Назначение и устройство двигателя внутреннего сгорания
Более сотни лет в качестве силовых установок большинства машин и механизмов используются двигатели внутреннего сгорания. В начале 20-го века они заменили собой паровой мотор внешнего сгорания. ДВС сейчас является самым экономичным и эффективным среди прочих моторов. Давайте рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания.
История создания
История этих агрегатов началась примерно 300 лет назад. Именно тогда Леонардо Да Винчи разработал первый чертеж примитивного двигателя. Разработка этого агрегата дала толчок к сборке, испытаниям и постоянному совершенствованию ДВС.
В 1861 году по чертежам, которые оставил миру Да Винчи, создали первый двухтактный мотор. Тогда еще никто и не думал, что подобными установками будут комплектоваться все автомобили и другая техника, хотя тогда использовались паровые агрегаты на железнодорожной технике.
Первым, кто стал использовать ДВС на автомобилях, стал Генри Форд.
Он первым написал книгу об устройстве и работе ДВС. Форд стал первым, кто вычислял КПД этих двигателей.
Классификация ДВС
В процессе развития усложнялось и устройство двигателя внутреннего сгорания. Назначение его при этом оставалось прежним. Можно выделить несколько основных видов ДВС, которые являются наиболее эффективными сегодня.
Первые по эффективности и экономичности – поршневые установки. В этих агрегатах энергия, образовавшаяся от сгорания топливной смеси, превращается в движение через систему из шатунов и коленчатого вала.
Общее устройство двигателя внутреннего сгорания карбюраторного ничем не отличается от других моторов. Но горючая смесь приготавливается непосредственно в карбюраторе. Впрыск осуществляется в общий коллектор, откуда под воздействием разряжения смесь попадает в цилиндры, где затем загорается от электрического разряда на свече.
Инжекторный двигатель отличается от карбюраторного тем, что топливо подается в каждый цилиндр непосредственно через отдельные форсунки.
Затем после того, как бензин смешается с воздухом, топливо поджигается от искры свечи.
Дизельный мотор отличается от бензиновых. Рассмотрим кратко устройство дизельного двигателя внутреннего сгорания. Здесь для воспламенения не используются свечи. Данное топливо загорается под воздействием высокого давления. В результате дизель нагревается. Температура превышает температуру горения. Впрыск осуществляется посредством форсунок.
К ДВС относят и роторно-поршневые двигатели. В этих агрегатах тепловая энергия от сгорания топлива воздействует на ротор. Он имеет особенную форму и специальный профиль. Траектория движения ротора – планетарная (элемент находится внутри специальной камеры). Ротор одновременно выполняет огромное количество функций – это газораспределение, функция коленчатого вала и поршня.
Существуют и газотурбинные ДВС. В этих агрегатах тепловая энергия преобразуется через ротор с клиновидными лопатками. Затем эти механизмы заставляют турбину вращаться.
Самыми надежными, не требующими частого обслуживания и экономичными считаются поршневые моторы.
Роторные практически не используют в массовой автомобильной технике. Сейчас модели автомобилей, оснащенных роторно-поршневыми двигателями, выпускает только японская “Мазда”. Опытные авто с газотурбинными моторами в 60-х годах выпускал “Крайслер”, и после этого больше к этим установкам не возвращался ни один автопроизводитель. В Советском Союзе газотурбированными моторами недолго оснащали некоторые модели танков и десантных кораблей. Но затем было решено отказаться от таких силовых агрегатов. Именно поэтому мы рассматриваем устройство двигателя внутреннего сгорания – они наиболее популярны и эффективны.
Устройство ДВС
В корпусе мотора объединено несколько систем. Это блок цилиндров, в котором и находятся те самые камеры сгорания. В последних сгорает топливная смесь. Также двигатель состоит из кривошипно-шатунного механизма, призванного превращать энергию движения поршней во вращение коленчатого вала. В корпусе силового агрегата имеется и газораспределительный механизм. Его задача — обеспечивать своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.
Двигатель не сможет работать без системы впрыска, зажигания, а также без выхлопной системы.
При запуске силового агрегата в цилиндры через открытые впускные клапаны подается смесь топлива и воздуха. Затем она воспламеняется от электрического разряда на свече зажигания. Когда смесь воспламенится и газы начнут расширятся, увеличится давление на поршень. Последний приведется в движение и заставит вращаться коленчатый вал.
Устройство и работа двигателя внутреннего сгорания таковы, что мотор работает определенными циклами. Эти циклы постоянно повторяются с высокой частотой. За счет этого обеспечивается непрерывное вращение коленчатого вала.
Принцип действия двухтактных ДВС
Когда мотор запускается, поршень, который приводится в движение посредством вращения коленвала, начинает двигаться. Когда он достигнет самой нижней своей точки и начнет двигаться вверх, в цилиндр подается топливо.
При движении вверх поршень сжимает смесь. Когда он достигнет верхней мертвой точки, то свеча за счет электрического разряда воспламеняет смесь.
Газы моментально расширяются и толкают поршень вниз.
Затем открывается выпускной клапан цилиндра, и продукты сгорания выходят из цилиндров в выхлопную систему. Затем, снова дойдя до нижней точки, поршень начнет двигаться вверх. Коленчатый вал сделает один оборот.
Когда начнется новое движение поршня, впускные клапаны снова откроются, и будет подана топливная смесь. Она займет весь объем, который занимали продукты сгорания, и цикл повторится снова. За счет того, что поршни в таких двигателях работают только в двух тактах, совершается меньше движений, в отличие от четырехтактного ДВС. Снижаются потери на трение деталей. Но эти моторы сильнее нагреваются.
В двухтактных силовых агрегатах поршень также играет роль газораспределительного механизма. В процессе движения открываются и закрываются отверстия для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов. Худший газообмен в сравнении с четырехтактными моторами – это основной недостаток таких двигателей. В момент выпуска отработанных газов значительно теряется мощность.
На данный момент двухтактные двигатели применяются в мопедах, скутерах, лодках, бензиновых пилах и на другой маломощной технике.
Четырехтактный
Устройство двигателя внутреннего сгорания такого типа немного отличается от двухтактного. Принцип работы тоже немного другой. На одно вращение коленчатого вала приходится четыре такта.
Первым тактом является подача горючей смеси в цилиндр двигателя. Мотор под воздействием разряжения всасывает смесь в цилиндр. Поршень в цилиндре в этот момент направляется вниз. Впускной клапан открыт, и распыленный бензин вместе с воздухом попадет в камеру сгорания.
Далее идет такт сжатия. Впускной клапан закрывается, а поршень двигается по направлению вверх. При этом смесь, находящаяся в цилиндре, значительно сжимается. По причине давления смесь нагревается. Давлением повышается концентрация.
Далее следует третий рабочий такт. Когда поршень почти доходит до своего верхнего положения, срабатывает система зажигания. На свече проскакивает искра, и смесь воспламеняется.
Из-за мгновенного расширения газов и распространения энергии взрыва, поршень под давлением движется вниз. Данный такт в работе четырехтактного мотора основной. Прочие три такта не влияют на создание работы и являются вспомогательными.
На четвертом такте начинается фаза выпуска. Когда поршень достигает низа камеры сгорания, открывается выпускной клапан и отработанные газы выходят сначала в выхлопную систему, а затем в атмосферу.
Вот такое устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания четырехтактного, который установлен под капотами большинства автомобилей.
Вспомогательные системы
Мы рассмотрели устройство двигателя внутреннего сгорания. Но любой мотор не смог бы работать, если бы не был оснащен дополнительными системами. О них мы расскажем ниже.
Зажигание
Эта система – часть электрического оборудования. Она предназначена для формирования искр, которые поджигают топливную смесь.
Система включает в себя АКБ и генератор, замок зажигания, катушку, а также специальное устройство – распределитель зажигания.
Впускная система
Она необходима для того, чтобы в мотор без каких-либо перебоев поступал воздух. Кислород необходим для образования смеси. Сам по себе бензин гореть не будет. Нужно отметить, что в карбюраторах впуск представляет собой только фильтр и воздуховоды. Впускная система современных авто более сложная. Она включает в себя воздухозаборник в виде патрубков, фильтр, дроссельную заслонку, а также впускной коллектор.
Система питания
Из принципа устройства двигателя внутреннего сгорания мы знаем, что мотору нужно что-то сжигать. Это бензин или дизельное топливо. Система питания обеспечивает подачу горючего в процессе работы мотора.
В самом примитивном случае данная система состоит из бака, а также топливной магистрали, фильтра и насоса, которые обеспечивает подачу горючего в карбюратор. В инжекторных автомобилях система питания контролируется ЭБУ.
Смазочная система
В смазочную систему входит масляный насос, поддон, фильтр для очистки масла.
В дизельных и мощных бензиновых силовых агрегатах также имеется радиатор для очистки смазки. Насос приводится в действие от коленчатого вала.
Заключение
Вот что представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Устройство и принцип действия его мы рассмотрели, и теперь понятно, как работает автомобиль, бензопила или дизельный генератор.
КомпонентыIC Engine с функциями и изображениями
В этой статье я подробно расскажу о компонентах IC Engine . Если вы инженер-механик или морской инженер, вы должны знать об основных компонентах двигателя внутреннего сгорания. Это потому, что двигатель IC является одной из важных тем, которые обсуждаются на экзаменах или собеседованиях.
Во-первых, мы знаем о IC Engines.
Что такое двигатель внутреннего сгорания? Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — двигатель, в котором сгорание и воспламенение топлива происходят внутри двигателя .
Он работает по тому принципу, что топливо может сжигаться под экстремальным давлением внутри камеры сгорания.
Теперь давайте обсудим основные компоненты IC Engine. Детали двигателя внутреннего сгорания описаны ниже с пояснениями их работы и изображениями.0003 верхняя часть камеры сгорания и должна иметь достаточную прочность, чтобы выдерживать газовую нагрузку при максимальном давлении.
Основной функцией головки блока цилиндров является закрытие торца цилиндра и герметизация газов, подверженных экстремальному давлению и температуре. Покрытие подвергается высоким механическим и термическим нагрузкам.
Используемый материал: чугун с перлитным или шаровидным графитом/чугун
2. Блок цилиндров Блок цилиндров является основным корпусом двигателей внутреннего сгорания. Он также известен как блок двигателя . Блок двигателя — это основная конструкция, которая удерживает и содержит цилиндр и другие компоненты двигателя внутреннего сгорания.
Блок цилиндров изготавливается методом литья. Головка блока цилиндров плотно закреплена сверху на блоке цилиндров с помощью болта и шпилек.
Материалы: Материал, используемый для изготовления: железо или алюминий .
Для этих двух компонентов предусмотрена подходящая система охлаждения (водяная рубашка , ребра охлаждения ). Прокладки цилиндров используются для герметизации всех сопрягаемых поверхностей, включая головку цилиндров и блок цилиндров.
3. Гильза цилиндраГильза цилиндра, в которой сжатие воздуха и сгорание топливно-воздушной смеси происходит внутри гильзы цилиндра, поэтому она является частью камеры сгорания .
Материалы: Должны обеспечивать достаточную прочность и усталостную долговечность.
Он легко передает тепло , устойчив к истиранию и коррозии , способен удерживать пленку смазочного масла на рабочих поверхностях и имеет скорость теплового расширения, совместимую с соседними деталями.
Оно должно поддерживать низкий уровень износа и потери на трение от скользящего движения поршневых колец при колебаниях давления и температуры.
Камера сгорания :- Камера сгорания представляет собой пространство между цилиндром и верхней частью поршня, которое закрыто во время процесса сгорания. В камере сгорания сгорает топливо, выделяется тепловая энергия и создается давление.
Примечание. Это не часть или компоненты IC Engine, а пространство.
4. ПоршеньПоршень является важной частью поршневых двигателей, поршневых насосов, газовых компрессоров, гидравлических и пневматических цилиндров, а также других подобных устройств.
Это компоненты камеры сгорания судового дизельного двигателя, которые преобразуют силы выхлопных газов в механическую энергию посредством возвратно-поступательного движения. Это часть дизельного двигателя, которая образует нижнюю часть камеры сгорания.
Следующим в списке компонентов двигателя внутреннего сгорания является Шатун. Как следует из названия, этот стержень соединяет верхний и нижний концевые подшипники, облегчая преобразование силы поршня в мощность вращения коленчатого вала.
Шатуны изготовлены из стальной поковки, на каждом конце которой установлены подходящие подшипники. Масляное отверстие просверлено в центре штока, чтобы обеспечить прохождение смазочного масла между подшипниками — вниз в двигателях с крейцкопфом и вверх в двигателях с поршневым тронком.
6. Поршневой палецПоршневой палец в юбке поршня выполняет функцию крейцкопфа в стволе поршневого двигателя.
Штифт изготовлен из стали с твердой полированной поверхностью подшипника. Его можно прикрепить к юбке или свободно перемещать и вращать, чтобы ограничить осевое перемещение.
7.
Поршневые кольца Поршневые кольца представляют собой разрезное кольцо поршневого двигателя, такого как двигатель внутреннего сгорания или паровой двигатель, которое входит в канавку на внешнем диаметре поршня.
Основная функция поршневых колец заключается в герметизации газов, образующихся при сгорании внутри камеры сгорания.
Помогает передавать тепло стенке цилиндра, а затем смазывать и очищать его от масла. Очень важно правильно подобрать количество масла.
Слишком много масла приведет к тому, что двигатель сгорит во время сгорания, что может привести к тому, что ваш двигатель будет выделять синий дым, а слишком малое количество масла в конечном итоге приведет к заклиниванию двигателя.
Опорная плита образует основу двигателя (или конструкции), на которой монтируются другие конструктивные компоненты, такие как А-образная рама, все колонны и направляющие, и может выдерживать большие колебания нагрузки от рабочие части.
Опорная плита поддерживает нагрузку двигателя и других его конструктивных частей и обеспечивает основу для большой массы.
9. А-образная рамаА-образная рама или колонны, изготовленные из плоских стальных листов, сваренных вместе. Эти насадки от крепления направляющей крейцкопфа, крышки картера главного двигателя, насоса подачи охлаждения поршня, отвода обратки охлаждения поршня.
А-образные рамы выбраны на опорной плите для правильного выравнивания. Узел образует жесткую коробчатую конструкцию, обеспечивающую выравнивание всех креплений. Развитие двигателей с длинным ходом и сверхдлинным ходом привело к увеличению боковых сил, действующих на направляющую.
10. Стяжной болт Стяжной болт или стяжные стержни также являются одним из важных компонентов двигателя внутреннего сгорания. Через эти стяжные болты основные газовые нагрузки от крышки цилиндра передаются на опорную плиту.
2 — такие стяжные болты крепятся к каждой поперечной балке и проходят через блок цилиндров, где стопорные гайки затягиваются гидравлически. Их также называют стопорными болтами.
11. ТраверсаТраверса состоит из кованого стального блока, прикрепленного к основанию штока поршня. он включает в себя шейку для износа верхнего конца, которая действует как шарнир, с помощью которого тяга поршня отклоняется через шатун для вращения кривошипа.
Поперечная составляющая этой силы передается на направляющие, которые также являются частью траверсы.
12. Направляющие и направляющие башмакиОни устанавливаются на двигатели крейцкопфа и представляют собой подшипники вертикального скольжения, которые фиксируют и поддерживают выравнивание крейцкопфа по всей длине хода двигателя.
На них действует переменная нагрузка от поперечной составляющей реакции шатуна.
Направляющие стержни или поверхности прикреплены к рамам, прилегающим к агрегату, и имеют опорные поверхности из чугуна или стали.
Направляющие тапочки (или башмаки) прикреплены к концу крейцкопфа и могут свободно поворачиваться, они изготовлены из белого металла с масляными канавками, смазываемыми от крейцкопфа.
Коленчатый вал представляет собой компонент, заключенный в картер, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вторичного вала.
Коленчатые валы обычно состоят из коленчатого вала, кривошипной шейки и шейки, а иногда и противовесов для статической и динамической балансировки вращающейся системы.
Существует два типа коленчатых валов:-
- A. Один из частей конструкция
- B. Строительный коленчатый вал
двигателя IC. Он расположен на головке блока цилиндров.Распыляет топливо через маленькое сопло. Вместо мощной реактивной струи топливная форсунка распыляет топливо в виде тумана через специальную форсунку. Когда вы открываете дроссельную заслонку, ваша топливная форсунка распыляет топливо в воздух, которое затем попадает в цилиндры сгорания двигателя.
15. Кулачок и распределительный валКулачки и распределительные валы — это компоненты двигателя, которые контролируют открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.
Кулачок и распределительный вал приводятся в движение коленчатым валом через синхронизирующие шестерни, которые предназначены для открытия клапанов в нужное время и удержания их открытыми в течение необходимого времени. Распределительные валы также отвечают за работу системы зажигания.
16. Впускной и выпускной клапан Впускной и выпускной клапаны устанавливаются на головке блока цилиндров.
Воздух для горения подается через впускной клапан, а сгоревший выхлопной газ выдыхается через выпускной клапан. Приводится в действие кулачковым или цепным приводом.
Размеры впускного и выпускного клапанов не совпадают.
17. Впускной и выпускной коллекторВпускной коллектор : Труба, соединяющая впускную систему с впускным клапаном, называемая впускным коллектором.
Выпускной коллектор :- Коллектор, через который выхлопные газы проходят от выпускного клапана.
Группировка коллектора выполнена в выпускном коллекторе.
18. КартерКартер представляет собой корпус для коленчатого вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. В большинстве современных двигателей картер встроен в блок цилиндров.
Заключение Выше я подробно объяснил все компоненты двигателя внутреннего сгорания с помощью диаграммы.
Если я кого-то забуду, пожалуйста, не забудьте упомянуть в комментариях.
FAQ (Часто задаваемые вопросы)
Каковы основные компоненты двигателя внутреннего сгорания?
Каковы основные компоненты двигателя внутреннего сгорания (IC): головка блока цилиндров, Впускной клапан, Выпускной клапан, Поршень, блок цилиндров , Цилиндр, свеча зажигания/топливная форсунка, кривошип, распределительный вал, и Коленчатый вал , цепь ГРМ, клапанный механизм, клапаны, коромысла, толкатель.
Ознакомьтесь с другими важными темами
Классификация двигателей внутреннего сгорания
Коленчатый вал – типы, детали, функции, датчики, изображения
Устройства безопасности морских дизельных двигателей
Подшипник скольжения – типы, смазка, применение, схемы
Различия между 2-тактным и 4-тактным двигателями
Охлаждение поршня в двухтактном морском дизельном двигателе
Пластмассовые детали для двигателей внутреннего сгорания
© Fraunhofer ICT Демонстрационная модель экспериментального двигателя с облегченным корпусом цилиндра, который будет представлен на выставке Hannover Messe.
Очевидно, что автомобили должны стать легче, чтобы снизить расход топлива. Для большинства конструкторов автомобилей это в основном означает части кузова, но на систему трансмиссии, в которую входит двигатель, также приходится большая часть веса автомобиля. До сих пор автопроизводители полагались на алюминий для уменьшения веса компонентов двигателя, таких как блок цилиндров. В будущем производители автомобилей смогут добиться дальнейшего снижения веса за счет разработки блоков цилиндров, в которых некоторые детали изготовлены из армированного волокном пластика. Экспериментальный двигатель, разработанный проектной группой Фраунгофера для новых приводных систем (NAS), которая является частью Института химической технологии Фраунгофера ICT, в сотрудничестве с SBHPP, бизнес-подразделением по производству высокопроизводительных пластмасс Sumitomo Bakelite Co. Ltd., Япония. , демонстрирует этот принцип. «Мы использовали композитный материал, армированный волокном, для изготовления корпуса цилиндра одноцилиндрового исследовательского двигателя», — сообщает д-р Ларс-Фредрик Берг, руководитель проекта и менеджер исследовательского направления «Проектирование легких силовых агрегатов» в Fraunhofer Project Group.
Так что же сделали исследователи, чтобы их двигатель был достаточно надежным? «Сначала мы рассмотрели конструкцию двигателя и определили области, подверженные высоким тепловым и механическим нагрузкам. Здесь мы используем металлические вставки для усиления их износостойкости», — поясняет Берг.
Фенольная смола, армированная стекловолокном
Характеристики пластика также играют важную роль. Он должен быть достаточно твердым и жестким, устойчивым к маслам, бензину и гликолю в охлаждающей воде. Он также должен демонстрировать хорошее сцепление с металлическими вставками и не иметь более высокий коэффициент теплового расширения, чем металл, иначе вставки отделятся от подложки. Команда Берга использует армированный стекловолокном фенольный композит, разработанный SBHPP, который отвечает всем этим требованиям и состоит из 55 процентов волокон и 45 процентов смолы. Более легкая, но более дорогая альтернатива — использование композита, армированного углеродным волокном. Выбор зависит от того, хочет ли автопроизводитель оптимизировать двигатель с точки зрения затрат или веса.
Исследователи производят эти компоненты из гранулированного термореактивного пластика с использованием процесса литья под давлением. Расплавленный композитный материал, в котором стекловолокно уже смешано со смолой, затвердевает в форме, в которую он был введен. Ученые проанализировали процесс с помощью компьютерного моделирования, чтобы определить наилучший метод введения материала для оптимизации характеристик готового продукта. Этот процесс совместим с сценариями массового производства, а производственные затраты значительно ниже, чем для алюминиевых деталей двигателя, не в последнюю очередь потому, что он устраняет многочисленные операции по отделке.
Прототип этого двигателя будет представлен в этом году на выставке Hannover Messe, которая пройдет с 13 по 17 апреля (экспоната в зале 2, стенд C16). Испытательные пуски нового двигателя успешно завершены. «Мы доказали, что он обладает такими же характеристиками, как и обычные двигатели, — говорит Берг. Кроме того, он обещает предложить дополнительные преимущества, такие как более низкий уровень шума при работе по сравнению с двигателями, использующими исключительно металлические детали.