устройство, принцип работы и классификация

Вокруг активно говорят про электокары, но двигатель внутреннего сгорания (ДВС) никуда не исчезает. Почему? О принципе работы и конструкции двигателей внутреннего сгорания, плюсах и минусах ДВС – в нашем материале.

Что такое ДВС?

ДВС (двигатель внутреннего сгорания) – один из самых популярных видов моторов. Это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри него самого – во внутренней камере. Дополнительные внешние носители не требуются.

ДВС работает  благодаря физическому эффекту теплового расширения газов. Горючая смесь в момент воспламенения смеси увеличивается в объёме, и освобождается энергия.

Вне зависимости от того, о каком из ДВС идёт речь – о ДВС с искровым зажиганием – двигателе Отто (это, прежде всего, инжекторный и карбюраторный бензиновые двигатели) или о ДВС с воспламенением от сжатия (дизельный мотор, дизель) сила давления газов воздействует на поршень ДВС. Без поршня сложно представить большинство современных ДВС.

В том числе, он есть даже у комбинированного ДВС. Только в последнем, кроме поршня, мотору работать помогает ещё и лопаточное оборудование (компрессоры, турбины).

Бензиновые, дизельные поршневые ДВС – это двигатели, с которыми мы активно встречаемся на любом транспорте, в том числе легковом, а ДВС, работающие не только за счёт поршня, но и за счёт компрессора, турбины – это решения, без которых сложно представить современные суда, тепловозы, автотракторную технику, самосвалы высокой грузоподъёмности, т.е. транспорт, где нужны двигатели средней (> 5 кВт) или высокой мощности (> 100 кВт).

Без двигателя внутреннего сгорания невозможно представить движение практически любого транспорта (кроме электрического) – автомобилей, мотоциклов, самолётов.

• Несмотря на то, что технологии, в том числе, в транспортной сфере, развиваются семимильными шагами, ДВС на авто человечество будет устанавливать еще долго. Даже концерн Volkswagen, который, как известно, готовит масштабную программу электрификации модельного ряда своих двигателей, пока не спешит отказываться от ДВС.
  Открытой является информация, что автомобили с ДВС будут выпускаться не только в ближайшие 5, но и 30 лет. Да, время разработок новых ДВС у концерна уже подходит к финальной стадии, но производство никто сворачивать не будет. Нынешние актуальные разработки будут использоваться и впредь. Некоторые же концерны по производству авто и вовсе не спешат переходить на электромоторы. Это можно обосновать и экономически, и технически. Именно ДВС из всех моторов одни из наиболее надежных и при этом дешёвых, а постоянное совершенствование моделей ДВС позволяет говорить об уверенном прогрессе инженеров, улучшении эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания и минимизации их негативного влияния на атмосферу.
• Современные дизельные двигатели внутреннего сгорания позволяют снизить расход топлива на 25-30 %. Лучше всего такое уменьшение расхода топлива смогли достигнуть производители дизельных ДВС. Но и производители бензиновых двигателей внутреннего сгорания активно удивляют. Ещё в 2012-м году назад американский концерн Transonic Combustion (разработчик так называемых сверхкритических систем впрыска топлива) впечатлил решением TSCiTM. Благодаря новому подходу к конструкции топливного насоса и инжекторам, бензиновый двигатель стал существенно экономичней.
• Большие ставки на ДВС делает и концерн Mazda. Он акцентирует внимание на изменении конструкции выпускной системы. Благодаря ей улучшена продувка газов, повышена степень их сжатия, а, вместе с тем, снижены и обороты  (причём сразу на 15%). А это и экономия расхода топлива, и уменьшение вредных выбросов – несмотря на то, что речь идёт о бензиновом двигателе, а не о дизеле.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

При разнообразии конструктивных решений устройство у всех ДВС схоже. Двигатель внутреннего сгорания образован следующими компонентами:

1. Блок цилиндров. Блоки цилиндров – цельнолитые детали. Более того, единое целое они составляют с картером (полой частью). Именно на картер ставят коленчатый вал). Производители запчастей постоянно работают над формой блока цилиндров, его объемом. Конструкция блока цилиндров ДВС должна чётко учитывать все нюансы от механических потерь до теплового баланса.
2. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) – узел, состоящий из шатуна, цилиндра, маховика, колена, коленвала, шатунного и коренного подшипников. Именно в этом узле прямолинейное движение поршня преобразуется непосредственно во вращательное. Для большинства традиционных ДВС КШМ – незаменимый механизм. Хотя ряд инженеров пытаются найти замену и ему. В качестве альтернативы КШМ может рассматриваться, например, система кинематической схемы отбора мощности (уникальная российская технология, разработка научных сотрудников из «Сколково», направленная на погашение инерции, снижение частоты вращения, увеличение крутящего момента и КПД).
3. Газораспределительный механизм (ГРМ). Присутствует у четырехтактных двигателей (что это такое, ещё будет пояснено в блоке, посвященном принципу работы ДВС). Именно от ГРМ зависит, насколько синхронно с оборотами коленчатого вала работает вся система, как организован впрыск топливной смеси непосредственно в камеру, под контролем ли выход из нее продуктов сгорания.
   

   Основным материалом для производства ГРМ выступает кордшнуровая или кордтканевая резина. Современное производство постоянно стремится улучшить состав сырья для оптимизации эксплуатационных качеств и повышения износостойкости механизма. Самые авторитетные производители ГРМ на рынке – Bosch, Lemforder, Contitech (все – Германия), Gates (Бельгия) и Dayco (США).

   Замену ГРМ проводят через каждые 60000 — 90 000 км пробега. Всё зависит от конкретной модели авто (и регламента на неё) и особенностей эксплуатации машины.

   Привод газораспределения нуждается в систематическом контроле и обслуживании. Если пренебрегать такими процедурами, ДВС может быстро выйти из строя.

4. Система питания. В этом узле осуществляется подготовка топливно-воздушной смеси: хранение топлива, его очистка, подача в двигатель.
5. Система смазки. Главные компоненты системы – трубки, маслоприемник, редукционный клапан, масляный поддон и фильтр. Для контроля системы современные решения также оснащаются датчиками указателя давления масла и датчиком сигнальной лампы аварийного давления. Главная функция системы – охлаждение узла, уменьшение силы трения между подвижными деталями. Кроме того, система смазки  выполняет очищающую функцию, освобождает двигатель от нагара, продуктов, образованных в ходе износа мотора.
6. Система охлаждения. Важна для оптимизации рабочей температуры. Включает рубашку охлаждения, теплообменник (радиатор охлаждения), водяной насос, термостат и теплоноситель.
7. Выхлопная система. Служит для отвода от мотора продуктов сгорания.
   Включает:
   — выпускной коллектор (приёмник отработанных газов),
   — газоотвод (приёмная труба, в народе- «штаны»),
   — резонатор для разделения выхлопных газов и уменьшения их скорости,
   — катализатор (очиститель) выхлопных газов,
   — глушитель (корректирует направление потока газов, гасит шум).
8. Система зажигания
   . Входит в состав только бензодвигателей. Неотъемлемые компоненты системы – свечи и катушки зажигания. Самый популярный вариант конструкции – «катушка на свече». У двигателей внутреннего сгорания старого поколения также были высоковольтные провода и трамблер (распределитель). Но современные производители моторов, прежде всего, благодаря появлению конструкции «катушка на свече», могут себе позволить не включать в систему эти компоненты.
9. Система впрыска. Позволяет организовать дозированную подачу топлива.

В LMS ELECTUDE системе и времени впрыска уделяется особое внимание. Любой автомеханик должен понимать, что именно от исправности системы впрыска, времени впрыска зависит способность оперативно изменять скорость движения авто. А это одна из важнейших характеристик любого мотора.

Тонкий нюанс! При изучении устройства нельзя проигнорировать и такой элемент, как датчик положения дроссельной заслонки. Датчик не является частью ДВС, но устанавливается на многих авто непосредственно рядом с ДВС.

 

Датчик эффективно решает такую задачу, как передача электронному блоку управления данных о положении пропускного клапана в определенный интервал времени. Это позволяет держать под контролем поступающее в систему топливо. Датчик измеряет вращение и, следовательно, степень открытия дроссельной заслонки.

А изучить устройство мотора основательно помогает дистанционный курс для самообучения «Базовое устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля», на платформе ELECTUDE. Принципиально важно, что каждый может пошагово продвинуться от теории, связанной с ДВС и его составными частями, до оттачивания сервисных операций по регулировке. Этому помогает встроенный LMS виртуальный симулятор.

Принцип работы двигателя

Принцип работы классических двигателей внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии вспышки топлива — тепловой энергии, освобождённой от сгорания топлива, в механическую.

При этом сам процесс преобразования энергии может отличаться.

Самый распространённый вариант такой:

1. Поршень в цилиндре движется вниз.
2. Открывается впускной клапан.
3. В цилиндр поступает воздух или топливно-воздушная смесь. (под воздействием поршня или системы поршня и турбонаддува).
4. Поршень поднимается.
5. Выпускной клапан закрывается.
6. Поршень сжимает воздух.
7. Поршень доходит до верхней мертвой точки.
8. Срабатывает свеча зажигания.
9. Открывается выпускной клапан.
10. Поршень начинает двигаться вверх.
11. Выхлопные газы выдавливаются в выпускной коллектор.

Важно! Если используется дизельное топливо, то искра не принимает участие в запуске двигателя, дизельное топливо зажигается при сжатии само.

При этом для понимания принципа работы важно не просто учитывать физическую последовательность, а держать под контролем всю систему управления. Наглядно понять её помогает схема учебного модуля ELECTUDE. 

Обратите внимание, в дистанционных курсах обучения на платформе ELECTUDE при изучении системы управления дизельным двигателем она сознательно разбирается обособленно от системы регулирования впрыска топлива. Очень грамотный подход. Многим учащимся действительно сложно сразу разобраться и с системой управления, и с системой впрыска. И для того, чтобы хорошо усвоить материал, грамотно двигаться именно пошагово.

Но вернёмся к работе самого двигателя. Рассмотренный принцип работы актуален для большинства ДВС, и он надёжен для любого транспорта, включая грузовые автомобили.

Фактически у устройств, работающих по такому принципу, работа строится на 4 тактах (поэтому большинство моторов называют четырёхтактными):

1. Такт выпуска.
2. Такт сжатия воздуха.
3. Непосредственно рабочий такт – тот самый момент, когда энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую (для запуска коленвала).
4. Такт открытия выпускного клапана – необходим для того, чтобы отработанные газы вышли из цилиндра и освободили место новой порции смеси топлива и воздуха

4 такта образуют рабочий цикл.

При этом три такта – вспомогательные и один – непосредственно дающий импульс движению. Визуально работа четырёхтактной модели представлена на схеме.

Но работа может основываться и на другом принципе – двухтактном. Что происходит в этом случае?

• Поршень двигается снизу-вверх.
• В камеру сгорания поступает топливо.
• Поршень сжимает топливно-воздушную смесь.
• Возникает компрессия. (давление).
• Возникает искра.
• Топливо загорается.
• Поршень продвигается вниз.
• Открывается доступ к выпускному коллектору.
• Из цилиндра выходят продукты сгорания.

То есть первый такт в этом процессе – одновременный впуск и сжатие, второй — опускание поршня под давлением топлива и выход продуктов сгорания из коллектора.

Двухтактный принцип работы – распространённое явление для мототехники, бензопил. Это легко объяснить тем, что при высокой удельной мощности такие устройства можно сделать очень лёгкими и компактными.

Важно! Кроме количества тактов есть отличия в механизме газообмена.

В моделей, которые поддерживают 4 такта, газораспределительный механизм открывает и закрывает в нужный момент цикла клапаны впуска и выпуска.

У решений, которые поддерживают два такта, заполнение и очистка цилиндра осуществляются синхронно с тактами сжатия и расширения (то есть непосредственно в момент нахождения поршня вблизи нижней мертвой точки).

Классификация двигателей

Двигатели разделяют по нескольким параметрам: рабочему циклу, типу конструкции, типу подачи воздуха.

Классификация двигателей в зависимости от рабочего цикла

В зависимости от цикла, описывающего термодинамический (рабочий процесс), выделяют два типа моторов: 

1. Ориентированные на цикл Отто. Сжатая смесь у них воспламеняется от постороннего источника энергии. Такой цикл присущ всем бензиновым двигателям.
2. Ориентированные на цикл Дизеля. Топливо в данном случае воспламеняется не от искры, а непосредственно от разогретого рабочего тела. Такой цикл лежит в основе работы дизельных двигателей.

Чтобы работать с современными дизельными моторами, важно уметь хорошо разбираться в системе управлениям дизелями EDC (именно от неё зависит стабильное функционирование предпускового подогрева, системы рециркуляции отработанных газов, турбонаддува), особенностях системы впрыска Common Rail (CRD), механических форсунках, лямбда-зонда, обладать навыками взаимодействия с ними.

А для работы с агрегатами, работающими по циклу Отто, не обойтись без комплексного изучения свечей зажигания, системы многоточечного впрыска. Важно отличное знание принципов работы датчиков, каталитических нейтрализаторов.

И изучение дизелей, и бензодвигателей должно быть целенаправленным и последовательным. Рациональный вариант – изучать дизельные ДВС в виде модулей.

Классификация двигателей в зависимости от конструкции

• Поршневой. Классический двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом. При работе принципа ДВС рассматривалась как раз такая конструкция. Ведь именно поршневые ДВС стоят на большинстве современных автомобилей.
• Роторные (двигатели Ванкеля). Вместо поршня установлен трехгранный ротор (или несколько роторов), а камера сгорания имеет овальную форму. У них достаточно высокая мощность при малых габаритах, отлично гасятся вибрации. Но производителям невыгодно выпускать такие моторы. Производство двигателей Ванкеля дорогостоящее, сложно подстроиться под регламенты выбросов СО2, обеспечить агрегату большой срок службы. Поэтому современные мастера СТО при ремонте и обслуживании с такими автомобилями встречаются крайне редко. Но знать о таких двигателях также очень важно. Может возникнуть ситуация, что на сервис привезут автомобили Mazda RX-8. RX-8 (2003 по 2012 годов выпуска) либо ВАЗ-4132, ВАЗ-411М. И у них стоят именно роторные двигатели внутреннего сгорания.

Классификация двигателей по принципу подачи воздуха

Подача воздуха также разделяет ДВС на два класса:

1. Атмосферные. При движении поршня мотор затягивает порцию воздуха. Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.
2. Турбокомпрессорные. Организована дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания.

Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.

Атмосферные системы активно встречаются как среди дизельных, так и бензиновых моделей. Турбокомпрессорные ДВС – в большинстве своём, дизельные двигатели. Это связано с тем, что монтаж турбонаддува предполагает достаточно сложную конструкцию самого ДВС. И на такой шаг готовы пойти чаще всего производители авто премиум-класса, спорткаров. У них установка турбокомпрессора себя оправдывает. Да, такие решения более дорогие, но выигрыш есть в весе, компактности, показателе крутящего момента, уровни токсичности. Более того! Выигрыш есть и в расходе топлива. Его требуется существенно меньше.

Очень часто решения с турбокомпрессором выбирают автовладельцы, которые предпочитают агрессивный стиль езды, высокую скорость.

Преимущества ДВС

1. Удобство. Достаточно иметь АЗС по дороге или канистру бензина в багажнике – и проблема заправки двигателя легко решаема. Если же на машине установлен электромотор, зарядка доступна пока ещё не во всех местах.
2. Высокая скорость заправки двигателя топливом.
3. Длительный ресурс работы. Современные двигатели внутреннего сгорания легко работают в заявленный производителем период (в среднем 100-150 тыс. км. пробега), а некоторые и 300-350 тыс. км пробега. Впрочем, мировой рекордсмен – пробег и вовсе ~4 800 000 км. И здесь нет лишних нулей. Такой рекорд установлен на двигателе Volvo» P1800. Единственное, за время работы двигатель два раза проходил капремонт.
4. Компактность. Двигатели внутреннего сгорания существенно компактнее, нежели двигатели внешнего сгорания.

Недостатки ДВС

При использовании двигателя внутреннего сгорания нельзя организовать работу оборудования по замкнутому циклу, а, значит, организовать работу в условиях, когда давление существенно превышает атмосферное.

Большинство ДВС работает за счёт использования невозобновляемых ресурсов (бензина, газа). И исключение – машины, работающие на биогазе, этиловом спирте (на практике встречается редко, так как при использовании такого топлива невозможно добиться высоких мощностей и скоростей).

Существует тесная зависимость работы ДВС от качества топлива. Оно должно обладать определённым определенным цетановым и октановым числами (характеристиками воспламеняемости дизельного топлива, определяющими период задержки горения рабочей смеси и детонационной стойкости топлива), плотностью, испаряемостью.

Автомеханики называют ДВС сердцем авто, инженеры модернизируют ГРМ, а производители бензина не беспокояться о том, что все перейдут на электротранспорт.

4х и 2х такт двс

Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания

В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленвала за два основных такта. У двигателей такого типа отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60…70%.

2-х тактный ДВС Двигатель состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндра. Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит с помощью топливной смеси, в которое подмешано необходимое количество масла. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно выдерживать высокие температуры и сгорая вместе с топливом оставлять минимум зольных отложений.

Принцип работы. Весь рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта

1. Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки поршня (в этом положении поршень находится в нижней мертвой точке, далее это положение называем сокращенно НМТ) к верхней мертвой точке поршня ( далее ВМТ), перекрывая сначала продувочное , а затем выпускное окна. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочные окна , под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и приоткрытый клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает высокое давление в кривошипной камере (сжимая топливо-воздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор.

Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

Принцип зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движения поршня, тем раньше должно быть зажигание, потому-что поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Практически у мотороллеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты.

Преимущества двухтактных двигателей:

• Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения

• Большая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма

• Проще и дешевле в изготовлении

• Меньший вес

Недостатки:

1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадинную силу, для четырёхтактного 200 грамм.

2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.

3. Комфорт. Четырёхтактные тактные двигатели не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и двух и четырёхтактные вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как двухтактные.

4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что двухтактные двигатели менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от четырёхтактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны четырёхтактный двигатель по конструкции намного сложнее конкурента, состоит значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики “Чем проще тем надежнее” еще никто не отменял.

Четырех тактный двигатель, устройство и принцип работы

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

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

В карбюраторном четырёхтактном двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя

Такт впуска

В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.

4-х тактный ДВС Такт сжатия

Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.

Такт расширения, или рабочий ход

Незадолго до конца цикла сжатия топливо-воздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

Такт выпуска

После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочий цикл дизельного двигателя

Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из–за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспылённое топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска

При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух.

Такт сжатия

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.

Такт расширения, или рабочий ход

При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.

Такт выпуска

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показано работу реального двигателя, камера встроена в цилиндр двс

Цикл Отто: Как работает двигатель?

Что такое цикл Отто? Вы слышали это раньше? Нас окружают двигатели: в автомобилях и мотоциклах, на лодках и, конечно же, в самолетах. Но как они работают? А в случае с нашими самолетами, как работает двигатель внутреннего сгорания?

Здесь вступает в действие цикл Отто, процесс, по которому работает большинство двигателей внутреннего сгорания. Но прежде чем мы увлечемся, вот обучающее видео, в котором визуально резюмируется то, что мы собираемся объяснить. Наслаждаться!

Содержание

• Что такое цикл Отто?
• Диаграмма четырехтактного двигателя Otto Cycle
  • Прием
  • Сжатие
  • Расширение
  • Escape
• Двухтактный цикл Otto против FOUR-STRIKE
• EFFICIONGINAITION
• Formula For For Power in otto
• . Цикл
• Цикл Аткинсона против Цикла Отто
• Николаус Отто, изобретатель двигателя внутреннего сгорания
  • Роль Альфонса Бо де Роша
• Вас может заинтересовать…
  • Какое топливо используют самолеты?
  • Что такое синдром смены часовых поясов: симптомы, причины и способы предотвращения
  • Богоматерь Лорето, покровительница авиации
  • Цикл Отто: как работает двигатель?
  • Грузовой отсек коммерческих самолетов
  • Что такое закрылки в самолете?

Что такое цикл Отто?

Цикл Отто — термодинамический процесс , используемый в двигателях внутреннего сгорания с электроискровым зажиганием .

Причина этого названия связана со всей энергией, вырабатываемой двигателем, которая берет свое начало во внутренней камере, предназначенной для этого.

Этот цикл был изобретен немецким инженером Николаусом Отто и используется с 1876 года, чуть более 145 лет.

В рамках цикла Отто мы можем найти два типа двигателей: четырехтактный и двухтактный . Эта разница основана на количестве оборотов коленчатого вала; но не волнуйтесь, мы предоставим вам подробную информацию об этом в следующих строках.

Схема четырехтактного двигателя с циклом Отто

Схема цикла Отто основана на четырех фазах, соответствующих четырем процессам, которые он выполняет для выработки энергии. Они следующие:

Впуск

На этом этапе движение поршня вниз внутри цилиндра позволяет топливно-кислородной смеси поступать в . Впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт.

Кроме того, топливо поступает в цилиндр не в жидком, а в газообразном состоянии. Это значительно улучшает его характеристики горения.

Сжатие

Как только поршень достигает нижней части цилиндра, оба клапана закрываются, и поршень начинает свой ход вверх.

Чем выше степень сжатия двигателя, тем больше вырабатываемая мощность.

Расширение

При достижении верхней части цилиндра также достигается максимальное давление. В этой фазе оба клапана закрыты; это единственная фаза, на которой производится работа.

В двигателях с циклом Отто искра генерируется свечой зажигания ; тогда как в дизельных двигателях смесь воспламеняется из-за высокой температуры и давления, возникающих при сжатии.

После сгорания смеси поршень начинает свой ход вниз с высокой скоростью.

Побег

Это последний процесс цикла Отто. Цилиндр снова движется вверх, и на этот раз выпускной клапан открыт, выталкивая газы, образующиеся при сгорании.

Как только поршень достигает верхней части цилиндра, выпускной клапан закрывается, и снова начинается фаза впуска.

Двухтактный цикл Отто против четырехтактного

Как мы уже упоминали, существуют также двухтактные двигатели цикла Отто. Давайте посмотрим, чем они отличаются от 4-тактных.

Прежде всего следует помнить, что каждый раз, когда поршень перемещается внутри цилиндра, коленчатый вал поворачивается на 180º .

В 4-тактные двигатели , поршень делает четыре полных хода, поэтому коленчатый вал сделает два полных оборота.

Однако в 2-тактном двигателе процесс существенно меняется; процесс сокращен до двух фаз вместо четырех.

В этом типе двигателя процессы впуска и сжатия осуществляются вместе, а также процессы сгорания и выпуска. Это приводит к тому, что количество ходов поршня внутри цилиндра уменьшается вдвое, и коленчатый вал совершает только один оборот вместо двух.

Двухтактные двигатели — это двигатели , используемые в небольших мотоциклах или подвесных двигателях.

Эффективность цикла Отто

Вы уже знаете, что цикл Отто — это процесс, посредством которого работают двигатели внутреннего сгорания; это потому, что они производят большую мощность с хорошим КПД.

Для того чтобы двигатель с циклом Отто работал с полной производительностью, должно быть сбалансированное соотношение между воздухом и топливом , поступающим в двигатель.

Это соотношение называется лямбда коэффициент и его стехиометрическое соотношение, которое считается наиболее точным, это 14,7 частей воздуха на 1 часть топлива.

Вот почему, когда мы поднимаемся в самолете, мы должны уменьшить количество смеси.

Формула мощности в цикле Отто

Формула, объясняющая работу двигателей с циклом Отто, представлена ​​ниже:

𝞢 Работа = W1-2 + W 3-4 = (U2-U1) + (U4- U3) = +4 -5 = -1

Важно иметь в виду, что единственный процесс, в котором генерируется работа, это процесс развёртывания ; другие шаги вычитают энергию. Это показано в формуле произведенной работы, в которой каждый знак минус указывает на потерю энергии.

Еще один фактор, который следует учитывать, заключается в том, что чем выше степень сжатия двигателя, тем выше вырабатываемая мощность. Степень сжатия – это уменьшение объема внутри цилиндра от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки.

И да, мы знаем, о чем вы думаете. Это немного сбивает с толку. Но давайте сравним с чем-нибудь попроще:

Представьте себе, что вы берете шприц и наполняете его воздухом до отметки 10. Если вы закроете впускное отверстие и приложите усилие к поршню, пока не достигнете отметки 1, вы достигнете степени сжатия 10. Так проще, верно?

Цикл Аткинсона по сравнению с циклом Отто

Цикл Аткинсона становится очень популярным в конструкции гибридных транспортных средств , так как он обеспечивает высокую эффективность и низкий расход топлива.

Основное различие между циклом Отто и циклом Аткинсона заключается в том, что в цикле Аткинсона впускной клапан закрывается позже, снижая компрессию.

Кроме того, после завершения цикла внутри цилиндра давление становится равным атмосферному давлению; тогда как в двигателях с циклом Отто это давление намного выше.

В целом можно сказать, что двигатели Atkinson имеют меньший расход топлива, а также более длительный срок службы из-за более низкой степени сжатия. Однако они генерируют значительно меньшую мощность, чем двигатель с циклом Отто.

Николаус Отто, изобретатель двигателя внутреннего сгорания

Николаус Отто родился в Кельне 10 июня 1832 года. Этот немецкий изобретатель вошел в историю как один из самых важных инженеров для развития человечества, ведь в 1872 году , он впервые материализовал четырехтактный двигатель.

Несмотря на отсутствие солидного образования, Отто стал известен в 1864 году , когда вместе с Ойгеном Лангеном он основал первый в мире завод по производству двигателей, NA Otto & Cie.

На личном уровне Николаус Отто был отцом Густава Отто, соучредителя BMW вместе с Карлом Раппом в 1917 году.

Роль Альфонса Бо де Роша

Как это обычно бывает при больших авансах, иногда бывают расхождения по поводу авторства и, как не могло быть иначе, с двигателями цикла Отто то же самое дело случилось. Иногда не так просто определить автора в одном лице; иногда прорыв является результатом нескольких вех разных людей.

Двигатель цикла Отто был разработан на бумаге французским изобретателем Альфонсом Бо де Роша в 1862 году , хотя двигатель с такими характеристиками был построен лишь 4 года спустя.

За его строительство отвечал немец Николаус Август Отто, который в 1866 году построил первый двигатель внутреннего сгорания , не зная об изобретении Бо де Роша.

После серии судебных исков Отто должен был финансово компенсировать Бо де Роша за плагиат, и хотя он получил очень изрядную сумму, нет никаких сомнений в том, кто на самом деле взял на себя ответственность за это.

Вас может заинтересовать…

Какое топливо используют самолеты?

26 января 2023 г./by Rosa

Что такое синдром смены часовых поясов: симптомы, причины и способы предотвращения

20 января 2023 г./by Rosa

Богоматерь Лорето, покровительница авиации

10 декабря , 2022/by Rosa

Цикл Отто: как работает двигатель?

…

26 октября 2022 г. /by Rosa

Грузовой отсек коммерческих самолетов

…

24 октября 2022 г./by Rosa

Что такое закрылки в самолете?

13 октября 2022 г./by Rosa

Цикл четырехтактного двигателя (анимированный) Объяснение

Введение

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания (ВС) используются уже более 100 лет, и их конструкция существенно не изменилась с этого времени. Каждый из четырехтактных двигателей тактов используется для одной стадии цикла сгорания , т.е. имеется по одному такту для каждой из стадий всасывания, сжатия, мощности и выхлопа.

 

Анимация четырехтактного двигателя

По сравнению с двухтактными двигателями четырехтактные двигатели имеют больше компонентов и весят больше, но они более эффективны. Четырехтактные двигатели могут работать на различных видах топлива, включая бензин/бензин , дизель , газ ( метан ) и биомасла (чтобы назвать несколько типов топлива).

 

Компоненты четырехтактного двигателя

Конструкции четырехтактных двигателей различаются, поэтому количество и тип компонентов, используемых в каждой конструкции, также различаются. Например, в двигателях с общей топливной рампой используются другие детали двигателя по сравнению с двигателями без общей топливной рампы.

Компоненты четырехтактного двигателя

Нравится эта статья? Тогда обязательно ознакомьтесь с нашим видеокурсом «Двигатели внутреннего сгорания» ! В курсе есть тест , справочник , и вы получите сертификат по окончании курса. Наслаждаться!

Общие четырехтактные компоненты двигателя включают:

1. Поршень
2. Соединительный стержень (шатун)
3. Подшипники скольжения
4. Коленчатый вал
5. Распредвал
6. Камера сгорания (гильза цилиндра)
7. Впускные клапаны и Выпускные клапаны
8. Толкатели
9. Коромысел
10. Топливные форсунки

Получите доступ к 3D-модели ниже, если вы хотите изучить все основные компоненты двигателя и некоторую терминологию двигателя.

Компоненты двигателя и терминология

Примечание: Тип двигателя, показанный в этой 3D-модели, использует непосредственный впрыск топлива с системой Common Rail 9Форсунки 0008.

Приведенное ниже видео является выдержкой из нашего онлайн-видеокурса по основам работы с двигателями внутреннего сгорания .

 

 

Четырехтактному двигателю требуется четыре такта для завершения одного цикла сгорания . Ходы:

1. Всасывание (впуск)
2. Сжатие
3. Питание (зажигание)
4. Выхлоп

Еще один способ запомнить удары и их порядок — изменить формулировку на:

Ход 1 = Всасывание (всасывание) Ход 2 = Сжатие (сжатие) Ход 3 = Сила (бах!) Ход 4 = Выпуск (выдувание)

Ход всасывания

Ход всасывания втягивает воздух в гильзу цилиндра (полость сгорания) по мере того, как поршень движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ) . Когда поршень достигает НМТ , впускные клапаны закрываются, и поршень перемещается обратно вверх к верхней мертвой точке (ВМТ) ; это такт сжатия .

Четырехтактный двигатель с TDC и BDC показал

Сток сжатия

, когда поршень движется в направлении TDC , воздух в цилиндре сжат и Reduces) и его и его Reduces) и его и его Reduces) и его ) и его Reduces) и его и его Reduces) и его Reduces) и его и его Reduces) и его Reduces ) и его ) и его Reduces) и его Reduces) и его Reduces ) и его ряд ) и его Reduces. и давление увеличивается. Незадолго до ВМТ в камеру сгорания впрыскивается топливо. Топливо воспламеняется и происходит управляемый взрыв .

График давления и объема

Рабочий ход

После зажигания начинается рабочий ход . Увеличение давления и температуры, создаваемое сгоранием , толкает поршень к НМТ. После достижения НМТ все топливо в камере сгорания сожжено, и двигатель готов к последнему такту.

Такт выпуска

Такт выпуска является четвертым и последним тактом. Поршень движется от НМТ к ВМТ и выбрасывает выхлопные газы из камеры сгорания через выпускные клапаны. Как только поршень достигает ВМТ, впускные клапаны воздуха открываются, а выпускные клапаны через короткое время закрываются (существует некоторое перекрытие клапанов , чтобы обеспечить удаление всех выхлопных газов из камеры сгорания). Цикл сгорания завершен, так как выполнены все четыре такта.

 

Двигатели с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия

В бензиновых/бензиновых двигателях для зажигания используются свечи зажигания , в то время как в дизельных двигателях используется только тепло, выделяемое при сжатии.