Первые образцы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) были созданы в конце XVIII в., но бурное их развитие началось только через 100 лет вместе с массовым производством автомобилей. Несмотря на появление электрического транспорта, ДВС остаются востребованными. За счет использования электроники и систем наддува удалось повысить экономичность и снизить количество вредных выбросов.
Определение двигателя внутреннего сгорания простыми словами
ДВС работает за счет преобразования энергии окисляющегося углеводородного топлива в механическую. Сжигание происходит в закрытой камере, оснащенной каналами для подачи горючего и отвода газов. Продукты сгорания воздействуют на поршень либо раскручивают колесо турбины.
Типы ДВС
Поршневые двигатели для автомобилей можно разделить на типы по способу воспламенения рабочей смеси:
- с принудительным искровым зажиганием, работающие на бензине (ранние образцы могли эксплуатироваться на керосине);
- с воспламенением от сжатия, использующие в качестве горючего тяжелые фракции перегонки нефти (дизельное топливо).
Бензиновый
При применении в качестве топлива бензина уместно искровое зажигание. У двигателей Mazda степень сжатия увеличена до 14–15 единиц. В этом случае воспламенение смеси происходит за счет высокой температуры сжатого воздуха с последующим контрольным поджогом искрой.
Дизельный
Агрегат отличается повышенной степенью сжатия, позволяющей разогреть воздух до +600°С и выше. Для холодного пуска предусмотрены свечи накаливания, дополнительно прогревающие камеру сгорания.
Топливо подается помпой высокого давления или насос-форсунками.
Диффузор и выемка на днище поршня обеспечивают распыление горючего в сжатом воздухе. Для повышения мощности дизели оснащают турбинами с ограничителями давления наддува и регуляторами фаз газораспределения.
Классификация ДВС
ДВС можно разделить на группы по конструктивным особенностям:
- Поршневые с воспламенением смеси от сжатия или искровым зажиганием. Помимо классических схем с 2 или 4 тактами существуют опытные модели с 6-тактным рабочим циклом. Также можно выделить агрегаты, использующие алгоритмы Миллера или Аткинсона для обеспечения топливной экономичности.
- Роторные, или моторы Ванкеля.
- Агрегаты непрерывного сгорания рабочей смеси – газовые турбины или воздушно-реактивные двигатели, не используемые для оснащения автомобилей.
Устройство и конструкция двигателя внутреннего сгорания
Такой двигатель состоит из:
- литого картера с блоком цилиндров;
- головки с газораспределительным механизмом;
- оборудования для подачи и распределения масла и питания топливом;
- контура зажигания;
- поддона для хранения запаса масла;
- коленчатого вала и поршневой группы;
- коллекторов, обеспечивающих подвод смеси и выпуск отработавших газов.
На фотографиях показан разрез одного из вариантов ДВС. В зависимости от конфигурации блока цилиндров (будь то рядный, “звезда” или V-образный) и способа привода газораспределительного механизма (цепью, ремнем либо шестернями) двигатель будет выглядеть иначе.
Возможны установка компрессора с приводом от коленчатого вала или потоком отработавших газов, регулировка фаз газораспределения и других систем, повышающих мощность и топливную экономичность.
Принцип работы ДВС
Принцип действия ДВС основан на сжигании в замкнутом пространстве цилиндра рабочей смеси. Образующиеся газы давят на поршень, который смещается вниз.
Для преобразования поступательного движения во вращательное используется кривошипно-шатунный механизм. При обратном ходе поршня цилиндр очищается от продуктов сгорания.
Двухтактного мотора
При работе двухтактного агрегата смесь топлива и воздуха затягивается в картер через окна за счет разряжения, образующегося при движении поршня вверх. Затем начинается обратный ход с нагнетанием топлива через каналы в полость камеры сгорания.
Часть топливно-воздушной смеси выбрасывается в атмосферу вместе с удаляемыми отработавшими газами.
После прохождения нижней крайней точки поршень сжимает смесь, одновременно затягивая свежую порцию горючего в картер. После вспышки цикл повторяется снова.
Схема работы 2-тактного двигателя приведена ниже.
Четырехтактного двигателя
Краткое описание рабочего процесса 4-тактного агрегата:
- впуск рабочей смеси или воздуха;
- сжатие с воспламенением смеси искрой или за счет высокой температуры в конце хода;
- движение поршня назад и расширение газов;
- выпуск продуктов сгорания в атмосферу.
Газораспределение осуществляется клапанами, каналы впуска и выпуска могут быть открыты одновременно (зона перекрытия). Воспламенение смеси происходит до прихода поршня в верхнее положение за счет опережения зажигания.
Бензиновые агрегаты с непосредственным впрыском и дизели сжимают воздух. В момент окончания цикла в цилиндр подается распыленное топливо.
Вспомогательные системы ДВС
Мотор оснащается рядом систем, обеспечивающих работу силового агрегата. Например, навесное оборудование необходимо для восстановления заряда аккумулятора и прокачки антифриза через рубашку охлаждения.
Газораспределительный механизм обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов впуска или выпуска, а при установке регулятора фаз позволяет повысить мощность в различных режимах работы. Конструкция и перечень вспомогательных элементов определяются типом и временем производства двигателя.
Зажигание
Принцип действия искровой системы зажигания основан на подаче импульсов высокого напряжения на электрод свечи. При пробое воздушного зазора между контактами образуется искра, воспламеняющая смесь.
В состав контура входят источник питания (например, батарея или генератор с регулятором напряжения), высоковольтная катушка и механический распределитель.
Для современных двигателей используются отдельные катушки для каждого цилиндра, импульсы низкого напряжения раздаются электронным блоком.
Впускная система
В общее устройство системы впуска входит коллектор, направляющий поток очищенного воздуха к клапанам. Двигатели оснащаются фильтрами с бумажным картриджем, ранее ставились сетки из металла с масляной ванной.
Для регулирования потока используется дроссельная заслонка с механическим или электронным приводом. На карбюраторных моторах устанавливался патрубок для забора нагретого от выхлопного коллектора воздуха. Агрегаты с системой впрыска такими дополнительными узлами не оснащаются.
Топливо и смазка
Углеводородное топливо для ДВС (иногда в состав горючего вводится этиловый спирт или компонент, полученный путем переработки растений) хранится в баке. Подача производится механическим либо электрическим насосом. Существуют различные виды систем для формирования топливно-воздушной смеси.
Силовой агрегат с искровым зажиганием может быть с карбюратором, но с 2000 г. большинство моторов оборудованы форсунками для впрыска. В дизелях используются насос высокого давления и форсунки (конструкция зависит от производителя и даты выпуска мотора).
Силовой агрегат оснащается системой смазки, обеспечивающей снижение сил трения и охлаждение контактирующих деталей.
Принцип работы контура прост: масло нагнетается насосом с приводом от коленчатого вала к точкам трения. Часть деталей смазывается разбрызгиванием, охлаждать смазку может отдельный радиатор.
Для фильтрации масла используется сменный картридж с редукционным клапаном. Уровень смазки контролируется вручную щупом либо с помощью датчика, выводящего информацию на экран комбинации приборов.
Выхлопная система
Стандартная система отвода отработавших газов состоит из выпускного коллектора, к которому через эластичную муфту (сильфон) крепится приемная труба.
Поток раскаленных продуктов сгорания проходит через резонатор и глушитель, назначением которых является сокращение уровня шума за счет многократного изменения направления движения газов.
В состав выхлопной системы входят и каталитический нейтрализатор с датчиками кислорода, обеспечивающими снижение токсичности выхлопа и корректировку состава топливно-воздушной смеси.
Охлаждение
Для охлаждения моторов используют:
- Поток воздуха, нагнетаемый вентилятором через ребра на корпусах цилиндров и картере. Установка щитков с регулируемыми заслонками или вязкостной муфты в приводе крыльчатки позволяет корректировать интенсивность теплообмена. На мотоциклах (например, советских ИЖ-Планета или Урал) охлаждение двигателя осуществлялось за счет обтекания оребрения воздушными массами на ходу.
- Антифриз, циркулирующий в полостях в блоке и головке мотора с помощью механического насоса и дополнительной электрической помпы. За счет термостата в контуре охлаждение жидкости происходит в радиаторе за счет потока воздуха, создаваемого вентилятором (с механическим или электрическим приводом либо крыльчаткой с вязкостной муфтой). В жидкостной системе охлаждения компенсационный бачок собирает расширяющийся при нагреве антифриз.
Особенности функционирования многоцилиндровых двигателей
При использовании в моторе большого числа цилиндров (например, в авиации применялись 28-цилиндровые агрегаты, а на серийных гражданских машинах встречаются двигатели с 10 или 12 цилиндрами) рабочие такты происходят через равные углы поворота коленчатого вала.
Для достижения равномерной работы необходимо прохождение всех вспышек в пределах одного цикла, равного 2 оборотам. Остальные параметры работы у многоцилиндровых агрегатов не отличаются от функционирования стандартного 4-цилиндрового двигателя.
Бывает ли ДВС гибридным
Для снижения расхода топлива с одновременным сохранением большого запаса хода на автомобилях стали использоваться гибридные силовые установки.
В таких агрегатах ДВС дополняется электромотором с поддержкой режима генератора, предусмотрена тяговая батарея. Бортовая электроника автоматически подключает компоненты силовой установки.
С 2010-х гг. в Европе и США стали выпускаться гибриды PHEV, батарею которых можно заряжать встроенным генератором или от внешнего источника питания (например, бытовой сети переменного тока).
Нестандартные виды ДВС для автомобилей
Помимо поршневых моторов на автомобилях использовались роторные силовые агрегаты (например, такие конструкции разрабатывали и серийно производили заводы Mazda и ВАЗ).
В середине 50-х гг. прошлого века в Европе были построены опытные машины с газовыми турбинами. Подобные разработки велись и в СССР, но дальше тестовых образцов дело не продвинулось. Основными проблемами стали высокий расход топлива, шумность и сложность отвода струи раскаленных газов от турбины.
Ряд производителей пытался выпускать автомобильные поршневые агрегаты с переменной степенью сжатия. Например, такой двигатель с системой наддува используется на Infiniti QX50.
За счет сложного механизма корректировки положения шатунного кривошипа коленчатого вала возможно плавное изменение степени сжатия от 8 до 14 единиц. Регулировка осуществляется электроникой, которая анализирует условия движения.
Еще одной оригинальной конструкцией был бесклапанный ДВС, который использовался на автомобилях и в авиации. В устройство агрегата входили перфорированные муфты, совершавшие движение относительно поршня. При открытии отверстий осуществлялся такт впуска или выброса отработавших газов.
Моторы были достаточно надежными и бесшумными, но расходовали много масла и имели ограничение по максимальной частоте вращения коленчатого вала. С 50-х гг. прошлого века от подобной системы отказались, отдав предпочтение стандартным клапанам.