Двигатель внутреннего сгорания (ДВС): вилы, устройство, КПД, принцип работы

На автомобилях, тракторах, комбайнах, самолетах и т. д. главным энергосиловым устройством является двигатель внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия установки – 90–95%. Бесперебойная работа мотора возможна благодаря тепловому расширению газовоздушной смеси.

Что такое двигатель внутреннего сгорания

Энергосиловая машина (ДВС) – это вид двигателя, в котором топливо сжигается в специальной рабочей емкости. Тепловые агрегаты классифицируют по назначению, мощности и другим показателям.

Двигатели устанавливают на следующих видах транспорта:

• автомобилях;
• мотоциклах;
• самолетах;
• вертолетах;
• морских судах и др.

История создания

Создать силовой агрегат пытались видные ученые:

• Д. Барбер (1791 г.);
• Р. Стрит (1794 г.);
• Н. Ньенс (1807 г.);
• Ф. Исаак де Риваз (1807 г.).

В 1801 г. Филипп Лебон приступил к разработке газового механизма. Он был оснащен 2 компрессорами и смесительной камерой. Жан Этьен Ленуар изобрел 2-тактный мотор (11,97 л. с.) в 1860 г. Немецкий инженер Н. А. Отто сконструировал двигатель с жидким топливом в 1863 г.

В 1877 г. ученый запатентовал новое устройство с 4-тактным циклом для автомобилей.

В 1883 г. Г. Даймлер создал первый бензиновый аппарат с зажиганием, предназначенный для промышленной установки. В 1884 г. О. С. Костович (Россия) изготовил карбюраторную тепловую машину.

В 2017 г. на автомобилях Mitsubishi p-HEV, Chevrolet Volt, Toyota PHV установлен VPN для турбированного двигателя с переменной степенью сжатия. Подключаемый гибрид заряжается извне.

Разновидности силовых агрегатов

Тепловые устройства подразделяют по типу подачи и преобразования энергии.

Выделяют следующие виды двигателей:

• поршневые;
• роторные;
• комбинированные;
• аккумуляторные и пр.

В зависимости от конструктивных особенностей силовые установки подразделяют на дизельные и бензиновые. Классификация ДВС также учитывает количество тактов в рабочем процессе.

Устройство и конструкция ДВС

В состав тепловой машины входят следующие механизмы:

• блок цилиндров;
• кривошипно-шатунное устройство;
• газораспределительный узел;
• конструкция для впрыска и воспламенения топлива.

ГРМ регулирует работу впускного и выпускного механизмов. Распределительный вал с помощью металлических элементов запускает поршень с возвратными пружинами.

Внутренние блоки обеспечивают стабильную работу мотора. Узел в верхней части цилиндра состоит из камеры, клапанов, свечей, распределительного вала (с кулачками).

Принципы работы двигателя внутреннего сгорания

Чтобы понять, как функционирует ДВС, необходимо изучить основы теплового расширения газов при сгорании топлива.

В 1 рабочий такт входят:

• 2 оборота коленчатого вала;
• 4 впуска;
• компрессия;
• рабочий ход;
• выбрасывание отработанных газов.

Четырехтактный

Рабочий цикл теплового приспособления включает 2 оборота коленчатого вала и 4 движения поршня. Коэффициент полезного действия высокий, хотя процесс занимает 1 такт.

Рабочий процесс включает 4 цикла:

1. Наполнение топливно-воздушным составом цилиндра (впуск).
2. Увеличение температуры и давления благодаря сжатию горючего состава при закрытых клапанах.
3. Воспламенение топлива от давления или зажигательной свечи при остановке поршня в верхней мертвой точке.
4. Открытие выпускного клапана при поднятой заслонке и вытеснение газового состава.

Двухтактный

Рабочий процесс в 2-тактном двигателе состоит из взаимосвязанных несложных процессов:

• сдавления;
• рабочего хода.

Цилиндр оснащен каналами и окнами, объединяющими 2 камеры в одну. Топливо смазывает стенки емкости коленчатого вала. Бензин смешивается с маслом.

Пропорция горючих и смазочных материалов указывается производителем в инструкции по эксплуатации. Выхлопы 2-тактного устройства ядовиты. КПД силовой установки составляет 20–25%.

Другие разновидности ДВС

Среди поршневых моторов выделяют 2 типа конструкций: бензиновую и дизельную. Рото-поршневой аппарат Венкеля и газотурбинный двигатель – это разновидности тепловых устройств.

Энергосиловые машины также классифицируют по расположению цилиндров.

Автомоторы бывают:

• рядные;
• оппозитные;
• V-образные;
• радиальные.

В зависимости от типа ГРМ установки подразделяют на нижне- и верхнеклапанные. По способу воспламенения выделяют систему с принудительным зажиганием и автономное устройство.

Энергосиловые аппараты подразделяют по методу наполнения топливом:

• без наддува;
• с принудительным повышением движения воздуха выше уровня атмосферного.

Характеристики ДВС

Параметры установки включают следующие позиции:

• вид ДВС;
• количество тактов;
• расположение цилиндров и их рабочий цикл;
• маршрут коленчатого вала;
• объем бака;
• величину сжатия;
• максимальную мощность;
• детали КШМ;
• суммарный расход моторной жидкости.

Описание систем двигателя

Энергосиловая машина состоит из следующих вспомогательных конструкций:

• охлаждения;
• смазки;
• питания;
• зажигания;
• пуска.

Тепловые устройства оборудуют механизмами впуска и преобразования возвратного движения поршня.

Блок для отвода излишков энергии включает 2 схемы:

• воздушную;
• жидкостную.

Привод установки представлен ременной и цепной конструкциями.

ГРМ

Газораспределительное устройство контролирует работу впускных и выпускных вентилей. ГРМ транспортирует топливо в горелку и удаляет отработанные газообразные продукты.

Конструкция состоит из следующих элементов:

• распределительного механизма;
• привода;
• 2 клапанов;
• механизма регулировки фаз газораспределения.

Как работает ГРМ:

1. Вал, приводимый в движение кривошипным механизмом, передает усилие на распределительное устройство.
2. Кулачок ударяет по коромыслу.
3. Клапан открывает камеру сгорания.
4. Под действием пружины поршень занимает исходное положение.

Система смазывания

Масляное устройство предназначено для обеспечения эффективной работы силового агрегата и предупреждения износа механизмов.

Смазочная система устраняет вредные частицы с поверхности деталей.

Главные функции смазочного внутреннего аппарата:

1. Профилактика трения и преждевременного выхода деталей из строя.
2. Повышение герметичности между стенками цилиндра и кольцами поршня.
3. Контроль давления в узлах и механизмах с гидроприводом.
4. Предохранение поршней, подшипников скольжения от перегревания.
5. Создание антикоррозийного покрытия.
6. Предупреждение нагара на движущихся механизмах.
7. Профилактика образования твердых отложений в картере и маслопроводах.

В систему смазки смешанного вида входят:

• коренной и шатунный подшипники;
• втулки коромысел;
• масляный насос;
• фильтр для очистки смазки;
• картер;
• радиатор;
• приспособления для транспортировки масла.

Охлаждение двигателя

Система охлаждения предназначена для отвода тепла, образующегося при работе двигателя.

В состав конструкции входят следующие механизмы:

• водяной насос;
• охладитель с приводом;
• воздухопровод;
• радиатор.

Система охлаждения, наполненная жидкостью, обладает следующими достоинствами:

• обеспечивает стабильный температурный режим;
• регулирует температуру стенок цилиндра;
• контролирует работу холодильника.

Система питания

Выделяют 2 типа бензиновых тепловых аппаратов:

• карбюраторный;
• инжекторный.

В блок питания ДВС входят установки для подачи воздуха и топлива.

В бензиновом преобразователе энергии инжекторного вида топливный насос укомплектован электрическим проводом. Агрегат для транспортировки горючего соединен с прибором контроля расхода топлива. В моторном отсеке расположен фильтр.

Силовой агрегат может быть обеспечен моновпрыском.

Принцип его работы заключается в следующем:

1. Горючее поступает в карбюратор через специальные защитные устройства.
2. В узлах питания пары бензина соединяются с воздухом.
3. Смесь транспортируется в цилиндр.
4. Отработанные газы через выпускной клапан поступают в атмосферу.

Зажигание

Приборы и датчики ДВС создают максимальное напряжение, позволяющее искре воспламенить топливовоздушный состав.

В систему зажигания входят следующие установки:

• аккумуляторная батарея;
• переключатель;
• катушка зажигания (преобразователь напряжения до 30 000 Вт);
• конденсатор;
• свечи.

Виды систем зажигания в установке:

• контактная;
• транзисторная;
• экстренная.

Контактное приспособление включает следующие элементы:

• генератор;
• распределительное устройство;
• прерыватель;
• катушку;
• батарею аккумулятора.

Транзисторная система зажигания оборудована коммутатором между прерывателем и катушкой зажигания. Электронные системы долговечные, сокращают расходы на горючее, гарантируют бесперебойную работу двигателя.

Алгоритм работы цифровых устройств:

• коммутация заряда;
• преобразование;
• распределение воспламенения;
• образование искры;
• возгорание топливной смеси.

Подача топлива

Специальное оборудование в преобразователе энергии предназначено для транспортировки моторной жидкости из емкости к моноблоку дроссельных заслонок.

В состав аппарата для перемещения топлива входят следующие конструкции:

• емкость для моторной жидкости;
• бензопроводы;
• фильтр очистки топлива;
• насос;
• элементы блока питания инжектора;
• приспособление для соединения горючего и воздуха;
• трубопровод для доставки кислорода в цилиндры;
• устройство снижения шума выпуска газов;
• средства измерения.

Оборудование для перемещения горючего подразделяют на 2 категории:

1. Инжекторную (для карбюраторного двигателя);
2. Аккумуляторную.

Принцип работы узлов для подачи топлива заключается в перемещении моторной жидкости из бака в емкость для смешивания. Горючее предварительно очищается в специальном фильтре.

Система выхлопов

Для удаления отработанных газов предназначены глушители, установленные на современных авто.

Выхлопной блок обладает следующими функциями:

• снижает уровень шума;
• удаляет токсичные вещества, находящиеся в отработанных газах;
• предупреждает проникновение ядовитых испарений в пассажирский салон авто.

Система выхлопов оборудована каталитическими анализаторами под контролем лямбда-зонда.

Дизельные преобразователи энергии оснащены сажевым фильтром и турбонагнетателем, предназначенным для транспортировки воздушной смеси.

Выпускной коллектор оборудован датчиком, контролирующим уровень отработанных газов.

В состав блока выхлопов входят следующие основные элементы:

• труба;
• катализатор;
• гаситель пламени.

Интересные факты о двигателе внутреннего сгорания

Заслуживающая внимания информация о тепловых машинах:

1. Энергоагрегат создан в 1804 г. изобретателем Ф. И. де Риваз (Швейцария). Установка была оснащена насосом, воспламенение топлива осуществлялось с помощью свечей зажигания.
2. Самый большой дизель имеет габариты: высоту – 13,3 м, длину – 26,6 м, вес – 2300 т.
3. Машина Volvo P1800 была оборудована 4-цилиндровой установкой объемом 1778 м³. Пробег составил 4800 тыс. км.
4. Преобразователь емкостью 1мм³ создан в Великобритании. Мотор заправлен составом из водорода и метанола. Коленчатый вал делает 50 000 об/мин. Мощность установки составляет 0,015 л/с. Параметры дизеля: 5×153 мм.
5. Современные тепловые аппараты оборудованы топливным блоком, работающим под давлением в 2000 атм. Однако энергомашины имеют недостаток – ограничение по максимальным виткам (20–26 тыс. об/мин).
6. В емкости для горючего температура газа достигает +2000°С. Однако нагревание носит циклический характер, поэтому металлические части не раскаляются.

Коленчатый вал в ДВС работает по принципу масляного клина. Износ преобразователя энергии происходит при пуске и остановке подшипников скольжения, поэтому постоянно контролируют показатели давления масляной смеси. Большие установки (8 л), например, на гиперкаре Bugatti Chiron, не глушат, т. к. их запуск приводит к быстрому износу деталей.