Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

В статье разберём подробно устройство двигателя ДВС и принцип работы двигателя ДВС. Разберёмся из каких частей состоит мотор и принцип его функционирования. Приведём основные понятия и термины как для опытных автолюбителей, так и для новичков в этой сфере.

Из каких основных частей состоит двигатель (мотор)

Мотор состоит из следующих основных частей:
— Кривошипно-шатунный механизм.
— Система газораспределения.
— Питающая система.
— Система выпуска.
— Система зажигания.
— Охлаждающая система.
— Смазочная система.

Устройство двигателя на примере одноцилиндрового ДВС

Для начала рассмотрим специфику устройства двигателя. Для примера возьмём мотор с всего одним цилиндром и разберёмся с его устройством и работой. Рассмотрим все процессы, которые в нём протекают и выясним что заставляет в конечном итоге колёса транспортного средства крутиться.  

Одной из основных частей мотора является цилиндр. В цилиндре находится поршень. Поршень двигателя соединяется при помощи шатуна с коленчатым валом. Поршень движется в цилиндре вверх и вниз и таким образом приводит во вращение коленчатый вал мотора. Таким образом можно сказать что в ДВС осуществляется преобразование поступательного движения поршня во вращающееся движение колен вала. На конце колен вала закреплён маховик, который делает вращение вала равномерным. Сверху цилиндр плотно закрыт крышкой, в крышке цилиндра находятся два типа клапанов, для впуска и выпуска. Клапаны закрывают соответствующие каналы. Они открываются и закрываются под действием специальных устройств распред вала через передаточные детали. Распред вал вращается посредством вращения колен вала. Поршень в цилиндре может занимать два рабочих положения.

Клапаны открываются под действием специальных кулачков распред вала через передаточные детали. Распред вал приводится во вращение шестернями от колен вала. Поршень, который перемещается в цилиндре, занимает два крайних положения.

Для осуществления работы двигателя в цилиндры подаётся горючая смесь в определённом количестве, если это двигатель, работающий на бензине и, если это дизельный мотор топливо подаётся определёнными порциями под давлением. Все трущиеся части мотора смазываются в процессе работы маслом. Для обеспечения нормального теплового режима мотор охлаждается – эту функцию берёт на себя охлаждающая система.  

Принцип работы двигателя (ДВС)

Поршень в цилиндре движется в поступательном режиме, то есть вверх и вниз. При этом колен вал совершает вращательное движение. Вращение колен вала осуществляется по часовой стрелке. За один оборот колен вала поршень совершает два хода (один ход вверх и один ход вниз).

При постоянной скорости вращения колен вала, поршень движется с ускорением – замедлением. Наименьшую скорость движения он имеет в верхней и в нижней точке. В верхней и в нижней части движения он останавливается и меняет направление движения.

Рабочий цикл четырёхтактного мотора:
— Впуск.
— Сжатие.
— Рабочий ход.
— Выпуск.

Работа мотора транспортного средства складывается из совокупности процессов, которые протекают в цилиндрах с определённой последовательностью. Эти процессы принято называть рабочим циклом.

Из чего состоит двигатель ВАЗ-2115

В автомобиле ВАЗ-2115 бензиновый двигатель, четырехцилиндровый, рядный, четырехтактный, с верхним положением распределительного вала, восьмиклапанный. Работа цилиндров происходит по схеме: 1–3–4–2, при отсчете от шкива коленчатого вала. Питания системы производится через электроуправляемый распределенный топливный впрыск.

Рис.1 Двигатель автомобиля ВАЗ 2115

1. труба подвода охлаждающей жидкости;
2. комплекс цилиндров двигателя;
3. термостат;
4. температурный датчик охлаждающей жидкости;
5. патрубок выпускной;
6. заглушка головы блока цилиндров двигателя;
7. крышка головы блока цилиндров двигателя;
8. регулятор уровня давления в топливе;
9. крышка маслозаливного отверстия;
10. трос заслонки дроссельной;
11. узел дроссельный;
12. регулятор холостого хода;
13. датчик положений заслонки дроссельной;
14. ресивер;
15. крышка задняя привода газораспределителя;
16. крышка передняя привода газораспределителя;
17. инжектор;
18. штуцерная пробка топливной рампы;
19. рампа топливная;
20. коллектор впускной;
21. кронштейн правый опорный коллектора впускного;
22. приводной шкив генератора;
23. фильтр масляный;
24. датчик положений коленчатого вала;
25. поддон картера;
26. коллектор впускной;
27. шатун;
28. вал коленчатый;
29. кронштейн опорный левый коллектора впускного;
30. маховик.

Двигатель совместно со сцеплением и коробкой передач образуют в моторном отсеке силовой агрегат – блок на трех резинометаллических опорах.

Блок цилиндров изготовлен из литого чугуна. Номинальный диаметр составляет 82 мм, его можно увеличить при ремонте на 0,4 или 0,8 мм. Маркировка класса цилиндров маркируется  на нижней плоскости латинскими буквами согласно диаметру цилиндра в миллиметрах. Допустимый уровень износа цилиндра 0,15 мм на диаметр.

В блоке цилиндров располагаются пять опор подшипников, которые прикреплены болтами к блоку. Крышки невзаимозаменяемые, так как отверстия под подшипники дорабатываются в сборке с крышками. Для различения они промаркированы снаружи рисками. Упорные полукольца в средней опоре препятствуют осевому смещению коленчатого вала.

Посередине установлено сталеалюминиевое полукольцо, а сзади – желтое металлокерамическое. При этом их канавки обращены к коленчатому валу. Если люфт коленчатого вала превысит 0,35 мм, то следует заменить полукольца.

Тонкостенные вкладыши шатунных и коренных подшипников сталеалюминиевые. Коренные верхние вкладыши первой, второй, чевертой и пятой опоры – имеют на внутренней поверхности канавку. Нижний коренной вкладыш и верхний третьей опоры – без канавок, как и шатунные.

Изготовлен коленчатый вал из чугуна высокой прочности и имеет шейки: коренные и шатунные. Вал имеет восемь противовесов, отлитых с валом. Подача масла от коренных к шатунным шейкам производится через просверленные каналы. Входы каналов в щеки вала закрыты заглушками. Служат каналы также для очистки масла: вращение коленчатого вала отбрасывает под действием сил центробежных сил смолы и твердые частицы к заглушкам. При демонтаже коленчатого вала желательно, а перед балансировкой просто необходимо очищать эти каналы от накопившихся отложений. Повторно заглушки использовать нельзя.

Шкив привода распределительного вала установлен на шпонке на коленчатом валу с переднего конца. К нему крепится и приводной шкив генератора, который  служит демпфером колебаний вала.

Маховик крепится к заднему концу вала через шайбу шестью болтами. Маховик отлит из чугуна, имеет стальной зубчатый венец, который служит пуском стартера двигателя.

Изготовлены шатуны из стали. Их сечение – двутавр. Шатуны обрабатываются вместе с крышками. Для того чтобы не перепутать при сборке, на крышки клеймится номер цилиндра. Стале-бронзовая втулка запрессована в верхнюю головку шатуна.

Поршневой палец изготовлен из стали, сечение трубчатое. Палец свободно вращается на бобышках (плавающего типа) и от выпадения он зафиксирован стопорными пружинными кольцами. Расположены они в проточках на бобышках поршня.

Поршень изготовлен из алюминиевого сплава. Поршневая юбка имеет сложную форму: коническая в продольном сечении и овальная в поперечном. Три канавки проточены под поршневые кольца в верхней части поршня. В канавке маслосъемного кольца есть сверления, которые служат также для подвода масла к поршневому пальцу. Под поршневой палец отверстие на 1 мм смещено от диаметральной плоскости, при установке поршня ориентироваться необходимо по стрелке на его дне: направление в сторону шкива вала.

В целях уменьшения дисбаланса поршни двигателя в кривошипно-шатунном механизме подбирают исходя из массы: разброс должен быть не более 5 г.

В канавках поршня расположены поршневые кольца. Верхние кольца – компрессионные. Эти кольца препятствуют прорыву газа в картер двигателя и обеспечивают отвод тепла к цилиндру от поршня. Кольцо нижнее — маслосъемное. Собираемое со стен цилиндра масло переносится к отверстиям в бобышках поршня и смазывает поршневой палец.

Голова блока цилиндров изготовлена из сплава алюминия и является общей для всех цилиндров. Центрируется она на двух втулках. Крепление к блоку осуществляется десятью винтами. Между головой и блоком устанавливается металлоармированная безусадная прокладка. Повторное ее использование не допускается.

В верхней части головы цилиндров расположено пять опор. Опоры распределительного вала разъемные, а их отверстия обрабатываются в сборке с передним и задним корпусами подшипников.

Распределительный вал изготовлен литьем из чугуна. По конструкции вал — пятиопорный. Во вращение распределительный вал приводится от коленчатого зубчатым ремнем. Для правильной установки на зубчатых шкивах есть метки. Если метка шкива коленчатого вала соответствует метке корпуса масляного насоса, то метка шкива распределительного вала соответствует отогнутому усику задней крышки привода газораспределителя.

Направляющие втулки и седла клапанов запрессованы в голову блока цилиндров. Во втулках отверстия окончательно дорабатываются после запрессовки. Канавки для смазки нарезаны на внутренней поверхности втулок: на всю длину впускных клапанов, и до половины длины у выпускных. Маслоотражательные колпачки, надетые на втулки, изготовлены из маслостойкой резины.

Клапаны изготовлены из стали. Выпускные клапаны имеют головки из жаропрочной стали. Они располагаются в ряд, под углом к плоскости, в которой лежат оси цилиндров. Тарелка выпускного клапана уже, чем впускного. Шайбы, регулирующие зазор в клапане, изготовлены из стали 20Х. С целью повышения их износостойкости поверхность предварительно нитроцементирована.

В форме цилиндрических чашек выполнены толкатели, они перемещаются в отверстиях головы блока цилиндров и опираются на торцы клапанов. С целью увеличения износостойкости поверхность, что соприкасается с клапаном, подвергается цементации. Поворот толкателей при работе двигателя осуществляется смещением оси кулачка от оси толкателя на 1 мм.

Под действием пружин клапан закрывается. Они опираются нижними концами на шайбу, а тарелка верхняя удерживается сухарями. Их форма усеченный конус, а внутренняя поверхность – упорные буртики, что входят в проточки на клапанном стержне.

Используется комбинированная смазка двигателя: под воздействием давления смазываются шатунные и коренные подшипники, пары «шейка распределительного вала — опора»; разбрызгивание масла на стенки цилиндров ( и далее к пальцам и поршневым кольцам), в паре «толкатель — кулачок распределительного вала» и к стержням клапанов. Смазка остальных узлов происходит самотеком.

Масляный насос в двигателе автомобиля ВАЗ-2115  шестеренный, с редукционным клапаном, внутренним зацеплением. Насос смонтирован в прикрепленном к блоку цилиндров корпусе. Ведущая шестерня (меньшая) установливается на две лыски вала на переднем конце.

Маслоприемник болтами крепится к корпусу насоса и крышке подшипника (второго коренного). Масляный фильтр – неразборный, полнопоточный, с противодренажным и перепускным клапанами.

Вентиляция картера закрытой схемы, с принудительным отводом газа через отделитель масла.

Обзор характеристик двигателя в автомобиле ВАЗ-2115 смотрите на видео:

Электродвигатель | Определение, типы и факты

трехфазный асинхронный двигатель

Посмотреть все СМИ

Ключевые сотрудники:

Никола Тесла Томас Давенпорт Ипполит Фонтейн Майкл Фарадей

Похожие темы:

синхронный двигатель линейный двигатель статор коммутатор серводвигатель

См. всю связанную информацию →

электродвигатель , любой из классов устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую, обычно с использованием электромагнитных явлений.

Большинство электродвигателей развивают свой механический крутящий момент за счет взаимодействия проводников, несущих ток, в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Различные типы электродвигателей различаются способами расположения проводников и поля, а также управлением, которое может осуществляться над механическим выходным крутящим моментом, скоростью и положением. Большинство основных видов описаны ниже.

Простейший тип асинхронного двигателя показан в поперечном сечении на рисунке. Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть соединены либо по схеме «звезда», обычно без внешнего соединения с нейтральной точкой, либо по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического железного сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены друг с другом на каждом конце ротора проводящим концевым кольцом.

Основу работы асинхронного двигателя можно разработать, если сначала предположить, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику электропитания и что в обмотках статора протекает набор из трех синусоидальных токов формы, показанной на рисунке.

На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля в воздушном зазоре машины в течение шести мгновений цикла. Для простоты показана только центральная петля проводника для каждой фазной обмотки. В данный момент t ₁ на рисунке ток в фазе a является максимальным положительным, а в фазах b и c вдвое меньше отрицательного значения. Результатом является магнитное поле с примерно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу. В момент времени t ₂ на рисунке (т. е. на одну шестую цикла позже) ток в фазе c максимален, а в обеих фазах b и фазы a имеют положительное значение половины значения. Результат, как показано для t ₂ на рисунке, снова представляет собой синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60° против часовой стрелки. Изучение распределения тока для t ₃ , t ₄ , t ₅ и t ₅ и t ₆ показывает, что магнитное поле продолжает вращаться во времени. Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совместное действие трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих по трем равномерно смещенным по угловому положению статорным обмоткам, должно создавать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, зависящей от частоты электроснабжение.

Вращательное движение магнитного поля по отношению к проводникам ротора вызывает индуцирование в каждом из них напряжения, пропорционального величине и скорости поля относительно проводников. Поскольку проводники ротора замкнуты накоротко друг с другом на каждом конце, эффект будет заключаться в том, что в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны наведенному напряжению, деленному на сопротивление проводника. Картина токов ротора на момент t ₁ рисунка показан на этом рисунке. Видно, что токи приблизительно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать крутящий момент против часовой стрелки на роторе (т. е. крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение уменьшается, что приводит к пропорциональному уменьшению тока проводника ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает устойчивого значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, требуемому при этой скорости нагрузкой, без избыточного крутящего момента, доступного для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, как раз достаточно для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле при наличии токов ротора на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае возникло бы. токами ротора на рисунке. Тогда общий ток статора в каждой фазной обмотке представляет собой сумму синусоидальной составляющей, создающей магнитное поле, и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90°, чтобы обеспечить требуемую электрическую мощность. Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть периода или 90°. При номинальной нагрузке эта составляющая намагничивания обычно находится в диапазоне от 0,4 до 0,6 величины составляющей мощности.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазной сети постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичное линейное напряжение питания находится в диапазоне от 230 вольт между фазами для двигателей относительно малой мощности (например, от 0,5 до 50 киловатт) до около 15 киловольт между фазами для мощных двигателей мощностью до 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласовано со скоростью изменения во времени магнитного потока в статоре машины. Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля поддерживается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле совершает один оборот за каждый цикл частоты питания. При частоте питания 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную, чтобы индуцировать требуемое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для крутящего момента нагрузки. При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 % ниже рабочей скорости (часто называемой синхронной скоростью), при этом более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера. Эту разницу в скорости часто называют скольжением.

Другие синхронные скорости можно получить с источником постоянной частоты, создав машину с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — число полюсов (которое должно быть четное число). Данную железную раму можно намотать для любого из нескольких возможных чисел пар полюсов, используя катушки, которые охватывают угол приблизительно (360/ р )°. Крутящий момент, доступный от корпуса машины, останется неизменным, так как он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для 60-герцовых двигателей составляют 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Детали двигателя | Наука

••• tvierimaa/iStock/GettyImages

Обновлено 17 апреля 2018 г.

Автор Graham Beckett

Конструкции электродвигателей могут сильно различаться, хотя в основном они состоят из трех основных частей: ротора, статора и коммутатора. Эти три части используют силы притяжения и отталкивания электромагнетизма, заставляя двигатель постоянно вращаться, пока он получает постоянный поток электрического тока.

Основные принципы

Двигатели работают по принципу электромагнетизма. Если вы пропускаете электричество по проводу, оно создает магнитное поле. Если вы намотаете проволоку на стержень и пропустите через нее электричество, вокруг стержня возникнет магнитное поле. Один конец стержня будет иметь северный магнитный полюс, а другой — южный полюс. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, как полюса отталкиваются. Когда вы окружите этот стержень другими магнитами, стержень будет вращаться от сил притяжения и отталкивания.

Статор

Каждый электродвигатель состоит из двух основных частей: неподвижной и вращающейся. Неподвижной частью является статор. Хотя конфигурации различаются, статор чаще всего представляет собой постоянный магнит или ряд магнитов, расположенных по краю корпуса двигателя, который обычно представляет собой круглый пластиковый барабан.

Ротор

В статор вставлен ротор, обычно состоящий из медной проволоки, намотанной на ось. Когда через катушку протекает электрический ток, возникающее магнитное поле противодействует полю, создаваемому статором, и заставляет ось вращаться.

Коммутатор: основы

У электродвигателя есть еще один важный компонент — коммутатор, который находится на одном конце катушки. Представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две половины. Он меняет направление электрического тока в катушке каждый раз, когда катушка поворачивается на пол-оборота. Коммутатор периодически меняет направление тока между ротором и внешней цепью или аккумулятором. Это гарантирует, что концы катушек не будут двигаться в противоположных направлениях, и гарантирует, что ось будет вращаться в одном направлении.

Подробнее Коммутатор: магнитные полюса

Коммутатор необходим, потому что вращающийся ротор получает свое движение за счет магнитного притяжения и отталкивания между ротором и статором. Чтобы понять это, представьте, что двигатель вращается в замедленном темпе. Когда ротор вращается до точки, где южный полюс магнита ротора встречается с северным полюсом статора, притяжение между двумя полюсами останавливает вращение его дорожек. Чтобы ротор продолжал вращаться, коммутатор меняет полярность магнита, поэтому южный полюс ротора становится северным. Северный полюс ротора и северный полюс статора затем отталкивают друг друга, заставляя ротор продолжать вращаться.

Щетки и клеммы

На одном конце двигателя находятся щетки и клеммы.