Какие механизмы и системы обеспечивают необходимый режим работы двс

Двигатель
внутреннего сгорания состоит из корпусных
деталей, кривошипно-шатунного и
газораспределительного механизмов,
систем питания, охлаждения, смазки и
пуска (рис.1а). Дополнительно для облегчения
запуска у дизелей предусмотрен
декомпрессионный механизм, а карбюраторных
двигателей имеется система зажигания
для принудительного зажигания смеси
при помощи электрической искры.

Кривошипно-шатунный
механизм
преобразует прямолинейное
возвратно-поступательное движение
поршня во вращательное движение
коленчатого вала, и наоборот. Он состоит
из цилиндра 6, поршня 7 с кольцами,
поршневого пальца 8, шатуна 9, коленчатого
вала 12 и маховика 10. Сверху цилиндр
закрыт головкой 1.

Механизм
газораспределения
предназначен для своевременного
соединения надпоршневого объема с
системой впуска свежего заряда и выпуска
из цилиндра продуктов сгорания
(отработавших газов) в определенные
промежутки времени.

Он
состоит из распределительного вала 14,
зубчатых колес 13 привода распределительного
вала, толкателей и штанг 16, коромысел
2, клапанов 4 и 5, пружин.

Система
питания
служит для приготовления горючей смеси
и подвода ее е цилиндру (в карбюраторном
и газовом двигателе) или наполнения
цилиндра воздухом и подачи в него топлива
под высоким давлением (в дизеле).

Система
охлаждения
необходима для поддержания оптимального
теплового режима двигателя. Вещество,
отводящее от деталей двигателя избыток
теплоты, — теплоноситель, может быть
жидкостью или воздухом.

Смазочная
система
предназначена для подвода смазочного
материала (моторного масла) к поверхностям
трения с целью их разделения, охлаждения,
защиты от коррозии и вымывания продуктов
изнашивания.

Система
пуска
– это комплекс взаимодействующих
механизмов и систем, обеспечивающих
устойчивое начало протекания рабочего
цикла в цилиндрах двигателя.

1.3 Рабочий цикл двигателя

Рассмотрим
рабочий цикл четырехтактного дизеля
и, что происходит в одном из цилиндров
работающего дизеля (рис. 2).

Рисунок
2 – Схема работы четырехтактного
одноцилиндрового двигателя.

Такт
впуска
(рис. 2а). Поршень движется от в.м.т. к
н.м.т., впускной клапан открыт, в цилиндр
поступает воздух. Давление в конце такта
0,08…0,09 МПа, температура воздуха 30…50⁰С.

Такт
сжатия
(рис. 2б). Оба клапана закрыты. Поршень
движется от н.м.т. к в.м.т., сжимая воздух..
Вследствие большой степени сжатия
(порядка 14…18) давление воздуха в конце
этого такта достигает 3,5…4,0 МПа, а
температура — (550…750⁰С)
превышая температуру самовоспламенения
топлива. При положении поршня, близком
к  в.м.т., в цилиндр через форсунку
начинается впрыскивание жидкого топлива,
подаваемого насосом высокого давления.

Топливо,
впрыснутое в цилиндр, смешивается с
нагретым воздухом и остаточными газами,
образуя рабочую смесь. Большая часть
топлива воспламеняется и сгорает.
Давление газов достигает 5,5…9,0 МПа, а
температура 2000⁰С.

Такт
расширения.
Оба клапана закрыты. Поршень под давлением
расширяющихся газов движется от  в.м.т.
 к  н.м.т. (рис. 2в). В начале такта
расширения сгорает остальная часть
топлива. К концу такта расширения
давление газов уменьшается до 0,2…0,3
МПа, температура до 300⁰С.

Такт
выпуска.
Выпускной клапан открывается. Поршень
движется от н.м.т. к в.м.т. (рис. 2в) и через
открытый выпускной клапан выталкивает
отработавшие газы из цилиндра в атмосферу.
К концу такта давление газов 0,11…0,12 МПа,
температура 65…90⁰С.

Далее
рабочий цикл повторяется.

Теперь,
рассмотрим рабочий цикл двухтактного
двигателя. Схема устройства и работы
двухтактного карбюраторного двигателя
с кривошипно-камерной продувкой
изображены на рисунке 3.

1
– свеча зажигания; 2 – поршень; 3 –
выпускное окно; 4 – карбюра- 

 тор;
5 – впускное окно; 6 – кривошипная камера;
7 —  продувочный

 канал;
8 – цилиндр; 9 – выхлопная труба; 10 –
картер.

Рисунок
3 – Схема работы двухтактного двигателя.

В
стенке цилиндра 8 двигателей этого типа
выполнены три окна: впускное 5, продувочное
7 и выпускное 3. Картер (кривошипная
камера 6) двигателя непосредственно с
атмосферой не сообщен. Впускное окно 5
соединено с карбюратором 4, продувочное
окно – через канал 7 с кривошипной
камерой 6 двигателя.

Рабочий
цикл двухтактного карбюраторного
двигателя происходит следующим образом.
Поршень 2  движется от н.м.т. к в.м.т.
(рис. 3а), перекрывая в начале хода
продувочное окно 7, а затем выпускное
3. После этого в цилиндре 8 начинается
сжатие находящейся в нем рабочей смеси.
В то же время в кривошипной камере 6
создается разрежение, и как только
нижняя кромка поршня откроет впускное
окно 5, через него из карбюратора 4 в
кривошипную камеру будет засасываться
горючая смесь.

При
положении поршня 2, близком к в.м.т.,
сжатая рабочая смесь воспламеняется
электрической искрой от свечи 1. При
сгорании смеси давление газов резко
возрастает. Под давлением газов поршень
перемещается к н.м.т. (рис. 3б). Как только
он закроет впускное окно 5, в кривошипной
камере 6 начнется сжатие ранее поступившей
сюда горючей смеси.

В
конце хода поршень открывает выпускное
3 (рис. 3в), а затем и продувочное 7 окна.
Через открытое выпускное окно отработавшие
газы с большой скоростью выходят в
атмосферу. Давление газов в цилиндре
быстро понижается. К моменту открытия
продувочного окна давление сжатой
горючей смеси в кривошипной камере
становится выше, чем давление отработавших
газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь
из кривошипной камеры по каналу 7
поступает в цилиндр и, заполняя его,
выталкивает остатки отработавших газов
через выпускное окно наружу.

В
дальнейшем все процессы повторяются в
такой же последовательности.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Обновлено: 01.03.2023

На современных тракторах и автомобилях в основном применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания. Внутри этих двигателей сгорает горючая смесь (смесь топлива с воздухом в определенных соотношениях и количествах). Часть выделяющейся при этом теплоты преобразуется в механическую работу.

Классификация двигателей

Поршневые двигатели классифицируют по следующим признакам:

• по способу воспламенения горючей смеси — от сжатия (дизели) и от электрической искры
• по способу смесеобразования — с внешним (карбюраторные и газовые) и внутренним (дизели) смесеобразованием
• по способу осуществления рабочего цикла — четырех- и двухтактные;
• по виду применяемого топлива — работающие на жидком (бензин или дизельное топливо), газообразном (сжатый или сжиженный газ) топливе и мно­готопливные
• по числу цилиндров — одно- и многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шестицилиндровые и т.д.)
• по расположению цилиндров — однорядные, или линейные (цилиндры расположены в один ряд), и двухрядные, или V-образные (один ряд цилиндров размещен под углом к другому)

На тракторах и автомобилях большой грузоподъемности применяют четырехтактные многоцилиндровые дизели, на автомобилях легковых, малой и средней грузоподъемности — четырехтактные многоцилиндровые карбюра­торные и дизельные двигатели, а также двигатели, работающие на сжатом и сжиженном газе.

Основные механизмы и системы двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из:

• корпусных деталей
• кривошипно-шатунного механизма
• газораспределительного механизма
• системы питания
• системы охлаждения
• смазочной системы
• системы зажигания и пуска
• регулятора частоты вращения

Устройство четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя показано на рисунке:

Рисунок. Устройство одноцилиндрового четырехтактного карбюра­торного двигателя:
1 — шестерни приводи распределительного вала; 2 — распределительный вал; 3 — толкатель; 4 — пружина; 5 — выпускная труба; 6 — впускная труба; 7 — карбюратор; 8 — выпускной кла­пан; 9 — провод к свече; 10 — искровая зажигательная свеча; 11 — впускной клапан; 12 — го­ловка цилиндра; 13 — цилиндр: 14 — водяная рубашка; 15 — поршень; 16 — поршневой палец; 17 — шатун; 18 — маховик; 19 — коленчатый вал; 20 — резервуар для масла (поддон картера).

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение ко­ленчатого вала и наоборот.

Механизм газораспределения (ГРМ) предназначен для своевременного соединения надпоршневого объема с системой впуска свежего заряда и вы­пуска из цилиндра продуктов сгорания (отработавших газов) в определенные промежутки времени.

Система питания служит для приготовления горючей смеси и подвода ее к цилиндру (в карбюраторном и газовом двигателях) или наполнения ци­линдра воздухом и подачи в него топлива под высоким давлением (в дизеле). Кроме того, эта система отводит наружу выхлопные газы.

Система охлаждения необходима для поддержания оптимального теп­лового режима двигателя. Вещество, отводящее от деталей двигателя избы­ток теплоты, — теплоноситель может быть жидкостью или воздухом.

Смазочная система предназначена для подвода смазочного материала (моторного масла) к поверхностям трения с целью их разделения, охлажде­ния, защиты от коррозии и вымывания продуктов изнашивания.

Система зажигания служит для своевременного зажигания рабочей смеси электрической искрой в цилиндрах карбюраторного и газового двига­телей.

Система пуска — это комплекс взаимодействующих механизмов и сис­тем, обеспечивающих устойчивое начало протекания рабочего цикла в ци­линдрах двигателя.

Регулятор частоты вращения — это автоматически действующий меха­низм, предназначенный для изменения подачи топлива или горючей смеси в зависимости от нагрузки двигателя.

У дизеля в отличие от карбюраторного и газового двигателей нет сис­темы зажигания и в системе питания вместо карбюратора или смесителя ус­тановлена топливная аппаратура (топливный насос высокого давления, топ­ливопроводы высокого давления и форсунки).

Двигатель внутреннего сгорания состоит из двух основных механизмов — кривошипно-шатунного и газораспределительного — и систем охлаждения, смазки, питания. У карбюраторных двигателей имеется и система зажигания.

Система смазки служит для уменьшения трения между деталями двигателя, охлаждения их и отвода продуктов износа.

Система питания обеспечивает приготовление горючей смеси и подачу ее в цилиндры двигателя (карбюраторные и газовые двигатели) или же раздельную подачу в цилиндры топлива и воздуха (дизели), а также удаление из цилиндров продуктов сгорания.

Система зажигания служит для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя при помощи электрической искры.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

• Поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

• Автономность;
• Универсальность (сочетание с различными потребителями);
• Невысокая стоимость;
• Компактность;
• Малая масса;
• Возможность быстрого запуска;
• Многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:

• Высокий уровень шума;
• Большая частота вращения коленчатого вала;
• Токсичность отработавших газов;
• Невысокий ресурс;
• Низкий коэффициент полезного действия.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общее устройство:

• Корпус;
• Кривошипно-шатунный механизм;
• Газораспределительный механизм;
• Впускная система;
• Топливная система;
• Система зажигания (бензиновые двигатели);
• Система смазки;
• Система охлаждения;
• Выпускная система;
• Система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

• Впуск;
• Сжатие;
• Рабочий ход;
• Выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия — порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
• карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;

Более детально узнать о назначении, устройстве и принципе работы карбюратора, вы можете здесь: Карбюратор: устройство и принцип работы

Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.

В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.

В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.

При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.

В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т.п. маломощная техника.

— Принцип работы четырёхтактного двигателя

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:

• Такт первый, впуск. Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия.
• Такт второй, сжатие. При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2—1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия.
• Такт третий, расширение. Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
• Такт четвёртый, выпуск. Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию.

Узнать о том, что такое октановое число бензина, о его повышении и понижении, вы можете здесь: Октановое число бензина: что это такое

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

— Система зажигания

Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры, воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:

• Источник питания. Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы — генератор.
• Включатель, или замок зажигания. Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
• Накопитель энергии. Катушка, или автотрансформатор — узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
• Распределитель зажигания (трамблёр). Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.

Система зажигания ДВС

— Впускная система

Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:

• Воздухозаборник. Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
• Воздушный фильтр. Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
• Дроссельная заслонка. Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике — при помощи электроники.
• Впускной коллектор. Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.

О назначении и принципе работы турбины на дизельном двигателе, вы можете узнать из нашей статьи: Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Схема топливной системы ДВС

Узнать, более детально о принципе работы топливной системы дизельного двигателя, вы можете здесь: Устройство топливной системы дизельного двигателя

— Система смазки

Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла; удаление продуктов нагара и износа; защита металла от коррозии. Система смазки ДВС включает в себя:

— Выхлопная система

Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.

Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.

В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.

Читайте также:

  

• Тютчев альпы анализ кратко

  

• Как можно использовать компьютер при биологических исследованиях кратко

  

• Применение полимеразной цепной реакции пцр план урока

  

• Какую среду обитания занимают организмы обитающие на территории школы

  

• Психолого педагогическое сопровождение в доу в соответствии с фгос

Основные механизмы и системы двигателя

10 июня 2011г.

• Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
• Рабочий цикл четырехтактного дизеля
• Мощность двигателя

Механизмы и системы двигателя

Основными механизмами двигателя внутреннего сгорания являются шатунно-кривошипный и распределительный, а основными системами— системы питания, зажигания, смазки и охлаждения.

Шатунно-кривошипный механизм предназначен для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Этот механизм состоит из цилиндра, поршня с кольцами, поршневого пальца, шатуна, коленчатого вала.

Ход поршня зависит от величины радиуса кривошипа коленчатого вала и равен двойной величине радиуса кривошипа.

Крайние положения поршня, как верхнее, так и нижнее, соответствуют положениям, когда ось кривошипа вала, осевая линия шатуна и ось пальца поршня располагаются на одной прямой линии. Эти положения называются мертвыми положениями поршня, потому что усилием на поршень нельзя заставить повернуться коленчатый вал. Вся система может быть выведена из этого положения лишь внешними силами — силой инерции маховика или движением поршней других цилиндров, если двигатель многоцилиндровый.

Цилиндры большинства двигателей выполняются в виде отдельных отливаемых из специального чугуна гильз, вставленных в отверстия блока цилиндра.

Блок цилиндра — одна из основных частей двигателя. Верхняя часть блока закрыта головкой, в которой расположены впускные и выпускные клапаны, форсунки или запальные свечи.

Нижняя часть блока соединена с картером, служащим у некоторых двигателей основанием для коренных подшипников коленчатого вала, и камерой, в которой у четырехтактного двигателя помещается масло для смазки всех деталей.

Блок цилиндра (а также и головка) обычно делают двухстенным; в пространстве между стенками циркулирует вода, охлаждающая двигатель.

Поршень, воспринимающий на себя давление газов, отливают из специального чугуна или алюминия. Он имеет цилиндрическую форму. Верхняя его часть (донышко) может быть плоской, выпуклой или вогнутой.

В средней части поршень имеет с внутренней стороны приливы, называемые бобышками, в отверстиях которых помещается палец, соединяющий поршень с шатуном. Нижняя, наиболее тонкостенная часть поршня называется юбкой. Диаметр поршня обычно меньше диаметра цилиндра, и между поршнем и цилиндром имеется необходимый температурный зазор, в котором образуется тонкая масляная пленка, смазывающая трущиеся поверхности цилиндра.

На наружной боковой поверхности поршня имеются кольцевые канавки, в которые заводятся поршневые кольца. Часть колец служит для создания уплотнения между стенками цилиндра и поршня (так называемые компрессионные кольца), часть же колец (маслосбрасывающих) служит для удаления со стенок цилиндра излишков смазки.

Маслосбрасывающие кольца обыкновенно имеют на своей поверхности проточку, этим порышается удельное давление кольца на стенки цилиндра, в результате чего оно лучше снимает излишки масла с поверхности цилиндра.

Поршневой палец представляет собой полый стержень, изготовленный из легированной стали. Для уменьшения износа рабочую поверхность пальца обычно цементируют, калят и шлифуют. Во многих двигателях поршневой палец закрепляется лишь от продольного перемещения пружинными замками с тем, чтобы исключить возможность трения его о стенки цилиндра. При таком закреплении палец может проворачиваться как в бобышках поршня, так и во втулке шатуна. Такая посадка свободно плавающего пальца дает более равномерный его износ.

Шатун шарнирно соединяет поршень с коленчатым валом и передает воспринимаемые поршнем усилия валу. Шатун двигателей внутреннего сгорания в большинстве своем штампован из стали. Он состоит из стержня и двух головок: верхней с впрессованной в нее бронзовой втулкой и нижней, называемой кривошипной и снабженной вкладышами. Сечение стержня обычно двутавровое, что придает ему необходимую прочность при небольшом весе.

Кривошипная головка шатуна выполняется разъемной; отъемная часть называется крышкой и крепится к основной части болтами. Болты эти испытывают весьма большие нагрузки и изготовляются из прочной хромистой стали.

Вкладыши шатуна, как и вкладыши коренных подшипников, делают в виде тонкостенных стальных широких полуколец. Внутреннюю рабочую поверхность этих вкладышей заливают антифрикционным сплавом, баббитом или свинцовистой бронзой.

Коленчатый вал — наиболее ответственная деталь двигателя. Он имеет несколько коренных опорных шеек и несколько кривошипных шеек или просто кривошипов, число которых соответствует числу цилиндров.

Для уравновешивания коленчатый вал снабжают противовесами, прикрепляемыми к щекам кривошипа со стороны, противоположной кривошипной шейке. На конце вала обычно крепится маховик.

Газораспределительный механизм предназначен для подачи в цилиндр воздуха или горючей смеси в строго определенные моменты и для удаления из цилиндра продуктов сгорания также в определенные моменты.

В четырехтактных двигателях газораспределение осуществляется механизмом, состоящим из клапанов, перекрывающих отверстия в головке блока, пружин, удерживающих клапаны в закрытом состоянии, распределительного вала и передаточных деталей: толкателей, втулок, коромысел и т. д.

Распределительный вал, имеющий кулачки, приводится во вращение от коленчатого вала через шестеренчатую передачу.

Кулачки на валу расположены в определенной последовательности. При вращении распределительного вала кулачки, набегая на толкатели, поднимают их. Это движение толкателей передается на концы качающихся коромысел, вторые концы которых нажимают на стержни клапанов и, сжимая пружины, открывают их в строго установленном порядке.

Клапаны работают при высоких температурах, поэтому их изготовляют из специальных жаростойких сталей.

Система питания предназначена для подачи в цилиндры двигателя топлива или горючей смеси, необходимых для совершения рабочего процесса. Системы питания дизелей и карбюраторных двигателей различные

Общая схема питания дизеля показана на рис. 1. Топливо из бака через расходный кран попадает в фильтр грубой очистки и, пройдя через него, поступает к подкачивающей помпе. Эта помпа, действующая от привода топливного насоса, прогоняет топливо через фильтр тонкой очистки, откуда оно поступает к топливному насосу. Насос под большим давлением подает топливо в форсунки, расположенные в головке блока двигателя.

Рис. 1. Общая схема питания дизеля

Система питания карбюраторного двигателя включает в себя бак для топлива, отстойник карбюратор, воздухопровод и регулятор числа оборотов двигателя. Наиболее ответственной частью в этой системе является карбюратор. Он предназначен для приготовления горючей смеси, т. е. смеси паров топлива с вполне определенным количеством воздуха, необходимого для его сгорания

Существует несколько конструкций карбюраторов. На рис. 2 показана схема устройства простейшего карбюратора, состоящего из смесительной камеры, диффузора, распылителя, жиклера, поплавковой камеры, заслонок (дроссельной и воздушной), поплавка, иглы, канала и кнопки.

Смесительная камера представляет собой отрезок трубы, в которой смешивается распыленное топливо с воздухом. Эта камера имеет местное сужение, называемое диффузором, к которому проведен распылитель, подающий в камеру топливо.

Воздух, проходя через камеру смешения, повышает свою скорость в диффузоре, и над распылителем создается разрежение, способствующее лучшему всасыванию топлива, которое увлекается затем быстро движущейся струей воздуха, испаряется, хорошо перемешивается с воздухом и поступает в цилиндры.

Рис. 2. Схема устройства простейшего карбюратора

Топливо в распылитель подается через поплавковую камеру, предназначенную поддерживать одинаковый напор топлива в распылителе, что обеспечивается поддержанием постоянного уровня топлива в камере.

В канале на пути от поплавковой камеры к распылителю установлен жиклер, сделанный в виде пробки с точно калиброванным отверстием, через которое пропускается ограниченное количество топлива.

Дроссельная заслонка служит для регулирования количества смеси, подаваемой в цилиндр: при большем открытии дроссельной заслонки в цилиндры двигателя поступает больше смеси, поэтому двигатель развивает большую мощность. Наоборот, прикрывая дроссельную заслонку, уменьшают доступ смеси в цилиндры, в результате чего мощность двигателя снижается.

Горючая смесь, подаваемая в цилиндры, может быть «бедной» или «богатой» в зависимости от соотношения долей воздуха и топлива в ней. Чем больший процентный состав топлива, тем богаче смесь.

Воздушная заслонка служит для временного обогащения смеси, главным образом в момент пуска двигателя и установления режима его работы. Это обогащение достигается поворотом воздушной заслонки, уменьшающим живое сечение канала, вследствие чего скорость потока воздуха возрастает, создается большее разрежение и увеличивается, подача топлива.

Для нормальной работы двигателя важно иметь постоянное качество смеси, определяемое соотношением количества топлива и воздуха. Простейший карбюратор не обеспечивает этого постоянства. При прикрытии дроссельной заслонки уменьшается число оборотов двигателя и над распылителем создается меньшее разрежение, в результате чего истечение топлива будет слабее и смесь в цилиндры станет поступать обедненной. Наоборот, с полным открытием дроссельной заслонки истечение топлива повышается и смесь обогащается.

Устранение этого недостатка в карбюраторах достигается постановкой дополнительного устройства, называемого компенсационным жиклером. Его размещают между поплавковой камерой и компенсационным колодцем, через который топливные каналы соединены с атмосферой. Благодаря этому через компенсационный жиклер подается постоянное количество топлива независимо от величины разрежения в диффузоре, т. е. независимо от режима работы двигателя.

С увеличением числа оборотов двигателя подача топлива через основной главный жиклер увеличится и смесь обогатится, в то же время увеличится поступление воздуха, но так как компенсационный жиклер подаст прежнее количество топлива, качество смеси не изменится.

При снижении оборотов двигателя главный жиклер станет объединять смесь, в то же время компенсационный жиклер, подавая одно и то же количество топлива при меньшем поступлении воздуха, будет обогащать смесь, в итоге ее качество сохранится.

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в карбюраторных двигателях и состоит из магнето, запальных свечей и проводов высокого напряжения.

Магнето предназначено для получения электрического тока высокого напряжения (15 000—20 000 б) и состоит из сердечника, вращающегося магнита, двух обмоток (первичной и вторичной), конденсатора и прерывателя.

При вращении магнето силовые линии магнитного поля наводят в обмотке э. д. с, которая изменяется как по величине, так и по направлению. В моменты прохода полюсов магнита против колодок сердечника магнитный поток достигает максимального своего значения, а в моменты нахождения полюсов между колодками поток силовых линий изменяет свое направление. В результате изменения магнитного потока силовые линии пересекают витки обмотки из толстой изолированной проволоки, возбуждая в ней переменный ток низкого напряжения, называемый током первичной обмотки. В возникновении первичного тока можно легко убедиться, если в цепь первичной обмотки включить гальванометр. Однако ток, возникающий в первичной обмотке, недостаточен для того, чтобы получить искру в запальной свече. Поэтому в магнето поверх первичной обмотки намотана вторичная обмотка из тонкой проволоки и с большим количеством витков.

Когда в первичной обмотке возникает и исчезает электрический ток, вокруг нее возникает магнитное поле. Его силовые линии пересекают витки вторичной обмотки, вследствие чего в ней образуется ток высокого напряжения, способный дать искру в запальной свече.

Для резкого изменения магнитного поля вокруг первичной обмотки в ее цепь включен прерыватель с контактами, прерывающий первичный ток в моменты, когда он достигает наибольшей величины. Для уменьшения искрения, подгорания контактов прерывателя и увеличения резкости разрыва цепи параллельно контактам прерывателя включен конденсатор.

Рис. 3. Схема устройства элементов системы зажигания:
1—сердечник; 2 —магнит; 3 — стойка; 4 —первичная обмотка; 5 —вторичная обмотка; 5~свеча запальная; 7 —кулачок прерывателя; 8 — рычажок прерывателя; 9 — контакты прерывателя; 10 — пружина; 11 — искровой промежуток; 12 — провод высокого напряжения; 13 — конденсатор; 14 — кнопка замыкания первичной цепи

Замыкая первичную обмотку специальной кнопкой, выключают магнето, так как в этом случае разрыва в цепи не происходит, а следовательно, во вторичной обмотке не будет возникать ток высокого напряжения.

Как отмечалось ранее, чтобы получить наиболее полное сгорание рабочей смеси, воспламенение ее осуществляется с некоторым опережением. Степень опережения на различных режимах работы двигателя должна быть различной, поэтому в магнетосделан специальный автомат, изменяющий величину опережения в зависимости от числа оборотов коленчатого вала двигателя и увеличивающий опережение зажигания с повышением числа оборотов.

Запальная свеча состоит из стального корпуса, ввертываемого в гнездо головки блока, сердечника из изоляционного материала, тонкого стального стержня 3, выполняющего роль центрального электрода. Против нижнего конца центрального электрода расположен боковой электрод, закрепленный в корпусе свечи. Зазор между этими электродами образует искровой промежуток в 0,5—0,7 мм, через который проскакивает электрическая искра.

Корпус и сердечник свечи в собранном виде разделяются прокладкой. В верхней части свечи имеется гайка 6 с шайбой. Во избежание просачивания газов из цилиндров свеча завинчивается в гнездо на медно-асбестовой прокладке.

К верхнему концу центрального стержня присоединяется провод тока высокого напряжения, закрепляемый гайкой.

Смазка трущихся поверхностей двигателя имеет большое значение для его работы. Как бы хорошо ни были обработаны трущиеся поверхности, при скольжении их друг по Другу с большим усилием нажатия между ними возникает трение, на которое бесполезно затрачивается энергия и в результате которого повышается износ поверхностей и перегрев трущихся деталей.

Смазка трущихся поверхностей представляет собой не что иное, как разделение этих поверхностей друг от друга тонким слоем смазки. Вследствие того, что сила сцепления частиц смазки между собой меньше, чем сила сцепления частиц смазки с поверхностью трущихся деталей, возникнет трение не металла о металл, а трение в жидкостном слое. Непрерывно подаваемая на поверхности трения смазка уносит, кроме того, мельчайшие частицы сработанного металла и охлаждает трущиеся поверхности.

Рис. 4. Запальная свеча

Масло, применяемое для смазки трущихся поверхностей, в зависимости от характера смазываемых поверхностей и режима их работы должно обладать определенными качествами. Так, оно должно иметь необходимую вязкость, чтобы не выжиматься из зазора между поверхностями, обладать достаточной стойкостью против воспламенения, не содержать кислот, щелочей и твердых примесей.

Трущиеся поверхности двигателя смазывают следующими способами: разбрызгиванием, принудительной подачей масла, а также комбинированным способом.

Наиболее простым способом смазки является разбрызгивание. В этом случае быстро движущиеся детали, главным образом шатунно-кривошипного механизма, захватывают масло из нижней части картера и разбрызгивают его по всей поверхности в виде мельчайших капелек. Избыток смазки стекает обратно в масляную ванну картера. Это большое преимущество способа разбрызгивания, однако он не обеспечивает должной смазки деталей в труднодоступных местах. Более надежно смазка осуществляется принудительным способом, когда подача масла к трущимся поверхностям происходит под давлением специальным масляным насосом обычно шестеренчатого типа, приводимым в движение от коленчатого вала двигателя.

Система принудительной смазки включает в себя манометр, показывающий давление масла в магистрали, и термометр для измерения температуры масла, а также радиатор для охлаждения отработавшего масла, отстойник и фильтры.

В двигателях применяется преимущественно комбинированная система смазки, при которой отдельные поверхности смазываются разбрызгиванием, а наиболее ответственные места — под давлением.

Система охлаждения двигателя. При работе двигателя выделяется большое количество тепла, вследствие чего повышается температура нагрева деталей, и если не принять мер к охлаждению их, то двигатель перегреется и его работа нарушится.

При перегреве масло теряет свою вязкость, условия смазки ухудшаются, масло начинает выгорать, наступает ускоренный износ деталей и на рабочих поверхностях могут появиться задиры, приводящие к авариям.

Охлаждение в двигателях достигается главным образом за счет пропуска охлаждающей воды через полости между двойными стенками деталей цилиндра и головки блока. Вода, омывая горячие стенки деталей, отнимает часть тепла от них, предотвращает чрезмерный их нагрев. Система охлаждения включает в себя полости охлаждаемых деталей, магистрали, радиатор, насос, вентилятор.

Если вода в системе охлаждения циркулирует за счет разности в плотности нагретой и холодной воды, то такая система называется термосифонной. В этом случае вода, отнявшая часть тепла от стенок охлаждаемых деталей, поднимается вверх и поступает в радиатор, уступая место более холодной воде, выходящей из радиатора. Радиатор при этой системе обязательно должен быть расположен выше охлаждаемых деталей.

Термосифонная система недостаточно эффективно охлаждает детали, поэтому в современных двигателях используется система охлаждения с принудительной циркуляцией воды от водяного насоса преимущественно центробежного действия.

Радиатор представляет собой два бачка (верхний и нижний), соединенных между собой боковыми стойками и сердцевиной, состоящей из ряда вертикальных трубочек, пропущенных через горизонтальные пластинки, которые увеличивают поверхность охлаждения. Для большей эффективности радиатор охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором.

Чтобы облегчить пуск двигателя, в особенности в зимнее время, в систему охлаждения заливают горячую воду. В некоторых мощных двигателях используют пусковой двигатель, система охлаждения которого соединена с системой охлаждения основного двигателя. Работая, пусковой двигатель нагревает воду в общей системе охлаждения, чем облегчает пуск основного двигателя.

—

При изучении принципа работы двигателя была рассмотрена его упрощенная схема. В действительности же двигатель трактора или автомобиля имеет сложное устройство.

Он состоит из кривошипно-шатунного и распределительного механизмов, а также следующих систем: охлаждения, смазочной, питания и регулирования, пуска. Карбюраторный двигатель, кроме того, оборудован системой зажигания.

С помощью кривошипно-шатунного механизма возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуется во вращательное коленчатого вала.

Распределительный механизм открывает и закрывает клапаны, которые пропускают в цилиндры воздух или горячую смесь и выпускают из цилиндров отработавшие газы.

Система охлаждения поддерживает требуемый тепловой режим двигателя.

Смазочная система подает масло к трущимся деталям двигателя для уменьшения трения и их изнашивания.

Система питания очищает и подает в цилиндры воздух и топливо или горючую смесь, а с помощью регулятора автоматически регулируется требуемое количество топлива или смеси в зависимости от нагрузки двигателя.

Система пуска дизеля необходима для проворачивания коленчатого вала при пуске.

Система зажигания карбюраторного двигателя нужна для воспламенения рабочей смеси в его цилиндрах.

—

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих механизмов и систем: кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, а также систем — питания, охлаждения, смазки, зажигания и пуска.

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов и преобразует прямолинейное возвратно-поступательное – движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Газораспределительный механизм предназначен для впуска в цилиндр горючей смеси (карбюраторные и газовые двигатели) или воздуха (дизели) и выпуска отработавших газов.

Система охлаждения обеспечивает нормальный температурный режим двигателя, при котором он не перегревается и не переохлаждается.

Система смазки необходима для уменьшения трения, между деталями, снижения их износа и отвода тепла от трущихся поверхностей.

Систем.а питания служит для подачи отдельно топлива и воздуха в цилиндры дизеля или для приготовления горючей смеси из мелкораспыленного топлива и воздуха и для подвода смеси к цилиндрам карбюраторного или газового двигателей и отвода отработавших газов.

Система зажигания обеспечивает воспламенение рабочей смеси в.карбюраторных и газовых двигателях (в дизелях топливо воспламеняется от соприкосновения с раскаленным воздухом, поэтому они не имеют специальной системы зажигания).

Система пуска служит для пуска двигателя.

В статье будет описано устройство двигателя внутреннего сгорания, технические характеристики ДВС и принцип действия его основных систем. Не останется без внимания и устройство системы питания двигателя на уровне базовых знаний автомехаников дилерских автоцентров, но немного истории о создании двигателя.

Первый двигатель внутреннего сгорания, который мог составить конкуренцию паровым машинам, пытались создать с начала 19-го века французские инженеры Филипп Лебон и Жан Этьен Ленуар, но только в 1864 году немецкий изобретатель Николаус Отто запатентовал свою модель ДВС, работающего на газу.

С тех пор конструкция двигателя постоянно совершенствовалась, и было разработано много видов ДВС, но автомобили, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, появились только в 1886 году, когда немец Карл Бенц запатентовал свой первый автомобиль с названием Motorwagen.

Как устроен ДВС: характеристики и классификация

Двигатели внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением стали основными для использования в различных моделях автомобилей и совершили прорыв в развитии автомобильной промышленности.

Постоянное усовершенствование старых систем ДВС и добавление новых привело к созданию большой линейки моделей силовых агрегатов, которые стали применяться не только в автомобилях.

В зависимости от вида транспортного средства используются ДВС различной конструкции, поэтому, чтобы понимать устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля, необходимо знать их классификацию и отличия в системах.

Классификация ДВС

В зависимости от устройства виды ДВС автомобилей классифицируются по следующим признакам: по способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные двигатели и двухтактные.

По характеру движения рабочих частей: ДВС с возвратно-поступательным движением поршней и роторно-поршневые (двигатели Ванкеля).

По расположению цилиндров: рядные, оппозитные, V-образные и звездообразные двигатели.

По способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием (вне камеры сгорания); с внутренним смесеобразованием (в камере сгорания).

По способу воспламенения горючей смеси: бензиновые ДВС с принудительным воспламенением и дизельные с воспламенением от сжатия.

По типу системы охлаждения: с жидкостным охлаждением и ДВС с воздушным охлаждением.

По типу топлива: бензиновый двигатель; дизельный ДВС; двигатель, работающий на газе.

По расположению распредвала(-ов): с верхним расположением распредвала(-ов) и с нижним расположением распредвала(-ов).

По способу наполнения цилиндров: двигатели без наддува («атмосферные») и двигатели с наддувом.

Устройство роторного двигателя (двигатель Ванкеля)

В устройство роторно-поршневого двигателя (РПД) Ванкеля входят нескольких роторов, которые расположены друг за другом. Роторы имеют специальную треугольную форму и вращаются в овальной полости. Описывающая полость кривая называется эпитрохоидой.

Рабочая полость смещается вместе с ротором вдоль стенки корпуса. За один оборот вала совершается один рабочий цикл четырехтактного ДВС. Реализована щелевая схема газообмена, применяемая на 2-х тактных ДВС внутреннего сгорания. Воспламенение топливо-воздушной смеси происходит принудительно от свечи зажигания.

При меньших геометрических размерах мощностные характеристики РПД значительно выше, чем у ДВС, за счет меньшей инерционной массы и количества движущихся деталей. Применение роторно-поршневых двигателей ограничено высокой стоимостью изготовления, ремонта, расхода топлива и меньшего моторесурса, по сравнению с ДВС.

Четырехтактный бензиновый двигатель

Четырехтактный бензиновый двигатель состоит из трех основных блоков: блок цилиндров; головка блока цилиндров; кривошипно-шатунный механизм. Возвратно-поступательное движение поршней кривошипно-шатунного механизма обеспечивает наполнение камеры сгорания топливо-воздушной смесью, сжатием и принудительным воспламенением.

В процессе сгорания топлива, выделяемая тепловая энергия преобразуется в механическую за счет увеличения давления в камере сгорания, которое заставляет поршень перемещаться и приводить в движение кривошипно-шатунный механизм. Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: впуск; сжатие; рабочий ход; выпуск.

1. Впуск – при перемещении поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку в цилиндре создается разряжение, за счет которого происходит его наполнение топливно-воздушной смесью через открытый впускной клапан. Впускной клапан открывается раньше нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и закрывается позже, после прохождения поршнем нижнюю мертвую точку (НМТ) для улучшения наполнения цилиндра топливо-воздушной смесью.
2. Сжатие – при перемещении из НМТ в ВМТ, когда оба клапана закрыты, происходит сжатие, при котором топливо-воздушная смесь нагревается, и распыленное топливо принимает газообразное состояние.
3. Рабочий ход – сжатая топливовоздушная смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. В процессе сгорания освобождающаяся теплота повышает давление в цилиндре, под действием которого поршень перемещается вниз.
4. Выпуск – перед НМТ открывается выпускной клапан и отработавшие газы, под действием остаточного давления, выходят из цилиндра. При дальнейшем перемещении поршня из НМТ в ВМТ через открытый выпускной клапан происходит вытеснение остаточных выхлопных газов. Рабочий цикл завершается.

При вытеснении отработавших газов и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью, чтобы улучшить газообмен, выпускной клапан закрывается за ВМТ, одновременно впускной открывается до ВМТ. Такое положение клапанов, когда они оба открыты, называют перекрытием клапанов.

В системах непосредственного впрыска топлива, в бензиновых ДВС в фазе впуска в цилиндры, поступает воздух, а топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания во время такта впуска или сжатия, в зависимости от режима работы ДВС.

Четырехтактный дизельный двигатель

Принцип работы и основные блоки четырехтактного дизельного двигателя аналогичны бензиновому ДВС. Разница заключается в том, что образование топливно-воздушной смеси осуществляется непосредственно в камере сгорания, а воспламенение смеси происходит из-за нагрева при сжатии.

За счет меньшей температуры горения дизельного топлива, и соответственно тепловыделения, КПД дизельного ДВС автомобиля выше, чем у бензинового. Рабочий цикл дизельного ДВС внутреннего сгорания состоит из 4-х тактов: впуск; сжатие; рабочий ход; выпуск.

1. Впуск – при перемещении поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку в цилиндре создается разряжение, за счет которого происходит его наполнение воздухом через открытый впускной клапан. Впускной клапан открывается раньше нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и закрывается позже, после прохождения поршнем нижнюю мертвую точку (НМТ) для улучшения наполнения цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью.
2. Сжатие – при перемещении из НМТ в ВМТ, когда оба клапана закрыты, происходит сжатие, при котором в конце такта сжатия форсунка впрыскивает в нагретый воздух топливо под высоким давлением.
3. Рабочий ход – с небольшим запаздыванием топливо воспламеняется, в процессе сгорания освобождающаяся теплота повышает давление в цилиндре, под действием которого поршень перемещается вниз.
4. Выпуск – перед НМТ открывается выпускной клапан и отработавшие газы, под действием остаточного давления, выходят из цилиндра. При дальнейшем перемещении поршня из НМТ в ВМТ через открытый выпускной клапан происходит вытеснение остаточных выхлопных газов. Рабочий цикл завершается.

При вытеснении отработавших газов и наполнения цилиндра воздухом, чтобы улучшить газообмен, выпускной клапан закрывается за ВМТ, одновременно впускной открывается до ВМТ. Такое положение клапанов, когда они оба открыты, называют перекрытием клапанов.

Кривошипно-шатунный механизм

Назначение кривошипно-шатунного механизма – преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих частей: поршень; шатун; коленчатый вал; шатунный механизм.

Кривошипно-шатунный механизм установлен в блоке ДВС и крепится на коренных подшипниках (коренных вкладышах).

Нумерация цилиндров и направление вращения

Цилиндры нумеруются по единому стандарту. Первый цилиндр находится, со стороны, противоположной стороне, к которой пристыковывается коробка передач. Исключением являются двигатели французского производства.

Нумерация цилиндров V-образных двигателей начинается с правого полублока, если смотреть со стороны, к которой подсоединяется коробка передач.

Существуют двигатели внутреннего сгорания с правым и левым направлением вращения коленчатого вала, если смотреть с передней части ДВС.

На рисунке изображены двигатели с правым направлением вращения. Распространение получили двигатели с правым направлением вращения.

Техническая характеристика двигателя

К основным механическим характеристикам двигателя можно отнести: диаметр цилиндра и ход поршня; рабочий объем; объем камеры сгорания; полный объем цилиндра; степень сжатия.

Диаметр цилиндра – это диаметр отверстия в блоке под поршень. Ход поршня – это расстояние, которое проходит поршень между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ).

Рабочий объем – это объем цилиндра между ВМТ и НМТ поршня. Рабочий объем (Vh) равен произведению площади поперечного сечения цилиндра (A) на ход поршня (h): V h = A x h В зависимости от того, больше или меньше диаметр цилиндра и ход поршня, различают длинноходные и короткоходные ДВС.

Объем камеры сгорания (Vc) – это объем полости над ВМТ поршня. При перемещении поршня в ВМТ в конце такта сжатия еще невоспламенившаяся топливо-воздушная смесь имеет максимальную плотность.

Полный объем цилиндра (VH) равен сумме рабочего объема (Vh) и объема камеры сгорания (Vc): V H = V h + V c.

Степень сжатия – это отношение полного объема цилиндра (рабочий объем Vh + объем камеры сгорания Vc) к объему камеры сгорания Vc. Величина степени сжатия определяется математически.

Степень сжатия оказывает влияние на характеристики холодного пуска, развиваемый крутящий момент, расход топлива, шумность и токсичность отработавших газов.

В зависимости от конструкции ДВС и типа смесеобразования степень сжатия может составлять: для бензиновых двигателей: 7:1 … 13:1; для дизельных двигателей: 16:1 … 24:1.

Чем выше степень сжатия, тем эффективнее используется энергия сгорания топлива и, соответственно, выше КПД. Факторы, влияющие на ограничение степени сжатия:

1. Бензиновый двигатель – так как с увеличением степени сжатия растет температура, в конце такта сжатия топливо может самовоспламениться. Самовоспламенение проявляется в виде детонационных стуков. Увеличение степени сжатия ограничивается качеством (октановым числом) применяемого топлива.
2. Дизельный двигатель – степень сжатия ограничена определенными величинами. При превышении порогового значения прекращается рост мощности и растет вероятность повреждений двигателя, например: может быть превышено максимально допустимое давление на головку блока цилиндров, а механическая перегрузка может привести к повреждениям кривошипно-шатунного механизма.

Форма камеры сгорания бензинового двигателя

Форма камеры сгорания оказывает значительное влияние на процесс сгорания, она должна обеспечивать быстрое и эффективное наполнение, а также надлежащую турбулентность топливо-воздушной смеси.

Камера сгорания должна быть компактной – это обуславливает короткий путь фронта пламени и обеспечивает быстрое удаление отработавших газов.

В современных бензиновых ДВС с 4 клапанами на цилиндр наибольшее распространение получили камеры сгорания шатрового типа.

Малый размер верхней части шатровой камеры сгорания уменьшает потери теплоты. От размеров камеры сгорания зависит степень сжатия. Установка двух впускных и двух выпускных клапанов обеспечивает большие суммарные проходные сечения впускных и выпускных каналов, что обуславливает хороший газообмен.

Форма камеры сгорания дизельного двигателя

Форма камеры сгорания дизельного двигателя зависит от способа организации рабочего процесса при впрыске.

У дизельных ДВС с разделенными камерами сгорания значительную часть камеры сгорания составляет предкамера или вихревая камера.

У дизельных ДВС с неразделенными камерами сгорания (дизели с непосредственным впрыском топлива) большая часть камеры сгорания находится в выполненном в поршне углублении.

Обороты, крутящий момент и мощность ДВС

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма. Число оборотов коленчатого вала в минуту называется числом оборотов ДВС.

Крутящий момент можно развить, приложив некоторую силу (F) на плече рычага (l) (крутящий момент = сила х плечо), то есть: M = F x l.

Крутящий момент увеличивается при увеличении прилагаемой силы и при увеличении длины плеча, измеряется в Нм.

Развиваемая мощность ДВС пропорциональна его крутящему моменту (M) и числу оборотов (n), она определяется как произведение (P) = крутящего момента (M) на число оборотов (n)/9550.

При использовании этой формулы вычисляемая мощность будет получена в кВт (согласно нормам ЕС). Значение в лошадиных силах обычно указывается в скобках.

Внешние скоростные характеристики двигателя

Внешние скоростные характеристики содержат информацию об изменении мощности и крутящего момента, в зависимости от оборотов. Эти графики получаются при испытании ДВС на стенде.

Бензиновые ДВС характеризуются большей мощностью, чем дизельные, несмотря на то, что крутящий момент несколько ниже. Большая мощность достигается путем увеличения частоты вращения.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания характеризуются высоким крутящим моментом на низких оборотах, это достигается за счет высокого давления при сгорании.

По сравнению с бензиновыми, дизельные двигатели имеют меньшую мощность, так как работают на более низких оборотах.

В таблице показаны различия бензинового и дизельного двигателей в разных тактах рабочего цикла.

Характеристики двигателя

Такты рабочего цикла	Бензиновый двигатель	Дизельный двигатель
Впуск	Топливо-воздушная смесь, количество в зависимости от требуемой мощности	Воздух, количество не зависит от мощности
Сжатие	Топливо-воздушная смесь, степень сжатия 7 – 12	Воздух, степень сжатия 14 – 24, в конце такта сжатия происходит впрыск топлива
	Давление сжатия: до 18 бар	Давление сжатия: 30 – 55 бар
	Нагрев топливо-воздушной смеси: 400 – 500 °C	Нагрев воздуха: 600 – 900 °C
Сгорание (рабочий ход)	Воспламенение от искры (принудительное воспламенение)	Самовоспламенение впрыснутого топлива за счет высокой температуры
	Максимальное давление: 30 – 60 бар	Максимальное давление:160 бар
	Температура в камере сгорания 2000 – 2500 °C	Температура в камере сгорания 1400 – 2000 °C
Выпуск	Температура отработавших газов: 900 °C на холостом ходу; 700 – 1000 °C при полной нагрузке	Температура отработавших газов: 250 °C на холостом ходу; 550 – 750 °C при полной нагрузке

Общее устройство двигателя

Чтобы знать, как устроен двигатель автомобиля, необходимо изучить узлы и системы ДВС. Общее устройство двигателя состоит из трех основных узлов: головки блока цилиндров, блока цилиндров и кривошипно-шатунного механизма.

Работу ДВС обеспечивают системы: зажигания (бензиновые двигатели), питания, охлаждения, смазки, газораспределения, снижения токсичности и турбонаддува.

Управление работой ДВС, на основании сигналов датчиков, осуществляет электронный блок управления (ЭБУ), в английском варианте – PCM (Powertrain control module).

Головка блока цилиндров (ГБЦ)

Головка блока цилиндров обеспечивает герметизацию цилиндров сверху. ГБЦ образует камеры сгорания. В ГБЦ устанавливаются свечи зажигания (бензиновые ДВС) или форсунки (дизельные ДВС). В ГБЦ размещены впускные и выпускные каналы, клапаны и другие элементы клапанного механизма.

Из-за контакта с раскаленными газами ГБЦ испытывает термические напряжения и, в зависимости от типа системы охлаждения, ГБЦ выполнены с оребрением (для воздушного охлаждения) или с каналами для протока охлаждающей жидкости (ОЖ).

ГБЦ изготавливают из термостойкого серого чугуна или из легких сплавов, которые обладают хорошей теплопроводностью.

Прокладка головки блока цилиндров

Прокладка обеспечивает газо-водонепроницаемое соединение между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров, кроме того, прокладка компенсирует незначительные неровности привалочных плоскостей, поэтому она изготавливается из мягких материалов.

Для компенсации допусков при изготовлении или выступания поршней для определенных вариантов ДВС (дизельных), доступны прокладки головок блока цилиндров разной толщины. Чтобы отличить такие прокладки друг от друга, на них наносят метки (отверстия, пазы и т.д.).

Применяются прокладки ГБЦ следующей конструкции: несущая металлическая пластина с накладками из мягкого материала, мягкий материал, армированный металлом, металлическая сетка с накладками из мягкого материала, полностью металлическая прокладка.

Болты головки блока цилиндров

Болты крепления головки блока цилиндров предназначены для надежного соединения ГБЦ, прокладки ГБЦ и блока цилиндров. Порядок затяжки болтов указан в руководствах по ремонту и его следует обязательно придерживаться.

Затяжка болтов обязательно производится динамометрическим ключом в несколько этапов.

При затяжке, предусматривающей нагружение болтов до текучести, на последнем этапе используется ключ для поворота болтов на определенный угол.

Распределительный вал

Распредвал (или распредвалы в ГБЦ, имеющих более 2 клапанов на цилиндр) приводит/приводят клапаны. Распредвал (-ы) приводится (-ятся) от коленчатого вала. Его (их) частота вращения равна половине частоты вращения коленчатого вала.

Моменты открытия или закрытия клапанов определяются положением распредвала (-ов). Привод распредвала (-ов) осуществляется зубчатыми колесами, цепями или зубчатыми ремнями.

ДВС с двумя клапанами на цилиндр, в большинстве случаев, имеют по одному распредвалу на ряд цилиндров.

В ДВС с головками, имеющими более 2 клапанов на цилиндр, клапана сгруппированы в два ряда и установлены два распредвала. Распределительные валы изготавливаются из ковкой стали или из ковкого чугуна, или из чугуна с шаровидным графитом.

Форма кулачков

Форма кулачка (профиль) определяет время открытия клапана, его ход и характеристики процесса перемещения клапана при открытии и закрытии. Кулачок с заостренным профилем открывает и закрывает клапан медленно. при этом время полного открытия клапана относительно невелико.

Кулачок с резким подъемом профиля открывает и закрывает клапан быстрее и больше удерживает его в полностью открытом состоянии. Кулачки с резким подъемом профиля способствуют хорошему газообмену. Они подвержены более сильным нагрузкам по сравнению с кулачками с заостренным профилем.

Часто кулачки имеют асимметричную форму. У таких кулачков часть профиля, определяющая открытие клапана, имеет плоскую форму (для медленного открытия клапана), а часть профиля, определяющая закрытие клапана, имеет резкий подъем (для более продолжительного полного открытия и быстрого закрытия клапана).

Клапана ДВС: назначение и конструкция

Назначение клапанов открывать впускные и выпускные каналы во время газообмена и закрывать их во время тактов сжатия и расширения (рабочего хода). При этом клапаны подвергаются высоким термическим нагрузкам, несмотря на то, что впускной клапан охлаждается поступающим в цилиндр воздухом (или топливо-воздушной смесью), он нагревается до 500°C.

В связи с тем, что выпускной клапан омывается раскаленными газами из камеры сгорания, он нагревается до 800 °C (тарелка клапана). Тарелка выпускного клапана в обычно имеет меньший диаметр, чем у впускного.

Это объясняется тем, что отработавшие газы под давлением легко выходят из камеры сгорания даже при меньшем, по сравнению со впускным, проходном сечении.

Клапан состоит из тарелки и штока. Тарелка, прилегая к седлу в головке блока цилиндров, создает газонепроницаемое соединение и закрывает камеру сгорания. На конце штока клапана могут быть выполнены специальные отверстия, одна или несколько кольцевых проточек, предназначенных для фиксации сухарей.

Под действием усилия, передаваемого от тарелки пружины клапана, сухари прижимаются к отверстиям или кольцевым проточкам на штоке.

Из-за высоких механических нагрузок на фаски и на концы их штоков наплавляется высокопрочный легированный сплав. Этот слой образует жаростойкое твердосплавное покрытие.

Выпускные клапаны подвергаются особенно сильной термической нагрузке, поэтому их, как правило, выполняют биметаллическими. При работе находящийся внутри клапана натрий расплавляется.

Расплавленный металл направляет тепло от тарелки клапана к его штоку. Тепло от штока передается к ГБЦ.

Для оптимизации отвода тепла температура выпускного клапана может быть снижена на 80°C и составляет 150°C.

Седло клапана в ГБЦ растачивается, фрезеруется или шлифуется таким образом, чтобы ширина поверхности контакта с тарелкой клапана составляла 1,5 — 2 мм.

Седло может быть отфрезеровано непосредственно в ГБЦ или изготовлено в виде отдельной детали и запрессовано в ГБЦ.

Механизм привода клапанов

Механизм привода клапанов с коромыслами и штангами является обычным для V-образных двигателей старой конструкции и двигателей с нижним расположением распредвала.

Большое число движущихся деталей препятствует работе двигателей с такими механизмами на высоких оборотах.

Этому недостатку меньше подвержена конструкция с верхним расположением распредвала, толкателем и коромыслом. В механизме удалены длинные штанги.

Конструкция с установленным сверху распредвалом и толкателем имеет меньше движущихся частей и позволяет создать более быстроходные ДВС.

Такая конструкция весьма компактна и завоевала признание при создании ДВС более чем с двумя клапанами на цилиндр.

Конструкция с рычагом клапана имеет относительно малое количество деталей, является довольно компактной и обеспечивает высокую частоту вращения ДВС.

Виды толкателей

Основной задачей толкателя является передача на клапан осевой силы от кулачка. В зависимости от конструкции ДВС он сам непосредственно передает силу или это происходит с помощью рычага клапана или штанги и коромысла.

Еще одна задача толкателя – восприятие боковой силы от кулачка (т.е. «защита» клапана от этой боковой силы).

Это возможно, т.к. толкатель устанавливается в направляющей. Различают механические (простые) и гидравлические толкатели.

Тепловой зазор клапана

При работе двигателя впускные и выпускные клапаны удлиняются в зависимости от роста температуры и материала, из которого они изготовлены. Кроме того, с течением времени из-за износа изменяются размеры деталей механизма привода клапана. Поэтому, чтобы обеспечить надежное закрытие клапана при любом состоянии и режиме работы, между деталями механизма привода клапана предусматривается зазор.

Обычно на холодном ДВС такой зазор больше, чем на прогретом. Зазор выпускных клапанов обычно больше, чем впускных. Это обусловлено более высокой температурой выпускных клапанов.

Когда тепловой зазор слишком мал, клапан открывается раньше, а закрывается позднее. Из-за сокращения времени контакта тарелки клапана с седлом сокращается отвод тепла, выпускной клапан может стать слишком горячим, кроме того, при слишком маленьком тепловом зазоре возможна ситуация, когда выпускной или впускной клапан закрывается не полностью.

Через образовавшуюся за счет неплотного закрытия выпускного клапана щель в камеру сгорания засасываются отработавшие газы; подобная ситуация для впускного клапана оборачивается обратными вспышками во впускном коллекторе.

Камера сгорания теряет герметичность, ДВС не может развить надлежащую мощность. Клапаны перегреваются из-за постоянного контакта с горячими отработавшими газами, в результате подгорают фаски тарелок и седла.

Когда тепловой зазор слишком велик, клапан открывается позднее, а закрывается раньше. Поэтому сокращается время его открытия и уменьшается проходное сечение, что приводит к ухудшению наполнения и падению мощности. Повышается механическая нагрузка на клапан и усиливаются шумы от работы клапана.

Регулировка зазоров клапанов

Процедура регулировки зазоров может быть различной для разных ДВС того или иного производителя. В зависимости от предписаний, она может проводится на холодном или на прогретом, а также на остановленном или на работающем на холостом ходу двигателе.

Например, на механизме, приводящем клапан непосредственно через толкатель, регулировка осуществляется подбором толщины регулировочной шайбы. Высокое качество материалов, применяемых в настоящее время при изготовлении деталей, позволяет избежать регулировки зазоров клапанов при обычном техническом обслуживании.

В случае ремонта возможно потребуется их регулировка. Еще один вариант регулировки – с помощью механических толкателей с различной толщиной днища. При регулировке зазора, заменяют толкатель в сборе.

Гидравлические толкатели (гидрокомпенсаторы)

Помимо выполнения стандартных функций гидравлические толкатели призваны компенсировать зазоры клапанов. Они компенсируют изменения размеров, вызванные нагревом и износом деталей, следовательно, в регулировке зазоров отсутствует необходимость.

Полость гидрокомпенсатора соединена с системой смазки. Днище корпуса толкателя имеет углубление, через которое масло поступает в надплунжерную полость. Кулачок распредвала, повернутый к толкателю тыльной стороной, не передает на него усилие и плунжерная пружина выдвигает плунжер вверх, выбирая зазор.

Таким образом, толкатель все время прилегает к поверхности кулачка. При перемещении плунжера вверх в подплунжерной (рабочей) полости образуется разрежение. Под его действием открывается шариковый клапан. Масло может перетекать из надплунжерной полости в подплунжерную (рабочую).

Если обращенный вниз кулачок начинает давить на толкатель, то эта сила передается на плунжер – давление в подплунжерной (рабочей) полости возрастает и шариковый клапан закрывается. Масло (как и всякая жидкость) в замкнутой рабочей полости практически не сжимается, поэтому толкатель под нагрузкой работает практически как цельная, не упругая деталь и клапан открывается.

Устройство блока цилиндров двигателя

Цилиндр служит направляющей для движения поршня и отвода тепла возникающего во время сгорания топливно-воздушной смеси. Сгорание в цилиндре происходит в пространстве между головкой блока цилиндров и поршнем. Уплотнение поршня в цилиндре реализуется за счет поршневых колец.

Существуют различные конструкции цилиндров, как отдельные, так и объединенные в блок цилиндров. Охлаждение происходит за счет воздушного или жидкостного охлаждения. Воздушное охлаждение цилиндров применяется очень редко – в основном все современные автомобили имеют жидкостное охлаждение.

Изготавливаются блоки цилиндров ДВС из чугуна или сплава легких металлов методом литья. Цилиндры могут быть выполнены непосредственно в корпусе блока.

В блоки из легко-сплавных металлов, из-за их меньшей прочности, устанавливаются гильзы цилиндров с двумя различными вариантами охлаждения.

Мокрые гильзы – при такой конструкции гильз охлаждение происходит за счет непосредственного контакта охлаждающей жидкости с гильзой.

Преимуществом блока с “мокрыми” гильзами, является простой ремонт по замене гильз и отсутствие необходимости замены поршней. Недостаток – склонность к коррозии и низкая прочность блока цилиндров.

Сухие гильзы запрессовывают в блок цилиндров и непосредственного контакта с охлаждающей нет. При запрессовке “сухих” гильз используют эффект сжатия/расширения при изменении температуры.

Охлажденную гильзу устанавливают в нагретый блок цилиндров, что облегчает запрессовку, но извлечь их из блока цилиндров без повреждения уже невозможно.

При ремонте блока цилиндров, гильзы растачивают и устанавливают поршни с уплотнительными кольцами ремонтного размера.

Устройство кривошипно-шатунного механизма двигателя

Устройство кривошипно-шатунного механизма двигателя состоит из трех основных элементов: поршень, шатун и коленчатый вал.

Поршень предназначен для восприятия силы давления газов сгорания топливо-воздушной смеси и передачи этой силы на коленчатый вал посредством шатуна с поршневым пальцем. Поршень должен быть как можно более легким, чтобы минимизировать силы инерции, возникающие при работе.

Он должен быть устойчив к термическим нагрузкам, обусловленным воздействием раскаленных отработавших газов, и отводить часть тепла, при этом, его тепловое расширение должно быть минимальным, чтобы предотвратить заклинивание в цилиндре (задир).

В устройство поршня двигателя входят основные элементы: жаровой пояс – область от верхней кромки поршня до зоны поршневых колец подвержена особенно высоким термическим нагрузкам, и, соответственно, называется жаровым поясом.

Днище поршня – часть поршня, которая подвержена наибольшим нагрузкам от давления и температуры.

Зона поршневых колец – в этой зоне размещены различные поршневые кольца для надлежащей герметизации цилиндра. С одной стороны, они препятствуют прорыву отработавших газов в картер, с другой стороны, они не допускают попадание моторного масла в камеру сгорания.

Попадание масла в камеру сгорания характеризуется синим дымом выхлопа и высокими нагрузками на каталитический нейтрализатор. Юбка служит направляющей при движении поршня в цилиндре.

Бобышки с отверстиями под поршневой палец – отверстия устанавливается поршневой палец, который служит для соединения поршня с шатуном. Поршневой палец фиксируется в поршне с помощью стопорных колец либо устанавливается в шатуне с натягом, обусловленным тепловым сжатием/расширением деталей в момент установки.

Различают два типа поршней: поршень со сплошной юбкой, выполненный целиком из одного сплава и терморегулируемый поршень с поперечным разрезом.

Терморегулируемый поршень с поперечным разрезом– для уменьшения температурного расширения в этот поршень встроена терморегулирующая стальная пластина. На температурное расширение также влияет разрез поршня.

Сильно нагруженные зоны поршня могут быть усилены встроенными частями из специального чугуна. Существуют также поршни с охлаждающими каналами в днище, масло в которые подается с помощью форсунок.

Силы воздействующие на поршень – это давление в камере сгорания бензинового ДВС при рабочем ходе на 6000 об/мин составляет 75 бар. Это давление воздействует на поршень с силой примерно в 5т с частотой примерно пятьдесят раз в секунду.

Под действием этой нагрузки поршень прилегает к той стенке цилиндра, которая находится напротив шатунной шейки коленчатого вала, поэтому эта сторона цилиндра подвержена наибольшему износу.

Для нейтрализации такого эффекта ось поршневого пальца немного смещают от центра поршня к нагружаемой стенке (смещение составляет 1–2% от диаметра поршня). Эту величину называют смещением оси поршневого пальца.

При такой конструкции поршень прилегает к нагружаемой стенке уже в момент такта сжатия, таким образом, поршень в последствии не ударяется о стенку цилиндра под действием давления газов воспламеняющейся топливо-воздушной смеси.

При работе ДВС юбка поршня нагревается до 150°C, а днище до 350°C. Такой неравномерный нагрев вызывает неравномерную тепловую деформацию поршня, которая может привести к его заклиниванию в цилиндре.

Поршень должен иметь такую конструкцию, которая позволяла бы ему принимать цилиндрическую форму при достижении рабочей температуры.

Для компенсации неравномерной тепловой деформации поршень должен иметь эллипсовидное сечение (больший размер эллипса по оси, перпендикулярной оси поршневого пальца), кроме того, верхняя часть поршня должна быть уже нижней, чтобы компенсировать большее тепловое расширение в области днища поршня.

Поршневые кольца должны быть упругими и не изменять своей формы при установке на поршень. Они герметизируют картер двигателя от прорыва газов из камеры сгорания и отводят тепло от поршня к стенкам цилиндра.

Сила прижатия кольца к стенкам цилиндра увеличивается за счет силы от давления газов, прилагаемой по внутреннему диаметру кольца.

Поршневые кольца изготавливаются из чугуна или высоколегированной стали. Для усиления коррозионной стойкости и износоустойчивости они могут подвергаться твердому хромированию. Различают два вида поршневых колец: компрессионные кольца и маслосъемные кольца.

Компрессионные кольца устанавливаются сверху, ближе к днищу поршня. Они предназначены для надлежащей герметизации камеры сгорания.

Компрессионные кольца бывают цилиндрическими (низкая стоимость изготовления), имеющими внутреннюю фаску и коническими (оба этих кольца быстро прирабатываются, т.к. имеют небольшую поверхность контакта со стенками цилиндра).

Существуют также компрессионные кольца с трапециевидным сечением (не устанавливаются жестко в канавке), кольца с L-образным сечением (с увеличенной силой прижатия к стенкам цилиндра за счет давления газов) и с обращенной вниз ступенькой (с маслосъемным действием).

Установленные ниже кольца являются маслосъемными, они препятствуют попаданию масла в камеру сгорания.

Маслосъемные кольца бывают коробчатыми с прорезями (с отводом масла внутрь поршня), а также кольца с расширителем или кольцевой пружиной (имеют малую поверхность контакта для увеличения силы прижатия).

Шатун соединяет поршень и коленчатый вал. На шатун воздействуют сильные знакопеременные растягивающие и сжимающие, а также изгибающие нагрузки.

Сечение в форме швеллера позволяет шатуну надлежащим образом сопротивляться этим нагрузкам.

В верхней головке шатуна устанавливается поршневой палец. Нижняя головка шатуна, ее крышка и оба вкладыша устанавливаются на шатунной шейке коленчатого вала.

Шатуны изготавливают большей частью ковкой в штампах из стали с последующей термической обработкой (улучшением). Для небольших ДВС применяют шатуны из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Для фиксации положения вкладышей коленчатого вала на них предусмотрены специальные выступы, крышка центрируется относительно шатуна с помощью втулок – шатунных вкладышей.

Существую также шатуны и крышки, разъем между которыми выполняется методом разлома. Это повышает точность совмещения шатуна и крышки.

Коленчатый вал преобразует линейное перемещение шатунов во вращательное движение и соответственно крутящий момент.

Основная часть крутящего момента кривошипно-шатунного механизма ДВС передается на маховик, остальная необходима для привода газораспределительного механизма, масляного насоса, насоса охлаждающей жидкости и навесных агрегатов, таких как, генератор, компрессор кондиционера и т. д.

Коленчатые валы изготавливаются методом литья или ковкой в специальных штампах. Для увеличения прочности, ковка металла происходит по непрерывной линии для монолитной конструкции коленвала. Для изготовления используют легированную сталь с хромом, ванадием и молибденом.

Места установки коренных и шатунных вкладышей упрочняются и шлифуются. В зависимости от типа двигателя и количества цилиндров, коленвалы имеют различную форму. Опорой коленчатого вала являются коренные шейки расположенные на одной оси.

Шатуны подсоединяются к шатунным шейкам, расположенных под разными углами и эксцентриситетом относительно оси коленчатого вала. Через каналы в коленчатом валу к коренным и шатунным вкладышам подается масло.

Существуют неразъемные и составные коленчатые валы, из-за различных видов повышенных нагрузок, таких как, работа на изгиб и кручение, в ДВС легковых автомобилей используют неразъемные коленчатые валы.

Для уменьшения крутильных колебаний осуществляется балансировка коленвала удалением металла на противовесах. К балансировке коленвала предъявляют повышенные требования. Все одинаковые детали кривошипно-шатунного механизма двигателя должны иметь минимально возможное расхождение по весу.

Для обеспечения вращения коленчатого вала с минимальным трением и установки в необходимом положении, используют подшипники скольжения из составных вкладышей – коренных подшипников. Для исключения продольного перемещения применяют упорные вкладыши.

Для длительного срока службы и поддержания необходимого давления масла необходим точный зазор в подшипниках регламентированный заводом изготовителем. Если зазор выше нормы, то из-за уменьшения смазывающей способности происходит повышенный износ и выход подшипника из строя.

Масло под давлением, создаваемым масляным насосом, через каналы коленчатого вала подается к подшипникам скольжения.

Между вкладышами и шейкой коленвала образуется маслянная пленка исключающая соприкосновение металлических частей во время вращения коленвала. Такой эффект называют масляным клином.

Во время работы кривошипно-шатунного механизма из-за сил инерции возникают колебания, которые негативно сказываются на плавность работы ДВС и комфорт пассажиров.

Для компенсации колебаний и улучшения плавности работы ДВС используют балансирные валы, которые приводятся в движение через цилиндрические зубчатые колеса или цепной передачей.

Маховик сохраняет кинетическую энергию, полученную при рабочем ходе, а затем отдает ее. Этот принцип уменьшает неравномерность вращения коленчатого вала, вызванную наличием в рабочем цикле тактов, при которых не производится полезная работа, и прохождением мертвых точек.

На большинстве маховиков устанавливается зубчатый венец (сажается с натягом или привинчивается), с которым входит в зацепление шестерня стартера при запуске двигателя. От маховика момент передается на сцепление, которое передает его на коробку передач.

Маховики изготавливаются из стали или специального чугуна. Маховик проходит динамическую балансировку в сборе с коленчатым валом, это предотвращает возникновения колебаний на больших частотах вращения.

Если не предпринять данной меры, коленчатый вал вращался бы неравномерно, что сопровождалось бы повышенными нагрузками на сам вал и подшипники.

Устройство газораспределительного механизма двигателя (ГРМ)

Привод ГРМ с помощью цилиндрических зубчатых колес – в этом случае привод распределительного вала от коленчатого вала осуществляется с помощью набора цилиндрических шестерен.

Такое устройство ГРМ двигателя, нашло свое применение преимущественно на ДВС старой конструкции (двигатели с нижним расположением распредвала, V-образные двигатели). Шестерни выполняют косозубыми – это уменьшает шум от работы передачи.

Цепной привод ГРМ – распределительный вал в этом случае приводится с помощью цепи, используются как однорядные, так и многорядные цепи.

Цепь в большинстве случаев натягивается гидравлическим натяжителем, который использует для своей работы давление в системе смазки. Для уменьшения колебаний и шумов применяются успокоители цепи.

Привод ГРМ зубчатым ремнем – привод газораспределительного механизма с помощью армированного волокном зубчатого ремня практически бесшумен. Материал зубчатого ремня не предназначен для контакта с маслами и охлаждающей жидкостью.

Устройство газораспределительного механизма двигателя сконструировано таким образом, чтобы ремень был изолирован от масла и от охлаждающей жидкости. Зубчатый ремень необходимо заменять через предписанный меж-сервисный интервал.

Если визуальная проверка выявила наличие трещин на обратной стороне ремня или отсутствие/разрушение зубьев или тканевой основы, то необходимо заменить ремень, даже если предписанный момент замены еще не наступил.

Применяются зубчатые ремни с различной формой профиля зубьев. При установке нового ремня необходимо убедиться, что он имеет профиль зубьев, соответствующий профилю зубчатых шкивов.

Система вентиляции картера

В картере ДВС скапливаются газы, содержащие большое количество несгоревших углеводородов. Законодательные нормы, регламентирующие токсичность отработавших газов автомобиля, предписывают не допускать выброса картерных газов в атмосферу.

Эти газы попадают в картер, проникая между поршневыми кольцами и стенками цилиндров. Рисунок показывает, как пары газов, находящихся в картере и ГБЦ, с помощью соответствующих шлангов отводятся в систему впуска, а затем участвуют в процессе сгорания.

На современных автомобилях с бензиновыми ДВС используется система вентиляции, работающая в зависимости от нагрузки. На холостом ходу и на режимах с частичной нагрузкой, картерные газы отводятся во впускной коллектор через открытый клапан системы вентиляции картера (так называемый клапан PCV).

На режиме полной нагрузки разрежение во впускном коллекторе становится слишком мало, клапан PCV закрывается. Картерные газы отводятся в систему впуска через воздушный фильтр.

Устройство системы смазки двигателя

Существует принудительная система смазки ДВС с мокрым картером. Насос через заборник с сетчатым фильтром засасывает масло из поддона и подает его под давлением через трубопроводы и каналы системы смазки к соответствующим точкам двигателя. В автомобильных ДВС принудительная система смазки с мокрым картером используется чаще всего.

В принудительной системе смазки ДВС с сухим картером, стекающее в картер масло откачивается насосом в специальный циркуляционный бачок. Из него масло забирается подающим насосом и подается под давлением через фильтр и при необходимости через масляный радиатор к узлам двигателя.

Система смазки с сухим картером применяется в основном в спортивных автомобилях, внедорожниках и мотоциклах. На рисунке изображен контур принудительной системы смазки с мокрым картером. Запас масла находится в поддоне под блоком цилиндров.

Насос откачивает масло через заборник с сетчатым фильтром и подает его в фильтр. Очищенное масло из фильтра поступает к точкам смазки в головке и блоке цилиндров.

Масляный насос должен обеспечивать надлежащее давление масла и подачу (примерно 250-350 л/ч). Масло переносится, например, во впадинах между зубьями, от полости всасывания к полости нагнетания.

Распространение получили следующие типы насосов: шестеренный насос с наружным зацеплением, шестеренный насос с внутренним зацеплением и серповидным разделительным элементом и роторный насос.

Шестеренный насос с наружным зацеплением – в данном насосе масло захватывается зубьями и переносится во впадинах между ними вдоль стенок корпуса к полости нагнетания.

Зацепление зубьев обеих шестерен препятствует возвращению масла в полость всасывания. В полости всасывания образуется разрежение, а в полости нагнетания возникает давление.

Шестеренный насос с внутренним зацеплением и серповидным разделительным элементом – этот насос представляет собой одну из разновидностей шестеренных насосов.

В большинстве случаев его внутреннее зубчатое колесо установлено непосредственно на коленчатом вале. Наружное зубчатое колесо установлено по отношению к внутреннему со смещением (эксцентриситетом).

Таким образом внутри насоса образуются полости всасывания и нагнетания, отделенные друг от друга серповидным элементом. Масло транспортируется во впадинах между зубьями и поступает в нагнетающую полость как вдоль наружной, так и вдоль внутренней части разделительного элемента.

Преимущество насоса с серповидным элементом по сравнению с обычным шестеренным насосом (упомянутым выше) состоит в большей производительности, особенно на низких частотах вращения.

Роторный насос – основными элементами роторного насоса являются наружный ротор с внутренними зубьями и внутренний ротор с наружными зубьями. Насос приводится внутренним ротором, который расположен со смещением (эксцентриситетом). Он имеет на один зуб меньше, чем наружный.

Зубья внутреннего ротора выполнены таким образом, что они касаются каждого зуба наружного ротора и одновременно уплотняют образовавшиеся полости. При вращении роторов полости всасывания постоянно увеличиваются. Насос захватывает жидкость. Полости нагнетания уменьшаются.

Масло поступает под давлением в напорный трубопровод. Насос работает равномерно, т.к. порции масла поступают из нескольких следующих друг за другом полостей ротора. Такой насос может обеспечить высокое давление подачи масла при высокой производительности.

Для очистки масла и предотвращения загрязнения инородными металлическими частицами, появляющимися из-за износа деталей, используют масляный фильтр. Масляный фильтр не может очищать масло от жидких или растворившихся загрязнений.

По месту установки в масляном контуре различают полно-проточные фильтры (фильтры грубой очистки) и устанавливаемые параллельно главной масляной магистрали фильтры тонкой очистки.

Полно-проточные фильтры гарантируют фильтрацию всего масла, поступающего к трущимся частям двигателя. Надлежащая пропускная способность обеспечивается с помощью малого гидравлического сопротивления напрямую зависящее от тонкости отсева. Это уменьшает их фильтрующий эффект и мелкие частицы не отфильтровываются.

Фильтр тонкой очистки устанавливается параллельно основной масляной магистрали, поэтому через него проходит только часть подаваемого масла (5-10%). Таким образом к точкам смазки подается только частично очищенное масло.

Размеры пор фильтрующего элемента можно уменьшать до такой степени, чтобы отфильтровывать также мельчайшие частицы загрязнений из параллельного главной магистрали потока масла. Совместное применение полно-проточного фильтра (фильтра грубой очистки) и фильтра тонкой очистки.

Такая комбинация обеспечивает наилучшее очищающее действие. Такие системы нашли применение, например, в строительных машинах. По финансовым соображениям устройство системы смазки двигателя в большинстве автомобилей имеет систему с полно-проточным фильтром.

В двигателях внутреннего сгорания с повышенной термической нагрузкой устанавливают масляные форсунки охлаждения поршней, которые подают масло на днища поршней и это обеспечивает их лучшее охлаждение.

При перегреве масла ухудшаются его смазывающие свойства, т.к. оно становится слишком жидким, поэтому для уменьшения температуры и предотвращения перегрева устанавливают маслоохладители.

Маслоохладитель передает тепловую энергию масла окружающему воздуху или охлаждающей жидкости.

В некоторых системах смазки используется дополнительный термостат контура охлаждения маслоохладителя, который перекрывает подачу ОЖ в контур до достижения им определенной температуры, поэтому масло быстрее прогревается, что положительно сказывается на его смазывающих свойствах.

Назначение и классификация моторного масла

При увеличении меж-сервисных интервалов в отношении используемого масла предъявляются особенно высокие требования.

Основное назначение моторного масла – смазывать и охлаждать, т.е. предотвращать износ и отводить тепло от нагруженных деталей, кроме того, моторные масла должны:

• абсорбировать загрязнения, т.е. удерживать их в себе и тем самым предотвращать образование отложений;
• удалять высокотемпературные отложения;
• выдерживать высокие температуры (термическая стойкость);
• нейтрализовать образующиеся при сгорании кислоты;
• не терять своих свойств в течении всего меж-сервисного интервала (стойкость к старению, специально для тяжелых условий эксплуатации);
• обеспечивать защиту от коррозии;
• практически не менять свою вязкость;
• иметь низкую испаряемость легких фракций при высоких температурах;
• быть неагрессивным по отношению к уплотнениям;
• иметь малую вязкость при низких температурах.

Вязкость масла никак не связана с его качеством. Чем выше вязкость масла, тем ниже его текучесть. Масла разделяют по классам вязкости SAE. Они были определены Обществом автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers (SAE)). Таким образом, масла различают по их вязкости в зависимости от температуры.

Число перед буквой «W» (Winter — зима) указывает на вязкость при отрицательных температурах (параметр, важный при холодном пуске). Число после буквы «W» обозначает вязкостные свойства масла при 100°C, т.е. при высоких нагрузках. Сегодня применяются преимущественно универсальные масла, например SAE 15 W 40, отвечающие разным классам вязкости.

Американский нефтяной институт (American Petroleum Institute (API)) совместно с SAE и Американским обществом специалистов по испытаниям и материалам (ASTM (American Society for Testing and Materials)) разработали систему классификации моторных масел по их свойствам и назначению. Моторные масла были разделены на два основных класса:

• класс S – масла для бензиновых ДВС;
• класс C – масла для дизельных ДВС.

Внутри этих классов масла разделили по качеству на подклассы, обозначив их дополнительной буквой (например, API SH/CF). Спецификация для бензиновых двигателей:

• SE: бензиновые с 1971 года;
• SF: бензиновые с 1981 года;
• SG: малая склонность к образованию отложений на поршнях, уменьшенное образование отложений;
• SH: более высокие требования (с энергосберегающими маслами и жестким контролем за продукцией);
• SJ: высочайшие требования к маловязким маслам (0 W 20, 5 W 20, 10 W 30).

Повышенные требования к защите лямбда-зондов. Использование новых методик для измерения стойкости к пенообразованию, гелеобразованию, термическим нагрузкам и окислению. Спецификация для дизельных двигателей:

• CA: малые нагрузки;
• CB: средние нагрузки;
• CC: нагрузки от средних до высоких;
• CD: особенно для дизельных ДВС с турбонаддувом;
• CE: тяжелонагруженные и высокооборотные дизельные ДВС с турбонаддувом и без, предназначенные для работы с резким изменением режима нагрузки;
• CF: новая версия спецификации CD.

Система охлаждения ДВС

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания предназначена для обеспечения быстрого прогрева двигателя до оптимальной температуры и отвода от него избыточного тепла во время работы.

Примерно треть тепловой энергии сгоревшего топлива расходуется на нагрев компонентов (поршней, цилиндров, ГБЦ, турбокомпрессоров (турбонаддува) и моторного масла). Вследствие ограниченной термической стойкости необходим теплоотвод.

Самые экономичные бензиновые и дизельные ДВС с непосредственным впрыском преобразуют в полезную работу только примерно 46% энергии в топливе, остальная часть энергии теряется (уходит с отработавшими газами, рассеивается системой охлаждения, расходуется на трение).

Непрогретая охлаждающая жидкость (ОЖ) под действием насоса циркулирует в системе охлаждения, кроме того, в зависимости от конструкции и настроек отопителя, охлаждающая жидкость проходит через теплообменник отопителя, такой контур циркуляции называют «малым».

После прогрева охлаждающей жидкости, термостат открывает проход ОЖ в радиатор. ОЖ начинает циркулировать по так называемому «большому контуру», если температура ОЖ продолжает расти, то термо-выключатель или блок управления двигателя по данным с датчика ECT включает электрический вентилятор радиатора охлаждения.

Другой метод – привод вентилятора ремнем через термо-регулируемую муфту. Расширительный бачок служит для компенсации теплового расширения охлаждающей жидкости. Температура ОЖ в зависимости от режима работы и созданной производителем конструкции ДВС, находится в диапазоне температур:

• примерно 100-120 C для легковых автомобилей;
• примерно 90-95 C для грузовых автомобилей.

Максимально допустимое избыточное давление в системах охлаждения современных автомобилей находится в диапазоне температур:

• примерно 1,3-2 бар для легковых автомобилей;
• примерно 0,5-1,1 бар для грузовых автомобилей.

Охлаждающая жидкость, как правило, является смесью не содержащей извести воды и антифриза с антикоррозийными присадками. Они должны быть совместимы с агрегатами данного автомобиля.

Объем системы охлаждения примерно в 4-6 раз больше рабочего объема двигателя. Интенсивность циркуляции ОЖ примерно 10-50 раз в минуту.

Устройство системы питания двигателя

Устройство системы питания двигателя включает в себя следующие компоненты: топливный бак; топливный фильтр; топливные магистрали; топливный насос; форсунки.

Система впрыска бензинового ДВС дозирует топливо с высочайшей точностью. Для защиты прецизионных деталей от повреждений необходимо обеспечить эффективную очистку топлива.

Загрязнения улавливаются фильтром в контуре циркуляции топлива. Используемые топливные фильтры: фильтр в топливной магистрали – сменный фильтр (устанавливается в разрез топливной магистрали); фильтр в топливном баке не требующий замены.

В современных системах впрыска топлива для создания давления и подачи топлива используются исключительно электрические топливные насосы.

По месту установки различают насосы, устанавливаемые в разрыв топливной магистрали. Они могут быть установлены в произвольном месте в разрыве топливной магистрали.

Насосы устанавливаемые в баке, в большинстве случаев являются частью установленного в баке модуля подачи топлива.

Электроуправляемые форсунки впрыскивают находящееся в рампе (аккумуляторе давления) топливо во впускной коллектор или непосредственно в камеру сгорания. Топливо в рампе находится под надлежащим давлением.

Форсунки открываются на такой период времени, чтобы подать необходимое количество топлива. Форсунки должны впрыскивать топливо в камеру сгорания таким образом, чтобы обеспечить надлежащее соответствующее геометрии камеры сгорания смесеобразование.

Топливная система дизельного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие компоненты:

• топливный бак;
• топливный фильтр;
• топливные магистрали;
• топливный насос высокого давления аккумуляторной системы (Common Rail) или топливный насос высокого давления распределительного типа;
• топливную рампу (аккумулятор давления, система Common Rail);
• электроуправляемые форсунки аккумуляторной системы (Common Rail) или механические форсунки (топливный насос высокого давления распределительного типа).

В зависимости от конструкции могут устанавливаться также нагревательный элемент предварительного подогрева топлива и подкачивающий насос.

Топливный фильтр служит для улавливания частиц, загрязняющих дизельное топливо, он устанавливается перед компонентами, которые могут быть повреждены этими частицами, и тем самым гарантирует безупречную работу этих компонентов.

Исполнения топливного фильтра дизельного двигателя: фильтр предварительной очистки, в большинстве случаев сетчатый, устанавливается в дополнение к основному; основной фильтр конструктивно может быть выполнен в виде корпуса с фильтрующим элементом или в виде простого сменного фильтра.

Топливоподкачивающий насос интегрируют в топливный насос высокого давления (ТНВД). Топливо попадает в ТНВД, проходя через топливный фильтр. ТНВД дизельного двигателя предназначен для создания необходимого для впрыска давления топлива.

Распределение и фильтрация впускаемого воздуха

Система впуска включает в себя трубопровод забора воздуха, воздушный фильтр и впускной коллектор. Ее задачами являются очистка забираемого воздуха и подача топливо-воздушной смеси или воздуха в цилиндры.

Воздушный фильтр предотвращает проникновение в двигатель частиц минеральной пыли. Это уменьшает износ подшипников, поршневых колец и стенок цилиндров, кроме того, воздушный фильтр помогает уменьшить расход топлива и токсичность отработавших газов.

Впускной коллектор в настоящее время изготавливается как правило из пластмассы. Некоторые конструкции впускных коллекторов предусматривают их изготовление из алюминиевых сплавов.

Для достижения наилучшего наполнения внутренние поверхности впускного коллектора должны быть как можно более гладкими, чтобы минимизировать сопротивление проходящему воздуху/топливо-воздушной смеси.

Впускные каналы к каждому цилиндру делают одинаковыми по длине и диаметру. Таким образом впуск для всех цилиндров происходит при одинаковых условиях, это обеспечивает равномерность их наполнения.

Длина впускных каналов оказывает существенное влияние на наполнение цилиндра. На высоких частотах вращения двигателя более короткий впускной канал способствует увеличению крутящего момента, соответственно, при низких частотах вращения более оптимальной оказывается большая длина впускных каналов.

Система впрыска топлива и свечей подогрева

Различают следующие виды систем впрыска топлива бензиновых ДВС: системы одноточечного (центрального) впрыска; системы распределенного (многоточечного) впрыска; системы непосредственного впрыска.

В системе одноточечного впрыска топливо впрыскивается во впускной коллектор одной электроуправляемой (электромагнитной) форсункой, установленной перед дроссельной заслонкой.

Необходимое давление создает электрический топливный насос. Система одноточечного впрыска (TBI = Throttle Body Fuel Injection) работает под управлением электронного блока.

В системе распределенного (многоточечного) впрыска топливо впрыскивается в каналы впускного коллектора непосредственно перед впускными клапанами. Форсунками управляет электронный блок.

В системах непосредственного впрыска топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, где и происходит образование топливно-воздушной смеси.

Такой принцип (как в дизельных ДВС) позволяет достичь более высокого КПД и, соответственно, снизить расход топлива.

Для дизельных ДВС делается различие в зависимости от процесса впрыскивания топлива: непрямой впрыск; прямой (непосредственный) впрыск.

В двигателях с непрямым впрыском топливо впрыскивается в предкамеру или вихревую камеру. В двигателях с прямым впрыском топливо впрыскивается в углубление в днище поршня.

Такой способ смесеобразования предусматривает наличие отделенной от основной камеры сгорания сферической вихревой камеры, эта камера соединена каналом с основной камерой сгорания.

Предкамера расположена по возможности ближе к центру основной камеры сгорания. Эта камера соединена каналом с основной камерой сгорания. В предкамере установлены свеча подогрева и форсунка.

В дизельном ДВС с непосредственным впрыском (с неразделенными камерами сгорания) топливо под высоким давлением впрыскивается непосредственно в камеру сгорания (углубление в поршне).

Образование топливо-воздушной смеси происходит в камере сгорания. Такой принцип позволяет достичь более высокого КПД и, соответственно, снизить расход топлива.

Система свечей предварительного подогрева служит для облегчения пуска дизельного ДВС. В холодном дизельном двигателе сжатие сопровождается прорывом газов из камеры сгорания и большими тепловыми потерями.

Поэтому достаточные для пуска давление и температура в конце такта сжатия достигаются в этом случае только после многочисленных оборотов двигателя.

Чтобы прогреть перед пуском воздух в камере сгорания дизельного ДВС, в нее устанавливают свечи подогрева. Время прогрева зависит от внешней температуры и конструкции ДВС.

Зажигание ДВС

Для генерации искры используется энергия от аккумуляторной батареи. Топливно-воздушная смесь воспламеняется электрической искрой, возникающей между электродами свечи зажигания. В преобладающих на бензиновых ДВС индуктивных системах зажигания необходимая для возникновения искры энергия аккумулируется в катушке зажигания.

Величину этой энергии определяет время, за которое заряжается катушка (время протекания тока в первичной обмотке катушки, угол замкнутого состояния контактов прерывателя). Прерывание тока в первичной обмотке катушки приводит к образованию искры и воспламенению топливо-воздушной смеси. Современные системы зажигания управляются с помощью электронного блока управления.

Полное сгорание топливо-воздушной смеси происходит примерно за две миллисекунды после ее воспламенения искрой (момент зажигания). Момент зажигания должен быть перед ВМТ (так называемое опережение зажигания) – это обеспечивает полное сгорание смеси и достижение максимального давления газов в цилиндре уже после ВМТ.

Различным нагрузкам соответствует различная оптимальная величина опережения зажигания. С ростом частоты вращения зажигание должно быть более ранним, т.к. время на сгорание топливо-воздушной смеси уменьшается.

Свечи зажигания предназначены для воспламенения топливо-воздушной смеси с помощью электрической искры. По достижении напряжения зажигания между электродами свечи происходит искровой разряд. Конструкция свечей зажигания имеет центральный электрод и один или несколько массовых электродов.

Массовые электроды крепятся на корпусе свечи. В зависимости от конструкции свечи они могут быть по-разному расположены относительно центрального электрода: массовый электрод, расположенный над центральным; массовый электрод с боковым расположением.

Система выпуска отработавших газов

Система выпуска отработавших газов предназначена для отвода отработавших газов к задней части автомобиля, глушения звуковых колебаний и уменьшения токсичности отработавших газов (с помощью каталитических нейтрализаторов).

Система выпуска включает в себя выпускной коллектор, трубы с глушителями и, в зависимости от исполнения, катализатор. Характеристики системы выпуска специально согласовывают с ДВС. Это необходимо для надлежащего глушения шума и оптимизации мощности ДВС.

В систему выпуска также могут входить турбокомпрессор (турбонаддув) и система рециркуляции отработавших газов. Выпускной коллектор является наиболее подверженной тепловым нагрузкам деталью выпускной системы, поэтому он изготавливается из чугуна.

Трубы и глушители изготавливаются из листовой стали. Вся система выпуска подвергается внутренней (агрессивные отработавшие газы) и наружной коррозии (вода, антигололедные реагенты), воздействию высоких температур и колебаний.

При повреждении или не герметичности системы выпуска необходимо выполнить ее ремонт или замену деталей, в противном случае возможно попадание в салон токсичных отработавших газов. Кроме того, из-за подсоса наружного воздуха в систему выпуска нарушается работа системы управления ДВС.

Сильфоны предназначены для компенсации взаимного смещения элементов системы выпуска. Тепловое расширение и вибрации в этом случае не приводят к возникновению внутренних напряжений в материалах, из которых сделаны компоненты системы, таким образом удается избежать возникновения трещин и поломки деталей.

В отработавших газах содержатся токсичные вещества, количество которых можно уменьшить, используя: соответствующее топливо (с низким содержанием серы, неэтилированное), каталитические нейтрализаторы и специальные системы в двигателе (например, систему рециркуляции отработавших газов).

Законодательством установлены предельные величины токсичности выбрасываемых автомобилем отработавших газов. Для того чтобы уровень токсичности оставался в надлежащих пределах, необходима каталитическая доочистка отработавших газов. Поток отработавших газов проходит через установленный в системе каталитический нейтрализатор.

Размещенный в нем послойно катализатор действует таким образом, что находящиеся в отработавших газах токсичные вещества вступают в химическую реакцию, в ходе которой они преобразуются в относительно безвредные для человека и окружающей среды соединения.

Система рециркуляции отработавших газов и турбонаддув

Система рециркуляции отработавших газов необходима для снижения выброса вредных веществ. При обедненной смеси и высоких температурах горения, происходит образование оксидов азота (NOx).

Для уменьшения температуры горения, часть выхлопных газов из выпускного коллектора. с помощью клапана системы рециркуляции отработанных газов, возвращается во впускной коллектор.

Это необходимо для уменьшения концентрации кислорода в топливно-воздушной смеси, который влияет на температуру горения. Таким образом можно снизить количество оксидов азота в отработавших газах.

Из существующих видов наддува ДВС широчайшее распространение получил турбонаддув.

Турбонаддув позволяет двигателям малого рабочего объема выдавать большие мощность и крутящий момент при высоких значениях КПД.

Если раньше турбокомпрессоры (турбонаддув) применялись прежде всего для увеличения удельной мощности, то сейчас они все больше используются для увеличения крутящего момента на малых и средних оборотах.

Заключение

Вы узнали устройство двигателя внутреннего сгорания, но механизмы и системы ДВС постоянно совершенствуются, и количество их становится все больше – особенности устройства двигателя становятся все сложнее.

Совершенствуется система зажигания, система газораспределения с регулировкой фаз газораспределения устанавливается уже на многих ДВС разных производителей, разработаны двигатели с регулируемой степенью сжатия в цилиндрах.

Автомобили, приводимые в движение ДВС, объединяют с электродвигателями (гибридные системы привода) и т. д. Прогресс не стоит на месте – устройство двигателя меняется очень быстро. Подписывайтесь на рассылку, чтобы ничего не пропустить, не развивайте скорость больше, чем летает Ваш ангел-хранитель, и удачи на дорогах!

С уважением, Олег!

Продолжаем познавательную страничку.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

• Поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

• Автономность;
• Универсальность (сочетание с различными потребителями);
• Невысокая стоимость;
• Компактность;
• Малая масса;
• Возможность быстрого запуска;
• Многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:

• Высокий уровень шума;
• Большая частота вращения коленчатого вала;
• Токсичность отработавших газов;
• Невысокий ресурс;
• Низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршенвые ДВС:

• Бензиновые двигатели;
• Дизельные двигатели.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общее устройство:

• Корпус;
• Кривошипно-шатунный механизм;
• Газораспределительный механизм;
• Впускная система;
• Топливная система;
• Система зажигания (бензиновые двигатели);
• Система смазки;
• Система охлаждения;
• Выпускная система;
• Система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

• Впуск;
• Сжатие;
• Рабочий ход;
• Выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия — порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

Вот так вот, Друзья! Благодарю за внимание!

источник: vk.com/drivingacar