Мотор это что в машине
Как работает двигатель машины?
Двигатель — один из важнейших элементов автомобиля. На самом деле, это, вероятно, самая важная часть всего автомобиля. И хотя большинство владельцев автомобилей знают, как выглядит двигатель, редко встречаются те, кто знает, как он работает или различные компоненты, необходимые для движения их автомобиля. Понимание того, как работает двигатель и различные процессы, необходимые для преобразования воздуха и топлива в движущую силу, могут помочь вам сэкономить деньги в следующий раз, когда вы идете в авторемонтную мастерскую. Ниже рассмотрим основные принципы как работает двигатель автомобиля.
Как работает двигатель автомобиля?
Основными компонентами автомобильного двигателя внутреннего сгорания являются следующие:
Двигатель
Блок двигателя
Перечисленные выше компоненты являются самыми важные потому что двигатель также полагается на широкий спектр датчиков и электрические двигатели, чтобы сделать свою работу должным образом. Новые двигатели также укомплектованы небольшими электронными частями и модулями управления для обеспечения их работы.
Различные типы автомобильных двигателей
Автомобильные двигатели бывают всех форм и видов. Каждый из них имеет свои преимущества и неудобства. Некоторые из них созданы для скорости в то время как другие обеспечивают лучшую топливную экономичность. Производители автомобилей стремятся чтобы выбрать конкретный размер двигателя и конфигурацию на основе цели клиентов, их потребностей и их бюджета. Рассмотрим различные типы двигатели и то, для чего они обычно используются.
Количество цилиндров
Самый простой способ классифицировать автомобильные двигатели основан на их общем количестве цилиндров. Наиболее распространенное количество цилиндров — 4, но 6-и 8-цилиндровые двигатели часто встречаются на внедорожниках, спортивных автомобилях и пикапах. Большинство небольших автомобилей начального уровня оснащаются 4-цилиндровыми двигателями из-за снижения производственных затрат с точки зрения дилера, но также и потому, что 4 цилиндра обычно сжигают меньше топлива, чем 8. Более быстрые автомобили и тяжелые грузовики, очевидно, сжигают больше топлива, чем маленький седан.
Конфигурации компоновки
Встроенный
Двигатели с рядными цилиндрами являются наиболее распространенным типом автомобильных двигателей. Все цилиндры сконфигурированы в одну линию и расположены на одной стороне коленчатого вала.
Это, безусловно, самая простая установка двигателя что делает его довольно недорогим по сравнению с другими конфигурациями двигателей. Хотя он занимает мало места с точки зрения ширины, этот двигатель, однако, требует много места в длину, особенно в случае встроенных 6 и 8.
Основной недостаток рядных двигателей заключается в том, что дисбаланс вызван расположением цилиндров на одной линии. Дисбаланс двигателя может привести к серьезным вибрациям, если он не будет правильно контролироваться. Для избежания этого производители автомобилей часто добавляют балансирный вал, соединенный с коленчатый вал работает как противовес.
V-образный
Как следует из их названия, V-образные двигатели являются, действительно, в форме буквы V. цилиндры расположены в два ряда, все они прикреплены к тот же коленчатый вал и они запускаются поочередно. Такая конфигурация позволяет автопроизводителям использовать более короткий и легкий коленчатый вал, как правило создает больше энергии, одновременно уменьшая вибрации. V-образные двигатели обычно предложите значительно больший крутящий момент при низких оборотах в минуту по сравнению с рядными двигателями.
Однако V-образная форма также приносит свои ограничения и результат в очень сложном двигателе часто требуя больше обслуживания которое, внутри поверните, результат в более высоких работать и расходах на техническое обслуживание.
W-образная
W-образные двигатели идентичны и работают точно как и модели «V», с той разницей, что они удваиваются с помощью расположенных в шахматном порядке рядами цилиндров.
Главным преимуществом W-образных двигателей является то, что большое количество цилиндров может быть установлено в пределах минимального пространства, позволяющее использовать еще более короткий коленчатый вал, чем на V-образном двигателе.
Этот тип двигателя гораздо сложнее чем рядные и v-образные двигатели, особенно если смотреть на головку двигателя и клапанный механизм. Это, вероятно, одна из причин, почему этот тип двигателя в основном используется в авиации или только в автомобилях высокого класса.
Плоские Двигатели
Плоские двигатели являются полностью плоскими: все поршни находятся в одной плоскости, обычно горизонтальной. Цилиндры всегда четны по числу и расположены по обе стороны от коленчатого вала.
Такая конфигурация двигателя очень практична так как он занимает очень мало высоты. Плоские двигатели, таким образом, могут быть расположены очень низко на шасси автомобиля, имея очень низкий центр тяжести, что будет значительно улучшит управляемость автомобиля.
Кроме того, тот факт, что поршни противостоят друг другу с обеих сторон коленчатого вала, это приводит к лучшему балансу двигателя, который также приводит к меньшему количеству вибраций и лучшему общему балансу автомобиля на дороге.
С другой стороны, плоские двигатели часто довольно трудно обслуживать. Типичные работы по техническому обслуживанию, классифицируемые как” быстрые и легкие » на других типах двигателей, часто гораздо сложнее выполнять на плоском двигателе. Замена свечей зажигания-хороший пример. То, что займет меньше часа, чтобы выполнить на любом другом рядном двигателе, может легко занять до 4-5 часов на двигателе Boxter.
Плоские двигатели часто встречаются в автомобилях с высокой репутацией затрат на техническое обслуживание, таких как Subaru, Porsche и Westfalia и это лишь некоторые из них.
Прямой впрыск или нет
Непосредственный впрыск является наиболее распространенным методом впрыска топлива, используемым производителями автомобилей сегодня, поскольку он значительно повышает топливную экономичность автомобиля в соответствии с новыми экологическими стандартами. Эта система также ограничивает выбросы загрязняющих веществ и увеличивает крутящий момент при низких оборотах в минуту.
Принцип этой системы относительно прост: топливо непосредственно впрыскивается в камеру сгорания прямо перед искрой. Этот тип впрыска помогает сохранить впуск и дроссельную заслонку чище, так как нет никаких топливных отложений вообще.
С обычными системами впрыска топлива, форсунки помещаются перед впускным клапаном или встроены в него во впускной коллектор. Такая система позволяет пропускать воздух, топливо поступает в двигатель при открытии впускного клапана и не поддается контролю индивидуально.
Дизельный двигатель
Дизельные двигатели работают аналогично бензиновым двигателям, но система зажигания гораздо проще. В бензиновом двигателе, воздушно-топливная смесь обычно сжимается в 10 раз. Однако в дизельном двигателе, это не редкость, что воздух в конечном итоге сжимается целых 25 раз. Когда сжатый до такой степени воздух внутри камер сгорания может достигать температура до 500 ° C (1000 ° F), а иногда и больше.
Как только воздух сжат, дизельное топливо распыляется в цилиндр. В этот момент температура внутри камеры сгорания камеры настолько высоки, что топливо воспламеняется мгновенно, без необходимости искра. Остальная часть цикла довольно похожа на любой другой топливный двигатель двигатель.
Роторный двигатель
Роторный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, вращающийся вокруг неподвижного коленчатого вала. Этот тип двигателя был очень распространен в авиации, когда соотношение мощности к массе было главным критерием потребления и надежности.
Роторные двигатели не используют коленчатый вал, так как сам поршень производит вращательное движение.
Основные принципы работы
Общий принцип работы автомобильного двигателя достаточно простой. Цель состоит в том, чтобы использовать энергию, производимую горение окислительно-топливной смеси в закрытой камере. Когда воздух / топливо смесь горит, происходит значительное расширение газов, которые в свою очередь используются чтобы заставить поршни двигаться вверх и вниз и заставить коленчатый вал вращаться. Всё это происходит в цикле цикла и начинается снова и снова.
Автомобильные двигатели — это так называемые ”4-тактные» двигатели.
Такт впуска
Первый ход-это ход впуска. То поршень находится в верхней мертвой точке, а выпускной клапан закрыт. Впускной клапан открывается, пропуская воздух в камеры сгорания. Коленчатый вал, поршень опускается, создавая вакуум, всасывая воздушно-топливную смесь.
Ход сжатия
Ход сжатия начинается, когда поршень достигает нижней мертвой точки и впускной клапан закрывается. Оба клапана теперь плотно закрыты. Поршень под действием коленчатого вала начинает двигаться вверх по цилиндру, сжимая воздушно-топливную смесь в камере сгорания.
Ход сгорания
Когда поршень находится в самой высокой точке, то свеча зажигания произведет искру, Воспламеняющую воздушно-топливную смесь. Сгорание из воздушно-топливной смеси создается огромное, повышается давления внутри цилиндра, заставляющего поршень опускаться вниз и заставляющий коленчатый вал вращаться.
Ход выхлопа
Когда поршень достигнет нижней мертвой точки, выпускные клапаны откроются и позволят сгоревшим парам выталкиваться из цилиндра, когда поршень снова поднимется. Непосредственно перед тем, как поршень достигает верхней мертвой точки, впускной клапан открывается, а выпускной клапан остается открытым несколько мгновений.
Различные внутренние системы и их применение
Система впуска
Чтобы эффективно гореть, топливо должно быть смешано с воздух в правильной пропорции; 14: 1, чтобы быть точным. Это специфическое соотношение воздух / топливо называется стехиометрическим и является наиболее экономичным соотношением топлива для использования в современные двигатели внутреннего сгорания.
Топливо, с другой стороны, распыляется непосредственно во впускное отверстие, ожидая открытия впускных клапанов. Воздушно-топливная смесь контролируется кислородными датчиками, измеряющими количество топлива, оставшегося в выхлопных газах. Если в выхлопных газах будет обнаружено слишком много топлива, модуль управления трансмиссией уменьшит количество топлива, распыляемого во впускном отверстии, и наоборот. Такой процесс гарантирует, что воздушно-топливная смесь всегда будет максимально оптимальной.
Обратите внимание, что на более новых двигателях воздух и топливо являются смешивается непосредственно в камере сгорания, что позволяет получить более точную смесь для каждый из цилиндров. Эти двигатели называются двигателями с непосредственным впрыском топлива и их популярность растет с каждым годом из-за лучшей топливной экономичности они могут добиться своего.
Важно отметить, что в некоторых случаях, некоторые из выхлопных газов могут быть рециркулированы во впускное отверстие, чтобы уменьшить количество NOx, опасного атмосферного загрязнителя, производимого двигателем или в виде способ охлаждения камер сгорания.
Выхлопная система
Выхлопная система начинается в задней части автомобиля. Выпускной коллектор крепится к головке блока цилиндров и получает выхлопные газы от двигателя. Коллектор направляет тепло и дым, направленный в заднюю часть автомобиля, чтобы усилить окисление несгоревшие углеводороды и угарный газ.
Выхлопные газы затем достигают каталитического нейтрализатора, который специально разработан для превращения токсичных выхлопных газов в углекислый газ, который намного менее токсичен, чем угарный газ, и в воду с помощью химической реакции.
Датчик O2 расположен непосредственно перед и сразу после каталитического нейтрализатора, чтобы гарантировать, что соотношение воздух/топливо поддерживается в течение всего времени, чтобы сэкономить на стоимости топлива и минимизировать производимые загрязняющие вещества, насколько это возможно.
Последним компонентом системы является глушитель, работа которого заключается в уменьшении шума, создаваемого взрывами внутри двигателя, путем направления паров в отсеки, называемые резонансными камерами Гельмгольца, прежде чем выпускать их в атмосферу. Вся выхлопная система часто кажется ничем иным, как изогнутым металлическим трубопроводом.
Топливная система
В случае старых двигателей используется карбюратор для взаимодействия с воздушно-топливной смесью перед отправкой ее во впускной коллектор. На последних двигателях, однако, карбюратор заменен инжекторами, которые являются небольшие форсунки высокого давления распыляют топливо во впускной канал или непосредственно в воздухозаборник.
Топливо должно быть под давлением, чтобы распыляться достаточно мелкими каплями, чтобы иметь возможность легко испаряться при входе в камеры сгорания. Это работа топливного насоса, чтобы создать давление в топливной системе.
Система охлаждения
Во время процесса сгорания двигатель создает много тепла, что может быстро привести к перегреву, если нет правильной регулировки. Именно тогда на помощь приходит система охлаждения. Для того чтобы держать жару под контролем, цилиндры окружены проходами заполненными охлаждающей жидкостью. Охлаждающая жидкость проходит вокруг всех основных компонентов двигателя, а затем течет через радиатор. Благодаря вентилятору радиатора дует свежий воздух через ребра радиатора охлаждающая жидкость охлаждается до приемлемого уровня, перед возвращением в двигатель.
Системы наддува
Цель наддува двигателя с использованием турбокомпрессора или нагнетателя предназначена для увеличения выходной мощности и уменьшения расхода топлива. Значительно увеличить выходную мощность двигателя, можно путем воздействия на его скорость вращения, либо на его крутящий момент. Тем не менее, возможное увеличение оборотов быстро ограничивается инерцией движущихся частей и предел сопротивления трению металлических деталей.
Крутящий момент двигателя зависит от угла между шатуном и коленчатым валом, давления газа внутри цилиндра и количества затраченного топлива.
Таким образом, можно увеличить крутящий момент двигателя путем добавления турбонагнетателя или турбонагнетателя для нагнетания большего количества воздуха система, следовательно, позволяет распылять в нее больше топлива, что приводит к более высокой выходной мощности.
Системы с промежуточным охлаждением
Объем воздуха, содержащегося в данном цилиндре, равен пропорционально давлению и, наоборот, также пропорционально его абсолютному температурному значению. Когда воздух находится под давлением, его температура повышается, а плотность увеличивается, модифицируется. Более холодный воздух содержит больше кислорода. Поэтому рекомендуется установить воздушный охладитель для охлаждения воздуха. Двигатель и таким образом восстанавливает оптимальную плотность кислорода для пиковых характеристик. Для достижения этой цели производители автомобилей используют систему интеркулера для охлаждения воздуха прежде чем его впустят в воздухозаборник.
В заключение можно сказать, что в хотя целом здесь раскрыта тема как работает двигатель автомобиля, и несмотря на то что у каждого производителя автомобилей есть свои технологии, фундаментальные принципы работы одинаковы для всех двигателей внутреннего сгорания. Последние автомобили могут быть оснащены усовершенствованным хронометражем системы и электронных модулей, но основы остаются прежними.
Принцип работы и устройство двигателя
Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.
В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:
Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.
Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.
Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.
На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.
Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.
Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.
Принцип работы двигателя
Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:
Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.
Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.
Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.
На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.
Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Системы двигателя
Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:
ГРМ — газораспределительный механизм
Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:
ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.
Система смазки
В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:
Система охлаждения
Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:
Система подачи топлива
Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:
В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.
Выхлопная система
Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:
В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.
Двигатель является главной системой в любом транспортном средстве. Этот компонент автомобиля можно сравнивать с сердцем человека, то есть, человек умрет без сердца – так же и автомобиль без двигателя. Двигательная система отвечает за преобразование топливной энергии в механическую энергию, которая впоследствии выполняет полезную работу. Сегодня в качестве энергии может выступать энергия сгорания топлива, электрическая энергия и т.д. Источник энергии всегда находится в автомобили. Он должен пополняться через определенный промежуток времени, чтобы автомобиль мог в итоге передвигаться. Так, механическая энергия передается на ведущие колеса от двигателя. Эта передача обычно осуществляется при помощи трансмиссии.
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
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.
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
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:
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.
Показатели двигателей
Показателями двигателя называют величины, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр.
Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.
Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо (рис. 3) и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).
Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах (см. ниже), они вместе с его величиной указываются в технической документации.
Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).
Двигатели большей мощности производители получают увеличением:
рабочего объема, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
оборотов коленчатого вала, число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях — конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.
Номинальная мощность — гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.
Удельный расход топлива — это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.
Основные элементы двигателя
Ниже на рисунке показана схема расположения элементов в цилиндре. В зависимости от модели двигателя, их может быть 4, 6, 8 и даже больше. На рисунке обозначены следующие элементы: A – распределительный вал. B – крышка клапанов. C – выпускной клапан. Открывается строго в нужное время для того, чтобы отработанные газы выводились за пределы камеры сгорания. D – отверстие для выхода отработанных газов. E – головка блока цилиндра. F – пространство, заполняемое охлаждающей жидкостью. В процессе работы двигатель сильно нагревается, поэтому его необходимо остудить. Чаще всего для этого используется антифриз. G – корпус двигателя. H – маслосборник. I – поддон. J – свеча зажигания. Обеспечивает искру, необходимую для того, чтобы зажечь топливную смесь, находящуюся под давлением. K – впускной клапан. Открывается и запускает в камеру сгорания воздушно-топливную смесь. L – отверстие для впуска топливной смеси. M – сам поршень. Движется вверх-вниз в результате детонации топливной смеси, передавая механическую нагрузку на коленчатый вал. O – шатун. Соединительный элемент поршня и коленчатого вала. P – коленвал. Вращается в результате движения поршней. Передает усилия на колеса через трансмиссию автомобиля. Все эти элементы принимают участие в четырехтактном цикле.
Виды двигателей
Первый полноценный прототип двигателя внутреннего сгорания был сконструирован в далёком 1806 году, который принадлежал братьям Ньепсье. После этого важного исторического факта было недолгое затишье.
Но, в конце 19 века три легендарным немца положили старт автомобилестроению — Николас Отто, Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. После этого двигатели внутреннего сгорания получили много модификаций и вариантов, которые используются по сегодняшний день.
Рассмотрим, какие существуют виды автомобильных ДВС, а также укажем типы двигателей:
Роторно-поршневые ДВС
Роторно-поршневой силовой агрегат в автомобилестроении не нашёл широкого распространения, хотя можно встретить модели автомобилей, которые используют такой тип ДВС. Предложил создание такого мотора — конструктор Ванкель.
Движение осуществляется за счёт вращения трёхзубчатого ротора, который позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Данный мотор активно использовался в 80-е годы 20 ст.
Газовый двигатель
Газовые двигатели на сегодняшний день в автоиндустрии в чистом виде почти не используются, поскольку частые поломки моторов, стали причиной полного отказа от них. Вместо этого, газовые установки зачастую можно встретить на бензиновых автомобилях, что значительно экономит расход денег на горючее.
Газ с баллона подаётся на редуктор, который распределяет топливо по цилиндрам, а затем горючее попадает непосредственно в камеры сгорания. После этого с помощью свечей зажигания газ воспламеняется. Единственным недостатком использования газовой установки считается то, что мотор теряет 20% своего потенциального ресурса.
Электрические моторы
Николас Тесла впервые предложил использовать для автомобилей электроэнергию. Электрические моторы на сегодняшний день не распространены, поскольку заряда батареи хватает только до 200 км пути, а заправочных станций, которые могут предоставить услугу зарядки автомобиля — практически нет.
Известная мировая компания, производитель электрических автомобилей «Тесла» продолжает совершенствовать электродвигатели, и каждый год дарит потребителям новинки, которые имеют больший запас хода без дозарядки.
Инжектор
Инжекторный двигатель — это тип впрыскового устройства горючего в цилиндры двигателя. Инжекторный впрыск бывает моно и разделённым Данная система на сегодняшний день все больше совершенствуется, чтобы уменьшит выбросы СО2 в атмосферу. Для впрыска используются форсунки, которые ещё ранее начали использоваться на дизельных двигателях.
С переходом на данную систему транспортные средства стали оснащать электронными блоками управления двигателем, чтобы корректировать состав воздушно-топливной смеси, а также сигнализировать о неисправностях внутри системы.
Дизельные двигатели
Дизельный мотор — это вид двигателя, который расходует как горючее дизельное топливо. Основные системы и элементы движка идентичны бензиновому брату, различие состоит в системе впрыска и воспламенении смеси. В дизельном моторе отсутствуют свечи зажигания, поскольку воспламенение смеси от искры не нужно.
На моторах такого типа устанавливаются свечи накала, которые разогревают воздух в камере сгорания, который превышает температуру воспламенения. После этого через форсунки подаётся распылённое топливо, которое сгорает, чем создаёт достаточное давление для привода в движения поршня, который раскручивает коленчатый вал.
Характеристики двигателей
При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.
Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рис. 4), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.
Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.
Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.
Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.
Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике (см. рис. 4). Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.
Преимущества и недостатки ДВС
Какой же основной недостаток у ДВС?
Так что, если раньше сосед дядя Вася перебирал двигатель своей «копейки» самостоятельно, но на новеньких современных машинах вряд ли кто-то полезет в тонкую систему ДВС без специального оборудования и инструментов.
И, наконец, нефтяная эра сама по себе отходит в прошлое. Не зря же растут требования к экологической безопасности транспорта, а заодно и эффективность солнечных батарей. Да, бензиновые и дизельные моторы еще не скоро исчезнут с улиц, но уже Европа борется за внедрение электромобилей, благодаря которым человечество когда-нибудь забудет слово «бензиновый смог».
Неполадки двигателя
Итак, одним прекрасным утром Вы садитесь в машину, а двигатель не заводится… Что же случилось? Теперь, когда Вы знакомы с принципом работы двигателя, Вы сможете разобраться с основными проблемами, которые мешают запуску двигателя. Три наиболее частые неполадки: плохая топливная смесь, недостаточная компрессия, отсутствие искры. Помимо вышеперечисленных, могут возникнуть тысячи других проблем, но мы остановимся на «большой тройке». Основываясь на простом двигателе, который мы описывали, мы расскажем о том, как эти проблемы могут повлиять на Ваш двигатель:
Плохая топливная смесь — Данная проблема может возникнуть по нескольким причинам:
Недостаточная компрессия — Если топливно-воздушная смесь не будет сжата надлежащим образом, процесс сгорания будет проходить неправильно. Недостаточная компрессия может быть вызвана рядом причин:
Наиболее часто повреждение цилиндра происходит в его верхней части (на которой установлены клапаны, свеча зажигания и которая называется головка цилиндра) крепится к самому цилиндру. Обычно головка цилиндра крепится к самому цилиндру при помощи болтового соединения с использованием тонкой прокладки, которая обеспечивает качественное уплотнение.. При повреждении прокладки, между цилиндром и его головкой образуются небольшие отверстия, в результате чего происходят протечки.
Регулярное техническое обслуживание может помочь избежать ремонта
Отсутствие искры — Искра может быть слишком слабой или отсутствовать вообще по следующим причинам:
Могут возникнуть и другие неполадки. Например:
Как Вы видите, в двигателе имеется несколько систем, которые обеспечивают преобразование энергии топлива в механическую энергию. В следующих разделах мы рассмотрим различные подсистемы, которые используются в двигателях.
Клапанный механизм и система зажигания двигателя
Большинство подсистем двигателя может быть установлено с использованием различных технологий, а новые технологии могут улучшить показатели двигателя. Далее мы рассмотрим различные подсистемы, которые используются в современных двигателях, начиная с клапанного механизма.
Рисунок 5. Распредвал
В большинстве современных автомобилей используются так называемые верхнерасположенные распредвалы. Распредвал имеет кулачки, которые перемещают клапаны вверх-вниз, как показано на Рисунке 5. Кулачки воздействуют на клапаны напрямую или посредством очень короткой тяги. В старых моделях двигателей распредвал расположен в картере рядом с коленвалом. Штифты соединяют нижнюю часть кулачков с толкателями клапанов, расположенными над клапанами. В таком устройстве имеется больше движущихся частей, в результате чего возникает отставание между временем активации кулачка и последующим перемещением клапана.
Ремень ГРМ или цепь ГРМ соединяет коленвал с распредвалом таким образом, чтобы клапаны двигались синхронно с поршнями. Скорость вращения распредвала в два раза ниже, чем у коленвала. Во многих мощных двигателях на каждый цилиндр установлено по четыре клапана (два впускных и два выпускных), такая конструкция требует наличия двух распредвалов на блок цилиндров, отсюда и название «двухраспредвальный вид головки». Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает распредвал».
Система зажигания (Рисунок 6) генерирует электрический разряд высокого напряжения и передает его от свечи зажигания по проводам зажигания. Вначале заряд поступает на распределитель, который Вы легко можете найти под капотом большинства автомобилей. Распределитель имеет один провод, входящий в центре и четыре, шесть или восемь проводов (в зависимости от количества цилиндров), выходящие их него. Эти провода зажигания передают заряд на каждую свечу зажигания. Зажигание двигателя отрегулировано таким образом, что за один раз искру от распределителя получает только один цилиндр. Такая конструкция обеспечивает максимальную равномерность работы. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает автомобильная система зажигания».
Рисунок 6. Система зажигания
В следующем разделе мы рассмотрим, как происходит запуск, охлаждение и циркуляция воздуха в двигателе.
Системы охлаждения, воздухозабора и запуска двигателя
В большинстве автомобилей система охлаждения состоит из радиатора и водяного насоса. Охлаждающая жидкость циркулирует по охлаждающей рубашке цилиндров, затем попадает в радиатор для охлаждения. В некоторых автомобилях (преимущественно в Volkswagen Жук) и в большинстве мотоциклов и газонокосилок используется воздушное охлаждение двигателей (двигатель с воздушным охлаждением легко узнать по ребрам на внешней стороне цилиндров, которые рассевают тепло). Двигатели с воздушным охлаждением намного легче, но охлаждаются хуже, что снижает их срок эксплуатации и производительность. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система охлаждения».
На схеме представлено соединение патрубков системы охлаждения
Итак, теперь Вы знаете, что и как охлаждает двигатель Вашего автомобиля. Но почему так важна циркуляция воздуха? Большинство двигателей является безнаддувными, т.е. воздух поступает через воздушные фильтры непосредственно в цилиндры. Более мощные двигатели либо имеют турбонаддув, либо наддув, т.е. воздух поступает в двигатель под давлением (для подачи в цилиндр большего объема топливно-воздушной смечи) для увеличения мощности двигателя. Уровень сжатия воздуха называется наддув. При турбонаддуве используется небольшая турбина, установленная на выхлопную трубу для вращения нагнетающей турбины входящим потоком воздуха. Турбокомпрессор устанавливается непосредственно на двигатель для вращения компрессора.
Увеличение мощности двигателя — это, конечно, хорошо, но что же происходит когда Вы поворачиваете ключ? Система запуска состоит из электростартера и соленоида стартера. При повороте ключа зажигания, стартер несколько раз проворачивает двигатель для начала процесса сгорания. Для запуска холодного двигателя требуется мощный стартер. Стартер должен преодолеть:
В связи с тем, что требуется большое количество энергии и в автомобилях используется 12-вольтная электросистема, на стартер должен поступать ток в несколько сотен ампер. Соленоид стартера — это большой электронный переключатель, который может выдержать ток такой силы. При повороте ключа зажигания, он запускает соленоид для подачи питания на стартер.
В следующем разделе мы расскажем о подсистемах двигателя, которые отвечают за то, что в него поступает (масло и топливо) и что выходит (выхлоп и выбросы).
Системы смазки, подачи топлива, выхлопа и электросистема двигателя
Когда дело касается повседневного обслуживания, скорее всего Вас, прежде всего, заинтересует количество бензина в бензобаке Вашего автомобиля. Каким же образом бензин, которым Вы заправляетесь, заставляет работать цилиндры? Топливная система при помощи насоса подает топливо из бензобака и смешивает его с воздухом в определенных пропорциях для того, чтобы топливно-воздушная смесь затем поступала в цилиндры. Существует три способа подачи топлива: карбюрация, впрыск во впускные каналы и непосредственный впрыск.
Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система впрыска топлива».
Масло также играет очень важную роль. Система смазки обеспечивает подачу масла для каждой движущейся детали для того, чтобы они свободно двигались. Прежде всего, смазка требуется поршням (для их плавного движения в цилиндрах) и подшипникам, которые обеспечивают вращение таких деталей, как коленвал и распредвал. В большинстве автомобилей масла из поддона картера подается при помощи масляного насоса, проходит через масляный фильтр для удаления абразивных частиц, после чего под давлением поступает на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает обратно в картер, где оно собирается, после чего цикл повторяется.