Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

 

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

 

Второй такт — такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

 

Третий такт — рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.

После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

 

Четвертый такт — такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

 

 

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Share

Twitter

Поделиться

Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании.

Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания, а также его рабочие циклы.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации)
Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье как устроен двигатель внутреннего сгорания.

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200^оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте ‘впуск’ в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта ‘сжатие’ воздух нагревается до 600^оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900^оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700^оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Более подробно про работу дизеля в статье Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы.

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

двигатель внутреннего сгорания: | Infoplease

Работа двигателя

В большинстве двигателей один рабочий цикл (впуск, сжатие, мощность и выпуск) происходит в течение четырех ходов поршня, совершаемых за два оборота двигателя. Когда двигатель имеет более одного цилиндра, циклы равномерно распределены для обеспечения плавной работы, но каждый цилиндр проходит полный цикл за любые два оборота двигателя. Когда поршень находится в верхней части цилиндра в начале такта впуска, впускной клапан открывается, и опускающийся поршень всасывает топливовоздушную смесь.

В нижней части такта впускной клапан закрывается, и поршень движется вверх на такте сжатия, во время которого он выдавливает топливно-воздушную смесь в небольшое пространство в верхней части цилиндра. Отношение объема цилиндра, когда поршень находится внизу, к объему, когда поршень находится вверху, называется степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем мощнее двигатель и выше его КПД. Однако для размещения устройств контроля загрязнения воздуха производителям пришлось снизить степень сжатия.

Непосредственно перед тем, как поршень снова достигает верхней точки, срабатывает свеча зажигания, воспламеняющая топливно-воздушную смесь (альтернативно смесь воспламеняется теплотой сжатия). Смесь при сгорании становится горячим, расширяющимся газом, заставляющим поршень опускаться во время рабочего хода. Горение должно быть плавным и контролируемым. Иногда происходит более быстрое неконтролируемое горение, когда горячие точки в цилиндре преждевременно воспламеняют смесь; эти взрывы называются детонацией двигателя и вызывают потерю мощности. Когда поршень достигает дна, выпускной клапан открывается, позволяя поршню вытеснять продукты сгорания, в основном двуокись углерода, окись углерода, оксиды азота и несгоревшие углеводороды, из цилиндра во время такта выпуска вверх.

Двухтактный двигатель механически проще четырехтактного. Двухтактный двигатель обеспечивает один рабочий такт каждые два такта вместо одного каждые четыре; таким образом, он развивает большую мощность при том же рабочем объеме или может быть легче, но при этом обеспечивать ту же мощность. По этой причине он используется в газонокосилках, цепных пилах, небольших автомобилях, мотоциклах и подвесных судовых двигателях.

Однако есть несколько недостатков, которые ограничивают его использование. Поскольку при работе двухтактного двигателя рабочих тактов в два раза больше, чем при работе четырехтактного двигателя, двигатель имеет тенденцию к большему нагреву и, следовательно, имеет более короткий срок службы. Кроме того, в двухтактном двигателе смазочное масло необходимо смешивать с топливом. Это приводит к очень высокому уровню углеводородов в его выхлопе, если только топливно-воздушная смесь не рассчитана компьютером для максимального сгорания. Высокоэффективный, экологически чистый двухтактный автомобильный двигатель в настоящее время разрабатывается компанией Orbital Engineering по договоренности со всеми автопроизводителями США.

Sections in this article:

• Introduction
• Reciprocating Engines
• Rotary Engines
• Engine Operation
• Cooling and Lubrication of Engines
• Environmental Considerations in Engine Design
• Evolution of the Internal-Combustion Engine
• Bibliography

Электронная энциклопедия Колумбии, , 6-е изд. Авторское право © 2022, издательство Колумбийского университета. Все права защищены.

См. другие статьи энциклопедии на тему: Технология: термины и концепции

Как работает двигатель? Сгорание и компоненты

• Новости

Поделиться:

Двигатель внутреннего сгорания работает путем преобразования топлива и воздуха в механическую энергию.

Основные компоненты двигателя включают клапанный механизм, поршни и коленчатый вал.

Купить артикул

AMSOIL Synthetic Motor Oil

AMSOIL Synthetic Diesel Oil

Работа двигателя заключается в преобразовании топлива в энергию. Итак, как работает двигатель? Двигатели внутреннего сгорания создают энергию, сжигая топливно-воздушную смесь под давлением внутри цилиндра, и она преобразуется в движение поршнями двигателя, шатунами и коленчатым валом.

Однако конструкция и функции компонентов различаются в зависимости от основного назначения автомобиля, типа топлива и других соображений. Начнем с основ сгорания и конструкции двигателя.

Четыре функции сгорания

Четырехтактные двигатели должны выполнять четыре основные функции для правильной и эффективной работы:

• Впуск
• Компрессия
• Мощность
• Выпуск

Функция впуска включает подачу смеси воздуха и топлива в камеру сгорания. Функция сжатия сжимает смесь. Функция power включает воспламенение смеси и использование силы этой реакции. выхлоп функция вытесняет сгоревшие газы из двигателя.

В четырехтактном двигателе процесс сгорания состоит из 1) тактов впуска, 2) сжатия, 3) рабочего и 4) тактов выпуска.

Поршень и поршневые кольца

Поршень движется вверх и вниз или совершает возвратно-поступательные движения внутри цилиндра двигателя. При этом он помогает выполнить четыре функции сгорания, создавая вакуум, который втягивает топливно-воздушную смесь в камеру сгорания (впуск), сжимает смесь (сжатие), воспламеняет ее (мощность) и удаляет продукты сгорания (выхлоп). ).

Область над поршнем называется цилиндром или камерой сгорания. Воздух и топливо сжимаются и воспламеняются в цилиндре. Поршневые кольца под днищем поршня образуют уплотнение на стенке цилиндра, чтобы предотвратить утечку топлива из камеры сгорания и помочь предотвратить утечку большей части побочных продуктов сгорания через поршневые кольца и загрязнение масла в картере. Поршневые кольца также помогают охлаждать поршень, распределяя масло по стенке цилиндра и передавая тепло.

Двигатель в разрезе, открывающий поршни, камеру сгорания и отверстие форсунки.

Шатуны и поршневые пальцы

Шатуны соединяют поршень с коленчатым валом. Наручный штифт используется для крепления поршня к шатуну, позволяя им поворачиваться при возвратно-поступательном движении. И под заводной головкой, и под запястьем штифт подвергаются экстремальным нагрузкам, поскольку они воспринимают силу возвратно-поступательных поршней, особенно когда поршень движется вниз под действием силы сгорания.

Как работает двигатель? Коленчатый вал

Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение, которое передается на коробку передач. В типичном потребительском автомобиле коленчатый вал присоединяется к трансмиссии через сцепление (в ручном режиме) или преобразователь крутящего момента (в автоматическом режиме). В газонокосилке коленчатый вал крепится непосредственно к режущим ножам.

Уплотнения на концах коленчатого вала предотвращают утечку масла из двигателя. Уплотнения в двухтактных двигателях имеют дополнительную проблему, связанную с работой под действием сил положительного и отрицательного давления, создаваемых возвратно-поступательным движением поршня. Сальники четырехтактных двигателей не работают при таком давлении.

Поршни приводят в движение коленчатый вал, который приводит в движение трансмиссию и транспортное средство.

Подшипники

Коренные подшипники двигателя поддерживают коленчатый вал. В зависимости от конструкции двигателя могут использоваться подшипники качения или подшипники скольжения.

Роликовые подшипники (подшипники качения) используются в двухтактных двигателях, поскольку для них нет специального источника смазки. Роликовые подшипники содержат подвижные элементы и могут также называться роликовыми подшипниками.

Подшипники скольжения — это фиксированные неподвижные подшипники, которые поддерживают вращающийся коленчатый вал в четырехтактных двигателях. Они предназначены для обеспечения низкого сопротивления трению и требуют специального источника смазки под давлением для обеспечения адекватного жидкостного барьера между металлическими компонентами.

Зарегистрируйтесь как Привилегированный клиент, чтобы получить:

• • Сниженная цена до 25% на каждый заказ.
  • Бесплатная доставка при заказе от 100 долларов (130 канадских долларов) или более.
  • Подарок на день рождения в виде купона на 5 долларов, который поможет отпраздновать этот день.
  • 5 долларов Возврат за каждые потраченные 100 долларов.
  • Эксклюзивные предложения в течение года.
  • Бесплатное продление членства , если вы потратите 500 долларов или более.

Узнать больше

Клапанный механизм и фазы газораспределения

Клапанный механизм двигателя отвечает за открытие и закрытие клапанов цилиндров в нужное время в процессе сгорания. Он состоит из клапанов, узлов клапанных пружин, распределительных валов, толкателей, толкателей и коромыслов.

Клапаны используются либо для подачи топливно-воздушной смеси в цилиндр, либо для выпуска выхлопных газов. В старых автомобилях для каждой функции использовался один клапан; однако в новых автомобилях используется до двух впускных и двух выпускных клапанов на цилиндр.

Впускной клапан подает топливно-воздушную смесь в камеру сгорания. Выпускной клапан выпускает выхлопные газы из цилиндра.

Каждый клапан имеет уплотнение клапана, которое отвечает за предотвращение попадания масла в камеру сгорания. Неисправные уплотнения клапанов могут привести к попаданию масла в цилиндр и воспламенению во время сгорания, в результате чего двигатель будет сжигать масло.

Магазин AMSOIL Products

Распредвал

Распредвал содержит эксцентрики и шейки, которые регулируют фазы газораспределения. Эксцентрики представляют собой механические кулачки, которые передают возвратно-поступательное движение между механическими компонентами. Каждый эксцентрик управляет одним клапаном. Например, четырехцилиндровый двигатель с двумя клапанами на цилиндр будет использовать распределительный вал с восемью эксцентриками.

Форма эксцентриков контролирует точно настроенное движение и синхронизацию клапанного механизма, включая то, насколько далеко поднимаются клапаны, как долго они остаются поднятыми и когда эти движения происходят относительно положения поршней.

Два основных типа распределительных валов — плоского толкателя и роликового. Толкатель, или толкатель, на распределительном валу с плоским толкателем плоский, и для отделения его поверхности от кулачка требуется масло. Распределительные валы с плоскими толкателями создают высокое трение и высокие температуры, потому что поверхности быстро скользят друг относительно друга. Масляная пленка является единственным барьером, препятствующим слипанию толкателя и кулачка кулачка.

Трение между двумя компонентами может в конечном итоге привести к износу кулачка плоского толкателя и повлиять на работу клапана. Мощность и эффективность двигателя снизятся, если кулачки с плоскими толкателями не смогут поднять клапаны достаточно, чтобы адекватно заполнить камеру для воспламенения или выпуска выхлопных газов.

В роликовом распределительном валу используются колеса или ролики для уменьшения износа толкателя. Тела качения практически полностью уменьшают трение между толкателем и кулачком, продлевая срок службы распределительного вала. Роликовые распределительные валы обычно предпочтительнее распределительных валов с плоскими толкателями, поскольку они значительно снижают износ и могут повысить производительность двигателя.

Распределительный вал содержит эксцентрики, которые открывают впускной и выпускной клапаны.

Как работает двигатель? Конструкции блока цилиндров

Рядный двигатель

Рядные двигатели располагают поршни в один ряд. Рядный блок двигателя — это обычная компоновка, используемая в различных автомобильных и спортивных приложениях, включая снегоходы, гидроциклы и мотоциклы.

Двигатель V-Style

Двигатели V-Style имеют два ряда цилиндров, смещенных относительно друг друга так, что они образуют V-образную форму. V-образный двигатель — это обычная конструкция автомобильного двигателя. Рынок крупногабаритных мотоциклов также обычно использует эту конструкцию.

Оппозитный двигатель

В оппозитных двигателях цилиндры лежат горизонтально и расположены перпендикулярно обеим сторонам коленчатого вала. Porsche* и Subaru* используют оппозитную конструкцию блока цилиндров в автомобилях, а Kohler* и Briggs & Stratton* хорошо известны тем, что используют оппозитные двигатели в газонокосилках.

Роторный двигатель

Роторные двигатели, известные как двигатель Ванкеля, используют треугольный ротор вместо поршней для производства энергии. Треугольные роторы вращаются внутри специальной камеры; один цикл состоит из функций впуска, сжатия, мощности и выпуска.

Поскольку мощность исходит от вращающегося ротора, а не от возвратно-поступательных поршней, он работает плавно с очень небольшой вибрацией.