Устройство с двигател с вътрешно горене

От век двигателят с вътрешно горене се използва в мотоциклети, пътнически автомобили и камиони. Досега той остава най-икономичният тип двигател. Но за мнозина принципът на действие и устройството на двигателя с вътрешно горене остава неясен. Нека се опитаме да разберем основните тънкости и специфики на структурата на двигателя.

📌Определение и общи характеристики

Ключова характеристика на всеки двигател с вътрешно горене е запалването на запалима смес директно в работната му камера, а не във външна среда. В момента на изгаряне на горивото получената топлинна енергия провокира работата на механичните компоненти на двигателя.

📌Създаване на история

Преди появата на двигателите с вътрешно горене, самоходните превозни средства бяха оборудвани с двигатели с външно горене. Такива устройства работят от налягането на парата, генерирано от нагряване на водата в отделен резервоар.

Дизайнът на такива двигатели беше извънгабаритен и неефективен - в допълнение към голямото тегло на инсталацията, за да се преодолеят големи разстояния, транспортът също трябваше да изтегли приличен запас от гориво (въглища или дърва за огрев).

С оглед на този недостатък инженерите и изобретателите се опитаха да решат важен въпрос: как да комбинират горивото с тялото на силовия агрегат. Чрез премахване на елементи като котел, резервоар за вода, кондензатор, изпарител, помпа и др. От системата. беше възможно значително да се намали теглото на двигателя.

Създаването на двигател с вътрешно горене във формата, позната на съвременния шофьор, става постепенно. Ето основните етапи, довели до появата на модерния двигател с вътрешно горене:

• 1791 Джон Барбър изобретява газова турбина, която работи чрез дестилация на петрол, въглища и дърва в реторти. Полученият газ, заедно с въздуха, се изпомпва в горивната камера от компресор. Полученият горещ газ под налягане се подава към работното колело на работното колело и го завърта.
• 1794 Robert Street патентова двигател с течно гориво.
• 1799. Филип Льо Бон в резултат на пиролизата на петрола получава луминисцентен газ. През 1801 г. той предлага да се използва като гориво за газови двигатели.
• 1807 Франсоа Исак де Риваз - патент за „използването на взривни материали като източник на енергия в двигателите“. Въз основа на разработката, създава "Самоходен екипаж".
• 1860 Етиен Леноар е пионер в ранните изобретения, като създава работещ двигател, задвижван от смес от осветление на газ и въздух. Механизмът се задейства с искра от външен източник на енергия. Изобретението е използвано на лодки, но не е инсталирано на самоходни превозни средства.
• 1861 Алфонс Бо Де Роша разкрива значението на компресирането на горивото преди запалването му, което е послужило за създаването на теорията за работата на четиритактов двигател с вътрешно горене (всмукване, компресия, горене с разширяване и освобождаване).
• 1877 г. Николаус Ото създава първия четиритактов двигател с вътрешно горене от 12 к.с.
• 1879 Карл Бенц патентова двутактовия мотор.
• 1880-те. Огнеслав Кострович, Вилхелм Майбах и Готлиб Даймлер едновременно разработват модификации на карбуратора на двигателя с вътрешно горене, подготвяйки ги за масово производство.

В допълнение към бензиновите двигатели, Trinkler Motor се появява през 1899 година. Това изобретение е друг тип двигател с вътрешно горене (некомпресорен двигател с високо налягане), работещ на принципа на изобретението на Рудолф Дизел. През годините силовите агрегати, както бензиновите, така и дизеловите, се подобряват, което увеличава ефективността им.

Видове двигатели с вътрешно горене

По вида на конструкцията и спецификата на работата на двигателя с вътрешно горене те се класифицират според няколко критерия:

• По вида на използваното гориво - дизел, бензин, газ.
• Според принципа на охлаждане - течност и въздух.
• В зависимост от разположението на цилиндрите - редови и V-образни.
• Според метода за приготвяне на горивната смес - карбуратор, газ и инжекция (смесите се образуват във външната част на двигателя с вътрешно горене) и дизела (във вътрешната част).
• Според принципа на запалване на горивната смес - с принудително запалване и със самозапалване (характерно за дизеловите агрегати).

Двигателите се отличават и със своя дизайн и ефективност:

• Бутало, в което работната камера е разположена в цилиндрите. Струва си да се има предвид, че такива двигатели с вътрешно горене са разделени на няколко подвида:
  • карбуратор (карбураторът е отговорен за създаването на обогатена работна смес);
  • инжектиране (сместа се подава директно към всмукателния колектор през дюзите);
  • дизел (запалването на сместа възниква поради създаването на високо налягане вътре в камерата).
  • Ротационно-бутало, характеризиращо се с превръщането на топлинната енергия в механична енергия поради въртенето на ротора заедно с профила. Работата на ротора, чието движение прилича на 8-ку по форма, напълно замества функциите на буталата, времето и коляновия вал.
  • Газова турбина, при която двигателят се задвижва от топлинна енергия, получена чрез въртене на ротор с лопатки, наподобяващи лопатка. Той задвижва вала на турбината.

Теорията на пръв поглед изглежда ясна. Сега нека разгледаме основните компоненти на силовия агрегат.

Device ICE устройство

Дизайнът на каросерията включва следните компоненти:

• цилиндров блок;
• колянов механизъм;
• механизъм за разпределение на газ;
• системи за подаване и запалване на горима смес и отстраняване на продуктите от горенето (отработени газове).

За да разберете местоположението на всеки компонент, помислете за диаграмата на структурата на двигателя:

Числото 6 показва къде се намира цилиндърът. Това е един от ключовите компоненти на двигателя с вътрешно горене. Вътре в цилиндъра има бутало, обозначено с номер 7. Той е прикрепен към свързващия прът и коляновия вал (на схемата, обозначен съответно с номера 9 и 12). Преместването на буталото нагоре и надолу вътре в цилиндъра провокира образуването на ротационни движения на коляновия вал. В края на румпела има маховик, показан на диаграмата под номер 10. Необходим е за равномерно въртене на вала. Горната част на цилиндъра е снабдена с плътна глава с всмукателни и изпускателни клапани на сместа. Те са показани под номер 5.

Отварянето на клапаните става възможно благодарение на гърбиците на разпределителния вал, обозначени с номер 14, или по-скоро на неговите предавателни елементи (номер 15). Въртенето на разпределителния вал се осигурява от зъбните колела на коляновия вал, обозначени с номер 13. Когато буталото се движи свободно в цилиндъра, то може да заеме две крайни позиции.

Нормалната работа на двигателя с вътрешно горене може да бъде осигурена само чрез равномерно подаване на горивната смес в точното време. За да се намалят експлоатационните разходи на двигателя за разсейване на топлината и да се предотврати преждевременно износване на задвижващите компоненти, те се смазват с масло.

📌Принципът на двигателя с вътрешно горене

Съвременните двигатели с вътрешно горене работят на горивото, което се запалва вътре в цилиндрите и енергията, която идва от него. Смес от бензин и въздух се подава през смукателния клапан (в много двигатели има по два на цилиндър). На същото място той се запалва поради образуващата се искра свещ... В момента на мини експлозия газовете в работната камера се разширяват, създавайки налягане. Той задвижва буталото, прикрепено към KShM.

Дизеловите двигатели работят на подобен принцип, само че процесът на горене се инициира по малко по-различен начин. Първоначално въздухът в цилиндъра се компресира, което го кара да се нагрява. Преди буталото да достигне TDC при хода на компресията, инжекторът пулверизира горивото. Поради горещия въздух горивото се самозапалва без искра. Освен това процесът е идентичен с бензиновата модификация на двигателя с вътрешно горене.

KShM преобразува възвратно-постъпателните движения на буталната група във въртене колянов вал... Въртящият момент отива към маховика, след това към механична или автоматична скоростна кутия и накрая - на задвижващите колела.

Процесът, докато буталото се движи нагоре или надолу, се нарича удар. Всички мерки, докато се повтарят, се наричат ​​цикъл.

Един цикъл включва процеса на засмукване, компресия, запалване заедно с разширяването на образуваните газове, освобождаване.

Има две модификации на двигатели:

1. При двутактов цикъл коляновият вал се завърта веднъж на цикъл и буталото се движи надолу и нагоре.
2. При четиритактов цикъл коляновият вал ще се завърти два пъти на цикъл и буталото ще извърши четири пълни движения - ще слезе, ще се издигне, ще падне, ще се издигне.

📌Принцип на работа на двутактов двигател

Когато водачът стартира двигателя, стартерът задейства маховика, коляновият вал се завърта, KShM премества буталото. Когато достигне BDC и започне да се издига, работната камера вече е пълна с горима смес.

В горната мъртва точка на буталото то се запалва и го премества надолу. По-нататъшна вентилация се случва - отработените газове се изместват от нова порция от работещата горима смес. Продухването може да варира в зависимост от конструкцията на двигателя. Една от модификациите предвижда запълване на подбутавното пространство със сместа гориво-въздух, когато се издигне, а когато буталото се спусне надолу, се изстисква в работната камера на цилиндъра, измествайки продуктите от горенето.

При такива модификации на двигатели няма система за синхронизация на клапаните. Самото бутало отваря / затваря входа / изхода.

Такива двигатели се използват в оборудване с ниска мощност, тъй като обменът на газ в тях се дължи на заместването на отработените газове със следващата порция въздушно-горивна смес. Тъй като работната смес е частично отстранена заедно с отработените газове, тази модификация се характеризира с увеличен разход на гориво и по-ниска мощност в сравнение с четиритактовите аналози.

Едно от предимствата на такива двигатели с вътрешно горене е по-малкото триене на цикъл, но в същото време те се загряват по-силно.

📌Принцип на работа на четиритактов двигател

Повечето автомобили и други моторни превозни средства са оборудвани с четиритактови двигатели. Механизъм за разпределение на газ се използва за подаване на работната смес и отстраняване на отработените газове. Той се задвижва през синхронизиращо задвижване, свързано с ролката на коляновия вал чрез ремъчно, верижно или зъбно колело.

Въртящ се разпределителен вал повдига / понижава всмукателните / изпускателните клапани, разположени над цилиндъра. Този механизъм осигурява синхронизиране на отварянето на съответните клапани за подаване на горимата смес и отстраняване на отработените газове.

При такива двигатели цикълът протича по следния начин (например бензинов двигател):

1. В момента на стартиране на двигателя стартерът завърта маховика, който задвижва коляновия вал. Входният клапан се отваря. Механизмът на манивелата спуска буталото, създавайки вакуум в цилиндъра. Има смукателен ход на въздушно-горивната смес.
2. Придвижвайки се нагоре от долната мъртва точка, буталото компресира горивната смес. Това е втората мярка - компресия.
3. Когато буталото е в горната мъртва точка, свещта създава искра, която запалва сместа. Поради експлозията газовете се разширяват. Излишното налягане в цилиндъра премества буталото надолу. Това е третият цикъл - запалване и разширяване (или работен ход).
4. Въртящият се колянов вал движи буталото нагоре. В този момент разпределителният вал отваря изпускателния клапан, през който издигащото се бутало изхвърля отработените газове. Това е четвъртата лента - освобождаване.

📌 Спомагателни системи на двигателя с вътрешно горене

Нито един съвременен двигател с вътрешно горене не може да работи независимо. Това е така, защото горивото трябва да бъде доставено от бензиновия резервоар към двигателя, трябва да се запали в точното време и за да не се "задуши" двигателят от отработените газове, те трябва да бъдат отстранени навреме.

Въртящите се части се нуждаят от постоянно смазване. Поради високите температури, генерирани по време на горенето, двигателят трябва да се охлади. Тези съпътстващи процеси не се осигуряват от самия двигател, поради което двигателят с вътрешно горене работи съвместно със спомагателни системи.

📌Система за запалване

Тази спомагателна система е предназначена за своевременно запалване на горимата смес при подходящо положение на буталото (TDC в хода на компресията). Използва се за бензинови двигатели с вътрешно горене и се състои от следните елементи:

• Захранване. Когато двигателят е в покой, тази функция се изпълнява от акумулатора (как да запалите автомобил, ако батерията е изтощена, прочетете отделна статия). След стартиране на двигателя източникът на енергия е генератор.
• Брава за запалване. Устройство, което затваря електрическа верига, за да я захранва от източник на захранване.
• Устройство за съхранение. Повечето бензинови превозни средства имат запалителна бобина. Съществуват и модели, в които има няколко такива елемента - по един за всяка свещ. Те преобразуват ниското напрежение от батерията във високото напрежение, необходимо за създаване на висококачествена искра.
• Дистрибутор-прекъсвач на запалването. В карбураторните автомобили това е дистрибутор, в повечето други този процес се контролира от ECU. Тези устройства разпределят електрическите импулси към подходящите свещи.

📌Въвеждаща система

За да се създаде горивен процес, е необходима комбинация от три фактора: гориво, кислород и източник на запалване. Ако се прилага електрически разряд - задачата на запалителната система, тогава всмукателната система осигурява кислород на двигателя, така че горивото да може да се запали.

Тази система се състои от:

• Въздухозаборник - разклонителна тръба, през която се поема чист въздух. Процесът на допускане зависи от модификацията на двигателя. В атмосферните двигатели въздухът се засмуква поради създаването на вакуум, който се образува в цилиндъра. При модели с турбокомпресор този процес се засилва от въртенето на лопатките на компресора, което увеличава мощността на двигателя.
• Въздушният филтър е проектиран да почиства потока от прах и малки частици.
• Дроселовият клапан е клапан, който регулира количеството въздух, постъпващо в двигателя. Регулира се или чрез натискане на педала на газта, или чрез електрониката на контролния блок.
• Всмукателният колектор е система от тръби, свързани към една обща тръба. В инжекционните двигатели с вътрешно горене отгоре е монтиран дроселен клапан и инжектор за гориво за всеки цилиндър. При модификации на карбуратора на всмукателния колектор е монтиран карбуратор, в който въздухът се смесва с бензин.

Освен въздух, към цилиндрите трябва да се подава и гориво. За тази цел е разработена горивна система, състояща се от:

• резервоар за гориво;
• горивопровод - маркучи и тръби, през които бензинът или дизеловото гориво се придвижват от резервоара към двигателя;
• карбуратор или инжектор (дюзови системи, които пръскат гориво);
• горивна помпаизпомпване на гориво от резервоар към карбуратор или друго устройство за смесване на гориво и въздух;
• горивен филтър, който почиства бензин или дизелово гориво от отломки.

Днес има много модификации на двигатели, при които работната смес се подава в цилиндрите по различни методи. Сред такива системи има:

• единично впръскване (принцип на карбуратора, само с дюза);
• разпределено впръскване (за всеки цилиндър е инсталирана отделна дюза, въздушно-горивната смес се формира в канала на всмукателния колектор);
• директно впръскване (дюзата пръска работната смес директно в цилиндъра);
• комбинирано инжектиране (комбинира принципа на директно и разпределено инжектиране)

📌Смазваща система

Всички триещи се повърхности на метални части трябва да бъдат смазани, за да се охладят и да се намали износването. За да осигури тази защита, двигателят е оборудван със система за смазване. Той също така предпазва металните части от окисляване и премахва въглеродните отлагания. Системата за смазване се състои от:

• картер - резервоар, който съдържа моторно масло;
• маслена помпа, която създава налягане, благодарение на което смазката се подава към всички части на двигателя;
• маслен филтър, който улавя всички частици, получени в резултат на работата на двигателя;
• някои автомобили са оборудвани с маслен охладител за допълнително охлаждане на смазката на двигателя.

📌Изпускателна система

Висококачествена изпускателна система осигурява отвеждане на отработените газове от работните камери на цилиндрите. Съвременните автомобили са оборудвани с изпускателна система, която включва следните елементи:

• изпускателен колектор, който намалява вибрациите на горещи отработени газове;
• приемна тръба, в която отработените газове идват от колектора (подобно на изпускателния колектор, той е направен от топлоустойчив метал);
• катализатор, който почиства отработените газове от вредни елементи, което позволява на превозното средство да спазва екологичните стандарти;
• резонатор - капацитет малко по-малък от основния ауспух, предназначен да намали скоростта на изпускане;
• основният ауспух, вътре в който има прегради, които променят посоката на отработените газове, за да намалят скоростта и шума им.

📌Охлаждаща система

Тази допълнителна система позволява на двигателя да работи без прегряване. Тя подкрепя работна температура на двигателядокато е навита. Така че този индикатор да не надвишава критичните граници, дори когато автомобилът е неподвижен, системата се състои от следните части:

• охлаждащ радиаторсъстоящ се от тръби и плочи, предназначени за бърз топлообмен между охлаждащата течност и околния въздух;
• вентилатор, който осигурява по-висок въздушен поток, например, ако машината е в задръстване и радиаторът не е достатъчно издухван;
• водна помпа, благодарение на която се осигурява циркулацията на охлаждащата течност, която отвежда топлината от горещите стени на цилиндровия блок;
• термостат - клапан, който се отваря, след като двигателят се загрее до работна температура (преди да се задейства, охлаждащата течност циркулира в малък кръг и когато се отвори, течността се движи през радиатора).

Синхронната работа на всяка спомагателна система осигурява безпроблемната работа на двигателя с вътрешно горене.

📌 Цикли на двигателя

Цикъл се отнася до действия, които се повтарят в един цилиндър. Четиритактовият мотор е оборудван с механизъм, който задейства всеки от тези цикли.

В двигателя с вътрешно горене буталото извършва бутални движения (нагоре / надолу) по протежение на цилиндъра. Свързващият прът и прикрепената към него манивела преобразуват тази енергия в ротация. По време на едно действие - когато буталото достигне от най-ниската точка нагоре и назад - коляновият вал прави един оборот около оста си.

За да протича този процес непрекъснато, в цилиндъра трябва да влезе въздушно-горивна смес, тя трябва да се компресира и запали в него, а продуктите от горенето също да се отстранят. Всеки от тези процеси протича в една революция на коляновия вал. Тези действия се наричат ​​барове. Има четири от тях в четиритактов:

1. Прием или засмукване. При този ход въздушно-горивна смес се засмуква в кухината на цилиндъра. Той влиза през отворен всмукателен клапан. В зависимост от вида на горивната система бензинът се смесва с въздух във всмукателния колектор или директно в цилиндъра, например при дизеловите двигатели;
2. Компресия. В този момент както всмукателните, така и изпускателните клапани са затворени. Буталото се движи нагоре поради завъртане на коляновия вал и се върти поради извършване на други удари в съседни цилиндри. При бензинов двигател VTS се компресира до няколко атмосфери (10-11), а при дизелов двигател - над 20 атм;
3. Работен удар. В момента, в който буталото спира в самия връх, компресираната смес се запалва с помощта на искра от запалителна свещ. При дизелов двигател този процес е малко по-различен. В него въздухът се компресира толкова много, че температурата му скача до стойност, при която дизеловото гориво се самозапалва. Веднага щом възникне експлозия на смес от гориво и въздух, освободената енергия няма къде да отиде и тя движи буталото надолу;
4. Освобождаване на продукти от горенето. За да се напълни камерата с прясна част от горимата смес, газовете, образувани в резултат на запалване, трябва да бъдат отстранени. Това се случва при следващия ход, когато буталото се изкачи нагоре. В този момент изходният клапан се отваря. Когато буталото достигне горната мъртва точка, цикълът (или набор от удари) в отделен цилиндър се затваря и процесът се повтаря.

📌Предимства и недостатъци на ICE

Днес най-добрият вариант на двигателя за моторни превозни средства е ICE. Сред предимствата на такива единици са:

• лекота на ремонт;
• икономия за дълги пътувания (зависи от неговия обем);
• голям работен ресурс;
• достъпност за автомобилист със среден доход.

Все още не е създаден идеалният двигател, поради което тези агрегати имат и някои недостатъци:

• колкото по-сложен е агрегатът и свързаните с него системи, толкова по-скъпа е тяхната поддръжка (например двигатели EcoBoost);
• изисква фина настройка на системата за подаване на гориво, разпределение на запалването и други системи, което изисква определени умения, в противен случай двигателят няма да работи ефективно (или изобщо няма да стартира);
• по-голямо тегло (в сравнение с електрическите двигатели);
• износване на коляновия механизъм.

Въпреки оборудването на много превозни средства с други видове двигатели („чисти“ автомобили, задвижвани от електрическа тяга), ICE ще запазят конкурентна позиция за дълго време поради тяхната наличност. Хибридните и електрическите версии на автомобилите набират популярност, но поради високата цена на такива превозни средства и разходите за тяхната поддръжка, те все още не са достъпни за обикновения шофьор.

Често задавани въпроси:

Какво представлява двигателят с вътрешно горене? Това е тип енергиен блок, при който в конструкцията е предвидена затворена горивна камера, при която се генерира топлинна енергия (поради запалването на сместа гориво-въздух) и се преобразува в механична енергия.

Кой е изобретил двигателя с вътрешно горене? Проба от първия в света двигател с вътрешно горене е открита от френския изобретател Етвен Леноар през 1860 година. Първият четиритактов двигател с вътрешно горене, по чиято схема работят абсолютно всички силови агрегати, е изобретен от Николаус Ото.

От какво е направен двигателят? Най-простият ICE се състои от цилиндров блок, в който е монтирана система за свързване на манивела, цилиндър-бутална група, блокът е покрит отгоре с цилиндрова глава с механизъм за разпределение на газа (разпределителен вал и клапани), всмукателен и изпускателен отвор система, гориво и запалителна система.