Как работает и из чего состоит двигатель

Сегодня подавляющее большинство автомобилей оборудуется двигателями внутреннего сгорания. Это достаточно надежные и мощные агрегаты, которые способны длительное время обеспечивать работу всех типов автомобилей. Среди ДВС выделяют две большие группы – бензиновые моторы и дизельные. Несмотря на определенные различия в работе, некоторых конструктивных элементах и заправку разными видами топлива, работа и основные узлы в целом схожи.

Принципиальные основы функционирования автомобильных  двигателей

Бензиновый двигатель заправляется легким топливом — бензином, и превращают энергию его горения в механическую работу для обеспечения движения. В процессе бензин смешивается с воздухом и загорается от электрической свечи в специальной камере сгорания. В результате этого поршень приходит в движение, передавая усилие через коленчатый вал на трансмиссию.

Дизельные двигатели заправляются специальным дизельным топливом (соляркой). Основные принципы работы этих агрегатов схожи с бензиновыми ДВС, но смесь топлива и воздуха в цилиндре не поджигается электрической свечой, а воспламеняется самостоятельно при сжатии топливно-воздушной смеси поршнем.

В основе работы каждого из типов двигателей лежит свойство расширения любого газа при нагревании. Топливо, загораясь в цилиндре, нагревает воздух в нем, затем толкает поршень, который перемещается, через шатун вращая коленчатый вал, к которому присоединяется трансмиссия автомобиля.

К недостаткам как бензиновых, так и дизельных моторов относится сравнительно небольшой коэффициент полезного действия, в  среднем имеющий показатель 20 %. Это означает, что при сгорании 10 л топлива, только 2 л тратится на то, чтобы привести автомобиль в движение, а тепло от сгорания еще 8 литров, просто рассеивается в атмосфере. Тем не менее двигатель внутреннего сгорания — это наиболее эффективный и надежный тепловой двигатель из известных человечеству.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Чтобы разобраться, как функционирует бензиновый или дизельный мотор, лучше всего рассмотреть одноцилиндровую модель этого механизма, обладающую самой простой конструкцией.

Элементы и термины

Основными узлами двигателя являются цилиндр и расположенный в нем поршень, который перемещаются вверх и вниз. Крайнее верхнее положение поршня определяют как верхняя мертвая точка, сокращенно ВМТ, а крайнее нижнее положение называют крайней нижней мертвой точкой, или НМТ. Линейное расстояние между этими двумя точками называют ходом поршня. В работе мотора участвуют и  другие необходимые элементы, а процессы описываются такими терминами:

1. Камера сгорания, по другому называется камера сжатия – это пространство, расположенное между головкой цилиндра и расположенным в цилиндре поршнем, когда он располагается в ВМТ. Именно здесь возгорается топливо.
2. Рабочий объем цилиндра – объем в середине цилиндра между ВМТ и НМТ. Тогда, объем у многоцилиндрового двигателя – суммарный рабочий объем всех цилиндров, входящих в его состав, он указывается в технической документации. В автомобилях чаще всего встречаются 4-х цилиндровые двигатели, но бывают 6, 8 и 12-цилидровые ДВС. От объема напрямую зависит мощность мотора.
3. Степень сжатия – это соотношение рабочего объема мотора и объема камеры сгорания.
4. Такт двигателя – это периодический процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня. Большинство двигателей – четырехтактные, то есть работают по 4 разным тактам.

 

Рабочий цикл у стандартного четырехтактного бензинового ДВС

Работа четырехтактного мотора подразделяется на 4 такта, во время которых происходят такие процессы:

1. Впуск

Поршень движется по цилиндру до НМТ, создавая разрежение. В этот момент в цилиндр проникает топливно-воздушная смесь.

2. Сжатие

Поршень движется до ВМТ, при этом клапаны перекрыты, за счет чего в камере сгорания увеличивается давление, а топливно-воздушная смесь нагревается и молекулы кислорода больше контактируют с молекулами топлива. В конце этого такта смесь воспламеняется, для чего в бензиновом двигателе предусмотрена свеча зажигания.

3. Расширение

Топливно-воздушная смесь загорается и нагревается, при этом она расширяется при закрытых клапанах, и обеспечивает рабочий ход поршня до НМТ. В результате полезная энергия вращает коленчатый вал, переходя из тепловой в механическую.

4. Выпуск

Поршень переходит из НМТ в ВМТ, выпускной клапан открывается, и отработанные газы идут в выпускной коллектор, а через него попадают в атмосферу.

Все такты  повторяются непрерывно, тем самым обеспечивая работу мотора и постоянное вращение коленчатого вала. 

Отличия в работе дизельного двигателя

Общая схема работы четырехтактного дизеля схожа с бензиновым ДВС, но имеются и некоторые отличия. В первом такте в цилиндр заходит чистый воздух, во втором – этот воздух сжимается, в результате чего в камере сгорания достигается температура более 600 °С и только в конце данного такта в цилиндр поступает топливо, которое воспламеняется в очень горячем воздухе. Третий и четвертый такты происходят так же, как у бензинового ДВС. Именно поэтому в дизеле не используются электрические свечи зажигания.

Особенности работы многоцилиндровых двигателей

В большинстве легковых машин устанавливаются четырехцилиндровые двигатели. Это сделано для того, чтобы работа была более ровной и плавной. Причина данного решения связана с тем, что в моторе полезная энергия выделяется только в третьем такте рабочего хода, в остальных тактах она затрачивается. Это означает, что если оборудовать автомобиль одноцилиндровым двигателем, при его работе будут чувствоваться сильные толчки при работе. Это приведет к появлению излишней вибрации и снизит ресурс двигателя.

Решить проблему удалось применением четырехцилиндровой компоновки двигателя. Его работа организована таким образом, что рабочий ход одного из поршней дает дополнительную энергию трем остальным поршням. Этим достигается плавность и снижается интенсивность вибраций при работе двигателя.

Из чего еще состоит мотор?

Для нормальной работы двигателей внутреннего сгорания на них применяются дополнительные системы и узлы, обеспечивающие их стабильную, надежную и длительную работу. К основным вспомогательным  механизмам относят:

1. Кривошипно-шатунный механизм.
2. Систему ГРМ (газораспределительную).
3. Охлаждающую систему.
4. Систему смазки.
5. Систему закачки топлива.

Чтобы полностью разобраться в принципах работы ДВС, требуется понять, для чего нужен, и как работает каждый из этих узлов.

Кривошипно-шатунный механизм

Данный узел представляет механизм, через которых поступательное движение поршня трансформируется во вращательное движение коленчатого вала. Он включается в себя такие детали:

• поршень, на который производится давление расширяющихся при сгорании газов, в результате чего он с силой давит на шатун. В поршне имеются канавки для установки поршневых колец, которые препятствуя выходу газов;
• поршневой палец прочно, но подвижно соединяет поршень и шатун;
• шатун состоит из стержня, а также верхней, нижней головки. Верхняя головка пальцем соединяется с поршнем. Нижняя головка имеет разборную конструкцию и с ее помощью шатун прикрепляется к коленвалу;
• коленчатый вал имеет сложную форму с четырьмя шатунными шейками, к которым и прикрепляются нижние головки шатунов. На его переднем конце расположена шестерня, звездочка или шкив (в зависимости от типа газораспределительного механизма), привода распределительного вала. К задней части коленвала прикреплен маховик.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Газораспределительный механизм предназначается для регулировки впуска топливно-воздушной смеси в рабочий цилиндр и выпуска из него отработанных газов. В большинстве современных двигателей внутреннего сгорания ГРМ состоит из:

• распределительные валы. Они с помощью расположенных на них кулачков открывают и закрывают клапаны в строго определенные моменты. Каждый из кулачков открывает и закрывает только один из клапанов;
• клапан. Это деталь, состоящая из стержня и головки, внешне напоминая обычный гвоздь. Через впускные клапаны в цилиндр попадает топливно-воздушная смесь, а через выпускные выводятся отработанные газы. Они двигаются в направляющих втулках.

Работа механизма ГРМ обеспечивается вращением распределительных валов, при этом кулачки нажимают на гидрокомпенсаторы. На более старых двигателях они отсутствуют и нажатие происходит непосредственно на стержень клапана. В результате нажатия кулачков вала, клапана открываются в определенные моменты, а после соскальзывания кулачка закрываются под воздействием возвратной пружины. В результате обеспечивается своевременный впуск топлива, воздуха и вывод отработанных газов.

Охладительная система

При сгорании топлива приблизительно 80 % энергии тратится не на механическую работу, а на нагревание двигателя. Это означает, что он достигнет критической температуры и разрушится. Избежать такой ситуации поможет система охлаждения мотора. На подавляющем большинстве ДВС применяется жидкостный вариант этой системы, который состоит из:

• рубашка охлаждения блока цилиндров с циркулирующим по рубашке антифризом, который отводит тепло от работающего двигателя;
• охладительная рубашка головки блока цилиндров. Она предназначена для того же, но уже в ГБЦ;
• насос или помпа обеспечивает циркуляцию антифриза по системе охлаждения двигателя;
• радиатор. Набор трубок со специальными металлическими пластинами, где происходит охлаждение антифриза, поступающего из двигателя;
• вентилятор. Предназначается для продувки радиатора, чтобы охлаждение происходило как можно быстрее;
• термостат. Регулирует движение охлаждающей жидкости по большому и малому кругу системы охлаждения, обеспечивая быстрый набор рабочей температуры и её поддержание;
• расширительный бачок. В него выводится лишняя охлаждающая жидкость после нагревания и расширения, через него можно добавить антифриз при его испарении. Бачок оснащен специальной завинчивающейся крышкой с клапаном для сброса лишнего давления и доливки.

Система смазки

Поскольку в любом ДВС есть движущиеся детали, между ними неизбежно возникает трение, приводящее к перегреву, снижению КПД и быстрому выходу механизмов из строя. Снизить трение до минимума помогает система смазки, в состав которой входят такие узлы и детали:

• картерный поддон. Масло в неработающем двигателе стекает именно в эту емкость;
• масляный насос. Качает масло из картера при работающем двигателе и направляет его по специальным каналом к трущимся деталям – коленчатому и распределительному валу, клапанам. Разбрызгиваясь на коленчатом валу, масло смазывает все остальные узлы мотора;
• масляный фильтр. Включается в систему циркуляции масла и очищает его от нагара, твердых включений и других примесей. Меняется при каждой замене масла.

При эксплуатации двигателя следует периодически проверять уровень масла в двигателе, и при падении уровня его нужно долить в маслозаливную горловину.

Система питания

Топливная система нужна для закачивания топливно-воздушной смеси непосредственно в камеру сгорания. Бензиновые системы бывают карбюраторные и инжекторные.  Карбюраторные моторы уже выходят из употребления как устаревшие. Несмотря на сложную конструкцию, инжектор позволяет развивать большую мощность и достигать более стабильной работы, при этом уменьшается выхлоп вредных веществ в атмосферу. В инжекторную систему входят:

• топливный бак, куда заливается бензин.
• топливный насос, предназначающийся для подачи бензина к двигателю.
• фильтр тонкой очистки позволяет удалить из бензина лишние включения.
• Топливная рампа с форсунками и специальным датчиком давления, через которую бензин с воздухом попадает в цилиндры.
• Датчики, передающие данные о работе системы в электронный блок управления (ЭБУ), что позволяет четко дозировать подачу топлива в конкретный цилиндр.

Важно, что такая система обеспечивает надежную работу двигателя, и позволяет добраться до места ремонта даже после отключения одного и даже двух цилиндров. В дизельных двигателях принцип работы схож, но у них предъявляются более высокие требования к установленному топливному насосу и форсункам, работающих под высоким давлением.

Заключение

Несмотря на сложность конструкции, производителям современных бензиновых и дизельных автомобильных моторов удалось добиться надежности, безопасности и долговечности их эксплуатации. При этом нужно понимать, что этого можно достигнуть только при обеспечении надлежащего сервисного обслуживания моторов, а также понимании основных принципов работы ДВС.

Видео: Общее устройство бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания