя температура газов снижается до 900. 1200°, а давление до 0,3. 0,35 МПа.

Такт выпуска. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в атмосферу. При этом давление газов к концу такта снижается до 0,11. 0,12 МПа, а температура до 500. 700°С у дизеля и 300. 400° у карбюраторного двигателя.

Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт расширения – ход поршня под действием давления газов поворачивает коленчатый вал и совершает полезную работу; этот ход называется рабочим. Остальные такты – впуска, сжатия и выпуска – называются вспомогательными. После такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется.

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.

— Такт расширения, или рабочий ход При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД). Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.

— Такт выпуска Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.

Основные отличия между двухтактным и четырехтактным ДВС

Теперь давайте поглядим, чем отличаются двух тактные движки от четырех тактных двигателей. В первую очередь такие движки нужны там, где устройству необходимы быстрые и мощные всплески энергии. Например, к таким вещам могут относиться небольшие мотоциклы, мопеды или мотопилы, газонокосилки.

Двух тактные моторы предназначены для коротких поездок. Они не смогут выдержать долгое постоянное напряжение. Свечи придут в негодность от постоянной работы движка. Поэтому, рыбакам приходится иногда глушить движок в море, чтобы дать ему отдохнуть и затем заводить заново.

Жизненный ресурс двух тактного мотора тоже ограничен. Их жизнь исчисляется в сотнях и тысячах часов, а не в километрах, как у четырехтактных моторов. Хотя, если они ставятся на мотоциклы или таркторы, то тогда жизненный ресурс исчисляют в километрах. Обычно он равен ста тысячам километров. Это предельный максимум.

Двух тактные моторы дешевле, чем четырех тактные. Разница между стоимостью этих двигателей может достигать двадцати, а то и тридцати процентов. Однако все зависит и от объема движка. Например, двигателя с маленьким объемом стоят на 6 000 тысяч рублей дороже двух тактных с маленьким объемом. А вот при просмотре цен на моторы с большим объемом эта цифра может увеличиваться до тридцати и сорока тысяч рублей.

Простой пример приведен в таблице с моторными лодками.

Как видите из таблицы действительно цена растет с увеличением мощности и объема соответственно.

Двух тактные моторы можно перевозить в любой машине и в любом положении. Они не сломаются, четырех тактные чувствительны к любому удару и неправильному положению.

В двухтактных моторах экологический класс навряд ли превысит Евро 2. А в четырех тактных этот показатель может увеличиться до Евро 5. Последние силовые агрегаты экологичнее, потому что в них полностью сгорает топливо. А в первых моторах часть газов не выработана полностью и уходит атмосферу в том же составе.

Двухтактники едят топливо во много раз больше, чем четырехтактники. Поэтому последние считаются экономичными. Хотя первые весят меньше и их легко перетаскивать с места на место, если понадобится. Чтобы переместить четырех тактный движок, потребуется сила как минимум двух взрослых людей.

Двухтактники нуждаются в том, чтобы топливную смесь им делали заранее. Четырехтактникам это не нужно. Все делает за человека система. Автовладельцу требуется только заливать вовремя масло и бензин в раздельные баки. Также ему нужно менять фильтрующие элементы, которые защищают детали движка от повреждения стружкой или другими элементами износа силового агрегата.

Как устроен и работает четырехтактный движок

Работа 4-тактного двигателя позволяет вращать коленчатый вал, который передает движение на полный привод транспортного средства через кривошипно-шатунный механизм. Самая простая одноцилиндровая конструкция состоит из:

• металлический корпус, состоящий из крышки и блока цилиндров;
• цилиндр, внутри которого поршень движется вверх и вниз;
• впускной и выпускной клапаны, подающие топливную смесь в камеру сгорания и отводящие выхлопные газы;
• поршень, который сжимает топливную смесь, вызывая воспламенение, а также вращает маховик коленчатого вала и, как следствие, колеса автомобиля;
• свечи, подающие искру в цилиндр, воспламеняющий горючую смесь (в бензиновых моделях);
• системы маслоснабжения внутри силового агрегата для смазки и охлаждения движущихся частей;
• контур жидкостного охлаждения, отводящий излишки тепла от двигателя.

Модульный одноцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Как работает четырехтактный двигатель:

1. Впуск (вращение кривошипа от 0 до 180 °): поршень опускается в нижнюю мертвую точку (PMI), впускной канал открывается одновременно, и смесь топлива и кислорода попадает в двигатель.
2. Сжатие (от 180 до 360 °): поршень поднимается в верхнюю мертвую точку (ВМТ), сжимая топливную смесь внутри.
3. Рабочий ход (от 360 до 540 °): топливо внутри цилиндра воспламеняется свечой зажигания (или по температуре — на дизельных двигателях) и поршень снова сбивается силой образовавшегося взрыва. Третий такт называется рабочим ходом, потому что именно в нем поршень совершает полезную работу, передавая крутящий момент на коленчатый вал, а затем на ведущее колесо (остальные такты ДВС происходят, наоборот, за счет движению кривошипно-шатунного механизма, поэтому КПД двигателя этого типа составляет около 40%).
4. Выхлоп (кривошипная система от 540 до 720 °): в это время открывается выход, и поршень возвращается в ВМТ, выталкивая выхлопные газы в выхлопную систему.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя.

В чем особенность дизельных силовых агрегатов

Все ДВС можно разделить на две группы по принципу смесеобразования:

1. Бензин (карбюраторный или впрыскивающий) и газ — где топливо смешивается с воздухом перед поступлением в цилиндр.
2. Дизель: топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя на дизельных силовых агрегатах немного отличается от такового на бензине. Камеры сгорания содержат кислород, который нагревается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. Прежде чем поршень достигнет верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивается жидкое дизельное топливо, которое форсунки разбрызгивают небольшими каплями для более быстрой реакции с нагретым воздухом.

4-х тактный дизельный двигатель.

Многоцилиндровые модели

Чем больше цилиндров у четырехтактного двигателя, тем больше общий объем камер сгорания, поэтому силовые агрегаты автомобилей оснащены большим количеством цилиндров. Чаще всего это число четное, для сохранения сбалансированности установки, но встречаются и трехцилиндровые модели.

Классификация двигателей для многоцилиндровых автомобилей:

• В линию: на одном коленчатом валу, параллельно друг другу;
• V-образный — два ряда цилиндров на коленчатом валу, расположенные под углом;
• VR-образная — аналогична предыдущей, но имеет меньший угол развала (около 15o).

Двигатель внутреннего сгорания в ряду в разрезе.

Чтобы многоцилиндровый двигатель работал плавно, ходы разных цилиндров должны чередоваться в определенной последовательности и через равные промежутки времени. Примерный порядок работы четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания:

Порядок работы цилиндров на ВАЗ-2109.

От чего зависит мощность четырехтактного мотора

Основными параметрами, влияющими на мощность силового агрегата, являются:

• общий объем цилиндров;
• частота вращения вала двигателя;
• прохождение входных и выходных отверстий;
• уровень сжатия топливной смеси.

Схема турбонаддува двигателя с турбонаддувом.

Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) — четырёхтактный двигатель

Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда пoршень будет находиться в ВМТ. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скороть горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.

Устройство двигателя автомобиля

Для того, чтобы понять принцип работы двигателя, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении.

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

Технические характеристики двигателя.

При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.

Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС. Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.

Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.

Share

Поделиться

Недостатки четырёхтактных двигателей:

Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой кривошипно шатунным механизмом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя. Поскольку сгорание происходит в доли секунд, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя внутреннего сгорания. Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали.