Принцип работы двигателя

Просмотров: 4526
Двигатель

Двигатели внутреннего сгорания в зависимости от их конструктивных особенностей могут работать на бензине, дизельном топливе (соляре) и газе. Бензиновые двигатели являются самыми распространенными в мировом легковом автомобилестроении. Бензин получают методом перегонки нефти. Покупая его на автозаправочной станции, вы приобретаете только полуфабрикат для питания двигателя, который еще необходимо приготовить. Дело в том, что двигатель работает на смеси бензина с воздухом. Ее в строго определенных пропорциях готовит специальное устройство - карбюратор или инжектор. Причем происходит это вне цилиндров двигателя т.е. снаружи их.

Бензиновые и дизельные двигатели в зависимости от их конструктивных особенностей могут работать на бензине, дизельном топливе (соляре) и газе. Бензиновые двигатели являются самыми распространенными в мировом легковом автомобилестроении.

Бензин получают методом перегонки нефти. Покупая его на автозаправочной станции, вы приобретаете только полуфабрикат для питания двигателя, который еще необходимо приготовить. Дело в том, что двигатель работает на смеси бензина с воздухом. Ее в строго определенных пропорциях готовит специальное устройство - карбюратор или инжектор. Причем происходит это вне цилиндров двигателя т.е. снаружи их.

Карбюратор закрепляется в верхней части двигателя и в нем происходит подготовка смеси, а инжекторы готовят ее во впускном коллекторе. В любом из этих вариантов уже готовая смесь поступает в цилиндры двигателя. Поэтому бензиновые двигатели называют также двигателями с внешним смесеобразованием т.е. с приготовлением смеси вне цилиндров.

Топливная смесь

Обратите внимание на то, что за бензин вы платите деньги, а воздухом пользуетесь бесплатно. А ведь его по массе для приготовления необходимой смеси требуется значительно больше, чем бензина. В зависимости от их соотношения различают смеси богатые, в которых на одну часть бензина приходится менее 13 частей воздуха; обогащенные - в них соотношение бензин-воздух от 1:13 до 1:15, нормальные - 1:15 и бедные - 1:17.

То есть, чем больше бензина в смеси, тем она богаче, чем меньше - тем беднее. Двигателю на разных режимах работы требуется разная по составу смесь. Иногда вместо бензина в двигателях с внешним смесеобразованием используют газ (пропан-бутан).

Пропан-бутан - это не природный газ. Его получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят в цистернах и баллонах под давлением. Для перевода бензинового двигателя на газ используется специальное оборудование. Смесь бензина или газа с воздухом, приготовленная снаружи двигателя, направляется в его цилиндры, где ее воспламеняют с помощью свечи зажигания. Такой процесс называют принудительным зажиганием, поскольку без искры, создаваемой свечей зажигания, смесь гореть не будет.

Дизели - двигатели, работающие на соляре (дизельном топливе). В отличие от бензиновых двигателей в них применяется воспламенение от сжатия (в дизелях отсутствуют свечи зажигания). Смесеобразование (смешивание соляра с воздухом) в дизельных двигателях происходит непосредственно внутри цилиндров. Это двигатели с внутренним смесеобразованием.

Гибридные двигатели

Наш рассказ о двигателях внутреннего сгорания будет неполным, если мы не упомянем так называемые гибридные моторы. Хотя в них двигатель внутреннего сгорания является лишь одним из элементов. Совсем недавно автомобили с гибридными двигателями казались какой-то экзотикой, а теперь практически все крупные автопроизводители уже стали устанавливать их на свои автомобили. Гибридные двигатели представляют собой сочетание двигателя внутреннего сгорания и электромотора, аккумулятор для которого подзаряжается во время движения. При различных режимах движения такие двигатели могут работать по отдельности или даже совместно. Этим процессом управляет электроника, и водитель и пассажиры не ощущают никаких рывков на переходных режимах.

И все же силовой (энергетической) установкой большинства современных автомобилей по-прежнему является двигатель внутреннего сгорания. О нем мы и будем говорить в дальнейшем. Его задача выдать механическую энергию в виде вращения выходящего из него вала. По аналогии электродвигатель преобразует электроэнергию во вращение вала. Топливо, находящееся в баке, потенциально несет тепловую энергию, которую двигатель внутреннего сгорания превратит в механическую.

Итак, двигатель внутреннего сгорания - это преобразователь тепловой энергии топлива в механическую.

Механизмы и системы двигателя

Двигатели внутреннего сгорания, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также следующих пяти систем:

  • Cистемы питания
  • Cистемы зажигания
  • Cистемы охлаждения
  • Cистемы смазки
  • Cистемы выпуска отработавших газов

Общее устройство и рабочий цикл одноцилиндрового бензинового двигателя

Рассмотрим принцип работы простейшего одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра, к которому прикручена съемная головка.

В цилиндре находится поршень. Он имеет форму цилиндрического стакана, состоящего из головки и юбки. На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Их задача - обеспечить герметичность пространства над поршнем, не дав возможности газам, образующимся при работе двигателя, прорваться под поршень, а также не допустить попадания масла, смазывающего внутреннюю поверхность цилиндра, в пространство над поршнем. Эти кольца играют роль уплотнителей, причем те из них, которые не пропускают газы, назвали компрессионными, а оберегающие от масла - маслосъемными.

Цилиндр необходимо заправить топливной смесью бензина с воздухом, приготовленной карбюратором или инжектором, сжать ее поршнем и поджечь, а она, сгорая и расширяясь, заставит поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия топлива превратится в механическую. Теперь необходимо преобразовать перемещение поршня во вращение вала. Для этого использовали следующее механическое приспособление: поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединили с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя.

Нижняя и верхняя "мертвые" точки

В результате перемещение поршня в цилиндре сверху вниз и обратно легко преобразуется во вращение вала

Верхней мертвой точкой, сокращенно ВМТ, называют самое верхнее положение поршня в цилиндре (т.е. то место, где поршень перестает двигаться вверх и начинает движение вниз). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (т.е. то место, где поршень перестает двигаться вниз и начинает движение вверх) называют нижней мертвой точкой, сокращенно НМТ.

Самое нижнее положение поршня в цилиндре (т.е. то место, где поршень перестает двигаться вниз и начинает движение вверх) называют нижней мертвой точкой, сокращенно НМТ. Расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня. При перемещении поршня сверху вниз (от ВМТ до НМТ) объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания.

Объем, освобождаемый в цилиндре поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ, называют рабочим объемом цилиндра – Vp. Рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах, называется литражом двигателя.

Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ.

Важной характеристикой двигателя является его степень сжатия. Она определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр смесь при перемещении поршня снизу вверх (от НМТ к ВМТ). У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6-14, у дизельных - 14-24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Степерь сжатия

Важной характеристикой двигателя является его степень сжатия. Она определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр смесь при перемещении поршня снизу вверх (от НМТ к ВМТ). У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6-14, у дизельных - 14-24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Мощность двигателя и рабочий цикл

Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (1 л.с. примерно равна 0,735 кВт)

Работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре смеси топлива и воздуха. Как уже говорилось, в бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания, в дизелях - от сжатия. Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня (от ВМТ к НМТ или наоборот) или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала.

Коленчатный вал

При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно, он резко ускоряется в момент сгорания горючей смеси, а все остальное время замедляется. Для повышения равномерности вращения на валу коленчатого вала, выходящего наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск (маховик). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются. Теперь поговорим немного подробнее о работе такого двигателя.

Итак, первая задача - поместить внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливовоздушную смесь, которую, как вы помните, приготовил карбюратор или инжектор. Это действие называют тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливовоздушной смесью очень похоже на заполнение шприца лекарством, поршень из верхнего положения движется в нижнее. Но в шприце лекарство набирается, а затем выпускается через один и тот же канал (иглу). В двигателе же горючая смесь впускается через один канал, а продукты ее сгорания - через другой, т.е. к цилиндру двигателя подведены сразу два канала: впускной и выпускной. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: представьте себе гвоздь с большой круглой шляпкой, перевернутый «вверх ногами» (шляпкой вниз). Эта круглая шляпка закрывает вход из канала в цилиндр. При этом она прижимается к кромке канала мощной пружиной и, как пробкой, закупоривает его. Если нажать на клапан (тот самый «гвоздь»), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала будет открыт.

Первый такт - такт ВПУСКА

Первый такт - впуск или, как иногда говорят, всасывание горючей смеси.

Во время этого такта поршень перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю. Впускной клапан открыт, а выпускной надежно закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью.

Все это продолжается до того момента, пока поршень не окажется в нижней мертвой точке, т.е. его дальнейшее движение вниз окажется невозможным. Мы уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала, и наоборот. За первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) он повернется на пол-оборота.

Второй такт - такт СЖАТИЯ

До сих пор топливовоздушную смесь, приготовленную инжектором или карбюратором, мы называли горючей. А вот сейчас (после того как она попала в ци­линдр, смешалась с остатками ранее отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан) будем называть ее рабочей. Итак, наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и пути ее отхода оказались отрезанными, поскольку впускной и выпускной клапаны надежно закрыты.

Теперь поршень, начав движение снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней), попытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра. Однако «стереть в порошок» эту смесь ему не удастся. Вы же помните, что преступить черту верхней мертвой точки поршень не в силах. А внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, «застывшим» в верхней мертвой точке, всегда оставалось пусть и не очень большое, но свободное пространство. Напомним, что это пространство называют камерой сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8-1,2 МПа, а температура достигает 450-500 °С. Для того чтобы получить максимальную отдачу, хотелось бы сжать рабочую смесь как можно сильнее.

Представьте себе, что вы пальцем закрыли выходное отверстие обыкновенного велосипедного насоса и сжимаете воздух. Чем сильнее сожмете, тем с большей силой «выстрелит» вверх рукоятка насоса, связанная с поршнем. Однако степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия ограничивается свойствами применяемого бензина, в первую очередь его антидетонационной стойкостью, характеризуемой октановым числом (у бензинов оно изменяется от 66 до 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топлива. Чем выше октановое число, тем дороже бензин. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может произойти детонационное (от сжатия) воспламенение смеси и нарушиться нормальная работа двигателя. В бак своего автомобиля вы должны заливать бензин с октановым числом, указанным заводом изготовителем.

Предположим, что вместо рекомендованного бензина с октановым числом 95 используется более дешевый бензин (например, 92 или 76). Тогда при поступлении в цилиндры двигателя смесь из такого бензина с воздухом взрывообразно самовоспламенится из-за недопустимой для нее степени сжатия. Причем произойдет это задолго до того момента, когда поршень в конце такта сжатия приблизится к верхней мертвой точке. Из-за произошедшего взрывного сгорания газы начнут давить на поршень, стремясь переместить его вниз, а коленчатый вал будет в это же время толкать поршень вверх. В результате такой нагрузки детали двигателя будут быстро выведены из строя. Кстати, нельзя, даже от очень большой щедрости, заливать бензин с октановым числом выше рекомендуемого. В противном случае его смесь с воздухом не будет сжата до необходимой величины, и, подожженная искрой свечи, будет медленно сгорать, причем этот процесс растянется и на такт выпуска. При этом догорание смеси в выпускном коллекторе приведет к прогару открытого в данный момент выпускного клапана (так как его часть, расположенная в выпускном коллекторе, не предназначена для такого воздействия) и. Последующему ремонту двигателя.

Третий такт - РАБОЧИЙ ХОД

Вот теперь мы подошли к самому главному моменту - превращению тепловой энергии в механическую. В начале третьего такта, даже с некоторым опережением (на самом деле в конце такта сжатия), горючая смесь воспламеняется с помощью электрической искры свечи зажигания.

Давление от расширяющихся газов передается на поршень, и он начинает движение вниз (от ВМТ к НМТ)

При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Смесь сгорает с выделением большого количества тепла. Из-за этого давление в цилиндре резко возрастает и поршень с большой силой перемещается вниз, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800-2000 °С, а давление - до 2,5-3,0 МПа.

Обратите внимание, что только из-за третьего такта и создавался двигатель, хотя без остальных тактов он бы не состоялся. Поэтому все такты, кроме такта рабочего хода, иногда называют вспомогательными. А нам еще предстоит познакомиться с последним из вспомогательных тактов.

Четвертый такт - такт ВЫПУСКА

В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (трубопровод) и далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известным представителем которой является глушитель, в атмосферу.

Все четыре такта, периодически повторяющиеся в рассмотренной последовательности в цилиндре двигателя, обеспечивают его непрерывную работу и называются рабочим циклом.

Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые отличия. При такте впуска по впускному трубопроводу в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух. Во время такта сжатия он сжимается и нагревается. В конце этого такта, когда поршень, двигаясь вверх, подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство - форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, под большим давлением впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгорают. При этом выделяется большое количество тепла, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700-2000 °С, а давление - до 7-8 МПа.

Под действием давления газов поршень перемещается вниз - происходит рабочий ход. Такт выпуска у дизельного двигателя аналогичен одноименному такту бензинового двигателя. Как мы уже сказали, лишь во время третьего такта (рабочий ход) совершается полезная механическая работа. Остальные три такта - вспомогательные. Они совершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя. Этот диск называют маховиком. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик также способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также позволяет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя стартером (о том, как это происходит, мы поговорим несколько позже).

Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал двигателя передает запас инерции маховику. Накопленная таким образом инерция помогает маховику осуществлять вспомогательные такты рабочего цикла двигателя. В результате при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень перемещается в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилиндровом двигателе порядок работы цилиндров устанавливается так, что рабочий ход, совершаемый в данный момент хотя бы в одном цилиндре, помогает проведению вспомогательных тактов. Этому же способствует и инерция маховика.